新型金剛石鏈鋸運轉(zhuǎn)可行性研究(三)①
——鏈條磨損規(guī)律及鏈條壽命的求算

劉志環(huán),寧春旭,潘曉毅

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西 桂林541004；2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西 桂林541004；3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西 桂林541004)

1 前言

在過去的文章[1]中,我們介紹了我中心開發(fā)的一種采用齒形嚙合做無導(dǎo)板化運轉(zhuǎn)進行鋸切的新型金剛石鏈鋸,其應(yīng)用于荒料開板時,比目前現(xiàn)有其它開板工具在鋸切性能和經(jīng)濟成本方面均具有明顯的優(yōu)勢。本實驗將結(jié)合數(shù)理推導(dǎo)對該新型金剛石鏈鋸的鏈條磨損規(guī)律及鏈條壽命進行計算,并對其性能特點進行進一步[2]深入的了解,以分析該產(chǎn)品的推廣可行性。

2 鏈鋸鏈條磨損規(guī)律及鏈條壽命的求算方法

研究鏈條磨損理論,主要用于計算鏈條的的工作壽命,是設(shè)計鏈條的重要基礎(chǔ)。

2.1 鏈條傳動構(gòu)件磨損之形式和特點

鏈條破壞的重要原因：因磨損導(dǎo)致鏈節(jié)伸長而致使鏈條梗齒、脫嚙甚至斷裂。

鏈條磨損形式包括：

①銷軸磨損：隨轉(zhuǎn)速增大而增大；

②輪齒磨損；

③鏈板工作齒面磨損；

④鏈板及銷軸側(cè)面磨損：裝配不正確、切割工件時磨粒磨損等。

2.2 單位摩擦功及鏈條磨損系數(shù)的求算

首先計算齒形鏈條回轉(zhuǎn)一周,在所有銷軸中之摩擦功A：

A1：鏈板在嚙進主動及從動輪時,其銷軸中的摩擦功

式中：為摩擦力矩,kg·m；

a為回轉(zhuǎn)角,rad。

式中：δ為銷軸直徑,cm；

f為銷軸內(nèi)部之滑動摩擦系數(shù)；

m為銷軸總數(shù)；

SB為緊邊總張力；

SX為松邊總張力。

A2：同一鏈板由主動及從動輪退嚙時,其銷軸中之摩擦功：

當(dāng)

A值即為鏈鋸空轉(zhuǎn)時所消耗的功率。

計算每秒鐘內(nèi)每一銷軸中的平均單位摩擦功為：

式中：F為單個銷軸的摩擦面積,F=eδ,e為銷軸長度,δ為銷軸直徑,單位為cm；

T為鏈條回轉(zhuǎn)一周所用的時間為鏈條節(jié)距,cm,v為鏈條線速度,m/s；

又為速比,其中P為鏈條所傳動之力。

上式中除摩擦系數(shù)f外,其它值均可求得,故常計算磨損系數(shù)k：

代入新型鏈鋸參數(shù)：SB=170.5kg,SX=70.75kg,i=1,v=30m/s,e=0.42cm,m=126個,p=3.175,z=51個,可計算出其磨損系數(shù)k值為：

又有研究發(fā)現(xiàn),鏈節(jié)平均伸長量Δt與鏈條磨損系數(shù)k的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 鏈節(jié)伸長量與磨損系數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between the chain link elongation and wear coefficient

由圖1可知,鏈條工作開始時,平均鏈節(jié)伸長量與磨損系數(shù)k成正比例關(guān)系；當(dāng)k＞0.6～0.7時,隨著磨損系數(shù)k的增加,鏈節(jié)平均伸長量Δt也隨之急劇增加。

因此,試驗鏈鋸磨損系數(shù)很大,超過了鏈條正常磨損系數(shù)。但是對于大型設(shè)備,由于鏈節(jié)數(shù)與鏈輪次數(shù)大大增加,因此磨損系數(shù)k值可以大大降低。以Φ2100mm的兩大輪傳動為例,其鋸切石材長度為2300mm,則其鏈節(jié)總數(shù)為m=2100/31.75=504節(jié),其鏈輪齒數(shù)z=210個,其它參數(shù)與試驗機相同,即e=0.42cm,p=3.175cm,鏈條線速度為v=30m/s,其鋸切緊邊張力SB、松邊張力SX計算如下：

a.依靠螺桿推動給予鏈條之張力F0

q=0.75kg/m,l=4.4m,為使鏈鋸對石材施加相同的下壓力,在試驗機垂度為35mm時(松邊跨度l=1.1m),大型設(shè)備鏈鋸垂度f應(yīng)設(shè)置為4×35=140mm,則有：

b.因離心力作用而產(chǎn)生之鏈條張力F l

c.切削阻力Fc

由于大型設(shè)備切削石材長度是試驗機的4倍,則假設(shè)切削功率消耗為2k W×4=8k W,鏈鋸所受切削阻力大小為：

d.鏈條所受動載荷Fd

其中：n為鏈輪轉(zhuǎn)速270rpm；

m為鏈條緊邊的質(zhì)量,m=0.75kg/m×4.4m=3.32kg；

ψ為計及鏈條伸縮性及垂度影響之系數(shù)。ψ=0.5～0.75,由于視鏈條軸距而定,軸距越大,ψ值越小,故取ψ=0.5；

則有：

由此可得大型設(shè)備鏈條緊邊受力大小為：

用于切割石材鏈條松邊受力F2=F0+F l+F d=128+675+209=1012N；

非用于切割石材鏈條受力F3=F0+F l=128+675=803N

由此可知,設(shè)備越大,鏈條受力反而越小。

代入大型設(shè)備各個參數(shù)值,可得出在以Φ2100mm的兩大輪傳動時,當(dāng)其兩輪間距為4.4m的情況下,可計算出其鏈條磨損系數(shù)k值為：

因此,對于大型設(shè)備,鏈條磨損系數(shù)k遠在正常范圍之內(nèi)。且由公式可以看出,增大張緊力、增大運轉(zhuǎn)線速度都會引起磨損系數(shù)的增加；而增加銷軸長度、鏈節(jié)個數(shù)、鏈節(jié)長度及鏈輪齒數(shù)都能降低磨損系數(shù)；另外可以看出,銷軸直徑對磨損系數(shù)沒有影響；因而增大銷軸直徑是不能達到減少銷軸磨損的目的的。

磨損系數(shù)是鏈條傳動中非常重要的系數(shù),實際應(yīng)用中應(yīng)盡量減小磨損系數(shù),以減少單位摩擦功,從而減少鏈節(jié)伸長,提高鏈條使用壽命。

3 鏈條磨損規(guī)律及鏈條壽命的計算方法

研究發(fā)現(xiàn),鏈條的磨損規(guī)律如圖2所示：在鏈條開始工作時,因工作面之磨合,在某一段時間內(nèi)鏈節(jié)的伸長較大；此后,鏈節(jié)之伸長度即按其工作時間的比例削減；至銷軸表層耐磨層去除后開始破壞。在鏈節(jié)伸長度達2.5%～3%前,一般可認為鏈節(jié)伸長量Δt與使用時間T成嚴(yán)格之比例。

圖2 鏈節(jié)伸長量與時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the chain link elongation and the working time

由圖2可知,銷軸工作面磨合后,平均鏈節(jié)在穩(wěn)定條件下系按工作時間比例而伸長,因而有：

式中：Δtφ為為平均鏈節(jié)允許伸長極限；

T為鏈條壽命；

h為鏈條開始因銷軸工作面磨合而產(chǎn)生的附加平均鏈節(jié)伸長度；

Δt0為經(jīng)任意一定時間T0后不計及工作面磨合的平均鏈節(jié)伸長度。

由式6可以推出如下公式：

若已知工作一定時間T0時鏈節(jié)的平均伸長量Δt0,可由式①計算出鏈條的壽命；計算出鏈條壽命后,可根據(jù)式②求算出經(jīng)過一定時間后鏈條的平均伸長量。

4 節(jié)塊與鏈條磨損實驗

由于實驗時間有限,試驗機鋸切石材不多,金剛石節(jié)塊實驗前后基本沒有消耗,而無法計算節(jié)塊壽命。但是由鏈鋸節(jié)塊結(jié)構(gòu)本身可以決定其工作壽命可大大超過金剛石繩鋸,這種優(yōu)勢是不言而喻的,因此,亦可暫時不做節(jié)塊磨損實驗。已知φ10.5、33串/m軟質(zhì)大理石荒料整形用金剛石繩鋸平均單位壽命為35m2/m,可通過下面的公式估算新型金剛石鏈鋸單位壽命：

繩鋸每米串珠體積/繩鋸每米鋸切面積=鏈鋸每米節(jié)塊體積/鏈鋸每米鋸切面積

即新型金剛石鏈鋸節(jié)塊的單位壽命為56m2/m,是一般金剛石繩鋸的1.6倍。

鏈條壽命實驗與鋸切石材平方數(shù)無關(guān),只與其運行時間有關(guān),其運行時間包括鋸切時間和空轉(zhuǎn)時間,故可做實驗。

4.1 實驗?zāi)康?/h3>

測試鏈條在一定時間內(nèi)的鏈節(jié)平均伸長量及鏈寬與銷軸磨損量,從而推算鏈條使用壽命。

4.2 實驗方法

在鏈條運行3h后使鏈條渡過磨合期,再將鏈條取下,采用材料萬能試驗機將若干節(jié)鏈條豎直拉緊,拉緊力保持在500N,然后用卷尺測量17節(jié)鏈條的長度L1,共測量4段,并求總長度的平均值；再使鏈條運行20h后,使用相同的方法測量17節(jié)鏈條的長度L2,求其平均值。則工作T0=20h后鏈條單

則鏈條壽命可用下面的公式計算：

其中Δtφ為平均鏈節(jié)允許伸長極限Δtφ=1.59mm,Δt t為鏈條工作時最大彈性伸長量,由后面的鏈條拉伸實驗可知Δt t=0.09mm。則有,鏈條的實驗機鏈條壽命計算公式為：

4.3 實驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)果見表1

表1 鏈條拉伸實驗結(jié)果Table 1 Tensile experiment of the chain

由此可知,鏈條工作20h后平均伸長量為：

則可計算出鏈條壽命為：

以安全系數(shù)為85%計算,鏈條工作壽命為345×85%=293h,則每米鏈條使用壽命為：293/4=73h/m,每米鏈條最高使用壽命為86h/m。

以鋸切大理石效率為5.5m2/h計算,每米鏈條鋸切面積為5.5×73=365m2/m,每米鏈條最高鋸切面積為474m2/m。以鏈鋸節(jié)塊單位壽命為56m2/m計算,鏈條安全復(fù)焊次數(shù)為6次,最高可復(fù)焊8次。若大批量生產(chǎn),鏈條單位成本為63元/m,則鏈條的鋸切單位成本為63/365=0.17元/m2；金剛石節(jié)塊的單位成本為152.5元/m,則金剛石節(jié)塊的單位成本為152.5/56=2.72元/m2,金剛石鏈鋸工具總鋸切成本為2.89元/m2。而用于鋸切大理石的金剛石繩鋸單位鋸切成本為8～10元/m2,因此,金剛石鏈鋸的鋸切單位成本是很低的。

參考文獻：

[1] 劉志環(huán),等.荒料開板工具存在的問題及新型工具的研制[J].超硬材料工程,2008(2)：22-26.

[2] 劉志環(huán),等.新型金剛石鏈鋸鋸切試驗研究[J].超硬材料工程,2009(3)：34-38.

[3] [蘇]伏羅別耶夫.鏈條傳動[M].