尼龍滑輪壽命分析

李　夢（天津市地下鐵道運營有限公司,天津　300000）

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尼龍滑輪壽命分析

李夢
（天津市地下鐵道運營有限公司,天津300000）

摘 要：中國地鐵事業(yè)蓬勃發(fā)展，在地鐵的屏蔽門中，有一個小構(gòu)件起到一個重要的作用，即安裝在滑動門中的滑輪。滑輪的質(zhì)量、壽命始終影響著地鐵的順利運營，與地鐵設(shè)備的故障率息息相關(guān)。本文利用理論推導(dǎo)的方法，推導(dǎo)出了尼龍材料滑輪的壽命。

關(guān)鍵詞：地鐵；滑輪；尼龍；材料

1　MC滑輪失效形式及原因分析

MC尼龍材料在化學(xué)上成為聚酰胺，由共價鍵和分子鍵組成，即分子內(nèi)靠共價鍵結(jié)合，分子間靠分子鍵結(jié)合。此種結(jié)構(gòu)的材料具有重量輕、耐磨、防腐，絕緣等多種優(yōu)點，是一種應(yīng)用很廣泛的工程塑料[1]。

應(yīng)用于天津地鐵2號線屏蔽門的MC尼龍滑輪，經(jīng)過一段時間的使用，會出現(xiàn)以下兩種失效形式：（1）滑輪外側(cè)邊緣磨損；（2）滑輪內(nèi)圈與軸承出現(xiàn)間隙。

出現(xiàn)以上兩種失效形式的原因，現(xiàn)做如下分析：

（1）門體不正，在運行過程中會出現(xiàn)滑輪位置不正，會造成外側(cè)磨損，滑輪內(nèi)側(cè)與軸承的作用力出現(xiàn)不同方向的空間應(yīng)力。

（2）軌道不直或者軌道面不平整，造成外側(cè)磨損。

（3）門開門關(guān)時，滑動門運動，滑動輪長時間受循環(huán)載荷，造成疲勞變形，滑輪內(nèi)輪變形，產(chǎn)生間隙。

（4）門靜止時，滑輪一直承受滑動門的重量，長時間承受固定載荷，造成蠕變變形。

（5）軸承與滑輪存在硬度差，長時間擠壓作用會產(chǎn)生形變，造成失效[2]。

2　MC滑輪壽命計算過程

MC尼龍滑輪是一種高分子結(jié)構(gòu)的工程材料，在實際工作運行中，受溫度以及載荷的作用，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變形，最終導(dǎo)致材料的破壞[3]。

（1）從溫度方面考慮：隨著環(huán)境內(nèi)溫度的變化，設(shè)備構(gòu)件的物理性能與失效的時間存在以下關(guān)系，用函數(shù)表達為:

式中，P為物理機械性能值;K為反應(yīng)速度常數(shù);τ為老化時間。

如果材料確定了，那么這種材料物理參數(shù)值P就確定了，設(shè)定拉伸和彎曲的保證值在80%以上，則臨界時間和K常數(shù)的關(guān)系為：

K常數(shù)和溫度T滿足以下關(guān)系:

其中，E是活化能；R是理想氣體常數(shù)；A、e是常數(shù)。將上述兩個公式用數(shù)學(xué)方法取對數(shù)進行處理變形，可得:

在上述所得的式子中，C是常數(shù)。根據(jù)上式可以知道，臨界時間和溫度存在類似于正比的關(guān)系 。繼續(xù)對上式進行變形處理，得到:

根據(jù)數(shù)值分析的理論，將上式中的常數(shù)a和b確定下來，就可以計算在使用工況溫度下的臨近壽命。

天津地鐵2號線基本都是地下車站，由于屏蔽門和環(huán)控的作用，滑輪所處的溫度一年四季比較穩(wěn)定，經(jīng)測量，取平均值25°，經(jīng)過查表，可得a=-2.117，b=2220，將t=25°帶入（5）中，可得τ=25.4年。取安全系數(shù)為0.6，得到安全值為20.3年。

（2）載荷對疲勞壽命分析：以上推算為考慮溫度的滑輪壽命計算，而在實際使用中，滑輪還會受到載荷的作用，它的原理是：高聚物的分子結(jié)構(gòu)在交變載荷的作用下產(chǎn)生了不可逆的分子結(jié)構(gòu)的演變和變形，機械工對分子鏈作用，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)和扭曲，形成了銀紋和剪切帶銀紋，預(yù)示著疲勞,隨著大量交變循環(huán)加載次數(shù)的積累,銀紋逐漸擴展，形成了裂紋，并急劇加寬,最終導(dǎo)致材料斷裂破壞。

本次壽命計算，是在理想環(huán)境的條件下進行壽命分析，即軌道平整，門體位置也平正。

首先考慮載荷頻率對壽命的影響：每一個滑動門上有四個滑輪，每一個滑輪分擔(dān)門重的四分之一，經(jīng)過查資料得知，一扇滑動門重量為80kg，可得一扇門的重力為：80×9.8=784 N；

然后分擔(dān)到每個滑輪上的重力為:784÷4=196 N；

滑動門的寬度為1m，即每次開關(guān)門的行程為1m，再測量滑輪的直徑為0.057m，可算出它的周長為：0.057×3.14=0.179m；

那么滑動門開一次門，滑輪需要走的圈數(shù)可以得出：1÷0.179=5.6圈；

根據(jù)行車管理部給的數(shù)據(jù)，一個月單側(cè)的跑車為4032次，可以得出每天的跑車次數(shù)為：4032÷30=134 次；

每天早晨車站會測試屏蔽門10次左右，所以每天滑動門總運動的次數(shù)為：134+10=144 次；

滑動門開關(guān)一次，滑輪走11.2圈，一天滑動門有144次開關(guān)循環(huán)，那么滑輪一天走的總?cè)?shù)為：144×5.6=806.4 圈；

滑輪每走一圈，就要受一次循環(huán)力，從而可以得到其受力頻率：806.4÷(24×3600)=0.0093 Hz；

經(jīng)過查資料，0.0093Hz這個頻率對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)接近無窮大，說明載荷的頻率很低，這里不用考慮。

（3）再次考慮壓強對壽命的影響：經(jīng)過分析，滑輪與軌道的接觸為面接觸，粗略估計其面積為：0.001.1×0.001.1=1.21×10-6m2

根據(jù)壓強公示:P=F/S=196÷1.21×10-6=161×106=161MPa

經(jīng)過查表可得161MPa對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為0.24×106；根據(jù)每月的循環(huán)次數(shù)4032次，可得一年的循環(huán)次數(shù)：4032×12=48384 次

那么可得此壓強下對應(yīng)的滑輪壽命為：0.24×106÷48384=4.9 年

此值為計算值，取安全系數(shù)為0.6，則安全值為2.9年。

3　結(jié)論

經(jīng)過上述壽命分析，可以得到結(jié)論，天津地鐵2號線現(xiàn)階段使用的MC尼龍材料的滑輪安全壽命在2.9年左右，這個壽命對于地鐵運營和設(shè)備故障率來講，是不利的，應(yīng)該采取各種措施來保障滑輪的正常使用。

參考文獻：

[1]崔占全,孫振國,王正品.工程材料[M].2007(07).

[2]謝紹國,朱福海.玻纖增強超韌尼龍6熱氧化壽命的評定[M].2008.

[3]劉亞慶.玻纖增強尼龍66疲勞性能的研究[D].2009.

作者簡介：李夢（1988-），男，助理工程師，主要從事：地鐵屏蔽門狀態(tài)檢修及故障診斷工作。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.207