基于精細(xì)陶瓷在混凝土攪拌機(jī)軸端密封上應(yīng)用的可行性及耐久性研究

郭首君，莫勁風(fēng)，王 瑞，吳斌興

（中聯(lián)重科股份有限公司國家混凝土機(jī)械工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410205）

混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的主要作用是阻止攪拌筒內(nèi)的水泥砂漿通過攪拌軸與攪拌機(jī)筒壁之間的間隙泄露到攪拌筒體外［1］，其密封性能的好壞直接影響著攪拌機(jī)的軸頭、主軸的壽命和混凝土的質(zhì)量。轉(zhuǎn)轂作為軸端密封裝置的關(guān)鍵密封件，受密封介質(zhì)的特殊性、工作環(huán)境的惡劣性、現(xiàn)有技術(shù)的局限性等因素影響，對其提出了更為苛刻的性能要求。

（1）密封介質(zhì)的特殊性。混凝土是由水泥、砂、石和水等按比例配比后經(jīng)攪拌而成。其中，水泥中的固體顆粒大小一般在10~100μm，并且還夾雜著各種粒徑、各種外形的細(xì)小砂子顆粒，這些固體顆粒普遍較硬［2］，均具有磨料特性。

（2）工作環(huán)境的惡劣性。一方面，攪拌機(jī)在生產(chǎn)混凝土過程中，流態(tài)水泥砂漿在攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)推進(jìn)下，砂漿中的細(xì)砂、水泥及粉煤灰顆粒一旦進(jìn)入到密封件的接觸表面之間，其產(chǎn)生的研磨和切削作用就會像微型刃具，劃傷密封件的接觸表面，急劇加快轉(zhuǎn)轂的磨損速率；另一方面，合金鋼組織中存在大量金屬化合物，與混凝土材料中的液體組成腐蝕原電池，轉(zhuǎn)轂表面被電化學(xué)腐蝕，硬化層被破壞。

（3）現(xiàn)有技術(shù)的局限性。目前行業(yè)內(nèi)轉(zhuǎn)轂主要采用合金鋼進(jìn)行淬火或滲氮的處理工藝，這種材料經(jīng)熱處理工藝后，獲得的表面硬度不到2 mm。在磨粒磨損和電化學(xué)腐蝕雙重作用下，合金鋼材質(zhì)轉(zhuǎn)轂的壽命較低。因此，如何有效提升轉(zhuǎn)轂的使用壽命是攪拌機(jī)軸端密封性能優(yōu)化亟需重點攻克的難題。

1 研究思路確定

為開發(fā)新型耐磨材料及加工成形工藝，研發(fā)設(shè)計小組通過查閱大量文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)精細(xì)陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高耐磨性、低密度（輕量化）、耐熱性、耐腐蝕性等優(yōu)良性能［3-4］，但其脆性大、延性低且難加工；同時，一般是由粉末成型后在高溫下燒結(jié)而成，因此，對形狀復(fù)雜和大型構(gòu)件難于制造［5］，結(jié)合轉(zhuǎn)轂的實際運行工況，靠單純改變與優(yōu)化轉(zhuǎn)轂材質(zhì)以提升軸端密封的耐久性并不可行。

目前常規(guī)轉(zhuǎn)轂采用的合金鋼材料，雖存在使用壽命不高、易磨損的問題，但其優(yōu)點是韌性好，機(jī)加工性能好，可以通過調(diào)整熱處理工藝，獲得寬范圍的硬度與韌性相匹配的綜合力學(xué)性能［6］。因此，為了進(jìn)一步提高密封件的服役性能，解決單一材料硬度與韌性之間的矛盾。本文將從復(fù)合化方向發(fā)展，既要保留合金鋼材料好韌性，又賦予精細(xì)陶瓷材料的高耐磨性，提出精細(xì)陶瓷與合金鋼配對選取，采用復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂以提高軸端密封耐久性的新構(gòu)想。

2 實施方案與評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

開發(fā)精細(xì)陶瓷和合金鋼復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂，使得軸端密封裝置壽命提升100%以上，達(dá)到25萬罐次（現(xiàn)有攪拌機(jī)軸端密封壽命一般為10萬罐次［7］），從而全面提升混凝土攪拌機(jī)的軸端密封的耐久性。

為確保攪拌機(jī)軸端密封壽命提升100%以上，達(dá)到25萬罐次的優(yōu)化目標(biāo)，具體可通過以下兩種實施策略進(jìn)行：①驗證精細(xì)陶瓷其耐久性為合金鋼的2.5倍以上；②復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂中精細(xì)陶瓷與合金鋼黏結(jié)強(qiáng)度大于0.36 MPa（要保證軸端密封裝置正常工作，兩浮動密封環(huán)的接觸端面要保證0.4~0.7 MPa的接觸壓力［8］）。依據(jù)中聯(lián)重科JS 3000型臥軸式攪拌機(jī)，則

式中：S1為接觸壓力面積；S2為黏結(jié)面積；R為轉(zhuǎn)轂接觸面外徑；r為轉(zhuǎn)轂接觸面內(nèi)徑；d為轉(zhuǎn)轂結(jié)面內(nèi)徑；l為轉(zhuǎn)轂黏結(jié)長度。

換算黏結(jié)強(qiáng)度

在黏結(jié)強(qiáng)度≥0.36 MPa條件下，可確保復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂黏結(jié)處在壽命內(nèi)不脫落與損壞。

2.2 實施方案

將原有合金鋼材質(zhì)的整體式轉(zhuǎn)轂分解成兩部分，內(nèi)圈鋼套采用40Cr合金鋼，錐面及外圈易磨損部位采用ZTA精細(xì)陶瓷，兩者之間采用高強(qiáng)度黏結(jié)劑連接。由于精細(xì)陶瓷環(huán)與聚氨酯、橡膠等材質(zhì)的密封圈接觸，需要較高的尺寸精度、形位公差以及粗糙度要求，應(yīng)最大限度地避免出現(xiàn)溝槽、臺階、尖角等結(jié)構(gòu)形式。復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂試樣如圖1所示。

圖1 復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂試樣Fig.1 Sample of hub composite material

為進(jìn)一步驗證復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂優(yōu)化實施策略的可行性，將耐久性及黏結(jié)強(qiáng)度策略轉(zhuǎn)化為可供實施的檢測方法。表1為具體的檢測方法。

表1 軸端密封耐久性檢測方法Tab.1 Durability testing method of shaft-end seal

3 試驗研究及數(shù)據(jù)分析

3.1 磨粒磨損試驗

3.1.1 試驗材料

本實驗分別采用精細(xì)陶瓷（ZTA精細(xì)陶瓷）與合金鋼（經(jīng)熱處理的40Cr）標(biāo)準(zhǔn)試樣，并分別對試樣標(biāo)記編號，數(shù)量各取12個，尺寸均為57 mm×25.5 mm×6 mm。

3.1.2 試驗方法及數(shù)據(jù)

對ZTA精細(xì)陶瓷和40Cr耐久性測試采用Kehua MLS-225濕砂磨損試驗機(jī)，如圖2所示。該設(shè)備利用轉(zhuǎn)動的橡膠輪帶動與水混合的礦砂、砂石、泥沙等磨料對各種金屬或非金屬材料進(jìn)行磨損［9］，可使用該設(shè)備對兩種材料試樣進(jìn)行磨粒磨損試驗。

圖2 Kehua MLS-225濕砂磨損試驗機(jī)Fig.2 Kehua MLS-225 wet sand wear machine

為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試樣表面稱重前需用超聲波清洗器清洗并烘干，重量數(shù)據(jù)用精度萬分之一電子天平計量，ZTA精細(xì)陶瓷磨粒磨損試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 ZTA精細(xì)陶瓷磨粒磨損數(shù)據(jù)Tab.2 Abrasive wear data of ZTA fine cer amic

40Cr磨粒磨損試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 40Cr磨粒磨損數(shù)據(jù)Tab.3 Abrasive wear data of 40Cr

3.1.3 試驗結(jié)果分析

將ZTA精細(xì)陶瓷與40Cr磨粒磨損試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為磨損率對比（見圖3）。從數(shù)據(jù)表可知，在相同工況下，40Cr試樣磨損率遠(yuǎn)大于ZTA精細(xì)陶瓷試樣，達(dá)到4.5倍左右，可見ZTA精細(xì)陶瓷相對于40Cr鋼片材料具有更為優(yōu)越的耐磨水平。

圖3 相同工況下ZTA精細(xì)陶瓷與40Cr的磨損率Fig.3 Wear rate of ZTA fine ceramic and 40Cr in the same condition

3.2 黏結(jié)力試驗

3.2.1 試驗原理

無機(jī)膠黏劑套接壓縮剪切強(qiáng)度試驗方法理論：施加的壓縮力通過試樣的軸線傳遞至膠接面，直至試樣剪切破壞。以單位膠接面積承受的最大載荷計算套接壓縮剪切強(qiáng)度［10］。即復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂在萬能試驗機(jī)下進(jìn)行壓縮試驗測試，然后根據(jù)l=P/S計算復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂的黏結(jié)力強(qiáng)度，其中P為壓縮剪切破壞的最大載荷，S為黏結(jié)面積。

3.2.2 試驗方法及數(shù)據(jù)

復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂黏結(jié)力試驗可按照圖4（a）~圖4（e）步驟進(jìn)行。

圖4 黏結(jié)力試驗過程Fig.4 Bonding testing process

伺服式萬能試驗機(jī)測量控制系統(tǒng)的黏結(jié)力試驗數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 黏結(jié)力試驗數(shù)據(jù)Fig.5 Bonding testing data

3.2.3 試驗結(jié)果分析

從圖5可以看出：壓縮試驗過程分為3階段，階段1為從0開始逐漸加壓至95.85 k N，95.85 k N處為最大黏結(jié)力強(qiáng)度，即為可破壞復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂穩(wěn)定性與可靠性的峰值；階段2為壓力保持58.45 k N階段，58.45 k N為穩(wěn)定的黏結(jié)力強(qiáng)度，即為精細(xì)陶瓷與合金鋼保持全接觸的松動保持力值；階段3為58.45 k N逐漸降低至0，即為精細(xì)陶瓷與合金鋼接觸面減少直至完全脫離過程。

由l=P/S，其中，P=95.85 k N，S=πdl=3.141 5×154×36=17 417 mm2，故l=5.5 MPa＞0.36 MPa，可確保復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂黏結(jié)處在壽命內(nèi)不脫落與損壞。

4 結(jié)語

ZTA精細(xì)陶瓷相對于經(jīng)熱處理的40Cr合金鋼材料具有更為優(yōu)越的耐磨性，其磨損率僅為合金鋼的22%左右，精細(xì)陶瓷材料的應(yīng)用可大幅度提升攪拌機(jī)軸端密封壽命，具有較高的理論及應(yīng)用價值。ZTA精細(xì)陶瓷與40Cr合金鋼采用的高強(qiáng)度黏結(jié)方式，可確保復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂黏結(jié)處在壽命內(nèi)不脫落與損壞，極限黏結(jié)強(qiáng)度5.5 MPa遠(yuǎn)大于0.36 MPa的要求值。ZTA精細(xì)陶瓷與40Cr合金鋼復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂方案可用于混凝土攪拌機(jī)的軸端密封，該方案具有較高的可行性與可實施性。下一步將進(jìn)行復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)轂工業(yè)裝機(jī)驗證，以根據(jù)運行實況最終確認(rèn)軸端密封壽命值。