密煉機(jī)無油潤滑材料的應(yīng)用研究探討

朱志海，葉峰，周元彬，王成祥

(1.大連大橡工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116043；2.杭州中策清泉實(shí)業(yè)有限公司，浙江 杭州 311400)

在世界范圍內(nèi)的輪胎和制品煉膠工廠都在大批量的使用密煉機(jī)。在密煉機(jī)設(shè)備上，端面密封在相對旋轉(zhuǎn)的情況下，對內(nèi)部膠料與粉塵起到密封作用。這種端面密封的動圈和定圈摩擦方式為直接接觸式旋轉(zhuǎn)滑動摩擦。一般的滑動摩擦需要添加潤滑油，密封面開有潤滑油槽，槽不易太多太深，否則會使泄漏增加。這樣將有壓力的潤滑油直接引入摩擦面以起到潤滑的作用。高壓和高速轉(zhuǎn)動要保持摩擦面間的液膜是有困難的，油膜常常被高壓和高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的摩擦熱破壞。僅可以在摩擦界面上形成邊界潤滑和半液體潤滑，從而降低摩擦系數(shù)，減少摩擦件的損耗，延長使用壽命，同時帶走一部分摩擦產(chǎn)生的熱能。同時油膜還具有一定的吸振能力。當(dāng)動、靜環(huán)之間的壓力不足，而使間隙增大，油膜增厚，這時不存在動定圈直接接觸，故無摩擦現(xiàn)象。但也因此動、定圈之間的縫隙較大，起不到密封作用，泄漏嚴(yán)重。在加油情況的密封圈也容易出現(xiàn)動定圈容易磨損、漏料的情況。由于使用過的潤滑油進(jìn)入密煉室，會污染物料，甚至降低產(chǎn)品性能?；旌蠠捘z中各種成分，如聚合物、填料等，通過端面密封系統(tǒng)排出來后，無法直接循環(huán)使用，廢油處理費(fèi)用昂貴，且給環(huán)境造成了負(fù)擔(dān)。使用無油潤滑更是一個新課題，動、定圈表面摩擦面上無潤滑油，因而無油膜存在，僅有泄漏的炭黑，粉料，糊狀膠料，在此種情況下，兩個摩擦面的材料選擇是主要的解決方式。

潤滑油消耗量大，浪費(fèi)資源，應(yīng)用成本高。同時油潤滑密封的密煉機(jī)新油的補(bǔ)給，廢油的處理、環(huán)境的清潔等必須的項(xiàng)目增加了勞動力成本。圖1是無油潤滑圈和油密封圈的成本統(tǒng)計對比。使用密煉機(jī)規(guī)格、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、密封圈材質(zhì)、密封圈表面制造質(zhì)量不同，耗油量存在差異，以下為大致估算數(shù)值，無油潤滑密封圈采購成本大約是油潤滑密封圈的1.5~2倍。每年潤滑油的損耗量大約50萬左右，廢油處理成本大約10萬左右。廠內(nèi)加油換油以及輸送物流人工成本大約5萬元。油潤滑密封圈總費(fèi)用為75萬元，無油潤滑成本約為15萬元。用戶使用經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，對密煉機(jī)工廠節(jié)能減排起到了重要作用，同時制品對潤滑油敏感的物料能獲得更好的質(zhì)量，杜絕了因泄漏而引起的環(huán)境污染。

圖1 密封圈及油品消耗成本統(tǒng)計

1 無油潤滑密封的失效形式分析

實(shí)現(xiàn)無油潤滑可以用自潤滑材料制成或預(yù)先充以潤滑劑，可以長期使用，工作過程中不用添加潤滑劑。用固體自潤滑材料做成的無油密封圈，不需要添加潤滑油，被稱為“無油潤滑密封”。在密煉機(jī)煉膠過程中，端面密封不僅僅對充滿黏彈態(tài)的膠料密閉高壓腔進(jìn)行密封，還有各類粉塵，進(jìn)入動定圈間隙的硬顆粒有的隨動定圈一起轉(zhuǎn)動，對動定圈表面起到破壞作用，加劇動定圈表面的磨損。無油潤滑密封圈在滑動摩擦過程中，自潤滑材料分子會相對轉(zhuǎn)移，填平微小不平面，極易發(fā)生黏著磨損。對于密煉機(jī)的無油潤滑材料的選擇，已經(jīng)成為眾多密煉機(jī)用戶關(guān)注的問題。本文根據(jù)眾多使用過后的動定圈的表面磨損形態(tài)，在現(xiàn)存材料中篩選出適合密煉機(jī)用的材料。首先從無油潤滑密封的失效形式著手分析如何避免短時間（半年以內(nèi)）出現(xiàn)密封失效。

無油潤滑密封的失效形式有如下幾種情況：

（1）在長期載荷的反復(fù)作用下，密封表面出現(xiàn)與滑動方向垂直的疲勞裂紋，擴(kuò)展后造成材料本身的剝落導(dǎo)致密封失效。

（2）部分聚合物隨著碳纖維長度的增大，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增加。這主要是由于隨碳纖維長度的增加，在機(jī)械混合的過程中，纖維容易形成絮團(tuán)吸附物，因而在壓制的過程中，就會使得制品表面的坑洼程度變大，使制品的粗糙度增加，在與金屬件對磨時，機(jī)械嚙合和切削碰撞就比較顯著，導(dǎo)致滑動困難，使摩擦系數(shù)增大，同時磨耗量相應(yīng)增大。磨損速度快在密煉機(jī)上表現(xiàn)是使用100 h后密封失效。

（3）進(jìn)入動、定圈工作表面間隙的硬顆粒表面粗糙的微觀輪廓尖峰，在工作表面劃出線狀傷痕，傷痕面積過大時，局部密封失效。

（4）兩種材料互相填平對方微小不平面，發(fā)生黏著磨損，迅速造成密封失效。

（5）動、定圈受壓力不均勻，材料本身剛性小，抵抗變形能力差，高壓部分變形大，低壓部分變形小，導(dǎo)致兩平面出現(xiàn)縫隙，密封失效。

（6）偶爾的異常高溫排膠導(dǎo)致密封圈材質(zhì)發(fā)生變化，無法形成合理的摩擦副，密封失效。

（7）煉膠過程中產(chǎn)生的腐蝕性物質(zhì)對動，定圈材料有腐蝕，材料腐蝕后易形成點(diǎn)狀剝落，導(dǎo)致密封失效。

（8）無油潤滑產(chǎn)生的高溫。材料高溫狀態(tài)時耐磨性不良，導(dǎo)致失效，甚至異常高溫導(dǎo)致易燃填料燃燒，導(dǎo)致火災(zāi)等風(fēng)險。

（9）材料熱膨脹系數(shù)高，高溫時，定圈完全脹死，無法跟隨動圈動作，密封失效。

（10）定圈材料易剝離進(jìn)入動圈與定圈之間，造成縫隙，密封失效。

根據(jù)以上無油潤滑失效的方式，進(jìn)行針對性的選材，低摩擦系數(shù)、自潤滑性能、升溫慢、阻燃、耐水、耐腐蝕、絕緣、無磁、低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)為優(yōu)先選擇材料。根據(jù)從試驗(yàn)室獲得的理想數(shù)據(jù)，選擇出在無油情況下，摩擦系數(shù)最小的摩擦物質(zhì)。再在密煉機(jī)現(xiàn)場進(jìn)行試用以進(jìn)行驗(yàn)證，考核動定圈的工作條件以及實(shí)際使用溫度和壽命。根據(jù)無油潤滑的失效形式，由于聚合物本身具有較低的摩擦系數(shù)，自潤滑性好、耐磨性高、耐腐蝕性、較高的使用溫度，成為無油潤滑定圈首選，目前聚合物基高性能自潤滑材料的制備途徑主要是通過聚合物與聚合物共混及添加纖維、晶須等來提高基體的機(jī)械強(qiáng)度，通過添加各類固體自潤滑劑來提高摩擦性能，有效提高其綜合性能。聚合物基自潤滑材料可取代傳統(tǒng)金屬材料，成為全新的一類耐摩擦磨損材料。我們在研究過程中選用了高聚物基自潤滑復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅材料。以下使用復(fù)合材料1號、復(fù)合材料2號、復(fù)合材料3號和復(fù)合材料4號來替代。動圈材質(zhì)的選擇考慮到該件在定圈內(nèi)部，不容易拆出，耐磨性需要高于定圈。同時需考慮動圈的剛性和強(qiáng)度，動圈材質(zhì)選用金屬復(fù)合材料。作增強(qiáng)纖維的金屬主要是強(qiáng)度較高的高熔點(diǎn)金屬鎢、鉬、鋼、不銹鋼、鈦等，它們能被基體金屬潤濕，也能增強(qiáng)陶瓷。在金屬纖維金屬復(fù)合材料以及金屬纖維陶瓷復(fù)合材料這兩類材料中進(jìn)行選擇。以下使用鈦金屬復(fù)合材料A，鎳基金屬材料B代替。

2 無油潤滑材料的試驗(yàn)方法

模擬動圈和定圈的實(shí)際使用工況，動圈件相對旋轉(zhuǎn)，定圈相對不動，通過重量損失計算耐磨性能。使用動圈的材料制造成旋轉(zhuǎn)件，替代耐磨試驗(yàn)機(jī)的砂輪,測試件使用定圈的材質(zhì)，并負(fù)荷一定的重量加以磨耗,到規(guī)定的轉(zhuǎn)數(shù)后取出試件,觀察試件磨后的狀況或試件試驗(yàn)前的重量與試驗(yàn)后的重量差。

2.1 試驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

這樣形成 A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4共8種組合。這些組合每組試片連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一個月以60 r/min的轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)組合如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)組合

2.3 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)條件如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)條件

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5測試數(shù)據(jù)，失重數(shù)據(jù)A3最小，因此選擇A3制作設(shè)備上的應(yīng)用件。

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后，按照A3配置材料制作成品動定圈，使用在國內(nèi)某大型輪胎廠270L密煉機(jī)設(shè)備上。轉(zhuǎn)子形式為同步轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子速度23 r/min，定圈帶冷卻套。終煉膠，填加硫磺粉料，溫升顯示數(shù)據(jù)為100 ℃以下，比油潤滑溫度稍高，無漏料現(xiàn)象。通過記錄定圈與撥叉之間的數(shù)值為磨損依據(jù)，目前使用半年，總磨損深度為3 mm，平均每1個月磨損0.8 mm。動圈微量磨損，可以忽略不計，定圈失效有效磨損為15 mm，理論計算定圈使用壽命為18個月。

3 總結(jié)

該項(xiàng)目用于270密煉機(jī)終煉機(jī)臺上，標(biāo)志著無油潤滑可適用于下落式大型密煉機(jī)。對于混煉機(jī)臺的實(shí)際應(yīng)用，試驗(yàn)還在繼續(xù)。僅以此文拋磚引玉，希望能給大家以啟發(fā)，使用更適合的材料應(yīng)用在密煉機(jī)端面密封無油潤滑上，做到真正意義上的“節(jié)能減排”。