上懸離心機(jī)球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副的優(yōu)化及應(yīng)用研究

張 琦 闞 琛 郭明超

（1.中核龍安有限公司，北京 100083；2.中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

離心機(jī)廣泛應(yīng)用于制糖工業(yè)中的甲糖膏分離，也適用于乙糖膏、葡萄糖膏、維生素VC、味精或類似的高黏度和高濃度的晶體物料的固液分離[1]。上懸離心機(jī)是通過電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力作用下去除溶液中不溶性殘?jiān)年P(guān)鍵設(shè)備[2]。上懸離心機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)對(duì)其使用壽命和安全運(yùn)轉(zhuǎn)有較大影響，尤其是在啟停階段過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)對(duì)關(guān)鍵零部件損害較大。上懸離心機(jī)的振動(dòng)是難以避免的，但振動(dòng)超過限度時(shí)，輕則造成零部件損壞，影響機(jī)器使用壽命；重則造成重大安全事故，釀成嚴(yán)重后果。振動(dòng)由多種因素導(dǎo)致，主要來自轉(zhuǎn)子本身的加工、平衡精度，裝配關(guān)系造成的殘余不平衡量及物料分散不均勻引發(fā)的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和振型的改變。

某型號(hào)上懸離心機(jī)通過減振彈簧吸收轉(zhuǎn)子振動(dòng)能量，以此減輕振動(dòng)。球鉸機(jī)構(gòu)是支撐轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件，在上懸離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的振動(dòng)通過球鉸的小角度自由擺動(dòng)，將振動(dòng)能量傳遞至減振彈簧，從而保證離心機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于上懸離心機(jī)的軸較長，組成球鉸機(jī)構(gòu)的球殼和球體間的摩擦界面上無流體潤滑劑，因此球殼球體摩擦副的摩擦形式為干摩擦。在實(shí)際服役過程中，球鉸機(jī)構(gòu)易發(fā)生因轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活而導(dǎo)致離心機(jī)主軸振動(dòng)無法傳遞至減振彈簧的現(xiàn)象，從而引起離心機(jī)整體振動(dòng)過大而損壞零部件，影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

1 球鉸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與服役工況

如圖1所示，上懸離心機(jī)轉(zhuǎn)子垂直支撐在帶有4個(gè)橡膠彈簧的懸臂柔性轉(zhuǎn)子上，球鉸位于轉(zhuǎn)子上部，通過球鉸和平衡板把轉(zhuǎn)子的橫向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為以軸向?yàn)闃休S的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平衡板沿軸向擺動(dòng)，通過固定在平衡板上的減振彈簧消耗轉(zhuǎn)子振動(dòng)產(chǎn)生的能量來調(diào)控設(shè)備整體的振動(dòng)狀態(tài)。

某型號(hào)上懸離心機(jī)的球鉸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與尺寸如圖2所示。球鉸機(jī)構(gòu)由球殼和球體組成，為裝配方便，球殼為一對(duì)半球殼[4]。球殼和球體之間的球面為摩擦副界面。

目前，同類上懸離心機(jī)球鉸結(jié)構(gòu)的球殼和球體一般選用抗咬耐蝕不銹鋼Cr20Mn10Ni4Si3N制造。這種不銹鋼在酸霧腐蝕等抗咬合方面優(yōu)于Cr17Ni2和Cr18Ni9等其他類型不銹鋼，但苛刻的服役條件使得球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副仍然有較大的摩擦系數(shù)，且上懸離心機(jī)振動(dòng)較小、頻率較高，其振動(dòng)是發(fā)生在近似緊配合的接觸表面之間的微米量級(jí)的運(yùn)動(dòng)，粘著現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的振動(dòng)無法有效傳遞至減振彈簧[5]。尤其是在啟動(dòng)和停止過程中轉(zhuǎn)子處于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，若球鉸機(jī)構(gòu)摩擦界面發(fā)生粘著，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓振動(dòng)非常大，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子主軸軸套等零件異常變形和非正常磨損而失效。

2 球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副選材和潤滑方式研究

球鉸機(jī)構(gòu)球殼和球體摩擦界面的低摩擦系數(shù)和良好的防粘著性能是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量傳遞的主要因素，優(yōu)化球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副材料及潤滑方式是充分發(fā)揮球鉸機(jī)構(gòu)傳遞振動(dòng)功能的有效手段。根據(jù)工程材料的摩擦磨損經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，鋼—銅摩擦副性能優(yōu)于鋼—鋼摩擦副。因此，綜合考慮工程材料的摩擦磨損特性、上懸離心機(jī)酸霧和輻照等服役環(huán)境及本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，高硬度不銹鋼—高強(qiáng)度銅合金摩擦副是較為合適的選擇。

本文對(duì)目前使用的抗咬耐蝕不銹鋼自配摩擦副和馬氏體不銹鋼—高力黃銅摩擦副在干摩擦和進(jìn)行防粘固體潤滑涂層處理兩種狀態(tài)下的微動(dòng)摩擦磨損性能進(jìn)行了對(duì)比研究，目的在于設(shè)計(jì)出適用于上懸離心機(jī)的球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副。

2.1 試驗(yàn)方法

摩擦磨損試驗(yàn)在微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（SRV-Ⅳ）上進(jìn)行。摩擦試樣的形狀與運(yùn)動(dòng)方式如圖3所示。上試樣為圓柱型試樣，尺寸為?15 mm×22 mm；下試樣為盤試樣，尺寸為?25 mm×7.8 mm。上試樣圓柱面與下試樣平面形成摩擦副，接觸形式為圓柱面與平面形成的線接觸。下試樣固定不動(dòng)，上試樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向與上試樣軸向的夾角為4°。微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，具體參數(shù)為往復(fù)行程0.5 mm、載荷50 N、頻率10 Hz、磨損時(shí)間30 min。

摩擦副材質(zhì)及潤滑方式如表1所示，試驗(yàn)方案1和2為抗咬耐蝕不銹鋼Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副，試驗(yàn)方案3和4為馬氏體不銹鋼30Cr13與高力黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3組成的摩擦副。摩擦狀態(tài)分為兩種：（1）干摩擦狀態(tài)；（2）防粘固體潤滑涂層潤滑狀態(tài)。防粘固體潤滑涂層為專用的干膜潤滑劑，牌號(hào)為FM-510，厚度為15 μm，僅制備在下試樣圓盤表面。

表1 摩擦磨損試驗(yàn)方案

摩擦副三種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2所示。

表2 摩擦副三種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能

摩擦系數(shù)由試驗(yàn)機(jī)給出，每秒記錄一個(gè)摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)，取其磨損周期內(nèi)的平均值。磨損率按下式計(jì)算：

式中：W為體積磨損率[m3/（N·m）]；V為摩擦過程中材料的損失體積（m3）；P為載荷（N）；L為摩擦總位移（m）。

上試樣圓柱磨損體積為磨損截面面積與長度的乘積；下試樣磨痕形狀為U型槽，磨損體積為U型槽截面面積與其長度的乘積。磨損體積測量儀器為光學(xué)測量顯微鏡（Carl Zeiss Image A2M）和光學(xué)三維輪廓儀（MicroXAM-3D Surface Profiler）。每種摩擦磨損試驗(yàn)進(jìn)行三次，摩擦系數(shù)和磨損率取三次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4為試驗(yàn)方案1和3在干摩擦狀態(tài)下盤試樣磨損表面光學(xué)微觀形貌圖，可以看出，圖4（a）抗咬耐蝕不銹鋼自配摩擦副表面為犁溝狀磨痕，為典型的磨粒磨損形貌；圖4（b）磨痕凸起，下試樣未磨損。這是因?yàn)樵谀Σ吝^程中，對(duì)偶銅合金通過摩擦轉(zhuǎn)移粘附到下試樣表面，導(dǎo)致磨痕為凸起狀，無材料損失且體積增加。根據(jù)磨損率的定義，磨損體積為負(fù)數(shù)，磨損率用負(fù)數(shù)表示。

表3顯示了兩種摩擦副在干摩擦和進(jìn)行固體潤滑涂層處理狀態(tài)下的摩擦系數(shù)和磨損率?？梢钥闯?，在干摩擦狀態(tài)下，30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦系數(shù)較低，且在本試驗(yàn)條件下盤試樣30Cr13無磨損。Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副摩擦系數(shù)較高，且磨損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副。在兩種摩擦副表面涂覆防粘固體潤滑涂層后，摩擦系數(shù)均有所降低，且30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦系數(shù)較低。試驗(yàn)表明，在試樣表面涂覆防粘固體潤滑涂層可以降低摩擦系數(shù)和磨損率，并防止金屬表面間的粘著。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副在微動(dòng)磨損狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能優(yōu)于Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副，可作為上懸離心機(jī)的球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副。

表3 四種摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率

2.3 摩擦磨損試驗(yàn)小結(jié)

（1）在干摩擦狀態(tài)下，30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦學(xué)性能優(yōu)于Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副的摩擦學(xué)性能；

（2）在30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副30Cr13表面制備固體潤滑涂層，可有效減少銅向鋼的粘著與轉(zhuǎn)移，減少銅件的磨損，穩(wěn)定和減小摩擦系數(shù)，并顯著提高摩擦副的抗磨損性能；

（3）在四對(duì)摩擦副中，30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3（涂覆防粘固體潤滑涂層）摩擦副具有最優(yōu)的摩擦學(xué)性能。

3 自潤滑球鉸摩擦副設(shè)計(jì)

基于上述摩擦副材質(zhì)和潤滑方式的試驗(yàn)研究，自潤滑球鉸機(jī)構(gòu)球殼選用30Cr13鋼制造，球體則選用ZCuZn25Al6Fe3Mn3制造，在球體表面嵌入復(fù)合固體潤滑柱。

試驗(yàn)方法：將離心機(jī)在20 s內(nèi)勻加速至2 000 r/min，并通過測量離心機(jī)轉(zhuǎn)子不同位置的振幅來測試球鉸機(jī)構(gòu)傳遞振動(dòng)的性能。將3個(gè)振幅傳感器自上而下分別置于轉(zhuǎn)子平衡板處、轉(zhuǎn)鼓上部和轉(zhuǎn)鼓下部，振動(dòng)信號(hào)經(jīng)同步跟蹤數(shù)字向量濾波，得到只含有與轉(zhuǎn)速同頻的基頻分量，獲得不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的共振振幅。

從表4所列三個(gè)位置的振幅可以看出，安裝抗咬耐蝕不銹鋼時(shí)，轉(zhuǎn)鼓的共振振幅遠(yuǎn)大于安裝自潤滑球鉸時(shí)的振幅。

表4 轉(zhuǎn)子共振振幅

4 結(jié)論

根據(jù)不同材料的摩擦試驗(yàn)與離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，得出如下結(jié)論：

（1）干摩擦和固體潤滑涂層潤滑條件下，馬氏體不銹鋼與高力黃銅摩擦副的摩擦學(xué)性能均優(yōu)于抗咬耐蝕不銹鋼自配摩擦副的摩擦學(xué)性能。

（2）自潤滑球鉸機(jī)構(gòu)具有優(yōu)良的振動(dòng)傳遞性能，能夠?qū)⑤S系的振動(dòng)有效傳遞至吸收振動(dòng)能量的減振彈簧，從而減小上懸離心機(jī)的振動(dòng)，確保正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）球鉸微動(dòng)造成接觸表面間的摩擦磨損是影響球鉸性能的主要因素，通過優(yōu)化摩擦副性能、增加自潤滑等方式，有效抑制了微動(dòng)磨損的發(fā)生，為后續(xù)設(shè)計(jì)和問題分析提供了新的思路。