010-58202838
轴承知识
水润滑UHMW-PE轴承在特殊条件下的应用研究
2012-02-13作者：杨致政1，何艳1，魏秦1，张明洪1，王传斌2
（1 西南石油学院；2 济南钢铁集团公司）
（1 西南石油学院；2 济南钢铁集团公司）
摘 要：UHMW-PE是一种线性结构的工程塑料，具有优异的物理性能和机械性能，可用作水下润滑轴承。通过有限元法验证了应用于某轧钢厂加热炉辊道的UHMW-PE轴承（替代原金属轴承）的合理性，论证了应用的可行性。实践证明，UHMW-PE轴承代替原金属轴承使用寿命由1～2个月提高到6个月以上，改造24组辊道，年节省直接费用达30万元。
关键词：超高分子量聚乙烯；轴承；润滑；有限元分析
1、问题的提出
某钢铁公司轧钢厂加热炉采用一组集中驱动辊道，由于辊道长期处于高温环境下工作，再加上润滑系统的故障，辊道被动端轴承频繁损坏，既增加了成本，又影响了生产。本研究结合水润滑理论，提出了一种用于水润滑超高分子量聚乙烯（简称UHMW-PE）轴承替代原金属轴承的思路，实践证明是可行的。图1是改造原理图，采用UHMW-PE轴承替代传统的金属轴承。轴承采取半剖形式利于安装，并在轴承座外侧设置压力为0.1～0.2MPa的润滑水（兼起冷却作用）。
关键词：超高分子量聚乙烯；轴承；润滑；有限元分析
1、问题的提出
某钢铁公司轧钢厂加热炉采用一组集中驱动辊道，由于辊道长期处于高温环境下工作，再加上润滑系统的故障，辊道被动端轴承频繁损坏，既增加了成本，又影响了生产。本研究结合水润滑理论，提出了一种用于水润滑超高分子量聚乙烯（简称UHMW-PE）轴承替代原金属轴承的思路，实践证明是可行的。图1是改造原理图，采用UHMW-PE轴承替代传统的金属轴承。轴承采取半剖形式利于安装，并在轴承座外侧设置压力为0.1～0.2MPa的润滑水（兼起冷却作用）。
.jpg)
图1 改造原理
1.上半轴承座；2.上半UHMW-PE轴承；3.运输辊轴径；4.螺栓；5.下半轴承座；6.下半UHMW-PE轴承
1.上半轴承座；2.上半UHMW-PE轴承；3.运输辊轴径；4.螺栓；5.下半轴承座；6.下半UHMW-PE轴承
2、UHMW-PE轴承
UHMW-PE是一种线性结构的工程塑料，具有优异的物理性能和机械性能，现已成为水下润滑轴承中应用较多的非金属材料之一。但随着UHMW-PE轴承应用领域的不断扩大，逐渐发现其抗磨粒磨损能力较差，这一缺陷限制了它在一些领域的应用。目前，这种轴承的润滑理论国内外都还没有形成，有人曾在MPV-200型摩擦磨损实验机上对UHMW-PE及其合金轴承在水润滑条件下的摩擦磨损性能进行了研究，试样尺寸为φ35mm×80mm,润滑介质为含沙量0.3%的自来水。认为UHMW-PE及其合金轴承的摩擦因数随载荷的增大而减小，随速度的增大而增大，随运行时间的增长而降低，Z后趋于稳定；其磨损率先随速度的增大而减小，然后又随速度的增大而增大，随运行时间的增长而降低，Z后趋于稳定值。
3、有限元分析
3.1建立计算模型
几点假设：由于零件的工作环境温度高，取运输辊轴径与轴承间摩擦系数为0.15（在此假设下可算得施加于轴承上的均布压应力为0.346635MPa，轴承接触表面所受的摩擦应力为0.041596MPa）；假设轴承受到的压力均匀作用在下半轴承的表面上（上半轴承不受力）。由于是对称结构，考虑其受载情况，取其1/2建立一个平面结构计算模型，对原结构进行简化处理，采用每节点2个自由度的8节点二维实体单元PLANE42，利用ANSYS软件对其进行有限元分析。查有关资料得到材料的有关参数为：弹性模数3000MPa，泊松比取0.25，材料抗拉强度σl为48MPa，抗压强度σy为172 MPa，抗弯强度σw为62MPa，图2是模型划分网格后的示意图。图中L为轨线路径。
UHMW-PE是一种线性结构的工程塑料，具有优异的物理性能和机械性能，现已成为水下润滑轴承中应用较多的非金属材料之一。但随着UHMW-PE轴承应用领域的不断扩大，逐渐发现其抗磨粒磨损能力较差，这一缺陷限制了它在一些领域的应用。目前，这种轴承的润滑理论国内外都还没有形成，有人曾在MPV-200型摩擦磨损实验机上对UHMW-PE及其合金轴承在水润滑条件下的摩擦磨损性能进行了研究，试样尺寸为φ35mm×80mm,润滑介质为含沙量0.3%的自来水。认为UHMW-PE及其合金轴承的摩擦因数随载荷的增大而减小，随速度的增大而增大，随运行时间的增长而降低，Z后趋于稳定；其磨损率先随速度的增大而减小，然后又随速度的增大而增大，随运行时间的增长而降低，Z后趋于稳定值。
3、有限元分析
3.1建立计算模型
几点假设：由于零件的工作环境温度高，取运输辊轴径与轴承间摩擦系数为0.15（在此假设下可算得施加于轴承上的均布压应力为0.346635MPa，轴承接触表面所受的摩擦应力为0.041596MPa）；假设轴承受到的压力均匀作用在下半轴承的表面上（上半轴承不受力）。由于是对称结构，考虑其受载情况，取其1/2建立一个平面结构计算模型，对原结构进行简化处理，采用每节点2个自由度的8节点二维实体单元PLANE42，利用ANSYS软件对其进行有限元分析。查有关资料得到材料的有关参数为：弹性模数3000MPa，泊松比取0.25，材料抗拉强度σl为48MPa，抗压强度σy为172 MPa，抗弯强度σw为62MPa，图2是模型划分网格后的示意图。图中L为轨线路径。
图2 模型划分网格示意图
3.2分析结果
经过求解后，可以得到轴承内部各点的应力等值线图和沿指定方向（路径为图2所示的L线段）的应力曲线，见图3～6。
经过求解后，可以得到轴承内部各点的应力等值线图和沿指定方向（路径为图2所示的L线段）的应力曲线，见图3～6。
.jpg)
图3X向应力等值线
图4Y向应力等值线
图5X向应力曲线1（1沿L向1）
图6Y向应力曲线1（1沿L向1）
在设定计算工况下，轴承的计算应力：Z大抗压强度σymax-x为0.326497 MPa (X向)，σymax-y为0.321007 MPa(Y向)；Z大抗拉强度σlmax-x为0.113441MPa (X向)，σlmax-y为0.009330MPa(Y向)，其计算强度均远远小于其许用强度，满足设计的要求。
4、轴承磨损分析
4.1轴承磨损的实际应用数值分析
本改造自正式投用以来，期间采用跟踪取样观测手段对轴承的磨损情况进行监测，每月采取抽样检测的手段得到一系列试验数据，见表1。
4.1轴承磨损的实际应用数值分析
本改造自正式投用以来，期间采用跟踪取样观测手段对轴承的磨损情况进行监测，每月采取抽样检测的手段得到一系列试验数据，见表1。
表1 实测数据统计
根据统计数据，为了解轴承的磨损规律，采用Matlab中的一维插值（立方样条插值法）对数据进行拟合，可得到轴承磨损经验曲线，以便预测轴承的磨损情况。图7是得到的拟合曲线。
图7 一维三次样条插值曲线
由图7可以看出：轴承的磨损过程为急剧磨损—平稳磨损—急剧磨损。根据现场设备运行的要求，由于运输辊道运行精度不是太高，只要保证其寿命长、故障率低即可，一般其磨损量不超过2mm。根据磨损曲线，可预知轴承的磨损状态，轴承的更换时间大约在6个月左右。实践证明，轴承寿命达6个月以上，表明了假设计算及拟合曲线的正确性。
原金属轴承的使用寿命仅为1～2个月（有时甚至投用几天就损坏），其单价为2300元。而非金属轴承单价为200～300元，现场共改造24组辊道，则年节省直接费用达30万元以上，减少停机时间等为生产间接创造的效益更是不可估量。
5、结论
5.1有限元分析表明，水润滑超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）轴承替代原金属轴承的思路完全可行，新轴承各项参数均能达到规定要求。
5.2根据实测数据拟合得出UHMW-PE轴承的磨损经验曲线，能够对轴承的磨损情况进行监测，实践证明，UHMW-PE轴承替代金属轴承完全可行。
5.3但是UHMW-PE轴承替代金属轴承改造后，必须设置一套专门的润滑水装置，否则，集中传动负载将急剧增大(系辊子与UHMW-PE轴承间干摩擦所致)，可能导致电机烧毁。
原金属轴承的使用寿命仅为1～2个月（有时甚至投用几天就损坏），其单价为2300元。而非金属轴承单价为200～300元，现场共改造24组辊道，则年节省直接费用达30万元以上，减少停机时间等为生产间接创造的效益更是不可估量。
5、结论
5.1有限元分析表明，水润滑超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）轴承替代原金属轴承的思路完全可行，新轴承各项参数均能达到规定要求。
5.2根据实测数据拟合得出UHMW-PE轴承的磨损经验曲线，能够对轴承的磨损情况进行监测，实践证明，UHMW-PE轴承替代金属轴承完全可行。
5.3但是UHMW-PE轴承替代金属轴承改造后，必须设置一套专门的润滑水装置，否则，集中传动负载将急剧增大(系辊子与UHMW-PE轴承间干摩擦所致)，可能导致电机烧毁。
来源：《山东冶金》