自润滑轴承在煤矿机械中的应用

　　摘要:煤矿机械因使用环境特殊、使用工况恶劣以及本身结构紧凑，给设备的使用维护增加了难度。固体自润滑轴承综合了金属基体和自润滑的优点，突破了一般轴承靠润滑油的局限性，可以充分的应用到煤矿机械的设计制造当中，具体解决了机构中要求抗重载、抗污染、耐磨性好与机构因长时运转、润滑条件不佳所带来的矛盾，也为煤矿机械设计选型提供了一定参考。

　　关键词:固体自润滑轴承;煤矿机械;润滑;机械；发表机械专业论文

　　0引言煤矿机械因其使用环境的特殊性，其设备各铰点、回转机构长期处于重载荷或冲击载荷中，启动频繁或启动负荷高，且长期在环境恶劣、污染严重的条件下使用，受工作环境或机械结构空间限制，难以供油润滑，以至于工作机构经常会出现铰接锈蚀抱死、机构失效等问题，导致设备不能正常工作，增加了维护维修难度。为此，具体介绍了固体自润滑轴承的特点，详细阐述了该轴承在煤矿机械设计及应用中的计算和装配要求，为煤矿机械设计选型提供了一定的参考。

　　1固体自润滑轴承原理及其特点

　　1.1基本原理

　　固体自润滑轴承是在滑动轴承基体的金属摩擦面上布置排列有序、大小适当的孔穴，并在孔穴中嵌入具有独特自润滑性能的成型固体润滑剂而制成的固体自润滑轴承，如图1所示。固体润滑剂的润滑面积一般为摩擦面积的25%～35%。该种类型轴承综合了金属基体和自润滑材料的优点，突破了一般轴承依靠润滑油的局限性。固体自润滑轴承比较常用的材料有高强黄铜合金、锡青铜、铝铁青铜等等;嵌入的固体润滑材料主要有两大品种:一种为人工石墨、天然黑铅、MoS2合成，另一种以PTFE(聚四氟乙烯)为基体合成[1]。

　　

　　1.2主要特点固体自润滑轴承特别适用于低速、重载、高温、无油、污染以及在水中而无法加注润滑油脂的特殊工况条件下使用，能有效减弱摩擦副金属间的直接接触，减小重启动阻力，即使在很高的载荷下也能形成很好的固体润滑膜，从而实现自润滑效果[2]。主要特点为:

　　1)相比传统的滚动轴承，具有结构简单、体积小、重量轻、设计灵活、应用范围广的优点。

　　2)有适量的弹塑性，能将应力分布在较宽的接触面上，提高轴承的承载能力。

　　3)往复运动、摆动运动、启动停止频繁等油膜难以形成的场所，可发挥优越的耐磨性。

　　4)静动摩擦因数相近，能消除低速下的爬行，从而保证机械的工作精度。

　　5)能使机械减少振动、降低噪声、防止污染，改善劳动条件。

　　6)在运转过程中能形成转移膜，起到保护对磨轴的作用，无咬轴现象。

　　2固体自润滑轴承在煤矿机械中的应用

　　由于煤矿机械因使用环境的特殊性，使用工况的恶劣以及本身结构的紧凑性，给设备的使用维护带来很大的不便。而固体自润滑轴承可以充分的应用到煤矿机械的设计制造当中，例如:在结构紧凑的减速器行星轮组件中应用，在有相对运动且不便润滑的滑架导向机构中应用，还有在长时间工作且数量巨大的带式输送机托辊上应用等，如图2所示。固体自润滑轴承的选用，能很好地解决上述机构中要求零部件的耐磨、长时间运转以及外界润滑条件不佳所带来的矛盾。

　　

　　3固体自润滑轴承在煤矿机械中的设计计算

　　固体自润滑轴承的设计与一般滑动轴承的设计相比有其特殊要求。设计时主要校核其PV值是否满足设计要求，以及配合选取和使用寿命内的磨损分析。

　　3.1PV值的计算与校核固体自润滑轴承的主要失效形式为过渡磨损，防止磨损失效的关键在于能否保证轴颈和固体轴承内圈之间形成一层边界油膜。为此，在设计计算自润滑轴承时要对以下参数进行验算[3]。

　　1)工作压强设计计算限制平均比压P，避免在载荷作用下自润滑轴承被完全挤出。

　　

　　式中:P为轴承的工作压力，MPa;Fmax为轴承承受的最大径向载荷，N;d为轴颈直径，mm;L为轴颈的工作长度，mm;[]P0为轴承材料的许用压力，MPa。

　　2)轴承工作线速度计算

　　

　　式中:v为轴承工作线速度，m/s;n为轮轴转速，r/min;r为轴承半径，mm。

　　3)PV值计算

　　限制固体自润滑轴承的PV值，控制轴承的温升，避免边界膜的破裂。

　　

　　式中:[]Pv为PV的许用值，MPa。根据相关设计参数，计算得PV值，查相关手册可得许用安全[]Pv值。

　　3.2轴承内径和宽度的确定

　　轴承的内径由所配合的轴的直径d确定。轴承宽度L则由轴承允许的工作压力P确定，即

　　

　　由此可见，增大轴承宽度可提高承载载荷，降低轴承工作压力，但宽度增加到一定数值后，可能使轴承的抗偏载能力和冷却效果降低，反而过早的损伤轴承，故L/d值大到一定程度仍然不能满足时，则可以选择允许轴承工作压力P较高的基体材料，或者在允许的设计范围内加大轴颈，从而达到降低轴承宽度的目的。一般取L/d=0.5∶1.5;对于高速、高温、高载荷的轴承一般取L/d≤1;对于高偏载的自润滑轴承，一般取L/d≤0.5∶0.7。

　　3.3轴承壁厚的确定

　　考虑固体自润滑轴承的热膨胀、热传导以及机械强度的需要，其厚度只需满足机械加工工艺的要求。一般情况下，轴承壁厚:t=(0.05～0.07)d+(2～5)mm(5)

　　3.4轴承磨损分析

　　固体自润滑轴承的寿命，除急剧烧焦外，通常由轴承内径的磨损量来决定，磨损量主要受摩擦条件的影响，而摩擦又受承载、材质、速度、杂质、工作温度、表面粗糙度、不同运行方式以及所使用润滑剂等条件影响。

　　4固体自润滑轴承在煤矿机械中的装配要求

　　4.1轴承外径孔座的配合

　　固体自润滑轴承的外径一般取r7，安装座孔取H7的过盈配合，特殊情况，如果过盈配合压装有困难，则可取m7，但轴承两端须加装稳钉固定。固体自润滑轴承的内径取E8，轴径取d7(如果受到加工能力限制，可取d8或d9)，回转精度要求高时可选e7。

　　4.2轴承的安装

　　固体自润滑轴承一般为薄壁结构，安装方法不当容易造成轴承变形，故装配时建议采用如图3所示的芯棒压入，座孔入口应有倒角，芯棒头部应光滑，芯棒直径d应小于轴承内径的0.2～0.3mm。

　　

　　4.3轴承安装后内经收缩量计算

　　当固体自润滑轴承压入座孔后，压入时的压力使轴承内径收缩，此时外径的过盈量δ和内径的收缩量Δ之间的关系受座孔强度、材质、表面粗糙度以及压入方式等因素的影响发生变化。当座孔强度足够，材质为铁系，轴承材质为铜合金时，内径收缩量Δ可用下式计算，即:

　　

　　式中:Δ为轴承内径收缩量，mm;δ为轴承外径过盈量，mm;d0为压入前轴承内径，mm;DB为压入前轴承外径，mm。

　　4.4注意事项

　　1)装配时轴承及安装座和轴表面清理干净，适当涂抹润滑脂。

　　2)装配时应缓慢压入，严禁敲打，以免伤及轴承，引起变形。

　　3)设计时根据不同的工况及安装部位选用不同的基体材质，以提高机械性能。

　　4)设计时在高承载、往复运动中应使用螺钉固定轴承。

　　5结论

　　固体自润滑轴承因其结构简单、承载力强、高耐磨性、无需润滑的优良特性，现已在煤矿机械机构设计中广泛应用。通过介绍了固体自润滑轴承在煤矿机械中的设计计算及装配要求，为同行在固体自润滑轴承设计、选型方面提供一定的参考作用。

　　参考文献:

　　[1]卢铃，朱定一，汪才良.金属基/石墨固体自润滑材料的研究进展[J].材料导报.2007，21(2):38-42.

　　[2]强颖怀，王秉芳.镶嵌型固体自润滑材料的研究与应用[J].润滑与密封.1998(1):42-43，21.

　　[3]曹同坤，邓建新.自润滑材料及其摩擦特性的影响因素[J].材料导报.2004，18(12):80-82.

　　[4]石淼森.高分子和金属基润滑材料[J].制造技术与机床.1996(11):4.

　　[5]刘如铁，李溪滨，程时和.金属基固体自润滑材料的研究概况[J].粉末冶金工业，2001，11(3):51-56.

　　[6]支龙，王耀华，谭业发.青铜-石墨复合粉末热喷涂层的干滑动摩擦磨损性能[J].机械工程材料，2005，29(1):46-48

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