操作机吊挂系统中轴承损坏原因分析与对策

乔 健，马广龙，贾晓亮

(兰州兰石能源装备工程研究院，甘肃 兰州 730050)



操作机吊挂系统中轴承损坏原因分析与对策

乔 健，马广龙，贾晓亮

(兰州兰石能源装备工程研究院，甘肃 兰州 730050)

为了有效解决锻造操作机吊挂系统中铜制滑动轴承频繁损坏的问题，基于现场实际工况，从损坏形式、受力情况以及轴承实际装配情况等方面入手，对铜制滑动轴承损坏的原因进行了分析；同时，根据分析结果，制定出了对应的解决方案，已成功应用于实际生产当中，实现了吊挂系统中滑动轴承的安全可靠运行，对保证操作机正常的生产作业具有重要意义。

操作机；吊挂系统；铜制滑动轴承；承载压力；自润滑轴承

锻造操作机是快锻压机机组的主要配套设备，可通过计算机控制，夹持钢锭，配合压机完成锻料运送、旋转、升降和倾斜等动作，配合压机完成各种锻造工艺，是锻压行业不可或缺的重要设备[1]。应用该操作机能有效提高机组工作效率，降低劳动强度。操作机能否正常工作对快锻机组具有重要的意义。

1 吊挂系统结构

吊挂系统结构如图1所示。目前，操作机故障主要出现在吊挂系统(可以实现钳杆的平行升降或上下倾斜动作)吊杆中滑动轴承的损坏，合理解决吊挂系统故障问题对保证操作机正常工作至关重要。

图1 吊挂系统结构图

2 吊挂系统中吊杆的铜制滑动轴承损坏原因分析

铜制滑动轴承的损坏主要包括除研伤、磨损及挤压变形。根据对现场失效轴承的分析，其损坏形式主要表现为过度磨损。其磨损量的大小主要受承载压力、配合面相对速度、表面粗糙度、工作温度和润滑情况等因素影响。根据生产厂家所提供的样本，磨损量W近似计算公式如下：

W=KPVT

(1)

式中，W是磨损量，单位为mm；K是摩擦因数；P是承载压力，单位为N/mm2；V是线速度，单位为mm/s；T是磨损时间，单位为h。

若轴承和轴的材料已知，摩擦因数可以确定，根据式1可知，轴承的磨损主要取决于承载压力和线速度。

吊挂系统中吊杆铜制滑动轴承损坏[2]的原因主要有下述几个方面。

1)轴承的承载压力。承载压力是指轴承承受载荷时，轴承支承的最大载荷除以受压面积。所谓受压面积，当轴承为圆柱形时，取与轴承接触部分的载荷方向的投影。承载压力P计算式如下：

(2)

式中，F是承载载荷，单位为N；D是轴承内径，单位为mm；L是轴承长度，单位为mm。由承载压力计算公式可知，轴承长度是影响承载压力的主要因素，也是导致轴承磨损的重要原因之一。

2)运动副的线速度。轴承的发热量主要是由滑动轴承的摩擦作用引起的，滑动线速度V越大，单位时间内同一位置磨擦的次数越多，从而磨擦量越大，轴承面温度上升越快；因此线速度也是影响轴承磨损的重要影响。

3)滑动轴承和轴的配合间隙超差。滑动轴承和轴配合间隙超差主要来自机械加工。在通常情况下，为了便于安装，会出现间隙值大于实际要求，从而导致滑动轴承与轴的接触面减小。根据滑动轴承承载压力计算公式[3]得出，随间隙增大趋势，承载包络面接触趋向线接触，局部承载压力增大，接近或超出滑动轴承材料本身最高的承载压力时，造成滑动轴承损坏。

4)滑动轴承材质和润滑方式选择不当。吊挂系统频繁损坏的轴承材质为5-5-5锡青铜(ZCuSn5Pb5Zn5)，其基本性能见表1。这种滑动轴承材料本身的最高承载压力比较小，并且这种材料的滑动轴承需要加润滑油进行润滑。如果滑动轴承和轴配合间隙过小，无法形成油膜，轴与轴承趋于干摩擦，容易造成轴承损坏；反之，润滑油吸附锻造过程中产生的灰尘和氧化皮等颗粒状杂质也会加速轴承的磨损[4]。

表1 轴承材质基本性能

5)操作人员操作不规范。操作人员操作不规范是指操作人员在锻造过程中，钢锭未放在下砧面上或上、下砧面未对正时使压机压下进行锻造，此时压机压力全部由锻造操作机的钳杆来承受，从而导致吊杆的滑动轴套承受载荷过大，造成滑动轴承受挤压而损坏。

3 吊挂系统中吊杆滑动轴承损坏的解决方法

吊挂系统中吊杆轴承损坏的解决方法主要有下述几方面。

1)合理确定滑动轴承长度。在确定轴径后，滑动轴承长度影响其承载压力，轴承越长，其所承受的承载压力相对减小；反之，也会影响轴承使用性能。因此，确定轴承长度很关键，一般选择轴承L/D=0.5～3；但应特别注意，在高载荷时易引起偏位接触和高转速时引起发热情形，此时应取L/D<1。

2)采用固体自润滑轴承。固体自润滑轴承[5]是在轴承基体的金属摩擦面上开出大小适当、排列有序的孔穴，然后在孔穴中嵌入由具有独特自润滑性能的成型固体润滑剂(固体润滑剂面积一般为摩擦面积的25%～35%)而制成的自润滑固体轴承。该轴承综合了金属基体和特殊配方润滑材料的独特优点，突破了一般轴承依靠油膜润滑的局限性。固体润滑轴承的基体常用的材料有黄铜、锡青铜和铸件等。嵌入的固体润滑材料主要有两大品种：一种由天然黑铅、人工石墨和二硫化钼合成；另一种以PTFE为基体合成。

根据轴承的基本使用参数和性能(见表2)，新的吊杆轴承采用牌号为CuZn25Al6FeMn3并加入了石墨、二硫化钼等固体润滑剂的固体自润滑轴承[6]，其自身最高承载压力高，不需要润滑油，与轴配合的表面内不易吸附灰尘和颗粒状杂质，提高了轴承使用寿命。

表2 轴承的基本使用参数和性能

同时，配合间隙的选取[7]也是决定滑动轴承能否正常高效运转的重要因素。配合间隙在合适范围内，能有效保证相对运动平滑进行，配合面受力均匀，所以确定合理的配合间隙很关键。本次改进中，轴、轴承和轴承座的配合间隙选取如图2所示。

图2 轴承装配要求示意图

3)对与轴承配合的轴的要求。

a.轴的材质和硬度。一般情况下，轴的材质选用优质碳素结构钢和合金钢等，上述材质经调质、表面淬火，表面的硬度应超过轴承的硬度，这样能达到好的效果。如果在硬杂质、粉尘容易侵入的环境工作时，应尽可能采用硬度较高的材质。

b.轴的表面粗糙度。当轴的表面粗糙度过高时，会加剧滑动轴承的磨损，因此降低轴表面粗糙度，可以延长轴承的使用寿命。一般情况下，轴的表面粗糙度应≤Ra0.8 μm。

c.轴的表面处理。对轴进行电镀处理可提高其耐腐蚀性，而且能够有效防止粗糙磨损。为防止轴生锈和硬杂质、粉尘侵入加剧磨损，必要时应对轴进行镀硬铬处理。

4 结语

综上所述，锻造操作机吊挂系统中吊杆的轴承损坏原因多种多样，本文对吊杆的轴承损坏原因进行了分析研究。在实际工作中，通过采取相应的解决方法，使轴承频繁损坏得到改善(2008年4月，江苏天工工具股份有限公司3 t操作机吊挂系统通过上述解决方案，应用至今运行状况良好)，有效保证了锻造操作机的良好运行。

[1] 张营杰,卫凌云,牛勇,等. 锻造操作机发展现状与研究方向[J]. 锻压装备与制造技术，2012(2):11-14.

[2] 于群，齐富民，闻天苑. 最新轴承设计与技术规范、故障诊断实务全书[M]. 北京：当代中国音像出版社，2005.

[3] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

[4] 张宪文.滑动轴承承载能力的理论研究和实验分析[D]. 成都：西南交通大学，2011.

[5] 杨丽颖,李长春,王守仁,等.固体自润滑轴承的设计与应用[J]. 轴承，2004(3):9-11.

[6] 颜志光.新型润滑材料与润滑技术实用手册[M]. 北京：国防工业出版社, 1999.

[7] 魏尚廷.滚动轴承配合的选择经验[J]. 水力采煤与管道运输，2008(2):53-54.

责任编辑 郑练

Solutions for Damaged Reason of Bearing of Manipulator’s Hanging System

QIAO Jian, MA Guanglong, JIA Xiaoliang

(Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute, Lanzhou 730050, China)

In order to solve the frequently damaged problem about the plain bearing which is used for hanging system of forging manipulator, based on the site, forces, assembled case and damaged forms, the damaged cause of copper plain bearing is analyzed. At the same time, according to the analysis results, the effective solutions is proposed and used successfully in actual production. Achieve the safe and reliable operation about the plain bearing of hanging system, which is obvious for ensuring the normal production work of manipulator.

manipulator, hanging system, copper plain bearing, bearing pressure, self-lubricating bearing

TH 11

A

乔健(1979-)，男，工程师，主要从事特种设备及其控制等方面的研究。

2016-05-18