链斗式挖泥船下导轮轴瓦磨损原因分析及措施研究

摘要：分析了下导轮轴承易于磨损的原因，提出了改进措施，收到了一定效果。

说明：该论文及技术改造项目已经获得省科技厅、省经贸委、省总工会、省劳动和社会保障厅联合颁发的科技成果创新奖。请不要转载，如需要请征得本人同意

一、前言

    我局现有2艘建造于80年代的链斗式挖泥船，该船是完成三姓浅滩整治工程、中俄界江疏浚工程的主流船舶。但是该船挖泥系统的下导轮轴承却因密封问题而成为易损部位，二十多年来问题一直没能很好解决。这不仅影响生产而且维修工作劳动强度大，每年仅此项修理费都达数万元之多。因停工维修造成的工程损失更是难以估量，因此成了设备管理的一大难题。在总结研究以往维修经验的基础上我们主要从润滑、密封和轴承材料三方面进行改进，收到了一定效果。目前正在做进一步的研究和探讨。

二、磨损原因分析

在机械设备中因磨损造成的损失是惊人的，据统计，60%以上零部件失效是由磨损造成的。首先，从摩擦学方面分析，在相互作用的摩擦副之间有润滑剂存在时，往往有一层油膜，其厚度由润滑剂的粘度、摩擦副之间的载荷和相对速度等条件决定。粘度高、相对速度大，载荷小的摩擦副所形成的油膜厚度大。当油膜厚度大于表面粗糙度的最大高度时，则两表面不直接接触，产生的摩擦为润滑油分子间内摩擦，摩擦系数很小，能有效降低磨损。如果油膜厚度小于粗糙度最大高度，即使将摩擦副完全浸没在润滑油里磨损也会很严重。挖泥船在挖泥作业时经常会遇到岩石或坚硬底质等恶劣工况，此时下导轮铜质轴瓦要承受巨大的压力和冲击载荷作用，有时会产生塑性形变，使轴瓦间隙变大，润滑油较难形成具有一定厚度的油膜（下导轮转速低于1.5m/s），使摩擦介于边界摩擦，更加快了轴瓦磨损。其次，从结构设计方面分析，原铜瓦在承载面开设“米”字形油槽，降低了承载面油膜的承载能力，润滑效果降低，磨损加剧；水下施工底质恶劣，岩盘、孤石、泥砂等对传统密封破坏严重。原设计径向组合密封等常用结构很难防止因挖泥时压力、冲击负荷大和泥砂多等原因对密封造成的损坏，外界泥沙大量进入造成严重的磨粒磨损，缩短轴承使用寿命。

三、措施

    1、合理选择轴承材料及润滑形式

    赛龙轴承是加拿大汤姆森—戈登公司为船舶应用研制的产品。赛龙材料是由三次元交叉结晶热凝性树脂制造而成的均质聚合物，属于非金属高分子化合材料。实船应用及实验资料证明，其性能超越于传统的轴承材料，包括铜、巴氏合金、尼克、铁弗龙、电木、铁梨木、氨基聚合物等。赛龙具有出色的抗磨损性，在水介质磨损实验中，赛龙磨损量约是橡胶的1/2，铜的1/100；有自恢复的弹性，能承受高压和冲击载荷，可以抵抗对于一般金属轴承材料来说会导致永久变形或破裂的冲击载荷。黑色赛龙的杨氏弹性模量为490Mpa，白色赛龙为440Mpa，大约是青铜的21倍；赛龙轴承承载能力强，在速度很低的场合可承受重载；自润滑性能好；密度低、重量轻、有良好的机械加工性；材料无毒性，不会产生公害；成本与铜瓦相当。

不同等级赛龙轴承的比较：

  （1）标准XL型黑色赛龙轴承，具有较高抗磨性，摩擦系数较小，应用最广泛。

  （2）SXL型白色赛龙轴承，自润滑性能好。抗磨损性与黑色赛龙相当，主要用于不宜润滑或得不到润滑的重载轴承上。

  （3）合成型赛龙轴承是赛龙中最耐磨的等级。在污浊、含沙和杂质量大的环境下有良好的耐磨性能，是专门为极度污浊的环境而设计的。在充满淤泥的莱茵河、密西西比河上工作的拖轮以及世界上最大的挖泥船机头上均得到了应用，实践证明了该轴承的优越价值。

  （4）坚实型轴承，是赛龙家族新成员，其特点是长度与直径之比为2﹕1，兼具SXL级别的低摩擦特性。

相关非金属水润滑轴承材料的体积磨损量实验资料如图1所示。实验条件为：磨损环境：6%砂、6%粘土、2%皂、86%水，流量约为2L/min，线速度1m/s，压力0.7Mpa，轴承内径25mm，长度38mm，轴材为中碳钢。

                     黑色赛龙在水、油润滑下的摩擦系数值：

    另外，在水润滑下当线速度达到1.5m/s时合成型赛龙摩擦系数低于0.025。综合比较，轴承材料选用合成型赛龙轴承替代原铜质轴承作为下导轮轴承。虽然油脂润滑摩擦系数低，但不利于散热，故采用压力水循环润滑形式，既利于散热而且较环保。当挖泥船疏浚挖泥时，船周围江水较浑浊，含沙量大不宜直接取舷外水进入润滑系统，建议经过二级沉淀水箱过滤后再进入轴承内润滑。

    2、根据对实际工况和轴承材料性能的分析，改进轴承和密封装置结构。

改进后的密封装置结构合理紧凑（斗桥轴承座侧面与导轮侧面可用距离仅120mm），是利用轴向密封来实现径向密封的目的。结构原理是采用动环、静环和密封端盖三部分组成。静环固定在轴上，静环与动环（动环为经平面磨削加工的轴向密封环）之间均布6个弹簧，动环在弹簧推动下沿导向键轴向滑动并压紧在端盖巨形密封圈上，实现轴向密封，同时动环与轴之间采用“YXd”型密封圈按照动密封设计，达到既能移动又能实现对轴的径向密封效果。这样的密封结构即使因正常磨损，压力、冲击荷载等造成轴下沉，动环也会随轴平移，但仍与端盖巨形胶圈保持良好的密封效果，而不会进入泥砂。从而实现了密封作用的补偿性和连续性。

    新轴承设计时在承载面的120°包角范围内不设水槽，更能产生较好的水力膜，提高了水膜的承载能力，其结果具有低摩擦性的好处。

    3、其它措施

    在设计中合理选择配合公差及表面粗糙度；在机械加工中注意加工精度；安装过程中保持工件清洁，端面轴向密封胶圈之间填塞润滑脂时注意油质洁净，避免混入硬质颗粒等杂质，对摩擦面造成不必要的“微切割”；先磨合后再加载运行；施工中对操作管理人员的要求：①保持润滑水清洁，充足。②每次使用前均先供水再运转再加负荷。③勤观察，经常提起斗桥检查，避免下导轮被江底水下废弃物如钢丝绳、渔网等缠绕，破坏密封。缠绕后及时清除。

四、结束语

    实践证明，在机械设计中提高对摩擦磨损和润滑问题的重视，合理选材、合理设计把润滑和强度问题同等对待；在使用中加强管理，由此带来的效益将远远超过提高的成本。

参考文献

[1]于全虎赛龙轴承在船舶上的应用[J]江苏船舶2001

[2]吴仁荣水润滑轴承在船用泵中的应用[J]流体工程1989

[3]王优强 水润滑赛龙轴承综述  机械工程师2002

[4]温诗铸摩擦学原理[M]北京清华大学出版社1990

[5]山东万通船舶机械有限公司  船舶配套产品

作者简介：王守元（1971-），男，高级工程师，现主要从事船舶设备维修、改造方面的技术工作。