復(fù)合固體自潤(rùn)滑軸承在正面吊改造中的應(yīng)用

厲彥志

（日照港船機(jī)工業(yè)有限公司，山東日照 276800）

0 引言

在集裝箱移箱碼垛過程中，某港某公司頻繁使用集裝箱正面吊，因潤(rùn)滑不良和沖擊使得大臂關(guān)節(jié)軸承維修頻繁。采用固體鑲嵌自潤(rùn)滑軸承替代原有關(guān)節(jié)軸承，對(duì)正面吊的后臂座軸承進(jìn)行改造，取得了預(yù)期效果。

1 必要性

正面吊使用前邊的集裝箱吊具吊運(yùn)集裝箱（圖1）。正面吊大臂支點(diǎn)分為前臂鉸點(diǎn)和后臂鉸點(diǎn)，前臂鉸點(diǎn)連接舉升油缸，做舉升或下降運(yùn)動(dòng)，后臂鉸點(diǎn)隨油缸的升降做旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。

常見的集裝箱標(biāo)箱有20英尺和40 英尺2 種尺寸，40英尺的集裝箱裝箱后總重在26～30 t。某港使用三一重工制造的正面吊，后臂鉸點(diǎn)使用關(guān)節(jié)軸承，品牌是德國INA，型號(hào)是GE120UK-2RS。盡管按時(shí)保養(yǎng)，但是潤(rùn)滑油膜不理想、頻繁地移箱作業(yè)，使得后臂鉸點(diǎn)內(nèi)的關(guān)節(jié)軸承經(jīng)常損壞，平均每臺(tái)正面吊每2 個(gè)月就要對(duì)后臂鉸點(diǎn)的關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行1 次更換。正面吊使用單位反映強(qiáng)烈，希望能降低維修頻率和維修費(fèi)用，提高設(shè)備使用率和完好率，并在2016 年成立了聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)小組試圖解決此問題。

圖1 正面吊

2 原理

鑲嵌復(fù)合自潤(rùn)滑材料工藝流程：在金屬基材上打孔，然后在孔中嵌入復(fù)合固體潤(rùn)滑劑。該材料由金屬承載負(fù)荷，嵌入的復(fù)合固體潤(rùn)滑劑起減摩潤(rùn)滑作用，在摩擦磨損過程中金屬底材承擔(dān)了絕大部分負(fù)荷。經(jīng)摩擦磨損，孔或槽中的復(fù)合固體潤(rùn)滑劑向摩擦面轉(zhuǎn)移或反轉(zhuǎn)移，在摩擦面上形成良好的復(fù)合固體潤(rùn)滑膜，牢固附著并均勻覆蓋在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副表面，大幅度降低了摩擦磨損，保證了長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)對(duì)摩擦副的精度期延長(zhǎng)。復(fù)合固體鑲嵌軸承承載能力高、耐沖擊、耐高溫、自潤(rùn)滑能力強(qiáng)，特別適用于重載、低速、往復(fù)或擺動(dòng)等難以潤(rùn)滑和形成油膜的場(chǎng)合。復(fù)合固體自潤(rùn)滑軸承是滑動(dòng)軸承的一種，常見的基體材料有錫青銅、黃銅、鋁青銅。此次改造選用的基材是黃銅，復(fù)合固體潤(rùn)滑潤(rùn)滑劑是石墨、二硫化鉬、黃丹等復(fù)合固體潤(rùn)滑材料。鑲嵌復(fù)合固體自潤(rùn)滑軸承的性能如表格1所示。

表1 基材性能

3 互換性和創(chuàng)新性

復(fù)合固體自潤(rùn)滑軸承和關(guān)節(jié)軸承的外形尺寸完全一致（圖2），更換原關(guān)節(jié)軸承時(shí)不需要對(duì)軸承座、端蓋等件進(jìn)行更換，減少了零件的品種數(shù)量。為了防止復(fù)合固體自潤(rùn)滑軸承在軸承座內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，對(duì)自潤(rùn)滑軸承的外圈尺寸采用了過渡配合，尺寸為Φ180m6，公差范圍是+0.01～+0.04 mm。如果采用過盈配合，容易發(fā)生自潤(rùn)滑軸承安裝困難的情況。在考慮軸承潤(rùn)滑時(shí)，設(shè)計(jì)有雙重潤(rùn)滑，一是自潤(rùn)滑，二是外部注油潤(rùn)滑。為了實(shí)現(xiàn)注油潤(rùn)滑，在自潤(rùn)滑軸承內(nèi)圈設(shè)計(jì)了1 圈中央環(huán)形油道、4 條軸向油道。油道均采用Φ8 mm 的半圓形溝槽。這些油道均由自潤(rùn)滑軸承廠家加工完成。

圖2 兩種軸承的比較

4 軸的車加工

圖3 軸油道加工

在軸加工的過程中（圖3），軸和自潤(rùn)滑軸承之間采用間隙配合，軸承內(nèi)圈尺寸為Φ120H8，公差范圍是0～+0.05 mm，軸為Φ120f7，公差范圍是-0.07～-0.03 mm。通過這樣的設(shè)計(jì)，保證軸和軸承之間的圓周滑動(dòng)順暢、無卡澀。同時(shí)考慮對(duì)軸和軸承之間進(jìn)行充分潤(rùn)滑，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。對(duì)軸端攻M10×1 的螺紋，便于安裝標(biāo)準(zhǔn)件JB/T 7940.1—1995 直通式壓注油杯。在軸中心和直徑方向開Φ8 mm 的油道。為了防止直徑方向的2 個(gè)油道孔在安裝過程中與自潤(rùn)滑軸承的環(huán)形油道不對(duì)中，對(duì)直徑方向的2 個(gè)油道孔用銑床锪平2 mm、锪長(zhǎng)60 mm。潤(rùn)滑油流淌路線：①軸端油道，②軸直徑方向油道，③自潤(rùn)滑軸承的環(huán)形油道，④自潤(rùn)滑軸承的4 個(gè)軸向油道。通過這樣的設(shè)計(jì)，確保在軸和自潤(rùn)滑軸承相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油布滿圓周接觸面，延長(zhǎng)軸和軸承的使用壽命。

5 承載性能

如圖1 所示，正面吊在搬運(yùn)集裝箱過程中，如果把前臂鉸點(diǎn)看做支點(diǎn)，根據(jù)杠桿原理，力1×力臂1=力2×力臂2，集裝箱重約30 t，后臂鉸點(diǎn)受力約為80 t，分配到兩側(cè)，每個(gè)鉸點(diǎn)受力約40 t。按照1.5 倍安全系數(shù)計(jì)算，取每個(gè)鉸點(diǎn)受力600 kN即可。運(yùn)用三維繪圖軟件Autodesk Inventor 2017 進(jìn)行有限元分析（圖4），對(duì)整個(gè)復(fù)合固體自潤(rùn)滑軸承的外表面施加固定約束，內(nèi)圓環(huán)面施加600 kN 的軸承荷載，運(yùn)行網(wǎng)格細(xì)化，把整個(gè)軸承細(xì)化為21 466 個(gè)微單元體、33 780 個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接構(gòu)成的物體。通過運(yùn)算得到結(jié)果，Mises 等效應(yīng)力約298.1 MPa，最大應(yīng)變?cè)?.04 mm 左右。通過查表1 得知，硬質(zhì)黃銅許用負(fù)荷為500 MPa，滿足要求。

圖4 受力分析

6 應(yīng)用實(shí)例和效果

正面吊的后臂鉸點(diǎn)的關(guān)節(jié)軸承更換為鑲嵌復(fù)合固體潤(rùn)滑軸承后，維修周期大大延長(zhǎng)，使用壽命普遍延長(zhǎng)到2 年以上，有的截至結(jié)稿時(shí)，用了4 年多也沒再修理過，受到正面吊使用單位的好評(píng)。后續(xù)對(duì)港內(nèi)的十幾臺(tái)三一重工制造的正面吊的前臂鉸點(diǎn)內(nèi)的關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行了同樣的改造。

7 局限性

鑲嵌復(fù)合固體潤(rùn)滑軸承從20 世紀(jì)80 年代在日本橋梁特別是吊橋上使用，到現(xiàn)在已有近40 年的使用歷史，技術(shù)比較成熟。在我國浙江省嘉善縣的加工企業(yè)較多，規(guī)模普遍較小。在選用廠家時(shí)，一定要選擇正規(guī)的廠家，保證采購的軸套質(zhì)量。在采購時(shí)，最好與復(fù)合固體潤(rùn)滑工程學(xué)研究機(jī)構(gòu)簽署技術(shù)協(xié)議，對(duì)軸承的合理使用壽命做出規(guī)定。因?yàn)榇祟惲慵儆诜菢?biāo)件，由國內(nèi)相關(guān)復(fù)合固體潤(rùn)滑工程技術(shù)研究和制造，均可替代進(jìn)口產(chǎn)品。

8 結(jié)束語

正面吊大臂的關(guān)節(jié)軸承通過改造，更換為鑲嵌復(fù)合固體潤(rùn)滑軸承，有效降低了維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和維修次數(shù)，降低了使用單位的運(yùn)行維修成本，提高了使用單位的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益，值得正面吊生產(chǎn)廠家、使用單位、維修單位學(xué)習(xí)借鑒和推廣使用。