引言

離心機(jī)廣泛應(yīng)用于制糖工業(yè)中的甲糖膏分離,也適用于乙糖膏、葡萄糖膏、維生素VC、味精或類(lèi)似的高黏度和高濃度的晶體物料的固液分離。上懸離心機(jī)是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動(dòng),在離心力作用下去除溶液中不溶性殘?jiān)年P(guān)鍵設(shè)備。上懸離心機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)其使用壽命和安全運(yùn)轉(zhuǎn)有較大影響,尤其是在啟停階段過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)對(duì)關(guān)鍵零部件損害較大。上懸離心機(jī)的振動(dòng)是難以避免的,但振動(dòng)超過(guò)限度時(shí),輕則造成零部件損壞,影響機(jī)器使用壽命:重則造成重大安全事故,釀成嚴(yán)重后果。振動(dòng)由多種因素導(dǎo)致,主要來(lái)自轉(zhuǎn)子本身的加工、平衡精度,裝配關(guān)系造成的殘余不平衡量及物料分散不均勻引發(fā)的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和振型的改變。

某型號(hào)上懸離心機(jī)通過(guò)減振彈簧吸收轉(zhuǎn)子振動(dòng)能量,以此減輕振動(dòng)。球較機(jī)構(gòu)是支撐轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件,在上懸離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)球較的小角度自由擺動(dòng),將振動(dòng)能量傳遞至減振彈簧,從而保證離心機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于上懸離心機(jī)的軸較長(zhǎng),組成球較機(jī)構(gòu)的球殼和球體間的摩擦界面上無(wú)流體潤(rùn)滑劑,因此球殼球體摩擦副的摩擦形式為干摩擦。在實(shí)際服役過(guò)程中,球較機(jī)構(gòu)易發(fā)生因轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活而導(dǎo)致離心機(jī)主軸振動(dòng)無(wú)法傳遞至減振彈簧的現(xiàn)象,從而引起離心機(jī)整體振動(dòng)過(guò)大而損壞零部件,影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1球較機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與服役工況

如圖1所示,上懸離心機(jī)轉(zhuǎn)子垂直支撐在帶有4個(gè)橡膠彈簧的懸臂柔性轉(zhuǎn)子上,球較位于轉(zhuǎn)子上部,通過(guò)球較和平衡板把轉(zhuǎn)子的橫向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為以軸向?yàn)闃休S的擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)平衡板沿軸向擺動(dòng),通過(guò)固定在平衡板上的減振彈簧消耗轉(zhuǎn)子振動(dòng)產(chǎn)生的能量來(lái)調(diào)控設(shè)備整體的振動(dòng)狀態(tài)。

某型號(hào)上懸離心機(jī)的球較機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與尺寸如圖2所示。球較機(jī)構(gòu)由球殼和球體組成,為裝配方便,球殼為一對(duì)半球殼。球殼和球體之間的球面為摩擦副界面。

目前,同類(lèi)上懸離心機(jī)球較結(jié)構(gòu)的球殼和球體一般選用抗咬耐蝕不銹鋼Cr20Mn10Ni4si3N制造。這種不銹鋼在酸霧腐蝕等抗咬合方面優(yōu)于Cr17Ni2和Cr18Ni9等其他類(lèi)型不銹鋼,但苛刻的服役條件使得球較機(jī)構(gòu)摩擦副仍然有較大的摩擦系數(shù),且上懸離心機(jī)振動(dòng)較小、頻率較高,其振動(dòng)是發(fā)生在近似緊配合的接觸表面之間的微米量級(jí)的運(yùn)動(dòng),粘著現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的振動(dòng)無(wú)法有效傳遞至減振彈簧。尤其是在啟動(dòng)和停止過(guò)程中轉(zhuǎn)子處于臨界轉(zhuǎn)速時(shí),若球絞機(jī)構(gòu)摩擦界面發(fā)生粘著,離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓振動(dòng)非常大,這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子主軸軸套等零件異常變形和非正常磨損而失效。

2球較機(jī)構(gòu)摩擦副選材和潤(rùn)滑方式研究

球絞機(jī)構(gòu)球殼和球體摩擦界面的低摩擦系數(shù)和良好的防粘著性能是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量傳遞的主要因素,優(yōu)化球絞機(jī)構(gòu)摩擦副材料及潤(rùn)滑方式是充分發(fā)揮球絞機(jī)構(gòu)傳遞振動(dòng)功能的有效手段。根據(jù)工程材料的摩擦磨損經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,鋼一銅摩擦副性能優(yōu)于鋼一鋼摩擦副。因此,綜合考慮工程材料的摩擦磨損特性、上懸離心機(jī)酸霧和輻照等服役環(huán)境及本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),高硬度不銹鋼一高強(qiáng)度銅合金摩擦副是較為合適的選擇。

本文對(duì)目前使用的抗咬耐蝕不銹鋼自配摩擦副和馬氏體不銹鋼一高力黃銅摩擦副在干摩擦和進(jìn)行防粘固體潤(rùn)滑涂層處理兩種狀態(tài)下的微動(dòng)摩擦磨損性能進(jìn)行了對(duì)比研究,目的在于設(shè)計(jì)出適用于上懸離心機(jī)的球絞機(jī)構(gòu)摩擦副。

2.1試驗(yàn)方法

摩擦磨損試驗(yàn)在微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī))sRV-V)上進(jìn)行。摩擦試樣的形狀與運(yùn)動(dòng)方式如圖3所示。上試樣為圓柱型試樣,尺寸為小15mm×22mm:下試樣為盤(pán)試樣,尺寸為小25mm×7.8mm。上試樣圓柱面與下試樣平面形成摩擦副,接觸形式為圓柱面與平面形成的線(xiàn)接觸。下試樣固定不動(dòng),上試樣往復(fù)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方向與上試樣軸向的夾角為4°。微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,具體參數(shù)為往復(fù)行程0.5mm、載荷50N、頻率10Hz、磨損時(shí)間30min。

摩擦副材質(zhì)及潤(rùn)滑方式如表1所示,試驗(yàn)方案1和2為抗咬耐蝕不銹鋼Cr20Mn10Ni4si3N自配摩擦副,試驗(yàn)方案3和4為馬氏體不銹鋼30Cr13與高力黃銅ZCuZn25A16Fe3Mn3組成的摩擦副。摩擦狀態(tài)分為兩種:)1)干摩擦狀態(tài):)2)防粘固體潤(rùn)滑涂層潤(rùn)滑狀態(tài)。防粘固體潤(rùn)滑涂層為專(zhuān)用的干膜潤(rùn)滑劑,牌號(hào)為FM-510,厚度為15um,僅制備在下試樣圓盤(pán)表面。

摩擦副三種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2所示。

摩擦系數(shù)由試驗(yàn)機(jī)給出,每秒記錄一個(gè)摩擦系數(shù)數(shù)據(jù),取其磨損周期內(nèi)的平均值。磨損率按下式計(jì)算：

式中:W為體積磨損率[m3/)N·m)]:V為摩擦過(guò)程中材料的損失體積)m3):P為載荷)N):L為摩擦總位移)m)。

上試樣圓柱磨損體積為磨損截面面積與長(zhǎng)度的乘積:下試樣磨痕形狀為U型槽,磨損體積為U型槽截面面積與其長(zhǎng)度的乘積。磨損體積測(cè)量?jī)x器為光學(xué)測(cè)量顯微鏡)CarlZeissImageA2M)和光學(xué)三維輪廓儀)MicroxAM-3DsurfaceProfiler)。每種摩擦磨損試驗(yàn)進(jìn)行三次,摩擦系數(shù)和磨損率取三次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

2.2試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4為試驗(yàn)方案1和3在干摩擦狀態(tài)下盤(pán)試樣磨損表面光學(xué)微觀形貌圖,可以看出,圖4)a)抗咬耐蝕不銹鋼自配摩擦副表面為犁溝狀磨痕,為典型的磨粒磨損形貌:圖4)b)磨痕凸起,下試樣未磨損。這是因?yàn)樵谀Σ吝^(guò)程中,對(duì)偶銅合金通過(guò)摩擦轉(zhuǎn)移粘附到下試樣表面,導(dǎo)致磨痕為凸起狀,無(wú)材料損失且體積增加。根據(jù)磨損率的定義,磨損體積為負(fù)數(shù),磨損率用負(fù)數(shù)表示。

表3顯示了兩種摩擦副在干摩擦和進(jìn)行固體潤(rùn)滑涂層處理狀態(tài)下的摩擦系數(shù)和磨損率。可以看出,在干摩擦狀態(tài)下,30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦系數(shù)較低,且在本試驗(yàn)條件下盤(pán)試樣30Cr13無(wú)磨損。Cr20Mn10Ni4si3N自配摩擦副摩擦系數(shù)較高,且磨損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副。在兩種摩擦副表面涂覆防粘固體潤(rùn)滑涂層后,摩擦系數(shù)均有所降低,且30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦系數(shù)較低。試驗(yàn)表明,在試樣表面涂覆防粘固體潤(rùn)滑涂層可以降低摩擦系數(shù)和磨損率,并防止金屬表面間的粘著。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果,30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副在

微動(dòng)磨損狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能優(yōu)于Cr20Mn10Ni4si3N自配摩擦副,可作為上懸離心機(jī)的球較機(jī)構(gòu)摩擦副。

2.3摩擦磨損試驗(yàn)小結(jié)

(1)在干摩擦狀態(tài)下,30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3

摩擦副的摩擦學(xué)性能優(yōu)于Cr20Mn10Ni4si3N自配摩擦副的摩擦學(xué)性能:

(2)在30Cr13/ZCuZn25A16Fe3Mn3摩擦副30Cr13表面制備固體潤(rùn)滑涂層,可有效減少銅向鋼的粘著與轉(zhuǎn)移,減少銅件的磨損,穩(wěn)定和減小摩擦系數(shù),并顯著提高摩擦副的抗磨損性能:

(3)在四對(duì)摩擦副中,30Cr13/ZCuZn25A16Fe3Mn3(涂覆防粘固體潤(rùn)滑涂層)摩擦副具有最優(yōu)的摩擦學(xué)性能。

3自潤(rùn)滑球較摩擦副設(shè)計(jì)

基于上述摩擦副材質(zhì)和潤(rùn)滑方式的試驗(yàn)研究,自潤(rùn)滑球較機(jī)構(gòu)球殼選用30Cr13鋼制造,球體則選用ZCuZn25A16Fe3Mn3制造,在球體表面嵌入復(fù)合固體潤(rùn)滑柱。

試驗(yàn)方法:將離心機(jī)在20s內(nèi)勻加速至2000r/min,并通過(guò)測(cè)量離心機(jī)轉(zhuǎn)子不同位置的振幅來(lái)測(cè)試球較機(jī)構(gòu)傳遞振動(dòng)的性能。將3個(gè)振幅傳感器自上而下分別置于轉(zhuǎn)子平衡板處、轉(zhuǎn)鼓上部和轉(zhuǎn)鼓下部,振動(dòng)信號(hào)經(jīng)同步跟蹤數(shù)字向量濾波,得到只含有與轉(zhuǎn)速同頻的基頻分量,獲得不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的共振振幅。

從表4所列三個(gè)位置的振幅可以看出,安裝抗咬耐蝕不銹鋼時(shí),轉(zhuǎn)鼓的共振振幅遠(yuǎn)大于安裝自潤(rùn)滑球較時(shí)的振幅。

4結(jié)論

根據(jù)不同材料的摩擦試驗(yàn)與離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果,得出如下結(jié)論:

(1)干摩擦和固體潤(rùn)滑涂層潤(rùn)滑條件下,馬氏體不銹鋼與高力黃銅摩擦副的摩擦學(xué)性能均優(yōu)于抗咬耐蝕不銹鋼自配摩擦副的摩擦學(xué)性能。

(2)自潤(rùn)滑球較機(jī)構(gòu)具有優(yōu)良的振動(dòng)傳遞性能,能夠?qū)⑤S系的振動(dòng)有效傳遞至吸收振動(dòng)能量的減振彈簧,從而減小上懸離心機(jī)的振動(dòng),確保正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)球較微動(dòng)造成接觸表面間的摩擦磨損是影響球較性能的主要因素,通過(guò)優(yōu)化摩擦副性能、增加自潤(rùn)滑等方式,有效抑制了微動(dòng)磨損的發(fā)生,為后續(xù)設(shè)計(jì)和問(wèn)題分析提供了新的思路。