引言

離心機廣泛應用于制糖工業(yè)中的甲糖膏分離,也適用于乙糖膏、葡萄糖膏、維生素VC、味精或類似的高黏度和高濃度的晶體物料的固液分離。上懸離心機是通過電機帶動轉鼓高速轉動,在離心力作用下去除溶液中不溶性殘渣的關鍵設備。上懸離心機在運轉過程中的振動對其使用壽命和安全運轉有較大影響,尤其是在啟停階段過臨界轉速時的振動對關鍵零部件損害較大。上懸離心機的振動是難以避免的,但振動超過限度時,輕則造成零部件損壞,影響機器使用壽命:重則造成重大安全事故,釀成嚴重后果。振動由多種因素導致,主要來自轉子本身的加工、平衡精度,裝配關系造成的殘余不平衡量及物料分散不均勻引發(fā)的轉子臨界轉速和振型的改變。

某型號上懸離心機通過減振彈簧吸收轉子振動能量,以此減輕振動。球較機構是支撐轉子的關鍵部件,在上懸離心機運轉時,轉子產生的振動通過球較的小角度自由擺動,將振動能量傳遞至減振彈簧,從而保證離心機的正常運轉。由于上懸離心機的軸較長,組成球較機構的球殼和球體間的摩擦界面上無流體潤滑劑,因此球殼球體摩擦副的摩擦形式為干摩擦。在實際服役過程中,球較機構易發(fā)生因轉動不靈活而導致離心機主軸振動無法傳遞至減振彈簧的現(xiàn)象,從而引起離心機整體振動過大而損壞零部件,影響正常運轉。

1球較機構結構設計與服役工況

如圖1所示,上懸離心機轉子垂直支撐在帶有4個橡膠彈簧的懸臂柔性轉子上,球較位于轉子上部,通過球較和平衡板把轉子的橫向振動轉換為以軸向為樞軸的擺動,實現(xiàn)平衡板沿軸向擺動,通過固定在平衡板上的減振彈簧消耗轉子振動產生的能量來調控設備整體的振動狀態(tài)。

某型號上懸離心機的球較機構結構與尺寸如圖2所示。球較機構由球殼和球體組成,為裝配方便,球殼為一對半球殼。球殼和球體之間的球面為摩擦副界面。

目前,同類上懸離心機球較結構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等其他類型不銹鋼,但苛刻的服役條件使得球較機構摩擦副仍然有較大的摩擦系數(shù),且上懸離心機振動較小、頻率較高,其振動是發(fā)生在近似緊配合的接觸表面之間的微米量級的運動,粘著現(xiàn)象時有發(fā)生,導致轉子的振動無法有效傳遞至減振彈簧。尤其是在啟動和停止過程中轉子處于臨界轉速時,若球絞機構摩擦界面發(fā)生粘著,離心機轉鼓振動非常大,這將導致轉子主軸軸套等零件異常變形和非正常磨損而失效。

2球較機構摩擦副選材和潤滑方式研究

球絞機構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現(xiàn)振動能量傳遞的主要因素,優(yōu)化球絞機構摩擦副材料及潤滑方式是充分發(fā)揮球絞機構傳遞振動功能的有效手段。根據工程材料的摩擦磨損經驗規(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、上懸離心機酸霧和輻照等服役環(huán)境及本身結構特點,高硬度不銹鋼一高強度銅合金摩擦副是較為合適的選擇。

本文對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行防粘固體潤滑涂層處理兩種狀態(tài)下的微動摩擦磨損性能進行了對比研究,目的在于設計出適用于上懸離心機的球絞機構摩擦副。

2.1試驗方法

摩擦磨損試驗在微動摩擦磨損試驗機)sRV-V)上進行。摩擦試樣的形狀與運動方式如圖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接觸。下試樣固定不動,上試樣往復運動,運動方向與上試樣軸向的夾角為4°。微動摩擦磨損試驗在室溫下進行,具體參數(shù)為往復行程0.5mm、載荷50N、頻率10Hz、磨損時間30min。

摩擦副材質及潤滑方式如表1所示,試驗方案1和2為抗咬耐蝕不銹鋼Cr20Mn10Ni4si3N自配摩擦副,試驗方案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)防粘固體潤滑涂層潤滑狀態(tài)。防粘固體潤滑涂層為專用的干膜潤滑劑,牌號為FM-510,厚度為15um,僅制備在下試樣圓盤表面。

摩擦副三種材料的化學成分和力學性能如表2所示。

摩擦系數(shù)由試驗機給出,每秒記錄一個摩擦系數(shù)數(shù)據,取其磨損周期內的平均值。磨損率按下式計算：

式中:W為體積磨損率[m3/)N·m)]:V為摩擦過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度的乘積。磨損體積測量儀器為光學測量顯微鏡)CarlZeissImageA2M)和光學三維輪廓儀)MicroxAM-3DsurfaceProfiler)。每種摩擦磨損試驗進行三次,摩擦系數(shù)和磨損率取三次重復試驗結果的平均值。

2.2試驗結果與討論

圖4為試驗方案1和3在干摩擦狀態(tài)下盤試樣磨損表面光學微觀形貌圖,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。這是因為在摩擦過程中,對偶銅合金通過摩擦轉移粘附到下試樣表面,導致磨痕為凸起狀,無材料損失且體積增加。根據磨損率的定義,磨損體積為負數(shù),磨損率用負數(shù)表示。

表3顯示了兩種摩擦副在干摩擦和進行固體潤滑涂層處理狀態(tài)下的摩擦系數(shù)和磨損率?？梢钥闯?在干摩擦狀態(tài)下,30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦系數(shù)較低,且在本試驗條件下盤試樣30Cr13無磨損。Cr20Mn10Ni4si3N自配摩擦副摩擦系數(shù)較高,且磨損率遠遠高于30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副。在兩種摩擦副表面涂覆防粘固體潤滑涂層后,摩擦系數(shù)均有所降低,且30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦系數(shù)較低。試驗表明,在試樣表面涂覆防粘固體潤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。綜合上述試驗結果,30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副在

微動磨損狀態(tài)下的摩擦學性能優(yōu)于Cr20Mn10Ni4si3N自配摩擦副,可作為上懸離心機的球較機構摩擦副。

2.3摩擦磨損試驗小結

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

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

(2)在30Cr13/ZCuZn25A16Fe3Mn3摩擦副30Cr13表面制備固體潤滑涂層,可有效減少銅向鋼的粘著與轉移,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)在四對摩擦副中,30Cr13/ZCuZn25A16Fe3Mn3(涂覆防粘固體潤滑涂層)摩擦副具有最優(yōu)的摩擦學性能。

3自潤滑球較摩擦副設計

基于上述摩擦副材質和潤滑方式的試驗研究,自潤滑球較機構球殼選用30Cr13鋼制造,球體則選用ZCuZn25A16Fe3Mn3制造,在球體表面嵌入復合固體潤滑柱。

試驗方法:將離心機在20s內勻加速至2000r/min,并通過測量離心機轉子不同位置的振幅來測試球較機構傳遞振動的性能。將3個振幅傳感器自上而下分別置于轉子平衡板處、轉鼓上部和轉鼓下部,振動信號經同步跟蹤數(shù)字向量濾波,得到只含有與轉速同頻的基頻分量,獲得不同轉速下轉子的共振振幅。

從表4所列三個位置的振幅可以看出,安裝抗咬耐蝕不銹鋼時,轉鼓的共振振幅遠大于安裝自潤滑球較時的振幅。

4結論

根據不同材料的摩擦試驗與離心機試驗結果,得出如下結論:

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

(2)自潤滑球較機構具有優(yōu)良的振動傳遞性能,能夠將軸系的振動有效傳遞至吸收振動能量的減振彈簧,從而減小上懸離心機的振動,確保正常運轉。

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