上悬离心机球铰机构摩擦副的优化及应用研究

摘

要：根据上悬离心机的结构特征、服役工况和使用要求，设计并研究了具有自润滑功能的新型球铰摩擦副。结果表明，30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦学性能优于Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副。上悬离心机用球铰采用了30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3自润滑摩擦副，并辅助使用了镶嵌式润滑法，实现了摩擦面的自润滑功能，满足球铰设计要求。关键词：球铰；上悬离心机；自润滑0

引言离心机广泛应用于制糖工业中的甲糖膏分离，也适用于乙糖膏、葡萄糖膏、维生素VC、味精或类似的高黏度和高浓度的晶体物料的固液分离。上悬离心机是通过电机带动转鼓高速转动，在离心力作用下去除溶液中不溶性残渣的关键设备。上悬离心机在运转过程中的振动对其使用寿命和安全运转有较大影响，尤其是在启停阶段过临界转速时的振动对关键零部件损害较大。上悬离心机的振动是难以避免的，但振动超过限度时，轻则造成零部件损坏，影响机器使用寿命；重则造成重大安全事故，酿成严重后果。振动由多种因素导致，主要来自转子本身的加工、平衡精度，装配关系造成的残余不平衡量及物料分散不均匀引发的转子临界转速和振型的改变。某型号上悬离心机通过减振弹簧吸收转子振动能量，以此减轻振动。球铰机构是支撑转子的关键部件，在上悬离心机运转时，转子产生的振动通过球铰的小角度自由摆动，将振动能量传递至减振弹簧，从而保证离心机的正常运转。由于上悬离心机的轴较长，组成球铰机构的球壳和球体间的摩擦界面上无流体润滑剂，因此球壳球体摩擦副的摩擦形式为干摩擦。在实际服役过程中，球铰机构易发生因转动不灵活而导致离心机主轴振动无法传递至减振弹簧的现象，从而引起离心机整体振动过大而损坏零部件，影响正常运转。1

球铰机构结构设计与服役工况如图1所示，上悬离心机转子垂直支撑在带有4个橡胶弹簧的悬臂柔性转子上，球铰位于转子上部，通过球铰和平衡板把转子的横向振动转换为以轴向为枢轴的摆动，使得平衡板沿轴向摆动，使固定在平衡板上的减振弹簧消耗转子振动产生的能量，以调控设备整体的振动状态。某型号上悬离心机的球铰机构结构与尺寸如图2所示。球铰机构由球壳和球体组成，为装配方便，球壳为一对半球壳。球壳和球体之间的球面为摩擦副界面。目前，同类上悬离心机球铰结构的球壳和球体一般选用抗咬耐蚀不锈钢Cr20Mn10Ni4Si3N制造。这种不锈钢在酸雾腐蚀等抗咬合方面优于Cr17Ni2和Cr18Ni9等其他类型不锈钢，但苛刻的服役条件使得球铰机构摩擦副仍然有较大的摩擦系数，且上悬离心机振动较小、频率较高，其振动是发生在近似紧配合的接触表面之间的微米量级的运动，粘着现象时有发生，导致转子的振动无法有效传递至减振弹簧。尤其是在启动和停止过程中转子处于临界转速时，若球铰机构摩擦界面发生粘着，离心机转鼓振动非常大，这将导致转子主轴轴套等零件异常变形和非正常磨损而失效。2

球铰机构摩擦副选材和润滑方式研究球铰机构球壳和球体摩擦界面的低摩擦系数和良好的防粘着性能是实现振动能量传递的主要因素，优化球铰机构摩擦副材料及润滑方式是充分发挥球铰机构传递振动功能的有效手段。根据工程材料的摩擦磨损经验规律，钢—铜摩擦副性能优于钢—钢摩擦副。因此，综合考虑工程材料的摩擦磨损特性、上悬离心机酸雾和辐照等服役环境及本身结构特点，高硬度不锈钢—高强度铜合金摩擦副是较为合适的选择。本文对目前使用的抗咬耐蚀不锈钢自配摩擦副和马氏体不锈钢—高力黄铜摩擦副在干摩擦和进行防粘固体润滑涂层处理两种状态下的微动摩擦磨损性能进行了对比研究，目的在于设计出适用于上悬离心机的球铰机构摩擦副。2.1

试验方法摩擦磨损试验在微动摩擦磨损试验机（SRV-Ⅳ）上进行。摩擦试样的形状与运动方式如图3所示。上试样为圆柱型试样，尺寸为φ15mm×22mm；下试样为盘试样，尺寸为φ25mm×7.8mm。上试样圆柱面与下试样平面形成摩擦副，接触形式为圆柱面与平面形成的线接触。下试样固定不动，上试样往复运动，运动方向与上试样轴向的夹角为4°。微动摩擦磨损试验在室温下进行，具体参数为往复行程0.5mm、载荷50N、频率10Hz、磨损时间30min。摩擦副材质及润滑方式如表1所示，试验方案1和2为抗咬耐蚀不锈钢Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副，试验方案3和4为马氏体不锈钢30Cr13与高力黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3组成的摩擦副。摩擦状态分为两种：（1）干摩擦状态；（2）防粘固体润滑涂层润滑状态。防粘固体润滑涂层为专用的干膜润滑剂，牌号为FM-510，厚度为15μm，仅制备在下试样圆盘表面。摩擦副三种材料的化学成分和力学性能如表2所示。摩擦系数由试验机给出，每秒记录一个摩擦系数数据，取其磨损周期内的平均值。磨损率按下式计算：W=V/（PL）式中：W为体积磨损率[m3/（N·m）]；V为摩擦过程中材料的损失体积（m3）；P为载荷（N）；L为摩擦总位移（m）。上试样圆柱磨损体积为磨损截面面积与长度的乘积；下试样磨痕形状为U型槽，磨损体积为U型槽截面面积与其长度的乘积。磨损体积测量仪器为光学测量显微镜（CarlZeissImageA2M）和光学三维轮廓仪（MicroXAM-3DSurfaceProfiler）。每种摩擦磨损试验进行三次，摩擦系数和磨损率取三次重复试验结果的平均值。2.2

试验结果与讨论图4为试验方案1和3在干摩擦状态下盘试样磨损表面光学微观形貌图，可以看出，图4（a）抗咬耐蚀不锈钢自配摩擦副表面为犁沟状磨痕，为典型的磨粒磨损形貌；图4（b）磨痕凸起，下试样未磨损。这是在摩擦过程中，对偶铜合金通过摩擦转移粘附到下试样表面，导致磨痕为凸起状，无材料损失且体积增加。根据磨损率的定义，磨损体积为负数，磨损率用负数表示。表3显示了两种摩擦副在干摩擦和进行固体润滑涂层处理状态下的摩擦系数和磨损率。可以看出，在干摩擦状态下，30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦系数较低，且在本试验条件下盘试样30Cr13无磨损。Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副摩擦系数较高，且磨损率远远高于30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副。在两种摩擦副表面涂覆防粘固体润滑涂层后，摩擦系数均有所降低，且30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦系数较低。试验表明，在试样表面涂覆防粘固体润滑涂层可以降低摩擦系数和磨损率，并防止金属表面间的粘着。综合上述试验结果，30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副在微动磨损状态下的摩擦学性能优于Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副，可作为上悬离心机的球铰机构摩擦副。注：*表示因磨损过小而不可测，可粗略认为无磨损2.3

摩擦磨损试验小结（1）在干摩擦状态下，30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦学性能优于Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副的摩擦学性能；（2）在30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副30Cr13表面制备固体润滑涂层，可有效减少铜向钢的粘着与转移，减少铜件的磨损，稳定和减小摩擦系数，并显著提高摩擦副的抗磨损性能；（3）在四对摩擦副中，30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3（涂覆防粘固体润滑涂层）摩擦副具有最优的摩擦学性能。3

自润滑球铰摩擦副设计基于摩擦副材质和润滑方式的试验研究，自润滑球铰机构球壳选用30Cr13钢制造，球体选用ZCuZn25Al6Fe3Mn3制造，在球体表面嵌入复合固体润滑柱。试验方法：将离心机在20s内匀加速至2000r/min，并通过测量离心机转子不同位置的振幅来测试球铰机构传递振动的性能。将3个振幅传感器自上而下分别置于转子平衡板处、转鼓上部和转鼓下部，振动信号经同步跟踪数字向量滤波，得到只含有与转速同频的基频分量，获得不同转速下转子的共振振幅。从表4所列三个位置的振幅可以看出，安装抗咬耐蚀不锈钢时转鼓的共振振幅远大于安装自润滑球铰时的振幅。4

结论根据不同材料的摩擦试验与离心机试验结果，得出如下结论：（1）干摩擦和固体润滑涂层润滑条件下，马氏体不锈钢与高力黄铜摩擦副