国产自润滑关节轴承性能分析

　　摘　要：国产润滑关节轴承通过国内大型水利工程的应用，实践证明其质量、性能基本达到进口轴承的标准，从降低成本、发展民族工业、使用性能上考虑完全可替代进口轴承。
　　关键词：国产轴承性能；优点；应用现状；可靠性分析；强度；摩擦系数；承载力；设计；加工能力
　　1　双金属自润滑关节轴承的优点
　　自动润滑、运营成本底、密封性能好、摩擦系数低。
　　2　现状概述
　　自润滑关节轴承以其承载能力高、摩擦阻力小、工作寿命长、可承受偏载、可自动纠偏、适应性强等优良性能，受到工程界的广泛重视。国产自润滑关节轴承在水工金属结构上的应用已经近十年的历史，特别值得一提的是三峡工程的水工闸门采用了国产的GEW220XFZ5以及GEW180XFZ5关节轴承。该轴承使用在140m水下，轴承压力和水下环境条件非常苛刻。
　　目前国内的水利工程中虽然实现了部分替代进口，但是在大型、特大型水利工程仍以进口为主，这样一方面增大了工程的制造成本，另外一方面也不利于民族工业的发展，不利于国产品牌的发展，不利于自主创新基本国策的实施。
　　3　国产特大型双金属镶嵌自润滑关节轴承的各项性能
　　3.1 弧门支铰自润滑关节轴承的一般使用条件
　　主要应用于弧门支铰，承受的压力负荷非常大，在深孔弧门上已达到36000kN。这也就是说轴承的强度是其主要技术指标，应避免在较大载荷下轴承压溃。同时要求轴承有良好的摩擦学特性，摩擦系数小且动静摩擦系数接近，避免造成启闭过程中的爬行现象或出现噪音。
　　轴承的工作环境：平时，闸门关闭处于挡水状态，轴承的工作环境为灰尘和潮湿的大气；当闸门开启时，轴承在水下工作，应具有双面水密功能。
　　3.2 国产自润滑关节轴承的各项性能
　　GEW…FZB053和GEW…FZB056轴承的各项性能参数如表1所示。 　　3.3 轴承承载能力的校核
　　（1）静承载能力：以嘉陵江航运开发草街航电枢纽冲砂系统闸门支铰轴承为例，根据使用条件，径向荷载为Fr=32000kN，轴向荷载为Fa=2200kN，Fa/Fr=0.07，当量载荷系数为1.07，因此当量载荷为1.07×32000kN=34240kN，单位压力为109MPa。
　　GEW630XFZB056-2RS轴承的表面层材料为铜合金，静承载能力为280MPa（此为镶嵌面积为25%），换算在镶嵌面积为35%时其静承载能力为242.7MPa，有效承载投影面积（去除两端密封沟槽）为313480mm²，因此该关节轴承的许用静载荷为242.7MPa×313480mm²=76071kN。这样以静载校核的安全系数为2.2。
　　（2）工作寿命分析：在83MPa压力下，速度V=2mm/s，滑动1000m，相当于真机运行50年，径向磨损量仅为0.11mm，根据以上试验结果可以看出，满足弧形闸门50年以上是没有问题的。
　　4　国产特大型自润滑关节轴承的设计、加工能力
　　4.1 特大型关节轴承的结构设计
　　（1）轴承内圈或外圈基体材料为特制铜合金或钢基体表面堆焊铜合金，球形表面镶嵌固体润滑剂；与自润滑材料相对磨的偶件内圈或外圈一般采用轴承钢，淬火后低温回火，球形表面镀硬铬，抛光。轴承的型式分两种：GEW…HFZB05、GE…HFZB05轴承是由内圈和可轴向分离的双半外圈所组成；GEW…XFZB05、GE…XFZB05轴承是由内圈和可径向分离的双缝外圈所组成，两个半外圈两端用锁圈紧固。
　　双缝外圈的优点是可以整体加工、整体装配，因此加工精度易于保证。但是由于特大型关节轴承重量在1t以上，而且外圈与座孔之间配合面较长，需要有很大的压入力，安装现场的条件又非常有限，因此不利于装配。双半外圈关节轴承的外圈可以分两次压入，方便了装配，同时两个半外圈的尺寸公差可控制在0.02mm以内，完全可以满足精度要求。所以特大型关节轴承我们推荐采用双半外圈结构型式。
　　（2）轴承的润滑：FZB系列关节轴承具有良好的自润滑性能，但在有润滑的条件下，性能会有较大提高。因此，在有条件的情况下，应尽可能改善润滑条件，以利提高性能，延长使用寿命。需强调的是在装配前必须涂固体润滑膜以帮助轴承跑合，使其从运动开始就有良好的摩擦性能。
　　（3）轴承的密封：有效的密封可防止水和泥沙进入，防止润滑介质流失，尤其是在水下工作时，是保证轴承正常工作的关键。FZB系列自润滑关节轴承自身可带密封，也就是在外圈上上加工密封槽，镶O型密封圈。这种密封的特点是简单、可靠，但将减少承载面积。对于重要的轴承或对密封要求很高的场合，可采取双密封。
　　4.2 国产特大型自润滑关节轴承的制造能力
　　铜合金以及双金属自润滑关节轴承的关键加工过程有三项：一是铜合金的铸造；二是铜合金的堆焊，三是沟道的磨加工。
　　（1）铜合金的铸造：铜合金材质采用我公司特制的2#配方高强铜合金，铸造过程由公司自行控制，严格按规范要求，对每件产品随炉采样进行化学成分分析和机械性能检测，性能指标远优于国家标准。
　　（2）铜合金的堆焊：采用自动堆焊机来确保焊接质量及其均匀一致性，实现铜合金与钢基体的牢固冶金结合，采用超声波对堆焊的冶金结合层进行检测，确保结合层牢固可靠。检测结果表明层间抗剪强度达到248MPa，是足够的。
　　（3）沟道（也就是球面）的磨加工：球面磨削采用范成磨削方法，杯形砂轮与工件安装成轴线相交成一定角度，砂轮和工件同时绕各自的轴线旋转。根据平面与球面相截，所得截形是个圆的基本原理，保证完全的球形表面，理论上没有形状误差。目前三环公司拥有的1.8m落地磨床可以满足直径1000mm以上关节轴承的加工要求。
　　对以上三个关键过程的控制完全可以满足特大型弧门支铰轴承的机械性能和加工精度要求。
　　5　国外自润滑轴承产品情况
　　国外较具代表性的有SKF、DEVA、INA。
　　国内外产品主要性能情况见表2。 　　6　国产特大型自润滑关节轴承在水工金属结构上已取得的应用经验和可靠性分析
　　2003年湖南碗米坡工程应用的GEW530HFZ5关节轴承刷新了国产大型自润滑关节轴承的新纪录，该年5月份，由全国各水利勘测设计院金结方面的主任、专家们参加的技术研讨会，对我国生产的大型关节轴承以及技术水平给予了很高的评价。该项技术正逐渐被我国的水利工程所采用，可以说双金属自润滑关节轴承在水利工程中的引用每年都在刷新一项纪录，在水利工程上在逐步取代进口。
　　在双金属自润滑关节轴承方面：2005年和2006年重庆的石堤和酉酬工程、2006年构皮滩的快速闸门、2007年重庆嘉陵江航运冲砂系统闸门均采用了国产自润滑关节轴承。值得一提的就是草街工程，是国产的Z大规格双金属自润滑轴承，这标志着该轴承已进入大规模推广阶段。
　　7　结语
　　（1）通过以上对国产自润滑关节轴承各项性能指标的分析，完全符合特大型弧门支铰使用条件，是可靠的。
　　（2）通过国产特大型关节轴承设计、制造和测试能力分析，由于大连三环公司在国内率先进行了自润滑关节轴承的产业化建设，年生产能力500t以上，具备制造1000mm以上直径特大型关节轴承的设计加工能力。并且试验设备先进，可模拟弧门支铰轴承的各种使用条件，为工程提供科学、详实的设计依据。
　　（3）国产自润滑关节轴承在各项性能指标上不低于国外同类产品的水平。特别是通过三峡等重点工程替代进口的实例，充分说明了国产自润滑在特大型弧门支铰上替代进口是可靠的。
　　参考文献
　　[1]GJB 5502-2005，低速摆动自润滑向心关节轴承规范[S].
　　[2]DLT5018-2004，水工钢闸门制作安装及验收规范[S].