新型工程塑料合金材料在水利工程闸门滚轮上的应用

　　水利工程中闸门上的滚轮长期浸泡在水中，很容易锈蚀。而滚轮一旦锈蚀，轻则闸门启闭不灵活，重则滚轮锈死，导致闸门的启闭力大幅增加，甚至无法开启或关闭，使水利工程功能失效。而新型工程塑料合金材料轴承的研制成功，使滚轮在各种工作环境下的适应能力得到较大的提高。新型工程塑料合金材料轴承不失为青铜轴承的较好的替代产品。
　　1　青铜轴承主滚轮失效的原因
　　闸门滚轮的轴承一般为青铜轴承，其对偶件为钢轴。如果闸门使用频繁，并对滚轮按时加油，使轴与轴承之间形成一道油膜，不让空气或水进入轴与轴承的间隙中，钢轴的轴颈就不易锈蚀，滚轮才能活动自如。但是水利工程的闸门使用率一般较低，如苏南地区防洪节制闸的闸门一般仅在汛前关闭，汛后开启，一年二次；圩区防洪节制闸的闸门更是长年处于关闭状态。由于闸门滚轮长期处于静止状态，油膜无法形成，潮湿空气或河水就会与轴颈相接触而使钢轴锈蚀，而且青铜轴承与钢轴的直接接触，将使电位较高的钢轴轴颈加速锈蚀，直至轴与轴承间的空隙被铁锈塞满，轴承无法转动，滚轮锈死。如果河道污染严重，河水中电解质较多，一旦轴与轴承之间的油膜无法形成，轴与轴承之间的空隙就会由导电的河水填充，从而使钢轴与青铜轴承呈全面接触状态，致使钢轴从开始锈蚀到滚轮锈死的时间就会大大缩短。
　　2　新型工程塑料合金材料轴承的优势
　　（1）新型工程塑料合金材料属高分子化学改性材料，为非金属材料，与金属接触时不会形成电位差，不会加快金属件的锈蚀速度。
　　（2）由于新型工程塑料合金材料是通过科学方法合成的各向同性均质材料，具有较佳的三场稳定性及不分散性。
　　①力场作用下比磨损率数据的不分散性
　　由于新型工程塑料合金材料具有的自润滑性能及高分子结构的稳定性，使它在各种工况下抗磨损过程中其比磨损率表现出变化不大的特性。按照国家标准，在干态、水态、油态三种工况状态下进行的比磨损率试验，所测的数据几乎没有分散性，而且其数值比目前的同类非金属等材料下降了一个数量级。
　　由于新型工程塑料合金材料在干态、水态、油态三种工况状态下的比磨损率及摩擦系数基本不变，因此如果采用这种材料制成轴承，则可充分利用这种材料所具有的自润滑性能，减少闸门的维护工作量，减少管理单位的维护成本。
　　②化学场作用下的稳定性
　　通过近三个月的酸、碱、盐水溶液（浓度在5％-20％）浸泡，在不同的溶液浓度下，新型工程塑料合金材料的强度变化、溶胀及溶出均小于0.03％-0.7％。
　　③高压电场作用下的稳定性
　　经国家绝缘子避雷器质量监督检验中心及西安交通大学高压实验室测定，新型工程塑料合金材料的高压电场作用下的稳定性均合格（见表1）。

表1 国家绝缘子避雷器质量监督检验中心试验报告

　　（3）新型工程塑料合金材料具有较高的使用承压力
　　新型工程塑料合金材料的Z大设计载荷见表2，从表中可看出，新型工程塑料合金材料的使用承压力均大于铜的使用承压力（30MPa）。

表2 新型工程塑料合金材料的Z大设计载荷

　　（4）新型工程塑料合金材料具有较长的使用寿命
　　根据河南省分析测试中心对新型工程塑料合金材料MGA样品的测试，它在常湿状态（20℃）时的热氧老化寿命为496年，在30℃时的热氧老化寿命为324年，在40℃时的热氧老化寿命为212年，在100℃时的热氧老化寿命为16.5年。
　　3　新型工程塑料合金材料轴承的设计
　　新型工程塑料合金材料轴承的设计按常规步骤进行，计算方法简述如下：
　　（1）轴承长度的确定
　　轴承长度L按（1-2）d确定。d为轴的直径。
　　（2）轴承工作比压的确定P=P_s÷（d×L）
　　式中：
　　P-轴承工作比压，MPa；
　　P_s-轴承承受的设计径向荷载，N；
　　d-轴的直径，mm；
　　L-轴承长度，mm。
　　（3）轴承工作线速度的确定
　　V=π×d×n÷60000
　　式中：
　　V-轴承工作线速度，m/s；
　　n-轮的转速，r/min。
　　（4）轴承材料的选择
　　根据计算数据L、P、V，及轴承的润滑条件，查新型工程塑料合金材料轴承的设计参数表，确定轴承采用的具体材料。
　　（5）对偶轴颈的设计
　　新型工程塑料合金材料不会对轴颈造成损伤，因此对偶轴颈的表面粗糙度R_a达到3.2即可。轴承与轴颈间的配合间隙由轴承的内径尺寸来保证，轴颈尺寸设计成基准尺寸，加工公差取H7。
　　（6）轴承座孔的设计
　　轴承与座孔间的配合程度由轴承的外径尺寸来保证，座孔尺寸设计成基准尺寸，加工公差取H7。
　　4　新型工程塑料合金材料轴承的施工
　　新型工程塑料合金材料的加工设备可采用车、铣、刨等切削设备。
　　轴承与座孔的配合一般为过盈配合，装配可采用压入法或冷冻法。压入法指用压力机将轴承缓慢压入轴承座孔。冷冻法是将轴承放入装有液氮的容器中冷却，直到轴承外径小于座孔时才放入座孔中。
　　5　新型工程塑料合金材料轴承与青铜轴承的经济比较
　　新型工程塑料合金材料中的MGA材料的价格大约是青铜价格的1.4倍，MGC材料的价格大约是青铜价格的1.2倍。考虑到一扇闸门中轴承的费用所占比例较低，如内径100ｍｍ、外径110ｍｍ、长度100ｍｍ的MGC轴承，按一扇闸门4个考虑，则轴承材料费用约为1000多元。考虑到工程管理中节约的管理费用，采用新型工程塑料合金材料的经济优势还是比较明显。
　　6　新型工程塑料合金材料轴承的应用实例
　　新型工程塑料合金材料轴承已在水利工程中得到较多的应用，2004年建设的曹王泾节制闸工程就采用了这种新型工程塑料合金材料轴承。曹王泾节制闸工程是江苏省无锡市五里湖水环境整治工程的配套工程，位于无锡市滨湖区、曹王泾河入五里湖的口门处，工程的主要任务是在非汛期关闸，保证五里湖的水位处于Z佳水位；在汛期则开闸排涝。
　　经分析，本工程每年启闭次数很少，基本上为一年开关一次。为减少闸门的维修管理工作量，本工程设计时选用新型工程塑料合金材料作为 滚轮轴承的材料。
　　本工程的闸门设计外河侧挡水水头4.20m，内河侧挡水水头3.30m。闸门门高4.50m，门宽12m，闸门行走支承采用悬臂轴滚轮方式，一扇闸门共布置4个滚轮。滚轮轮距2.5m，下滚轮距门底0.85m。
　　经计算，每个下滚轮受力11.88t，每个上滚轮受力8.37t。
　　取下滚轮的受力作为轴承的设计数据。滚轮直径取500mm，轮缘宽度90mm；确定钢轴的轴颈直径120mm。轴承长度取1至2倍的轴颈直径，参照以前的设计，取轴承长度130mm。轴承的工作比压经计算为7.46×10⁶Pa。闸门的设计启门速度为0.027m/s。
　　查新型工程塑料合金材料系列的轴承设计参数，确定滚轮轴承采用MGC材料。该材料的允许移动速度为0.05-0.12m/s，Z大设计载荷32×10⁶Pa，MGC材料轴承满足设计要求。
　　7　结束语
　　轴承的个体虽小，制作费用占整个闸门制作费用的比例也较低，但轴承质量的好坏，却关系到闸门能否正常使用，从而直接影响到整个水利工程作用的发挥。因此，水利工程设计时切不可对轴承的设计不加重视，实践表明新开发的新型工程塑料合金材料轴承不失为青铜轴承较好的替代产品。