浸渍器摩擦与磨损问题的研究（图）

时间：2021-01-07 08:04:15　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘　要　浸渍器是烟丝浸渍的重要设备，在上下盖的开关过程中由于存在摩擦，从而导致浸渍器锁环、缸齿和盖齿的过度磨损。本文对此进行了客观分析和专题研究，并从实际出发，运用摩擦与磨损理论和技术，提出了积极的解决措施。

　　关键词　浸渍器　摩擦　磨损　摩擦片

　　1　前言

　　1.1　摩擦概述

　　两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动（或具有相对运动趋势），在接触面而产生的切向运动阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。按摩擦副的运动形式摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦，或者分为静摩擦和动摩擦，按表面润滑状况摩擦可分为干摩擦、边界摩擦、混合摩擦、流体摩擦。

　　1.2　磨损概述

　　磨损是物体两接触表面间由于摩擦的机械作用使表面物质逐渐损耗的过程，它将导致在垂直于摩擦表面的方向上物体尺寸逐渐减小。接触表面在高应力作用下形成局部机械磨损，损坏形式常受周围环境因素的影响，根据损坏原因，把磨损分为粘附磨损、磨粒磨损和疲劳磨损。

　　1.3　问题提出

　　浸渍器是一种开启式的不锈钢压力容器，价值达600多万，设计压力为33bar，设计温度为-80～+50℃，容量为3700升。浸渍器垂直放置，由上下端盖、缸体、锁环和液压源等组成（见图1）。

　　图1　浸渍器示意图

　　浸渍器上下端盖可开关，供喂料及卸料时用。含有规定水份的烟丝定量地输送到浸渍器中，通过加压、注入CO2液体、充分浸渍、排除多余的CO2液体和短时间的减压，浸渍器中的压力恢复到常压，烟丝的温度也随之不断下降，直至形成块状的干冰烟丝，然后进行粉碎和膨胀。

　　正常生产时，浸渍器平均每15分钟左右就要完成一次上下端盖的开关和锁环的锁定等工作。在这些过程中，由于浸渍器锁环、缸齿和盖齿之间存在着径向和轴向摩擦，导致锁环、缸齿和盖齿的过度磨损，有时甚至导致锁环“咬死”，从而影响正常生产。如果要对这种磨损进行修复，需要花费大量的人力、物力和财力，需要停产将整机吊出，送有专业资质的单位进行修理，前后耗时达一个多月，修理费用达数十万，显而易见，这是任何一个厂家都不愿做的事。因此，客观正确地分析浸渍器运行中的摩擦现象，切实有效地解决由此引起的磨损问题是十分重要的。

　　2　摩擦与磨损机理

　　2.1　摩擦机理

　　两表面接触，在外载荷作用下，真实接触面积上应力很大。从而产生强大的粘附力，大的压力使个别轮廓峰压平或压入，不仅在两个接触物体的硬度的弹性模量不同时会出现压入，而且在两个物体的硬度相同，而轮廓峰的外形不同时也会产生压入。这时，当作切向位移时则将在被压入表面犁削或切出条状细槽来。

　　摩擦力的方向始终与位移方向相反，摩擦功等于摩擦力与相对移动距离的乘积。根据切向移动的状态，摩擦力分为静摩擦力、局部摩擦力和动摩擦力。一般静摩擦力大于动摩擦力。接触固体的切向移动可以分为宏观移动和微观移动，宏观移动称为滑动，微观滑移称为预位移。预位移时的摩擦力与预位移成正比，称为局部静摩擦力。预位移增大到某一极限值，则将转变为滑动，称该极限值为极限预位移，对应极限预位移的摩擦力称为静摩擦力。完全处于滑动时的摩擦力是动摩擦力。

　　摩擦力取决于表面层的物理、力学性质。它由两部分组成，即分子部分和机械部分。分子部分主要是切开粘附结点的剪力，机械部分主要是一个表面的轮廓峰在另一表面上的犁削力。

　　摩擦力取决于滑动摩擦系数，在一般的压力与速度下，对确定的摩擦副和环境，可以认为摩擦系数是常量。摩擦系数受摩擦副材料、表面粗糙度、有无润滑剂、环境压力与温度的影响很大。

　　2.2　磨损机理

　　在一定的摩擦条件下，磨损过程分为三个阶段，即磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。图2表示磨损量与工作时间的典型关系，它明显地显示出三个磨损阶段。

　　图2　磨损量与工作时间的关系

　　磨合是磨损的不稳定阶段，在整个工作时间内其比率很小。磨合阶段的特征是磨损率很高，但随工作时间加长而降低。

　　稳定磨损阶段时间最长，其特征是磨损缓慢、磨损率稳定。

　　剧烈磨损阶段的特征是磨损率急剧增加，产生异常噪声和振动，摩擦副温度迅速升高，很快导致零件失效。

　　影响磨损度的主要因素有载荷（法向压力）、弹性模量、强度特性、摩擦系数（摩擦性能）、表面粗糙度和波度、分子的相互作用以及速度和温度。

　　3　浸渍器摩擦与磨损分析

　　正确运用摩擦与磨损理论和技术，有助于客观的分析研究浸渍器摩擦与磨损问题。

　　3.1　工作原理

　　浸渍器上下端盖和上下缸体上各有20个均布的凸齿，上下端盖的开关分别由各自的油缸控制。上下端盖关闭后，紧接着上下锁环油缸推动各自的锁环转动，端盖上的20个凸齿和缸体上的20个凸齿及锁环上的20个凹齿就相互对应啮合，完成了锁环的锁定工作，同时起保险作用的安全凸轮随即关闭，然后上下盖密封圈充入大于35bar的氮气，这样，浸渍器就可以进行正常的烟丝浸渍工作了。当上下端盖需要开启时，锁环先转动，使缸体凸齿与端盖凸齿能够脱开，以实现端盖打开的动作。图3左图表示锁环锁定缸体凸齿与端盖凸齿时的位置，右图表示锁环正在离开锁定位置。

　　图3　锁环工位

　　3.2　径向摩擦

　　通过分析图4可知，推动锁环的油缸一端固定不动，另一端为锁环油缸活塞的伸缩端，且与锁环连接，油缸中的活塞在作行程约为170mm的直线运动的同时，油缸也绕着固定点作小角度摆动，而锁环则以缸体为中心作转约为2rpm的低速的近似的圆周运动。在活塞的直线运动变为锁环的圆周运动的过程中，锁环受到切向力和向心力共同作用。

　　图4　浸渍器俯示意图

　　图5为锁环、盖齿和缸齿的示意图，从径向来看，锁环内挡直径为1626mm，端盖凸齿或缸体凸齿外挡直径为1620mm，二者之差为6mm，也就是说，为了避免摩擦，锁环内挡与端盖凸齿或缸体凸齿外挡之间必须有间隙，且较为理想的单边间隙应各为3mm。若锁环无径向限位装置，则锁环的运动只能是近似的圆周运动，而且锁环内挡圆与端盖凸齿或缸体凸齿外挡圆之间就会在切向力的作用下产生约150mm左右不规则的径向滑动摩擦，并产生磨损。

　　3.3　轴向摩擦

　　图5　锁环、盖齿和缸齿示意图

　　从轴向来看，锁环内挡的轴向高度为181mm，而端盖凸齿和缸体凸齿等的轴向总高度为180mm，即锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿等在轴向上的高度间隙为1mm，换言之，为避免摩擦，锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿等在轴向高度上较为理想的上下间隙应各为0.5mm。因此，从理论上来说，若存在轴向定位装置，且调整得当，锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿之间的齿面在工作时不会发生轴向摩擦，只有当浸渍器上下盖关闭，锁环锁到位，上下盖密封圈间充入大于35bar的氮气时，锁环才在垂直方向上发生约0.5mm的位移。开盖前氮气阀门关闭，上下盖密封圈间的氮气得到释放，与大气相通，锁环在垂直方向上理应恢复原位，但实际工作中，由于上下盖密封圈软度、硬度、几何尺寸、材料和加工工艺的选择，锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿之间齿面本身的水平度，对锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿等在轴向高度上的上下间隙的调整，对端盖凸齿和缸体凸齿啮合齿面间隙的调整以及维修调整保养周期等问题，使得锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿齿面之间很难有间隙存在，因而就产生了轴向滑动摩擦和磨损。

　　4　对策措施

　　4.1　径向摩擦与磨损的避免

　　由于锁环内挡与端盖凸齿或缸体凸齿外挡之间确实存在着径向摩擦与磨损，且相对而言，靠近锁环油缸附近的磨损量较大，故有解决的必要。

　　解决措施：在锁环外圈的120°约三等分的径向对称位置上各加装一径向定位装置（见图6），通过调整这三个径向定位装置，促使锁环作圆周运动，并使锁环内挡与端盖凸齿或缸体凸齿外挡之间的圆周间隙基本相等，从而避免了锁环内挡与端盖凸齿或缸体凸齿外挡之间摩擦与磨损。

　　图6　浸渍器径向和轴向定位装置示意图

　　众所周知，纯净金属表面的摩擦系数相当大，而且同类纯金属间的摩擦系数比异类纯金属和同类合金间的摩擦系数大的多。钢与钢之间的摩擦系数为0.1-0.12，而钢与黄铜的摩擦系数只有0.03。因此可选用普通黄铜作为支点材料，它与不锈钢锁环构成一对摩擦副。二者相比，不锈钢硬度大于黄铜的硬度，不锈钢成了耐磨材料，黄铜成了一种易损材料，而且调换也很方便。有了上述措施，加之每月一次的定期检查或调整，锁环内挡与端盖凸齿或缸体凸齿外挡之间的摩擦与磨损问题就可以得到解决。

　　4.2　轴向摩擦与磨损的避免

　　相比之下，不论是摩擦段还是摩擦面积，轴向滑动摩擦和磨损都远远大于径向滑动摩擦和磨损。

　　在径向滑动摩擦和磨损中，由于锁环内挡与端盖凸齿或缸体凸齿外挡的单边间隙为3mm，且锁环内挡圆与端盖凸齿或缸体凸齿外挡圆之间只有约150mm不规则的径向滑动摩擦和磨损，接触面积又小，摩擦与磨损问题解决的可行度较高。

　　而锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿等在轴向高度上产生的轴向磨损是一种磨粒磨损，也就是说，在滑动摩擦副中，一个表面较硬或在两表面间有硬的磨粒，则磨损的主要形式是磨粒磨损。在切向运动下，较硬的轮廓峰或磨粒在配偶表面上象切削一样划出条状细槽，造成材料脱落。这种摩擦对锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿齿面的磨损较大。

　　浸渍器轴向摩擦与磨损涉及的因素较多，解决该问题就显得比较复杂。首先参照径向定位的方法安装轴向定位装置，可以使锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿等在轴向高度上的上下单边间隙基本相等（见图6）。其次，在保持锁环内挡高度、端盖凸齿、缸体凸齿总厚度不变的情况下，将端盖凸齿和缸体凸齿厚度各减去一定厚度，以该减去的厚度为准，在端盖凸齿和缸体凸齿上各增加相同厚度相同齿形的摩擦片不乏是一明智之举（即为图5示意图中盖齿和缸齿上的粗黑部分）。这样，通过定期调换摩擦片，就可以保护锁环，使之不被过度磨损。

　　4.2.1　摩擦片的选择

　　浸渍器包括锁环由不锈钢制成，国产牌号为00Cr18Ni10，美国牌号为304L。考虑到摩擦片承受的载荷及摩擦面积等不同于径向摩擦与磨损的工况条件，因此，正确的选择摩擦片的材料是十分重要的，其硬度要比不锈钢低，同时又要耐磨。尽管可选作摩擦片的材料很多，但较适合与不锈钢配对成摩擦副的，应选择蒙乃尔材料为好。蒙乃尔是一种粉末冶金，成份主要有Ni（镍）、Cu（铜）、Fe（铁）、Mn（锰）、Si（硅）等，如果实际使用时摩擦片磨损太快，可适当添加一点C（碳），以增加耐磨性。现在作为摩擦片且使用比较成熟的蒙乃尔材料主要成份有Ni（65.56%）、Cu（30.72%）、Fe（2.04%）、Mn（1.46%）、Si（0.19%）、　C（0.029%）等，其抗拉强度为19.6-39.2MPa，远低于不锈钢300MPa以上的抗拉强度，密度为5.76-6.6g/cm3，比不锈钢4.6-5.29/cm3的要高，因此，其强度、韧性、塑性、硬度和耐磨性都比较理想。

　　4.2.2　摩擦片的形状

　　摩擦片形状必须与端盖凸齿和缸体凸齿齿形相同，长度取凸齿的长度，宽度取凸齿的宽度，长度方向上的两边应呈圆弧状，其内外弧与凸齿内外弧的形状应相同，这样才能保证浸渍器上下盖开关时不会发生碰擦现象。

　　4.2.3　摩擦片的定位

　　既然浸渍器锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿齿面之间存在轴向滑动摩擦和磨损，那么正确选择摩擦片的定位方式就显得十分重要。具体来说，为防止摩擦片的脱落，就是要从径向和轴向两个方向上对其进行定位。

　　轴向定位一是使摩擦片宽度方向上两边的内侧向内倾斜（见图7），二是用两个一定直径的铆钉将摩擦片与端盖凸齿或缸体凸齿固定在一起，这样可防止摩擦片的脱落。须提醒的是，为了方便日后拆装，铆钉不能选与浸渍器相同的不锈钢材料，硬度也不能太硬，即比通用钻头的硬度要低一级，同时要考虑铆钉的膨胀性，增加连接的可靠度。

　　从锁环的运动方向来看，摩擦片的受力主要来自剪切力的作用，因此，在对摩擦片进行径向定位时，摩擦片宽度方向上两边的内侧与端盖凸齿或缸体凸齿之间的配合不能有间隙（见图7），否则受剪切力的反复作用，摩擦片就会发生位移，导致用于轴向定位的铆钉松动、剪断以及摩擦片的变形，摩擦片就会脱落。摩擦片与端盖凸齿或缸体凸齿之间的配合一般选过度配合为宜，即能用铁锤轻轻敲至配合面即可；
考虑到经济性、实用性和不变形性，摩擦片厚度要适宜。若在两金属配合面涂上一些金属粘合剂，两金属面配合效果会更好。另外，摩擦片宽度方向上的两边平面应保持一定的倾角（见图7），以便锁环开关时起到导向的作用。

　　图7　摩擦片示意图

　　4.3　定位装置的润滑

　　若能在径向和轴向定位装置设计油道，加装油嘴，定期定量的加一些少量的润滑脂，对进一步改善径向和轴向定位装置的摩擦状况有显著的作用，这时的摩擦就呈边界摩擦状态，此时的摩擦系数遵循下述一般规律：

　　（1）润滑表面的摩擦系数低于无润滑表面的摩擦系数；

　　（2）润滑剂分子的极性愈强，分子愈长，则摩擦系数愈低。因此，一般油脂比矿物油更能降低摩擦系数；

　　（3）对同一种润滑剂来说，一般无润滑表面摩擦系数大的金属摩擦副，润滑表面的摩擦系数亦大。

　　5　实际效果

　　在实际工作中，通过正确选择摩擦片及摩擦片的定位方式和上下盖的密封圈，加上每月一次的定期对径向和轴向间隙及定位装置的检查或调整，锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿齿面间隙的检查或调整，每三月一次的对上下端盖位置的检查或调整，每月一次的定期定量润滑，浸渍器锁环内挡与端盖凸齿或缸体凸齿外挡之间的径向磨损已经得到了解决，锁环内挡与端盖凸齿和缸体凸齿等在轴向高度上产生的过度磨损得到了有效控制，也未发生锁环“咬死”现象，且摩擦片的调换也比较方便，节约了维修时间和费用，提高了浸渍器的使用寿命。

　　6　结束语

　　有运动就有摩擦，有摩擦就有磨损，摩擦与磨损就像一对孪生兄弟，形影不离，摩擦与磨损不可避免，但摩擦与磨损的对象可以转换，就是运用摩擦与磨损的机理，将高价值高成本的摩擦与磨损变为低价值低成本的摩擦与磨损。尽管浸渍器运行中锁环、缸齿和盖齿之间存在摩擦与磨损，但通过增加径向、轴向定位装置和摩擦片，加之科学合理的管理和调整，是可以得到科学合理解决的。

　　【参考文献】

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　　[4]D.F.摩尔，黄文治等译，摩擦学原理和运用，机械工业出版社，1982。
　　[5]AIRCO《DIET培训资料》。

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