固體鑲嵌自潤滑軸承在井下無軌設備上的應用

摘要：在各種井下無軌設備相應機構中，在保持原系統結構形式不變的情況下，將原來的薄壁軸套改造成鋼銅固體鑲嵌自潤滑軸承，提高設備的自潤滑能力，改善設備的潤滑條件，延長各連接銷軸的使用壽命。

關鍵詞：軸套;固體鑲嵌;軸承

一、固體鑲嵌自潤滑軸承簡介

固體鑲嵌自潤滑軸承是滑動軸承的一種，屬于非完全流體潤滑軸承，由金屬基體與嵌入基體孔中的固體潤滑劑構成。嵌入的固體潤滑劑包括石墨，硫化物，硒化物，碲化物，碳化硼，氧化鋁，氟化鈣，合成樹脂，聚四氟乙烯等。

它的主要特點有：

可靠性高。在有油，或無油環境中，均能保持良好的潤滑效果，可以避免膠合，抱軸現象的發生。

摩擦系數低，一般為0.04-0.1.

特別適用于不能（或者不易）形成油膜或油膜容易破壞的特殊工況。如高溫，粉塵污染，涉水等。

機械強度高，如高強度黃銅基材可以達到1000㎏/cm2，摩擦系數為0.05.使用溫度可以達到700℃。

適用于低速重載環境，結構簡單，維護管理方便，無需定期加油，，壽命長，一般為普通滑動軸承的5-10倍。

二、項目簡介

山東黃金集團所屬焦家金礦井下無軌設備多為進口設備，其價格昂貴。承擔井下礦巖裝運任務的鏟運機是生產組織上的關鍵設備，其結構采用中央鉸接轉向，工作機構是由液壓油缸驅動鏟斗和大臂的動作來完成裝載和卸載任務，其動作是為周期性動作。大臂和鏟斗及各個油缸通過銷軸相連，在各軸孔中安裝有薄壁銅套，軸套與銷軸之間發生相對的運動，軸套和銷軸磨損后更換軸套或銷軸即可。要求每班次加注一次鋰基潤滑脂來保證潤滑。

大臂及鏟斗連接結構：（如圖一）

在各個銷軸連接點當中，由于動臂前軸位置較低，井下特殊環境造成長時間涉水，在重載情況下頻繁的周期性運動，每班加注的油脂很快被水沖刷消失，造成摩擦副的干摩擦，磨損最為嚴重。再加上軸套壁厚較薄，需要經常更換軸套和銷軸。在使用檢查過程中稍有不慎，更換不及時，極易造成大臂和鏟斗主體結構的損壞。造成較大損失。

大臂及前軸結構（如圖二）

而更換這些軸套所需工時長，消耗大量人力物力，造成設備長時間停機，降低了設備完好率，增了設備運行成本消耗，影響設備的正常運行，嚴重影響生產的正常組織。

根據設備2013年和2014年動臂前軸的使用維修情況所做的軸套維修時間統計表：

表一

車號

設備型號

部位

維修周期

使用時間（小時）

2

Atlascopco"ST3.5"鏟運機

動臂前軸套

11.24-12.5

145

6

Atlascopco"ST3.5"鏟運機

動臂前軸套

11.26-12.9

168

7

Atlascopco"ST3.5"鏟運機

動臂前軸套

12.10-12.21

160

15

Atlascopco"ST3.5"鏟運機

動臂前軸套

12.26-1.10

195

平均使用時間

167

三、解決方案的確定

延長大臂和鏟斗連接銷軸的壽命可以有如下幾種方案：

1、通過改變熱處理方法提高軸套和銷軸的硬度。軸套一般采用ZCuSn5Pb5Zn5、ZcuSn10P1、ZcuAl10Fe3加工，加工完成后為了保證加工的精度和減少熱變形一般不進行熱處理，軸套的表面硬度和承載能力完全由軸套所使用的材質決定。銷軸一般采用"45#鋼加工，通過表面淬火或調質處理可以提高其本身的硬度。但是單一的提高銷軸的硬度會加速軸套的磨損，所以此方法不可行。

2、增加潤滑。一是加裝自動潤滑設備，改善潤滑條件。但是自動潤滑設備價格高昂，短時間無法實現，根據兄弟礦山的使用情況來看，該設備對于油脂的潔凈程度要求較高。二是每班多次注油，這也不是解決問題的最佳方案。所以增加潤滑設備或增加軸套材質和壁厚也不是理想的解決方案。

3、提高設備本身的自潤滑能力，這就可以考慮將軸套改造成自潤滑鑲嵌軸承，使用固體作為潤滑劑，摩擦表面上形成潤滑良好、大幅度降低了摩擦磨損，保證了長期運行時對摩擦副的良好潤滑，大幅減小了軸套的磨損，所以將軸套改造成固體鑲嵌自潤滑軸承的方案應該是可行的。

四、固體鑲嵌自潤滑軸承的確定

固體鑲嵌自潤滑軸承是滑動軸承的一種，它和軸套屬于同一類型的軸承。適用于避免污染不能加油或封閉性結構不方便加油的場合;往復、擺動運動、頻繁起動、制動，重載低速運轉的場合。大臂銷軸屬于重載周期性往復運動，運行工況與固體鑲嵌自潤滑軸承的使用工況相符。

鋼銅鑲嵌軸承是銅基鑲嵌自潤滑軸承的一種再發展形式，是以高強度鋼為基體，在基體內表面離心澆筑銅層后，再嵌入具有自潤滑性能的固體潤滑體而制成的自潤滑軸承。除具有普通銅基固體鑲嵌自潤滑軸承的所有優點外，還具有節省成本，提高抗壓強度，端面可以與基體焊接安裝使用等優點。

該軸承在摩擦過程中，鋼基材承擔了絕大部分沖擊負荷。鑲嵌在孔中的固體潤滑體在摩擦的作用下向摩擦面轉移或反轉移，在摩擦面上形成牢固附著并均勻覆蓋的固體轉移膜，大幅度降低了磨損。隨摩擦的進行，嵌入的固體潤滑體不斷提供于摩擦面，保證了長期運行時對摩擦副的良好潤滑，該軸承突破了一般軸承依靠油膜潤滑的界限性，具有承載能力高，耐沖擊，摩擦系數小、自潤滑性能強等優點，特別適用于重載，低速，往復或擺動等難以潤滑和形成油膜的場合，也不怕水的沖刷。而且，不會大幅提高備件成本，易于與機體安裝，可以隨時進行焊接加固，便于維修，使用壽命長。特別適用于井下惡劣的環境。

鋼銅鑲嵌自潤滑軸承的基本性能：

基體材質：鋼"+""CuSn6Zn6Pb3

基體硬度：HB60～90

最高使用溫度：300℃

極限動載荷：70N/mm2

摩擦系數：μ"<0.16

最高滑動速度：干2m/s"""油10m/s

這樣從根本上解決了設備關鍵部位的潤滑問題。所以，將軸套改造成鋼銅鑲嵌自潤滑軸承的方案是可行的。

五、應用結果及產生效益

通過試驗比對，對上述4臺設備進行了技改，大臂及涉水軸套采用了固體鑲嵌自潤滑軸承，在使用了一個周期后效果明顯，工人勞動強度大大降低，備件使用時間明顯增加，降低成本消耗，應用效果見下表：

車號

設備型號

部位

維修周期

使用時間（小時）

2

Atlascopco"ST3.5"鏟運機

動臂前軸套

1.4-2.5

575

6

Atlascopco"ST3.5"鏟運機

動臂前軸套

1.6-2.29

623

7

Atlascopco"ST3.5"鏟運機

動臂前軸套

2.1-3.2

542

15

Atlascopco"ST3.5"鏟運機

動臂前軸套

2.6-3.20

633

平均使用時間

593

通過上表可以看出軸套更換后平均使用時間是原來的3.5倍，每年度節省維修費用19.5萬元，平均每臺設備減少停機時間148小時，減少的停機時間產生間接效益280萬元。

固體鑲嵌自潤滑軸承

在井下無軌設備上的應用效益分析

現焦家金礦已對焦家礦區的4臺阿特拉斯ST3.5鏟運機，進行了固體鑲嵌自潤滑軸承改造，經濟效益分析如下：

1.改造前每年度每臺車平均每167小時更換一次，每次費用1380元，停機時間32小時;改造后平均593小時更換一次，每次費用780元，平均每年度每臺車按工作6000小時，車輛總臺數14臺計算：

（6000/167*780-6000/593*1380）*14=195072元

2.減少停機時間：

（6000/167-6000/593）*32=1257小時

間接經濟效益

根據日歷時間按每小時鏟運礦石5.94噸，每噸礦石品位1.5克，每克黃金250元計算，可產生間接效益：

5.94*1257*1.5*250=2800000元