銅襯磨損的原因及控制因素分析
---橢圓運動機S7100中具體應用

李鳳

(喬山健康科技(上海)有限公司,上海 201801)

銅襯磨損的原因及控制因素分析
---橢圓運動機S7100中具體應用

李鳳

(喬山健康科技(上海)有限公司,上海 201801)

銅襯主要用于活動部件的連接處,減少摩擦力。在機構的運轉過程中必然會出現磨損,只可降低不可避免,很難得出確定的標準。本論文通過采用控制因素分析的方法,具體分析在實際應用過程中的失效模式,使設計人員能夠更加合理使用銅襯及分析銅襯的失效模式。

銅襯磨損 銅襯實效 橢圓運動機異音 控制因素分析

磨損是否構成零件的失效,主要是看磨損是否已危及該零件的工作能力。盡管通用的標準是沒有的;但對于某一零件在具體的工況條件下,可以訂出相對的失效標準。例如,一個柱塞式液壓閥的精密配合閥柱,即使發生輕微磨損,也會引起嚴重的泄漏而導致功能失效,但對于開式重載大模數的齒輪,即使磨去1~2mm還照?？梢怨ぷ鳌C械設計手冊中,對公司所采用的軸瓦(套)的磨損預測及失效標準描述：機構在運轉過程中必然會出現磨損,只可降低不可避免,并且很難得出確定的標準。目前我們對運動器材行業中的橢圓運動機(簡稱EP)出現磨損判定失效的標準是：看機臺是否會產生異音及頓點。

(表二)

(表三)

1 磨損特征及對策

對于我們的EP機臺,粘著磨損,磨粒磨損,表面疲勞磨損及腐蝕磨損均有可能發生,下表一為判斷磨損失效形式及對策：

我們以一款橢圓運動機S7100來具體分析它的失效模式及改善對策。目前橢圓運動機S7100的磨損形式,表觀現象：有黑色物質產出-------→ 潤滑油失效＋腐蝕磨損;軸上沿滑動方向有絲狀條紋-------→磨粒磨損。

2 常見磨損控制因素分析(表二)

材料選擇;作為主要的工作媒介,我們主要考慮銅襯的選材,下圖一為燒結金屬含油軸承一書中,建議的以pv值作為選擇標準(如圖一所示)：

銅襯轉動的速度v：

如圖二所示：銅襯的直徑d=25mm;

如圖三所示：扶手轉動角度為35．28度;機臺轉速：60rpm

則速度v=(35．28/180)*0．025*3．14*60=0．92m/min

等效壓強p：

(圖一)

(圖二)

(圖三)

圖四

圖五

(表四)

表五

由圖四得：

等效壓強p=Fo/20*25=0．48MPa

即p=0．48MPa

由圖一可以看出Cu與Fe基含油軸承的使用范圍不同,它們的極限容許pv值分別為100MPa·m·min-1與200MPa·m·min-1。另外,Cu基的p不高于1MPa,v不大于300m·min-1;Fe基的p不大于30MPa,v不大于100m·min-1,因此Cu基適用于高速,低負荷范圍,Fe基適用于低速,高負荷領域?？墒?實際使用條件千差萬別,在下列情況下,對上述的pv值應進行適當的修正。

如圖四、五所示,S7100的材質選擇符合書中建議：銅90%,錫10%,FZ2265。

3 尺寸公差 表面硬度 潤滑劑

燒結金屬含油軸承一書中對含油軸承的使用條件建議,包含潤滑劑、軸的硬度及粗糙度、安裝尺寸建議：實際經驗表明,在下列條件下,對于大多數負荷與軸的運轉條件,可取pv＝18 MPa·m·s-1,其可保證含油軸承的使用壽命不小于2000h。建議如下：

第1項,軸的圓周速度位于1~5m·s-1之間;第2項,工作溫度位于-20~95℃之間

(用粘度為68*10-5m·s-1－ISO3448;含抗氧化劑與防腐劑的石蠟油潤滑);第3項,鋼軸硬度約為HRC55,其粗糙度為Ra0．05,圓柱度小于1．5μm;第4項,軸頸與軸承間的平均間隙為1%~1．5%直徑;第5項,軸承外徑對內徑之比不小于1．2。

3.1 尺寸公差,如上述第4項建議

下表三為公司內部使用的設計規范中的設計公差要求：

表三中所列間隙與直徑比值為：0．08%～0．3%;與上述所列建議4值1%～1．5%,相差近10倍。

3.2 表面硬度,如上述第3項建議機械設計手冊中硬度對磨損的影響描述：

表面強化處理：合理的表面強化處理,一是改變組織結構,二是適度提高硬度。因此,可以有利于降低磨粒磨損,表面疲勞磨損,粘著磨損,微動磨損,氣蝕等的磨損率。1)對磨粒磨損,鋼中含碳量及碳化物硬度提高,其相對耐磨性明顯提高,生成元素的含量越多,其相對耐磨性越高。2)對表面疲勞磨損,適當提高研度,對表面疲勞磨損能力或疲勞壽命,可有明顯提高。例如,對軸承鋼,合適的硬度均在62HRC為宜,又對于齒輪副,硬齒面的表面強度遠大于軟齒面或中硬齒面的,并且對軟齒面,大小齒輪的硬度宜有硬度差30~50HB。適當地進行表面硬化處理,對表面疲勞壽命的提高進著決定性作用。

S7100要求的軸的硬度為：滲碳處理達HRC38°~46°。 低于建議3要求的鋼軸硬度HRC55。

3.3 潤滑劑,如上述第2項建議

工作溫度位于-20~95℃之間,用粘度為68*10-5m°s-1－ISO 3448;含抗氧化劑與防腐劑的石蠟油潤滑;建議中使用潤滑油作為潤滑劑,而該機臺采用的是潤滑脂,相對于潤滑油,潤滑脂具有以下優點：

(1)在金屬表面具有良好的粘附性,不易流失;在不易密封的部位使用,可簡化潤滑系統的結構。(2)抗碾壓,在高負荷及沖擊負荷作用下,仍有良好的潤滑能力。(3)潤滑周期長,不需經常補充、更換,而且對金屬部件具有一定的防銹性,相對地降低了維護費用。(4)適用的溫度范圍較寬,適用的工作條件也較寬。

另一方面,潤滑脂也有它的缺點：潤滑脂的粘滯性較大,運轉時阻力大,功率損失就大。潤滑脂的流動性也差,基本上不具有液體潤滑劑的冷卻與清洗作用,固體雜質混入后不易清除。此外,潤滑脂在某些使用部位的加脂、換脂比較困難。

鑒于扶手關節在出廠之后不再定期添加潤滑劑,因此潤滑周期的長短比較重要,不能使用潤滑油代替;相對的,固體中混入雜質的概率也會較大,比較容易發生磨粒磨損。根據公司的供應商給我們提供的目前所使用的3#工業脂(所用黃油)的成品檢測報告中可知：合格品的滴點溫度必須不低于80度,而S7100所使用的黃油在30度左右時,已經處于液體狀態,依該廠及該產品的檢測標準,應屬于不合格產品。因此需要重新更換合格產品進行壽命測試,方可確定該規格產品是否能夠滿足我們的使用需求。

機械手冊中建議采用鋰基脂作為滑動軸承的潤滑劑,表四為常用潤滑脂及其性能及應用。

4 橢圓機S7100磨損控制因素分析(表五)

由表五我們可以看出銅襯對外界工作環境的要求并不嚴苛,目前其選配的軸的硬度及配合間隙與建議值相差較大,且所使用的黃油質量不良。因此提出以下建議：

(1)初步判斷目前的黃油質量不良,另考慮到機臺對潤滑劑的用量不大,因此建議切換鋰基脂作為潤滑劑,并進行整機壽命測試驗證。(2)針對我們的產品,間隙過大會產生頓點,建議維持目前的間隙。(3)建議應增大軸的表面硬度進行壽命測試,以確保研發設計的合理性。(4)加強潤滑劑的來料檢驗、儲存管控,盡量避免有雜質混入。

[1]機械設計手冊.(第五卷第29篇第2章磨損控制;第3章潤滑設計;第4章潤滑劑).

[2]燒結金屬含油軸承.(第一章第6節燒結金屬含油軸承的材料種類,性能及用途).