復合固體自潤滑軸承在正面吊改造中的應用

厲彥志

（日照港船機工業有限公司，山東日照 276800）

0 引言

在集裝箱移箱碼垛過程中，某港某公司頻繁使用集裝箱正面吊，因潤滑不良和沖擊使得大臂關節軸承維修頻繁。采用固體鑲嵌自潤滑軸承替代原有關節軸承，對正面吊的后臂座軸承進行改造，取得了預期效果。

1 必要性

正面吊使用前邊的集裝箱吊具吊運集裝箱（圖1）。正面吊大臂支點分為前臂鉸點和后臂鉸點，前臂鉸點連接舉升油缸，做舉升或下降運動，后臂鉸點隨油缸的升降做旋轉擺動。

常見的集裝箱標箱有20英尺和40 英尺2 種尺寸，40英尺的集裝箱裝箱后總重在26～30 t。某港使用三一重工制造的正面吊，后臂鉸點使用關節軸承，品牌是德國INA，型號是GE120UK-2RS。盡管按時保養，但是潤滑油膜不理想、頻繁地移箱作業，使得后臂鉸點內的關節軸承經常損壞，平均每臺正面吊每2 個月就要對后臂鉸點的關節軸承進行1 次更換。正面吊使用單位反映強烈，希望能降低維修頻率和維修費用，提高設備使用率和完好率，并在2016 年成立了聯合技術攻關小組試圖解決此問題。

圖1 正面吊

2 原理

鑲嵌復合自潤滑材料工藝流程：在金屬基材上打孔，然后在孔中嵌入復合固體潤滑劑。該材料由金屬承載負荷，嵌入的復合固體潤滑劑起減摩潤滑作用，在摩擦磨損過程中金屬底材承擔了絕大部分負荷。經摩擦磨損，孔或槽中的復合固體潤滑劑向摩擦面轉移或反轉移，在摩擦面上形成良好的復合固體潤滑膜，牢固附著并均勻覆蓋在摩擦副相對運動的摩擦副表面，大幅度降低了摩擦磨損，保證了長期運行時對摩擦副的精度期延長。復合固體鑲嵌軸承承載能力高、耐沖擊、耐高溫、自潤滑能力強，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。復合固體自潤滑軸承是滑動軸承的一種，常見的基體材料有錫青銅、黃銅、鋁青銅。此次改造選用的基材是黃銅，復合固體潤滑潤滑劑是石墨、二硫化鉬、黃丹等復合固體潤滑材料。鑲嵌復合固體自潤滑軸承的性能如表格1所示。

表1 基材性能

3 互換性和創新性

復合固體自潤滑軸承和關節軸承的外形尺寸完全一致（圖2），更換原關節軸承時不需要對軸承座、端蓋等件進行更換，減少了零件的品種數量。為了防止復合固體自潤滑軸承在軸承座內壁旋轉滑動，對自潤滑軸承的外圈尺寸采用了過渡配合，尺寸為Φ180m6，公差范圍是+0.01～+0.04 mm。如果采用過盈配合，容易發生自潤滑軸承安裝困難的情況。在考慮軸承潤滑時，設計有雙重潤滑，一是自潤滑，二是外部注油潤滑。為了實現注油潤滑，在自潤滑軸承內圈設計了1 圈中央環形油道、4 條軸向油道。油道均采用Φ8 mm 的半圓形溝槽。這些油道均由自潤滑軸承廠家加工完成。

圖2 兩種軸承的比較

4 軸的車加工

圖3 軸油道加工

在軸加工的過程中（圖3），軸和自潤滑軸承之間采用間隙配合，軸承內圈尺寸為Φ120H8，公差范圍是0～+0.05 mm，軸為Φ120f7，公差范圍是-0.07～-0.03 mm。通過這樣的設計，保證軸和軸承之間的圓周滑動順暢、無卡澀。同時考慮對軸和軸承之間進行充分潤滑，延長軸承的使用壽命。對軸端攻M10×1 的螺紋，便于安裝標準件JB/T 7940.1—1995 直通式壓注油杯。在軸中心和直徑方向開Φ8 mm 的油道。為了防止直徑方向的2 個油道孔在安裝過程中與自潤滑軸承的環形油道不對中，對直徑方向的2 個油道孔用銑床锪平2 mm、锪長60 mm。潤滑油流淌路線：①軸端油道，②軸直徑方向油道，③自潤滑軸承的環形油道，④自潤滑軸承的4 個軸向油道。通過這樣的設計，確保在軸和自潤滑軸承相對運動時，潤滑油布滿圓周接觸面，延長軸和軸承的使用壽命。

5 承載性能

如圖1 所示，正面吊在搬運集裝箱過程中，如果把前臂鉸點看做支點，根據杠桿原理，力1×力臂1=力2×力臂2，集裝箱重約30 t，后臂鉸點受力約為80 t，分配到兩側，每個鉸點受力約40 t。按照1.5 倍安全系數計算，取每個鉸點受力600 kN即可。運用三維繪圖軟件Autodesk Inventor 2017 進行有限元分析（圖4），對整個復合固體自潤滑軸承的外表面施加固定約束，內圓環面施加600 kN 的軸承荷載，運行網格細化，把整個軸承細化為21 466 個微單元體、33 780 個節點相互連接構成的物體。通過運算得到結果，Mises 等效應力約298.1 MPa，最大應變在0.04 mm 左右。通過查表1 得知，硬質黃銅許用負荷為500 MPa，滿足要求。

圖4 受力分析

6 應用實例和效果

正面吊的后臂鉸點的關節軸承更換為鑲嵌復合固體潤滑軸承后，維修周期大大延長，使用壽命普遍延長到2 年以上，有的截至結稿時，用了4 年多也沒再修理過，受到正面吊使用單位的好評。后續對港內的十幾臺三一重工制造的正面吊的前臂鉸點內的關節軸承進行了同樣的改造。

7 局限性

鑲嵌復合固體潤滑軸承從20 世紀80 年代在日本橋梁特別是吊橋上使用，到現在已有近40 年的使用歷史，技術比較成熟。在我國浙江省嘉善縣的加工企業較多，規模普遍較小。在選用廠家時，一定要選擇正規的廠家，保證采購的軸套質量。在采購時，最好與復合固體潤滑工程學研究機構簽署技術協議，對軸承的合理使用壽命做出規定。因為此類零件屬于非標件，由國內相關復合固體潤滑工程技術研究和制造，均可替代進口產品。

8 結束語

正面吊大臂的關節軸承通過改造，更換為鑲嵌復合固體潤滑軸承，有效降低了維修人員的勞動強度和維修次數，降低了使用單位的運行維修成本，提高了使用單位的生產效率和生產效益，值得正面吊生產廠家、使用單位、維修單位學習借鑒和推廣使用。