液压旋回破碎机尼龙偏心套的探索

PX1400/170液压旋回破碎机尼龙偏心套的改造
PX1400/170液压旋回破碎机是南芬露天铁矿矿石站系统中粗破碎设备,它的运转好坏直接影响到矿石的发出。

然而该设备的心脏部件的偏心套在破碎岩石时，承受着极大的冲击载荷，在长期承受过重的冲击载荷后，原设计偏心套的巴氏合金脱落现象严重，磨屑堵塞油路，回油管路中存在着大量巴氏合金碎屑，润滑油温急剧升高，加速了偏心套的损坏，偏心套的使用周期很短，尤其在经过过铁之后更容易损坏，直接影响了生产计划的完成。

针对上述现象的发生，我们努力寻找新的材料解决这一问题。

通过市场调研，我们找到了一种新的耐磨耐压材料，改性尼龙材料与钢体复合制作的偏心套替代巴氏合金浇灌的偏心套，很好地解决了旋回破碎机上的难题。

偏心套的使用寿命得到了提高，创造了很好的经济效益和社会效益。

1 存在的问题
PX1400/170液压旋回破碎机中使用的偏心套(见图1)原采用由钢质基体内外浇灌巴氏合金做的。

当轴套经受到冲击负荷的作用时，易形成裂缝(龟裂而受力时裂纹延伸)和剥落，当轴承经受静负荷的作用时，工作情况较好。

它的这种性能是由材料本身化学成份(见表1)所决定的。

由表1中所列的化学成份可以看出，巴氏合金的主要成份是铅。

也就是说它的基体是金属铅，纯铅的硬度和强度都很低，虽然在合金中加入了其它元素锑和锡，少量的锡和铅的固溶体及锡和锑的化合物，它们虽然提高整体合金的性能，但是还不能很好地解决该牌号合金在受到冲击负载时，铅很容易自耐磨层中被挤压出来，特别是虽然它的化学成份设计得非常理想化，但在铸造这种偏心壁厚不均匀的大型铸件，实际的效果很难达到理想水平，因此使用时受到过大的冲击载荷（过铁），它的缺点就更为突出。

旋回破碎机的碎石过程是由电动机经皮带轮和圆锥齿轮带动偏心套转动。

当偏心套转动时就带动破碎圆锥绕破碎机中心作旋摆运动，从而使破碎圆锥表面时而靠近时而离开固定锥表面。

使给入破碎腔内的物料不断受到挤压和弯曲作用而被破碎。

从运转过程分析看偏心套内壁径向受力非常不均(见图2)，只有1/3部位以上受力、冲击、挤压力非常大。

设计者原采用硬的钢轴与软的巴氏合金配合做摩擦体
的设计观点是对的，但是，在挤压、冲击力过大的情况下，巴氏合金抗压强度较低，容易发生压皱甚至合金从轴承中被挤压出来，当受到冲击载荷时，它的冲击韧性低，易形成裂缝和剥落。

为了解决上述问题，我们尽力在市场上寻找一种可适合的材料来解决这一问题。

通过市场调研，我们决定采用国内新兴的高抗冲击耐磨高分子材料——改性铸型尼龙替代巴氏合金做偏心套耐磨合金。

在选择这种新材料时，我们首先对材料的性能进行论证和可行性分析。

一、计算平均压强Pm，滑动速度V，PmV值
通常在设计滑动轴承时，要计算平均压强Pm、PmV值、滑动速度V是否低于许用值。

表2 Pm、PmV值、v值和摩擦系数的比较
从表2，我们可看出改性尼龙的PmV(标准值)略大于轴承合金的PmV值，也就是说单位面积的负载Pm和表面速度V两者的乘积
PmV值可用来决定使用的极限。

在特定条件下，其材料的PmV值是常数，工件的滑动速度的变化对PmV值影响远比压力Pm敏感。

PmV 值过大，易导致轴套升温，在低速重载时采用尼龙轴套优点突出。

但是从表2可知改性尼龙的许用平均压强Pm 和许用滑动速度V都低于巴氏合金。

下面我们计算PX1400/170旋回破碎机偏心套的平均压强Pm，滑动速度V，PmV值是否满足使用要求：
首先我们了解一下PX1400/170破碎机的一些参数;电动机功率P=400千瓦，电动机转速n1=590转/分，小皮带轮直径D1=630毫米，大皮带轮直径D2=1400毫米，小齿轮齿数Z1=24，大齿轮齿数Z2=61，大齿轮分度直径D大齿轮直径=1643.89毫米。

PX1400/170破碎机传动简图；
图三
1、计算大齿轮转速n2
i= n1/ n2= D2 Z2/ D1 Z1=（61×1400）/（24×630）=5.65
n2= n1/ i=590/5.65=104.42
2、计算偏心套的正压力F偏心套
电动机的转矩T=9.55×106×400/590=6.47×106Nm
大齿轮的转矩T大齿轮= T×i=6.47×106×5.65=36.58×106Nm 大齿轮圆周力F大齿轮=2 T大齿轮/D大齿轮直径
=2×36.58×106/1643.89=44.5KN 设传动效率为η=0.9
F偏心套=(F大齿轮×D大齿轮直径/2)/20×η
=(44.5×1643.89/2)/20×0.9=1244.57KN
大齿轮受的力传到偏心套受
力图
图四
3、计算内径轴套平均压强Pm
Pm= F偏心套/B内d内=1244.57×103/(1120×800)=1.389MP
B内—内径轴套长度（图一所示）
d内—内径轴套直径（图一所示）
4、计算内径轴套滑动速度V
V=(πd内n)/(60×1000)=(3.14×800×104.4)/ (60×1000)=4.37m/s
5、计算内径轴套的PmV值
PmV=Pm×V=1.389×4.37=6.071 MP m/s
将内径轴套的平均压强Pm，滑动速度V，PmV值均低于改性尼龙的三个许用值（表2），因此内径轴套采用改性尼龙轴套，可以满足使用要求。

我们再计算外径轴套的三个许用值
1、计算外径轴套平均压强Pm
Pm= F偏心套/B外d外=1244.57×103/(1479×1020)=0.825MP
B外—外径轴套长度（图一所示）
d外—外径轴套直径（图一所示）
2、计算外径轴套滑动速度v
V=(πd外n)/(60×1000)=(3.14×1020×104.4)/ (60×1000)=5.573m/s
3、计算外径轴套的PmV值
PmV=Pm×V=0.825×5.573=4.6MP m/s
将外径轴套的平均压强Pm，滑动速度v，PmV值均低于改性尼龙的三个许用值（表2），因此外径轴套采用改性尼龙轴套，可以满足使用要求。

因此PX1400/170破碎机的偏心套采用改性尼龙衬套可以满足使用要求。

二、改性尼龙材料与巴氏合金两种材料的性能比较
表3 两种材料的性能比较
1) 从表3可以看出作为常规机械性能的抗压强度，延伸率和冲击强
度值，改性铸型尼龙优于巴氏合金，硬度相当，巴氏合金的屈服强度几乎就是抗压强度，延伸率为0.2，说明巴氏合金的塑性远远低于改性铸型尼龙，而偏心套的耐磨层就需要塑性较好的耐磨材料。

巴氏合金在受压时的破坏形式是粉碎状，说明巴氏合金变形成粉沫，而资料介绍改性铸型尼龙却一点不损坏或刚到损坏边缘。

2) 改性铸型尼龙的冲击值远远高于巴氏合金，在有冲击载荷的条件
下，改性尼龙材料的承载能力优于巴氏合金。

3)在轴与偏心套间产生冲击时，巴氏合金破裂剥离，但是铸型尼龙比金属材料有更好的弹性，所以尼龙不易破损。

三、改性尼龙与巴氏合金的摩擦比较
表4 两种材料的摩擦比较
由表4分析对比可看出铸型尼龙替代巴氏合金作偏心套的耐磨层使用是可行的。

四、偏心套外观尺寸的修改
铸型尼龙材料本身的热膨胀系数较大，运转时由于摩擦热所造成的膨胀需对内径尺寸做修改。

偏心套衬套内径热膨胀后的尺寸计算公式为；
d=［D2－4s(D－s)(1+2at)］1/2
d—偏心套衬套膨胀后的内径
D—偏心套衬套外径
S—偏心套衬套壁厚
a—改性尼龙膨胀系数8×10-6 cm/cm·℃
t—偏心套的温升（设为60℃）
1、计算偏心套的温升60℃时内衬套的直径d （各部尺寸图1所示）
d=［D2±4s(D－s)(1+2at)］1/2
=［8202－4×10(820－10) ×(1+2×8×10-6×60) ］1/2
=799 mm
由计算可知温升60℃时，偏心套内衬将缩为799 mm，因此将原设计的内衬尺寸800 mm加大到805mm即可满足。

四、现场实际的使用
我们南芬露天铁矿碎矿车间从2004年—2008年期间将碎矿机的偏心套改选为改性尼龙偏心套，效果一直很好，并经过多次过铁后仍能继续使用。

而且在使用寿命上改性尼龙偏心套与巴士合金偏心套基本一致（每年破碎矿石160万吨左右）。

每个偏心套可节约成本8.2万元（改性尼龙偏心套修复费用6.8万元，巴士合金偏心套修复费用15万元）。

在实际应用中，改性尼龙偏心套需对润滑油的油温做好控制，要求润滑要充足，内外加工尺寸需做进一步修正，以补偿温度对尼龙的影响。

因此碎矿机的偏心套改选为改性尼龙偏心套是可行的。

如果改性尼龙偏心套在使用和加工制作过程中能够很好地掌握好，与巴士合金偏心套比较，改性尼龙偏心套将有极大的优势，是有推广前景的。

参考文献：
《机械零件》…………………………中国石化出版社
《机械原理》…………………………辽宁科学技术出版社
《机械制图手册》……………………国防工业出版社
《尼龙66单体研究》………………中国科学院上海有机合成研究所《中国三峡建设》2005年第5期改性尼龙浇注旋回破碎机偏心套的探索与研究。