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摘要：利用改性尼龙新型材料替代巴氏合金浇灌偏心套，应用在PXZl216旋回破碎机上，可以更适合破碎中的不均匀冲击载荷。使用寿命可以提高9倍，有很高的经济价值。
关键词：改性尼龙；巴氏合金；冲击荷载；磨损
PXZ1200/160液压旋回破碎机是古树岭人工碎石系统中的初破设备，每天加工成品混凝土粗骨料2万t，它的运转好坏将直接影响三峡工程大坝混凝土施工计划的实现。该设备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(一月左右)，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。偏心套的使用寿命提高了9倍，创造了很好的经济效益和社会效益。
1 存在的问题 （图片）
图1 偏心套结构图 PXZ1200/160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。表1 巴氏合金主要化学成份
| | | 主要化学成份% | | 合金牌号 | 合金代号 |
| | | 锑 | 铜 | 铅 | 锡 |
| | 铅锑轴承合金 | ZChPbSb16-16-2 | 15.0～17.0 | 1.5～2.0 | 其余 | 15.0～17.0 |
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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，但是合金中的过共晶型Fb-Sb-Sn三元合金不超过13%，再者是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，它的缺点就更为突出。
古树岭碎石系统破碎的岩石是平均强度在138MPa(最高达190MPa)的闪云斜长花岗岩。每天单台机组碎石量平均为1.2万t，连续工作12.5h，这就要求偏心套的耐磨层不仅能承受冲击裁荷，也要具有很好的耐磨性能和强度。
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。使给人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轴向受力非常不均(见图2)，只有1/3部位以上受力、冲击、挤压力非常大，径向力就更加不均。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，偏心套的使用寿命只有一月左右，这问题一出现，设备就要停产检修。偏心套是破碎机的心脏部位备件，更换需大拆大卸，人力物力受到很大的损失，因此对该偏心套的改造迫在眉睫。（图片）
图2 偏心套负载力 2 材料选择比较
为了解决上述问题，我们尽力在市场上寻找一种可适合我们古树岭设备选用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材料高分子合金——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了解，论证和可行性分析。
2.1 首先是对两种耐磨材料进行PV值和摩擦系数的分析表2 PV值和摩擦系数的比较
| | | | | 摩擦系数 | | 材料 | 许用应力 | 许用速度V | PVa值 |
| | | (m/s) | (MPa m/s) | 无润滑 | 润滑 |
| | 巴氏合金 | 20 | 50 | 10 | 0.280 | 0.005 | | 改性尼龙 | 10 | 4 | 12 | 0.080 | 0.015 |
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从表2，我们可看出改性尼龙的PVa(标准值)略大于轴承合金的PVa值，也就是说单位面积的负载P和表面速度V两者的乘积PV值可用来决定使用的极限。在特定条件下，其材料的PV值是常数，工件的滑动速度的变化对PV值影响远比压力P敏感。PV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，而PXZ1200/160旋回破碎机偏心套的PV值计算如下：
V=πdn3.14×0.7×110/60＝4.03m/s
式中：V——表面线速度(m/s)，d—初套直径(m)，n—轴套转数(n/min)
P＝W/dl=1.365/O.7×1.875＝1.04MPa
式中：P——单位面积负载(MPa)
W——轴套所承受的总负载(MPa)，
d——轴套直径(m)
l——轴套长度(m)
PV≤4.2(MPa m/s)
改性尼龙的PVa比值是12MPa m/s，所以说改性尼龙的PVa值是适合PXZ1200/160液压旋回破碎机的使用要求。
2.2 两种材料的性能比较表3 两种材料的性能比较
| | 机械性能 | | 材料名称 |
| | 抗拉强度δ(MPa) | 屈服强度δ0.2(MPa) | 延伸率δ(%) | 冲击强度缺口ak(kJm2) | 抗压屈服强度δbc(MPa) | 布氏硬度HB |
| | 巴氏合金 | 78-98 | 78 | 0.2 | | 90 | 29 | | 改性尼龙 | 94 | 78 | 8 | 5.37 | 90 | 25 |
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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)改性铸型尼龙具有高的起始模量和相对的蠕变性，表现为良好的负载性能。改性尼龙在实际使用中是属于耐疲劳性高的材料。
4)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。
2.3 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
| | 材料 | 试验时间(min) | 摩擦系数(μ) | 磨痕宽度(mm) | 备注 |
| | 铸型尼龙 | 180 | 0.45 | 5.5 | | | 巴氏合金 | 60 | 0.8～0.95 | 18.9 | μ波动大 |
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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。
从理论分析到市场调研，我们最后大胆决定在古树岭系统中用改性尼龙浇灌的偏心套替代巴氏合金浇灌的偏心套。
3 偏心套外观尺寸、公差的修改
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外径尺寸做修改。
内、外径尺寸修改计算公式如下：（图片） 式中：a——铸型尼龙的热膨胀系数(8x10-6cm/cm·℃)
t——轴套工作时温升过程上升的温度(℃)
D——轴套外径(mm)
dl——温升后轴套直径(mm)
δ——温升前轴套壁厚(mm)
1)内径尺寸的修改计算如下：（图片） 用校正系数调正a2＝kt
k——温升时壁厚变化间隙校正系数
t——轴套壁厚(mm)
通过校正系数调整dt=699mm
即油温由20℃到80℃时，偏心套内径尺寸将缩小为699mm，比图纸设计尺寸小0.8～1.0mm，因此，我们在图纸设计尺寸上放大0.6～0.8mm。
2)外径尺寸的修改计算如下：（图片） 通过校正系数调整后dl=901.97mm
外径受热膨胀从计算上看胀大了1.97mm，但我们经验证选用0.92～1.2mm，并没有选用计算最大值。
4 现场应用
我们从1999年4月份起将2号机的偏心套改选为改性尼龙偏心套，经过8个月运转后，发现内孔出现三道径向划沟，我们修整后决定继续使用，直到2000年4月份内孔磨损严重后换出，其使用寿命为11个月(中间吊出时间为1个月)，产量也在不断的提高，使用寿命是巴氏合金偏心套的9倍。
5 结论
实践证明，改性铸型尼龙作为新型材料替代巴氏合金浇灌偏心套在PXZ1216旋回破碎机上应用是切实可行的，由于改性铸型尼龙在受挤压力的条件下，具有退让性，它还有很高的抗冲击强度和很好的柔韧性，特别是承受不均匀的冲击载荷时，都表现出良好的性能，并收到了很好的经济效益，古树岭碎石系统，每更换一件新的巴氏合金偏心套需6.8万元，每修复一次4万元；每拆卸一次安装费用1.3～1.5万元；一件新巴氏合金偏心套使用寿命45天，修复一次使用寿命35天。改性尼龙偏心套的使用寿命为11个月(即335天)，一个尼龙偏心套的使用寿命是一个巴氏合金偏心套寿命加上两次修复件寿命的3倍，因此，我们可以计算出它的经济效益。
Σi＝[(6.8+4+4)×3-8.48]+9×1.3=47.62万元/台
每台设备可节省的检修费用及备件款共47.62万元，三台设备每年最少省142.86万元备件款。这还不算挽回检修停产造成的生产产量损失费用。由此可见新技术、新材料在我们建设工程领域中的应用不仅能提高工作效率，节省原材料费用，还能创造很高的经济效益和社会效益。
[作者简介]
王作宁，中国葛洲坝集团三峡指挥部工程师。
7/30/2005
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