0 引言

煤矿机械因其使用环境的特殊性，其设备各铰点、回转机构长期处于重载荷或冲击载荷中，启动频繁或启动负荷高，且长期在环境恶劣、污染严重的条件下使用，受工作环境或机械结构空间限制，难以供油润滑，以至于工作机构经常会出现铰接锈蚀抱死、机构失效等问题，导致设备不能正常工作，增加了维护维修难度。为此，具体介绍了固体自润滑轴承的特点，详细阐述了该轴承在煤矿机械设计及应用中的计算和装配要求，为煤矿机械设计选型提供了一定的参考。

1 固体自润滑轴承原理及其特点

1.1 基本原理

固体自润滑轴承是在滑动轴承基体的金属摩擦面上布置排列有序、大小适当的孔穴，并在孔穴中嵌入具有独特自润滑性能的成型固体润滑剂而制成的固体自润滑轴承，如图1所示。固体润滑剂的润滑面积一般为摩擦面积的25%～35%。该种类型轴承综合了金属基体和自润滑材料的优点，突破了一般轴承依靠润滑油的局限性。固体自润滑轴承比较常用的材料有高强黄铜合金、锡青铜、铝铁青铜等等；嵌入的固体润滑材料主要有两大品种：一种为人工石墨、天然黑铅、MoS2合成 ，另一种以PTFE(聚四氟乙烯)为基体合成[1]。

  

1-高强铜基体; 2-固体润滑剂; 3-固体润滑膜

 

图1 固体自润滑轴承结构示意图

1.2 主要特点

固体自润滑轴承特别适用于低速、重载、高温、无油、污染以及在水中而无法加注润滑油脂的特殊工况条件下使用，能有效减弱摩擦副金属间的直接接触，减小重启动阻力，即使在很高的载荷下也能形成很好的固体润滑膜，从而实现自润滑效果[2]。主要特点为：

1) 相比传统的滚动轴承，具有结构简单、体积小、重量轻、设计灵活、应用范围广的优点。

2) 有适量的弹塑性，能将应力分布在较宽的接触面上，提高轴承的承载能力。

当前，郑州市正在全面建设创新型、服务型、国际化、现代化大都市和都市型现代农业，打造中原经济区核心增长区，努力发挥在中原经济区建设中的龙头作用、重心作用和示范带头作用，这对郑州市农田水利现代化建设提出了新的更高要求，也是郑州市农田水利自身向更高水准、更新阶段发展的需要。

鲁迪亚德·吉卜林(Rudyard Kipling,1865-1936)是20世纪英国最为重要的作家之一，在其生花妙笔下产出的众多作品中，尤以《丛林之书》(The Jungle Book,1894)以及《基姆》(Kim,1901)等前期的印度题材作品最为出色。被T.S.艾略特称为“最成熟的印度题材作品、最伟大的小说”的后者，正是1907年吉卜林诺贝尔文学奖的获奖作品。可以说《基姆》是“诺贝尔文学奖最早将目光投向流散者的先例”。

3) 往复运动、摆动运动、启动停止频繁等油膜难以形成的场所，可发挥优越的耐磨性。

4) 静动摩擦因数相近，能消除低速下的爬行，从而保证机械的工作精度。

5) 能使机械减少振动、降低噪声、防止污染，改善劳动条件。

固体自润滑轴承的寿命，除急剧烧焦外，通常由轴承内径的磨损量来决定，磨损量主要受摩擦条件的影响，而摩擦又受承载、材质、速度、杂质、工作温度、表面粗糙度、不同运行方式以及所使用润滑剂等条件影响。

6) 在运转过程中能形成转移膜，起到保护对磨轴的作用，无咬轴现象。

2 固体自润滑轴承在煤矿机械中的应用

由于煤矿机械因使用环境的特殊性，使用工况的恶劣以及本身结构的紧凑性，给设备的使用维护带来很大的不便。而固体自润滑轴承可以充分的应用到煤矿机械的设计制造当中，例如：在结构紧凑的减速器行星轮组件中应用，在有相对运动且不便润滑的滑架导向机构中应用，还有在长时间工作且数量巨大的带式输送机托辊上应用等，如图2所示。固体自润滑轴承的选用，能很好地解决上述机构中要求零部件的耐磨、长时间运转以及外界润滑条件不佳所带来的矛盾。

开放创新是“地平线欧洲”为以更大的力度支持突破性创新，加速知识资本向适应市场的产品、服务和商业模式转化而在其研发计划下新设立的支柱领域，目标在于扶持各种以市场为导向的创新活动，支持面向市场的创新和成果转化。

  

图2 固体自润滑轴承在煤矿机械中的应用实例图

3 固体自润滑轴承在煤矿机械中的设计计算

固体自润滑轴承的设计与一般滑动轴承的设计相比有其特殊要求。设计时主要校核其PV值是否满足设计要求，以及配合选取和使用寿命内的磨损分析。

3.1 PV值的计算与校核

固体自润滑轴承的主要失效形式为过渡磨损，防止磨损失效的关键在于能否保证轴颈和固体轴承内圈之间形成一层边界油膜。为此，在设计计算自润滑轴承时要对以下参数进行验算[3]。

本研究收集到的62例ILD患者，有18例患者给予高剂量激素治疗后，其中8例死亡。有学者认为，大剂量糖皮质激素能抑制间质性肺炎向肺纤维化转变[6]，主张使用静脉注射大剂量地塞米松或甲基泼尼松龙治疗吉非替尼所致ILD；但本研究通过单因素分析发现，ILD患者是否使用高剂量激素对患者转归的影响无显著性差异（χ2=1.266，P=0.376）。因此，对于糖皮质激素剂量的选择，目前仍无统一的标准，需作进一步的临床试验确定。

考虑固体自润滑轴承的热膨胀、热传导以及机械强度的需要，其厚度只需满足机械加工工艺的要求。一般情况下，轴承壁厚：

由表3可知，随着温度的增加，μ0的值逐渐减少，Ea/RT的值也逐渐降低，说明低温情况下蜂蜜黏度对水分的变化更为敏感。Arrhenius模型方程对不同含水量蜂蜜的黏度实验数据的关联回归R2大于0.96，模拟含水量大于20%蜂蜜的黏度实验数据的关联回归R2大于0.97，说明Arrhenius方程能比较好的反映不同温度下蜂蜜黏度和含水量之间的关系。通过拟合温度与μ0以及Ea/RT之间的关系可以得到公式μ=exp((12.779-0.205 4t)-(0.440 9-0.004 6t)·W)

限制平均比压P，避免在载荷作用下自润滑轴承被完全挤出。

 

(1)

式中：P为轴承的工作压力，MPa；Fmax为轴承承受的最大径向载荷，N；d为轴颈直径，mm；L为轴颈的工作长度，mm; [P0]为轴承材料的许用压力，MPa。

2) 轴承工作线速度计算

 

(2)

式中：v为轴承工作线速度，m/s；n为轮轴转速，r/min；r为轴承半径，mm。

固体自润滑轴承的外径一般取r7，安装座孔取H7的过盈配合，特殊情况，如果过盈配合压装有困难，则可取m7，但轴承两端须加装稳钉固定。固体自润滑轴承的内径取E8，轴径取d7(如果受到加工能力限制，可取d8或d9)，回转精度要求高时可选e7。

江阴市规划形成“两轴一区”的农业发展格局。两轴即东西向的沿芙蓉大道特色高效农业发展轴、南北向的沿徐霞客大道现代观光农业发展轴；一区即南部的生态农业发展区，以生态水网为主体。同时，市域内其他地区也可结合当地特色发展小规模的生态农业产业园、高效农业生产基地。青阳、徐霞客、长泾等镇为稻麦生产基地。对比周边同级城市，张家港市农业整体规划粗中有细，特别是稻麦生产基地都是以村为单位进行规划，立体性相对而言比较明确。

限制固体自润滑轴承的PV值，控制轴承的温升，避免边界膜的破裂。

Pv=P·v≤[Pv]

(3)

式中：[Pv]为PV的许用值，MPa。

根据相关设计参数，计算得PV值，查相关手册可得许用安全[Pv]值。

矿石以砾状、砂状构造为主，块状等构造次之，铁矿矿物成分较复杂，以菱铁矿、赤褐铁为主，褐铁矿次之，还含有很多粘土质矿物，如高岭石、胶岭石、铝土矿等。铁矿石之含量较低，变化较大，矿石化学成分w(Tfe)一般在30%～35%之间。

3.2 轴承内径和宽度的确定

轴承的内径由所配合的轴的直径d 确定。轴承宽度L则由轴承允许的工作压力P 确定，即：

 

(4)

由此可见，增大轴承宽度可提高承载载荷，降低轴承工作压力，但宽度增加到一定数值后，可能使轴承的抗偏载能力和冷却效果降低，反而过早的损伤轴承，故L/d 值大到一定程度仍然不能满足时，则可以选择允许轴承工作压力P 较高的基体材料，或者在允许的设计范围内加大轴颈，从而达到降低轴承宽度的目的。一般取L/d=0.5∶1.5 ；对于高速、高温、高载荷的轴承一般取L/d≤1 ；对于高偏载的自润滑轴承，一般取L/d≤0.5∶0.7 。

图3为浇注温度对外壳力学性能的影响．从图3可见，当浇注温度为660～680 ℃时，随着浇注温度的升高，试样抗拉强度、表面硬度和伸长率均得到明显地提高；当浇注温度高于680 ℃时，其各项力学性能指标均降低．分析其原因，在保证压铸成形的浇注温度下，随着浇注温度的升高，合金的流动性增强，易于获得较好的力学性能；而当浇注温度过高时易出现缺陷，并且加重对压铸型的热冲击[4]，从而降低了铸件的力学性能，使铸件质量恶化．综合考虑，雷达外壳压铸件浇注温度为680 ℃较为适宜．

3.3 轴承壁厚的确定

1) 工作压强设计计算

t=(0.05～0.07)d+(2～5)mm

(5)

3.4 轴承磨损分析

由表1可以看出，与原矿相比，经过钠化后，APT-Na的CEC值均有所降低，当碳酸钠浓度超过0.225wt%时，APT-Na的CEC又呈现升高的趋势，这与黏度的变化趋势类似，但CEC的变化幅度并不大，经过相关性分析发现，碳酸钠浓度与 CEC并不符合线性关系，但经过平方拟合，得到的碳酸钠浓度（ w N a2 CO3）与 CEC的回归公式为CEC=相关系数为0.690，说明碳酸钠浓度与CEC的关系较为明显，一定程度上证明凹凸棒石与碳酸钠悬浮液发生了离子交换。

4 固体自润滑轴承在煤矿机械中的装配要求

4.1 轴承外径孔座的配合

3) PV值计算

4.2 轴承的安装

固体自润滑轴承一般为薄壁结构，安装方法不当容易造成轴承变形，故装配时建议采用如图3所示的芯棒压入，座孔入口应有倒角，芯棒头部应光滑，芯棒直径d应小于轴承内径的0.2～0.3 mm。

  

1-芯棒； 2-轴承

 

图3 固体自润滑轴承安装芯棒图

4.3 轴承安装后内经收缩量计算

当固体自润滑轴承压入座孔后，压入时的压力使轴承内径收缩，此时外径的过盈量δ和内径的收缩量Δ之间的关系受座孔强度、材质、表面粗糙度以及压入方式等因素的影响发生变化。当座孔强度足够，材质为铁系，轴承材质为铜合金时，内径收缩量Δ可用下式计算，即：

缺硼矫正技术：春梢萌发后至盛花期喷2-3次0.05%-0.1%的硼酸溶液或0.1%～0.2%硼砂溶液。硼肥土施，最好与有机质肥配合施。应根据树体大小确定施用量，一般情况下，小树每株施硼砂10-20克，大树每株施30-40克。需要注意的是，柑橘需硼量范围较窄，过多施用易产生硼中毒。

 

(6)

式中：Δ为轴承内径收缩量，mm；δ为轴承外径过盈量，mm；d0为压入前轴承内径，mm；DB为压入前轴承外径，mm。

4.4 注意事项

1) 装配时轴承及安装座和轴表面清理干净，适当涂抹润滑脂。

2) 装配时应缓慢压入，严禁敲打，以免伤及轴承，引起变形。

3) 设计时根据不同的工况及安装部位选用不同的基体材质，以提高机械性能。

4) 设计时在高承载、往复运动中应使用螺钉固定轴承。

5 结论

固体自润滑轴承因其结构简单、承载力强、高耐磨性、无需润滑的优良特性，现已在煤矿机械机构设计中广泛应用。通过介绍了固体自润滑轴承在煤矿机械中的设计计算及装配要求，为同行在固体自润滑轴承设计、选型方面提供一定的参考作用。

参考文献：

[1] 卢铃,朱定一,汪才良.金属基/石墨固体自润滑材料的研究进展[J]．材料导报．2007,21(2)：38-42.

[2] 强颖怀,王秉芳.镶嵌型固体自润滑材料的研究与应用[J]．润滑与密封. 1998(1)：42-43，21.

[3] 曹同坤,邓建新.自润滑材料及其摩擦特性的影响因素[J].材料导报.2004, 18(12):80-82.

[4] 石淼森.高分子和金属基润滑材料[J].制造技术与机床. 1996(11):4.

[5] 刘如铁,李溪滨,程时和.金属基固体自润滑材料的研究概况[J].粉末冶金工业, 2001 , 11(3):51-56.

[6] 支龙,王耀华,谭业发.青铜-石墨复合粉末热喷涂层的干滑动摩擦磨损性能[J].机械工程材料, 2005, 29(1):46-48.

作者简介：宋明江(1981—)，男，副研究员。2005年毕业于中国矿业大学机械工程与自动化专业，现从事煤矿井下软岩采掘装备及技术研究。发表论文十余篇。