劉志環(huán),寧春旭,潘曉毅

(1.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林541004；2.國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西 桂林541004；3.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西 桂林541004)

1 前言

在過(guò)去的文章[1]中,我們介紹了我中心開(kāi)發(fā)的一種采用齒形嚙合做無(wú)導(dǎo)板化運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行鋸切的新型金剛石鏈鋸,其應(yīng)用于荒料開(kāi)板時(shí),比目前現(xiàn)有其它開(kāi)板工具在鋸切性能和經(jīng)濟(jì)成本方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)將結(jié)合數(shù)理推導(dǎo)對(duì)該新型金剛石鏈鋸的鏈條磨損規(guī)律及鏈條壽命進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)其性能特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步[2]深入的了解,以分析該產(chǎn)品的推廣可行性。

2 鏈鋸鏈條磨損規(guī)律及鏈條壽命的求算方法

研究鏈條磨損理論,主要用于計(jì)算鏈條的的工作壽命,是設(shè)計(jì)鏈條的重要基礎(chǔ)。

2.1 鏈條傳動(dòng)構(gòu)件磨損之形式和特點(diǎn)

鏈條破壞的重要原因：因磨損導(dǎo)致鏈節(jié)伸長(zhǎng)而致使鏈條梗齒、脫嚙甚至斷裂。

鏈條磨損形式包括：

①銷軸磨損：隨轉(zhuǎn)速增大而增大；

②輪齒磨損；

③鏈板工作齒面磨損；

④鏈板及銷軸側(cè)面磨損：裝配不正確、切割工件時(shí)磨粒磨損等。

2.2 單位摩擦功及鏈條磨損系數(shù)的求算

首先計(jì)算齒形鏈條回轉(zhuǎn)一周,在所有銷軸中之摩擦功A：

A1：鏈板在嚙進(jìn)主動(dòng)及從動(dòng)輪時(shí),其銷軸中的摩擦功

式中：為摩擦力矩,kg·m；

a為回轉(zhuǎn)角,rad。

式中：δ為銷軸直徑,cm；

f為銷軸內(nèi)部之滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

m為銷軸總數(shù)；

SB為緊邊總張力；

SX為松邊總張力。

A2：同一鏈板由主動(dòng)及從動(dòng)輪退嚙時(shí),其銷軸中之摩擦功：

當(dāng)

A值即為鏈鋸空轉(zhuǎn)時(shí)所消耗的功率。

計(jì)算每秒鐘內(nèi)每一銷軸中的平均單位摩擦功為：

式中：F為單個(gè)銷軸的摩擦面積,F=eδ,e為銷軸長(zhǎng)度,δ為銷軸直徑,單位為cm；

T為鏈條回轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間為鏈條節(jié)距,cm,v為鏈條線速度,m/s；

又為速比,其中P為鏈條所傳動(dòng)之力。

上式中除摩擦系數(shù)f外,其它值均可求得,故常計(jì)算磨損系數(shù)k：

代入新型鏈鋸參數(shù)：SB=170.5kg,SX=70.75kg,i=1,v=30m/s,e=0.42cm,m=126個(gè),p=3.175,z=51個(gè),可計(jì)算出其磨損系數(shù)k值為：

又有研究發(fā)現(xiàn),鏈節(jié)平均伸長(zhǎng)量Δt與鏈條磨損系數(shù)k的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 鏈節(jié)伸長(zhǎng)量與磨損系數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between the chain link elongation and wear coefficient

由圖1可知,鏈條工作開(kāi)始時(shí),平均鏈節(jié)伸長(zhǎng)量與磨損系數(shù)k成正比例關(guān)系；當(dāng)k＞0.6～0.7時(shí),隨著磨損系數(shù)k的增加,鏈節(jié)平均伸長(zhǎng)量Δt也隨之急劇增加。

因此,試驗(yàn)鏈鋸磨損系數(shù)很大,超過(guò)了鏈條正常磨損系數(shù)。但是對(duì)于大型設(shè)備,由于鏈節(jié)數(shù)與鏈輪次數(shù)大大增加,因此磨損系數(shù)k值可以大大降低。以Φ2100mm的兩大輪傳動(dòng)為例,其鋸切石材長(zhǎng)度為2300mm,則其鏈節(jié)總數(shù)為m=2100/31.75=504節(jié),其鏈輪齒數(shù)z=210個(gè),其它參數(shù)與試驗(yàn)機(jī)相同,即e=0.42cm,p=3.175cm,鏈條線速度為v=30m/s,其鋸切緊邊張力SB、松邊張力SX計(jì)算如下：

a.依靠螺桿推動(dòng)給予鏈條之張力F0

q=0.75kg/m,l=4.4m,為使鏈鋸對(duì)石材施加相同的下壓力,在試驗(yàn)機(jī)垂度為35mm時(shí)(松邊跨度l=1.1m),大型設(shè)備鏈鋸垂度f(wàn)應(yīng)設(shè)置為4×35=140mm,則有：

b.因離心力作用而產(chǎn)生之鏈條張力F l

c.切削阻力Fc

由于大型設(shè)備切削石材長(zhǎng)度是試驗(yàn)機(jī)的4倍,則假設(shè)切削功率消耗為2k W×4=8k W,鏈鋸所受切削阻力大小為：

d.鏈條所受動(dòng)載荷Fd

其中：n為鏈輪轉(zhuǎn)速270rpm；

m為鏈條緊邊的質(zhì)量,m=0.75kg/m×4.4m=3.32kg；

ψ為計(jì)及鏈條伸縮性及垂度影響之系數(shù)。ψ=0.5～0.75,由于視鏈條軸距而定,軸距越大,ψ值越小,故取ψ=0.5；

則有：

由此可得大型設(shè)備鏈條緊邊受力大小為：

用于切割石材鏈條松邊受力F2=F0+F l+F d=128+675+209=1012N；

非用于切割石材鏈條受力F3=F0+F l=128+675=803N

由此可知,設(shè)備越大,鏈條受力反而越小。

代入大型設(shè)備各個(gè)參數(shù)值,可得出在以Φ2100mm的兩大輪傳動(dòng)時(shí),當(dāng)其兩輪間距為4.4m的情況下,可計(jì)算出其鏈條磨損系數(shù)k值為：

因此,對(duì)于大型設(shè)備,鏈條磨損系數(shù)k遠(yuǎn)在正常范圍之內(nèi)。且由公式可以看出,增大張緊力、增大運(yùn)轉(zhuǎn)線速度都會(huì)引起磨損系數(shù)的增加；而增加銷軸長(zhǎng)度、鏈節(jié)個(gè)數(shù)、鏈節(jié)長(zhǎng)度及鏈輪齒數(shù)都能降低磨損系數(shù)；另外可以看出,銷軸直徑對(duì)磨損系數(shù)沒(méi)有影響；因而增大銷軸直徑是不能達(dá)到減少銷軸磨損的目的的。

磨損系數(shù)是鏈條傳動(dòng)中非常重要的系數(shù),實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量減小磨損系數(shù),以減少單位摩擦功,從而減少鏈節(jié)伸長(zhǎng),提高鏈條使用壽命。

3 鏈條磨損規(guī)律及鏈條壽命的計(jì)算方法

研究發(fā)現(xiàn),鏈條的磨損規(guī)律如圖2所示：在鏈條開(kāi)始工作時(shí),因工作面之磨合,在某一段時(shí)間內(nèi)鏈節(jié)的伸長(zhǎng)較大；此后,鏈節(jié)之伸長(zhǎng)度即按其工作時(shí)間的比例削減；至銷軸表層耐磨層去除后開(kāi)始破壞。在鏈節(jié)伸長(zhǎng)度達(dá)2.5%～3%前,一般可認(rèn)為鏈節(jié)伸長(zhǎng)量Δt與使用時(shí)間T成嚴(yán)格之比例。

圖2 鏈節(jié)伸長(zhǎng)量與時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the chain link elongation and the working time

由圖2可知,銷軸工作面磨合后,平均鏈節(jié)在穩(wěn)定條件下系按工作時(shí)間比例而伸長(zhǎng),因而有：

式中：Δtφ為為平均鏈節(jié)允許伸長(zhǎng)極限；

T為鏈條壽命；

h為鏈條開(kāi)始因銷軸工作面磨合而產(chǎn)生的附加平均鏈節(jié)伸長(zhǎng)度；

Δt0為經(jīng)任意一定時(shí)間T0后不計(jì)及工作面磨合的平均鏈節(jié)伸長(zhǎng)度。

由式6可以推出如下公式：

若已知工作一定時(shí)間T0時(shí)鏈節(jié)的平均伸長(zhǎng)量Δt0,可由式①計(jì)算出鏈條的壽命；計(jì)算出鏈條壽命后,可根據(jù)式②求算出經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后鏈條的平均伸長(zhǎng)量。

4 節(jié)塊與鏈條磨損實(shí)驗(yàn)

由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限,試驗(yàn)機(jī)鋸切石材不多,金剛石節(jié)塊實(shí)驗(yàn)前后基本沒(méi)有消耗,而無(wú)法計(jì)算節(jié)塊壽命。但是由鏈鋸節(jié)塊結(jié)構(gòu)本身可以決定其工作壽命可大大超過(guò)金剛石繩鋸,這種優(yōu)勢(shì)是不言而喻的,因此,亦可暫時(shí)不做節(jié)塊磨損實(shí)驗(yàn)。已知φ10.5、33串/m軟質(zhì)大理石荒料整形用金剛石繩鋸平均單位壽命為35m2/m,可通過(guò)下面的公式估算新型金剛石鏈鋸單位壽命：

繩鋸每米串珠體積/繩鋸每米鋸切面積=鏈鋸每米節(jié)塊體積/鏈鋸每米鋸切面積

即新型金剛石鏈鋸節(jié)塊的單位壽命為56m2/m,是一般金剛石繩鋸的1.6倍。

鏈條壽命實(shí)驗(yàn)與鋸切石材平方數(shù)無(wú)關(guān),只與其運(yùn)行時(shí)間有關(guān),其運(yùn)行時(shí)間包括鋸切時(shí)間和空轉(zhuǎn)時(shí)間,故可做實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

測(cè)試鏈條在一定時(shí)間內(nèi)的鏈節(jié)平均伸長(zhǎng)量及鏈寬與銷軸磨損量,從而推算鏈條使用壽命。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

在鏈條運(yùn)行3h后使鏈條渡過(guò)磨合期,再將鏈條取下,采用材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)將若干節(jié)鏈條豎直拉緊,拉緊力保持在500N,然后用卷尺測(cè)量17節(jié)鏈條的長(zhǎng)度L1,共測(cè)量4段,并求總長(zhǎng)度的平均值；再使鏈條運(yùn)行20h后,使用相同的方法測(cè)量17節(jié)鏈條的長(zhǎng)度L2,求其平均值。則工作T0=20h后鏈條單

則鏈條壽命可用下面的公式計(jì)算：

其中Δtφ為平均鏈節(jié)允許伸長(zhǎng)極限Δtφ=1.59mm,Δt t為鏈條工作時(shí)最大彈性伸長(zhǎng)量,由后面的鏈條拉伸實(shí)驗(yàn)可知Δt t=0.09mm。則有,鏈條的實(shí)驗(yàn)機(jī)鏈條壽命計(jì)算公式為：

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1

表1 鏈條拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Tensile experiment of the chain

由此可知,鏈條工作20h后平均伸長(zhǎng)量為：

則可計(jì)算出鏈條壽命為：

以安全系數(shù)為85%計(jì)算,鏈條工作壽命為345×85%=293h,則每米鏈條使用壽命為：293/4=73h/m,每米鏈條最高使用壽命為86h/m。

以鋸切大理石效率為5.5m2/h計(jì)算,每米鏈條鋸切面積為5.5×73=365m2/m,每米鏈條最高鋸切面積為474m2/m。以鏈鋸節(jié)塊單位壽命為56m2/m計(jì)算,鏈條安全復(fù)焊次數(shù)為6次,最高可復(fù)焊8次。若大批量生產(chǎn),鏈條單位成本為63元/m,則鏈條的鋸切單位成本為63/365=0.17元/m2；金剛石節(jié)塊的單位成本為152.5元/m,則金剛石節(jié)塊的單位成本為152.5/56=2.72元/m2,金剛石鏈鋸工具總鋸切成本為2.89元/m2。而用于鋸切大理石的金剛石繩鋸單位鋸切成本為8～10元/m2,因此,金剛石鏈鋸的鋸切單位成本是很低的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉志環(huán),等.荒料開(kāi)板工具存在的問(wèn)題及新型工具的研制[J].超硬材料工程,2008(2)：22-26.

[2] 劉志環(huán),等.新型金剛石鏈鋸鋸切試驗(yàn)研究[J].超硬材料工程,2009(3)：34-38.

[3] [蘇]伏羅別耶夫.鏈條傳動(dòng)[M].