尼龍滑輪壽命分析

時間：2020-10-26 15:21:04 物理畢業(yè)論文我要投稿

尼龍滑輪壽命分析

　　尼龍滑輪作為塔吊配件已經(jīng)廣泛應用于各起重設(shè)備中，以其獨特的優(yōu)點漸漸代替老舊的金屬滑輪。尼龍滑輪能夠起到以塑代鋼的目的，自潤滑的作用。

　　摘要：中國地鐵事業(yè)蓬勃發(fā)展，在地鐵的屏蔽門中，有一個小構(gòu)件起到一個重要的作用，即安裝在滑動門中的滑輪�；喌馁|(zhì)量、壽命始終影響著地鐵的順利運營，與地鐵設(shè)備的故障率息息相關(guān)。本文利用理論推導的方法，推導出了尼龍材料滑輪的壽命。

　　關(guān)鍵詞：地鐵;尼龍;材料;滑輪

　　一、MC滑輪失效形式及原因分析

　　MC尼龍材料在化學上成為聚酰胺，由共價鍵和分子鍵組成，即分子內(nèi)靠共價鍵結(jié)合，分子間靠分子鍵結(jié)合。此種結(jié)構(gòu)的材料具有重量輕、耐磨、防腐，絕緣等多種優(yōu)點，是一種應用很廣泛的工程塑料[1]。

　　應用于天津地鐵2號線屏蔽門的'MC尼龍滑輪，經(jīng)過一段時間的使用，會出現(xiàn)以下兩種失效形式：(1)滑輪外側(cè)邊緣磨損;(2)滑輪內(nèi)圈與軸承出現(xiàn)間隙。

　　出現(xiàn)以上兩種失效形式的原因，現(xiàn)做如下分析：

　　(1)門體不正，在運行過程中會出現(xiàn)滑輪位置不正，會造成外側(cè)磨損，滑輪內(nèi)側(cè)與軸承的作用力出現(xiàn)不同方向的空間應力。

　　(2)軌道不直或者軌道面不平整，造成外側(cè)磨損。

　　(3)門開門關(guān)時，滑動門運動，滑動輪長時間受循環(huán)載荷，造成疲勞變形，滑輪內(nèi)輪變形，產(chǎn)生間隙。

　　(4)門靜止時，滑輪一直承受滑動門的重量，長時間承受固定載荷，造成蠕變變形。

　　(5)軸承與滑輪存在硬度差，長時間擠壓作用會產(chǎn)生形變，造成失效[2]。

　　二、MC滑輪壽命計算過程

　　MC尼龍滑輪是一種高分子結(jié)構(gòu)的工程材料，在實際工作運行中，受溫度以及載荷的作用，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變形，最終導致材料的破壞[3]。

　　(1)從溫度方面考慮：隨著環(huán)境內(nèi)溫度的變化，設(shè)備構(gòu)件的物理性能與失效的時間存在以下關(guān)系，用函數(shù)表達為：

　　F(P)=Kτ (1)

　　式中，P為物理機械性能值;K為反應速度常數(shù);τ為老化時間。

　　如果材料確定了，那么這種材料物理參數(shù)值P就確定了，設(shè)定拉伸和彎曲的保證值在80%以上，則臨界時間和K常數(shù)的關(guān)系為：

　　τ=F(P)/K (2)

　　K常數(shù)和溫度T滿足以下關(guān)系：

　　K=Ae(- E/RT) (3)

　　其中，E是活化能;R是理想氣體常數(shù);A、e是常數(shù)。將上述兩個公式用數(shù)學方法取對數(shù)進行處理變形，可得：

　　lnτ=E/(2.303RT)+C (4)

　　在上述所得的式子中，C是常數(shù)。根據(jù)上式可以知道，臨界時間和溫度存在類似于正比的關(guān)系。繼續(xù)對上式進行變形處理，得到：

　　lnτ=a+b/T (5)

　　根據(jù)數(shù)值分析的理論，將上式中的常數(shù)a和b確定下來，就可以計算在使用工況溫度下的臨近壽命。

　　天津地鐵2號線基本都是地下車站，由于屏蔽門和環(huán)控的作用，滑輪所處的溫度一年四季比較穩(wěn)定，經(jīng)測量，取平均值25°，經(jīng)過查表，可得a=-2.117，b=2220，將t=25°帶入(5)中，可得τ=25.4年。取安全系數(shù)為0.6，得到安全值為20.3年。

　　(2)載荷對疲勞壽命分析：以上推算為考慮溫度的滑輪壽命計算，而在實際使用中，滑輪還會受到載荷的作用，它的原理是：高聚物的分子結(jié)構(gòu)在交變載荷的作用下產(chǎn)生了不可逆的分子結(jié)構(gòu)的演變和變形，機械工對分子鏈作用，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)和扭曲，形成了銀紋和剪切帶銀紋，預示著疲勞，隨著大量交變循環(huán)加載次數(shù)的積累，銀紋逐漸擴展，形成了裂紋，并急劇加寬，最終導致材料斷裂破壞。

　　本次壽命計算，是在理想環(huán)境的條件下進行壽命分析，即軌道平整，門體位置也平正。

　　首先考慮載荷頻率對壽命的影響：每一個滑動門上有四個滑輪，每一個滑輪分擔門重的四分之一，經(jīng)過查資料得知，一扇滑動門重量為80kg，可得一扇門的重力為：80×9.8=784 N;

　　然后分擔到每個滑輪上的重力為：784÷4=196 N;

　　滑動門的寬度為1m，即每次開關(guān)門的行程為1m，再測量滑輪的直徑為0.057m，可算出它的周長為：0.057×3.14=0.179m;

　　那么滑動門開一次門，滑輪需要走的圈數(shù)可以得出：1÷0.179=5.6圈;

　　根據(jù)行車管理部給的數(shù)據(jù)，一個月單側(cè)的跑車為4032次，可以得出每天的跑車次數(shù)為：4032÷30=134 次;

　　每天早晨車站會測試屏蔽門10次左右，所以每天滑動門總運動的次數(shù)為：134+10=144 次;

　　滑動門開關(guān)一次，滑輪走11.2圈，一天滑動門有144次開關(guān)循環(huán)，那么滑輪一天走的總?cè)?shù)為：144×5.6=806.4 圈;

　　滑輪每走一圈，就要受一次循環(huán)力，從而可以得到其受力頻率：806.4÷(24×3600)=0.0093 Hz;

　　經(jīng)過查資料，0.0093Hz這個頻率對應的循環(huán)次數(shù)接近無窮大，說明載荷的頻率很低，這里不用考慮。

　　(3)再次考慮壓強對壽命的影響：經(jīng)過分析，滑輪與軌道的接觸為面接觸，粗略估計其面積為：0.001.1×0.001.1=1.21×10-6m2

　　根據(jù)壓強公示：P=F/S=196÷1.21×10-6=161×106=161MPa