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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備中，以其獨特的優(yōu)點(diǎn)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(mén)中，有一個(gè)小構件起到一個(gè)重要的作用，即安裝在滑動(dòng)門(mén)中的滑輪�；喌馁|(zhì)量、壽命始終影響著(zhù)地鐵的順利運營(yíng)，與地鐵設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(xué)上成為聚酰胺，由共價(jià)鍵和分子鍵組成，即分子內靠共價(jià)鍵結合，分子間靠分子鍵結合。此種結構的材料具有重量輕、耐磨、防腐，絕緣等多種優(yōu)點(diǎn)，是一種應用很廣泛的工程塑料[1]。
應用于天津地鐵2號線(xiàn)屏蔽門(mén)的MC尼龍滑輪，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，會(huì )出現以下兩種失效形式：(1)滑輪外側邊緣磨損;(2)滑輪內圈與軸承出現間隙。
出現以上兩種失效形式的原因，現做如下分析：
(1)門(mén)體不正，在運行過(guò)程中會(huì )出現滑輪位置不正，會(huì )造成外側磨損，滑輪內側與軸承的作用力出現不同方向的空間應力。
(2)軌道不直或者軌道面不平整，造成外側磨損。
(3)門(mén)開(kāi)門(mén)關(guān)時(shí)，滑動(dòng)門(mén)運動(dòng)，滑動(dòng)輪長(cháng)時(shí)間受循環(huán)載荷，造成疲勞變形，滑輪內輪變形，產(chǎn)生間隙。
(4)門(mén)靜止時(shí)，滑輪一直承受滑動(dòng)門(mén)的重量，長(cháng)時(shí)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(cháng)時(shí)間擠壓作用會(huì )產(chǎn)生形變，造成失效[2]。
二、MC滑輪壽命計算過(guò)程
MC尼龍滑輪是一種高分子結構的工程材料，在實(shí)際工作運行中，受溫度以及載荷的作用，分子結構發(fā)生不可逆轉的變形，最終導致材料的破壞[3]。
(1)從溫度方面考慮：隨著(zhù)環(huán)境內溫度的變化，設備構件的物理性能與失效的時(shí)間存在以下關(guān)系，用函數表達為：
F(P)=Kτ (1)
式中，P為物理機械性能值;K為反應速度常數;τ為老化時(shí)間。
如果材料確定了，那么這種材料物理參數值P就確定了，設定拉伸和彎曲的保證值在80%以上，則臨界時(shí)間和K常數的關(guān)系為：
τ=F(P)/K (2)
K常數和溫度T滿(mǎn)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;A、e是常數。將上述兩個(gè)公式用數學(xué)方法取對數進(jìn)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。根據上式可以知道，臨界時(shí)間和溫度存在類(lèi)似于正比的關(guān)系 。繼續對上式進(jìn)行變形處理，得到：
lnτ=a+b/T (5)
根據數值分析的理論，將上式中的常數a和b確定下來(lái)，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(xiàn)基本都是地下車(chē)站，由于屏蔽門(mén)和環(huán)控的作用，滑輪所處的溫度一年四季比較穩定，經(jīng)測量，取平均值25°，經(jīng)過(guò)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(shí)際使用中，滑輪還會(huì )受到載荷的作用，它的原理是：高聚物的分子結構在交變載荷的作用下產(chǎn)生了不可逆的分子結構的演變和變形，機械工對分子鏈作用，產(chǎn)生了旋轉和扭曲，形成了銀紋和剪切帶銀紋，預示著(zhù)疲勞，隨著(zhù)大量交變循環(huán)加載次數的積累，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(jìn)行壽命分析，即軌道平整，門(mén)體位置也平正。
首先考慮載荷頻率對壽命的影響：每一個(gè)滑動(dòng)門(mén)上有四個(gè)滑輪，每一個(gè)滑輪分擔門(mén)重的四分之一，經(jīng)過(guò)查資料得知，一扇滑動(dòng)門(mén)重量為80kg，可得一扇門(mén)的重力為：80×9.8=784 N;
然后分擔到每個(gè)滑輪上的重力為：784÷4=196 N;
滑動(dòng)門(mén)的寬度為1m，即每次開(kāi)關(guān)門(mén)的行程為1m，再測量滑輪的直徑為0.057m，可算出它的周長(cháng)為：0.057×3.14=0.179m;
那么滑動(dòng)門(mén)開(kāi)一次門(mén)，滑輪需要走的圈數可以得出：1÷0.179=5.6圈;
根據行車(chē)管理部給的數據，一個(gè)月單側的跑車(chē)為4032次，可以得出每天的跑車(chē)次數為：4032÷30=134 次;
每天早晨車(chē)站會(huì )測試屏蔽門(mén)10次左右，所以每天滑動(dòng)門(mén)總運動(dòng)的次數為：134+10=144 次;
滑動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)一次，滑輪走11.2圈，一天滑動(dòng)門(mén)有144次開(kāi)關(guān)循環(huán)，那么滑輪一天走的總圈數為：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(guò)查資料，0.0093Hz這個(gè)頻率對應的循環(huán)次數接近無(wú)窮大，說(shuō)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(guò)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
根據壓強公示：P=F/S=196÷1.21×10-6=161×106=161MPa
經(jīng)過(guò)查表可得161MPa對應的循環(huán)次數為0.24×106;根據每月的循環(huán)次數4032次，可得一年的循環(huán)次數：4032×12=48384 次
那么可得此壓強下對應的滑輪壽命為：0.24×106÷48384=4.9 年
此值為計算值，取安全系數為0.6，則安全值為2.9年。
三、結論
經(jīng)過(guò)上述壽命分析，可以得到結論，天津地鐵2號線(xiàn)現階段使用的MC尼龍材料的滑輪安全壽命在2.9年左右，這個(gè)壽命對于地鐵運營(yíng)和設備故障率來(lái)講，是不利的，應該采取各種措施來(lái)保障滑輪的正常使用。
參考文獻：
[1]崔占全，孫振國，王正品.工程材料[M].2007(07).
[2]謝紹國，朱福海.玻纖增強超韌尼龍6熱氧化壽命的評定[M].2008.
[3]劉亞慶.玻纖增強尼龍66疲勞性能的研究[D].2009.
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