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尼龍滑輪壽命分析
尼龍滑輪作為塔吊配件已經廣泛應用于各起重設備中，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，有一個小構件起到一個重要的作用，即安裝在滑動門中的滑輪。滑輪的質量、壽命始終影響著地鐵的順利運營，與地鐵設備的故障率息息相關。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，即分子內靠共價鍵結合，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，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，經過一段時間的使用，會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)門體不正，在運行過程中會出現滑輪位置不正，會造成外側磨損，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)門開門關時，滑動門運動，滑動輪長時間受循環(huán)載荷，造成疲勞變形，滑輪內輪變形，產生間隙。
(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構的工程材料，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：隨著環(huán)境內溫度的變化，設備構件的物理性能與失效的時間存在以下關系，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，則臨界時間和K常數的關系為：
τ=F(P)/K (2)
K常數和溫度T滿足以下關系：
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。將上述兩個公式用數學方法取對數進行處理變形，可得：
lnτ=E/(2.303RT)+C (4)
在上述所得的式子中，C是常數。根據上式可以知道，臨界時間和溫度存在類似于正比的關系 。繼續(xù)對上式進行變形處理，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，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，經測量，取平均值25°，經過查表，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：高聚物的分子結構在交變載荷的作用下產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，產生了旋轉和扭曲，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，滑輪需要走的圈數可以得出：1÷0.179=5.6圈;
根據行車管理部給的數據，一個月單側的跑車為4032次，可以得出每天的跑車次數為：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為：134+10=144 次;
滑動門開關一次，滑輪走11.2圈，一天滑動門有144次開關循環(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;
經過查資料，0.0093Hz這個頻率對應的循環(huán)次數接近無窮大，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
根據壓強公示：P=F/S=196÷1.21×10-6=161×106=161MPa
經過查表可得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
經過上述壽命分析，可以得到結論，天津地鐵2號線現階段使用的MC尼龍材料的滑輪安全壽命在2.9年左右，這個壽命對于地鐵運營和設備故障率來講，是不利的，應該采取各種措施來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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