基于精细陶瓷在混凝土搅拌机轴端密封上应用的可行性及耐久性研究

郭首君，莫劲风，王 瑞，吴斌兴

（中联重科股份有限公司国家混凝土机械工程技术研究中心，湖南长沙410205）

混凝土搅拌机轴端密封装置的主要作用是阻止搅拌筒内的水泥砂浆通过搅拌轴与搅拌机筒壁之间的间隙泄露到搅拌筒体外［1］，其密封性能的好坏直接影响着搅拌机的轴头、主轴的寿命和混凝土的质量。转毂作为轴端密封装置的关键密封件，受密封介质的特殊性、工作环境的恶劣性、现有技术的局限性等因素影响，对其提出了更为苛刻的性能要求。

（1）密封介质的特殊性。混凝土是由水泥、砂、石和水等按比例配比后经搅拌而成。其中，水泥中的固体颗粒大小一般在10~100μm，并且还夹杂着各种粒径、各种外形的细小砂子颗粒，这些固体颗粒普遍较硬［2］，均具有磨料特性。

（2）工作环境的恶劣性。一方面，搅拌机在生产混凝土过程中，流态水泥砂浆在搅拌叶片的旋转推进下，砂浆中的细砂、水泥及粉煤灰颗粒一旦进入到密封件的接触表面之间，其产生的研磨和切削作用就会像微型刃具，划伤密封件的接触表面，急剧加快转毂的磨损速率；另一方面，合金钢组织中存在大量金属化合物，与混凝土材料中的液体组成腐蚀原电池，转毂表面被电化学腐蚀，硬化层被破坏。

（3）现有技术的局限性。目前行业内转毂主要采用合金钢进行淬火或渗氮的处理工艺，这种材料经热处理工艺后，获得的表面硬度不到2 mm。在磨粒磨损和电化学腐蚀双重作用下，合金钢材质转毂的寿命较低。因此，如何有效提升转毂的使用寿命是搅拌机轴端密封性能优化亟需重点攻克的难题。

1 研究思路确定

为开发新型耐磨材料及加工成形工艺，研发设计小组通过查阅大量文献资料，发现精细陶瓷材料具有高强度、高耐磨性、低密度（轻量化）、耐热性、耐腐蚀性等优良性能［3-4］，但其脆性大、延性低且难加工；同时，一般是由粉末成型后在高温下烧结而成，因此，对形状复杂和大型构件难于制造［5］，结合转毂的实际运行工况，靠单纯改变与优化转毂材质以提升轴端密封的耐久性并不可行。

目前常规转毂采用的合金钢材料，虽存在使用寿命不高、易磨损的问题，但其优点是韧性好，机加工性能好，可以通过调整热处理工艺，获得宽范围的硬度与韧性相匹配的综合力学性能［6］。因此，为了进一步提高密封件的服役性能，解决单一材料硬度与韧性之间的矛盾。本文将从复合化方向发展，既要保留合金钢材料好韧性，又赋予精细陶瓷材料的高耐磨性，提出精细陶瓷与合金钢配对选取，采用复合材质转毂以提高轴端密封耐久性的新构想。

2 实施方案与评价标准

2.1 评价标准

开发精细陶瓷和合金钢复合材质转毂，使得轴端密封装置寿命提升100%以上，达到25万罐次（现有搅拌机轴端密封寿命一般为10万罐次［7］），从而全面提升混凝土搅拌机的轴端密封的耐久性。

为确保搅拌机轴端密封寿命提升100%以上，达到25万罐次的优化目标，具体可通过以下两种实施策略进行：①验证精细陶瓷其耐久性为合金钢的2.5倍以上；②复合材质转毂中精细陶瓷与合金钢黏结强度大于0.36 MPa（要保证轴端密封装置正常工作，两浮动密封环的接触端面要保证0.4~0.7 MPa的接触压力［8］）。依据中联重科JS 3000型卧轴式搅拌机，则

式中：S1为接触压力面积；S2为黏结面积；R为转毂接触面外径；r为转毂接触面内径；d为转毂结面内径；l为转毂黏结长度。

换算黏结强度

在黏结强度≥0.36 MPa条件下，可确保复合材质转毂黏结处在寿命内不脱落与损坏。

2.2 实施方案

将原有合金钢材质的整体式转毂分解成两部分，内圈钢套采用40Cr合金钢，锥面及外圈易磨损部位采用ZTA精细陶瓷，两者之间采用高强度黏结剂连接。由于精细陶瓷环与聚氨酯、橡胶等材质的密封圈接触，需要较高的尺寸精度、形位公差以及粗糙度要求，应最大限度地避免出现沟槽、台阶、尖角等结构形式。复合材质转毂试样如图1所示。

图1 复合材质转毂试样Fig.1 Sample of hub composite material

为进一步验证复合材质转毂优化实施策略的可行性，将耐久性及黏结强度策略转化为可供实施的检测方法。表1为具体的检测方法。

表1 轴端密封耐久性检测方法Tab.1 Durability testing method of shaft-end seal

3 试验研究及数据分析

3.1 磨粒磨损试验

3.1.1 试验材料

本实验分别采用精细陶瓷（ZTA精细陶瓷）与合金钢（经热处理的40Cr）标准试样，并分别对试样标记编号，数量各取12个，尺寸均为57 mm×25.5 mm×6 mm。

3.1.2 试验方法及数据

对ZTA精细陶瓷和40Cr耐久性测试采用Kehua MLS-225湿砂磨损试验机，如图2所示。该设备利用转动的橡胶轮带动与水混合的矿砂、砂石、泥沙等磨料对各种金属或非金属材料进行磨损［9］，可使用该设备对两种材料试样进行磨粒磨损试验。

图2 Kehua MLS-225湿砂磨损试验机Fig.2 Kehua MLS-225 wet sand wear machine

为保证试验数据的准确性，试样表面称重前需用超声波清洗器清洗并烘干，重量数据用精度万分之一电子天平计量，ZTA精细陶瓷磨粒磨损试验数据如表2所示。

表2 ZTA精细陶瓷磨粒磨损数据Tab.2 Abrasive wear data of ZTA fine cer amic

40Cr磨粒磨损试验数据如表3所示。

表3 40Cr磨粒磨损数据Tab.3 Abrasive wear data of 40Cr

3.1.3 试验结果分析

将ZTA精细陶瓷与40Cr磨粒磨损试验数据转化为磨损率对比（见图3）。从数据表可知，在相同工况下，40Cr试样磨损率远大于ZTA精细陶瓷试样，达到4.5倍左右，可见ZTA精细陶瓷相对于40Cr钢片材料具有更为优越的耐磨水平。

图3 相同工况下ZTA精细陶瓷与40Cr的磨损率Fig.3 Wear rate of ZTA fine ceramic and 40Cr in the same condition

3.2 黏结力试验

3.2.1 试验原理

无机胶黏剂套接压缩剪切强度试验方法理论：施加的压缩力通过试样的轴线传递至胶接面，直至试样剪切破坏。以单位胶接面积承受的最大载荷计算套接压缩剪切强度［10］。即复合材质转毂在万能试验机下进行压缩试验测试，然后根据l=P/S计算复合材质转毂的黏结力强度，其中P为压缩剪切破坏的最大载荷，S为黏结面积。

3.2.2 试验方法及数据

复合材质转毂黏结力试验可按照图4（a）~图4（e）步骤进行。

图4 黏结力试验过程Fig.4 Bonding testing process

伺服式万能试验机测量控制系统的黏结力试验数据如图5所示。

图5 黏结力试验数据Fig.5 Bonding testing data

3.2.3 试验结果分析

从图5可以看出：压缩试验过程分为3阶段，阶段1为从0开始逐渐加压至95.85 k N，95.85 k N处为最大黏结力强度，即为可破坏复合材质转毂稳定性与可靠性的峰值；阶段2为压力保持58.45 k N阶段，58.45 k N为稳定的黏结力强度，即为精细陶瓷与合金钢保持全接触的松动保持力值；阶段3为58.45 k N逐渐降低至0，即为精细陶瓷与合金钢接触面减少直至完全脱离过程。

由l=P/S，其中，P=95.85 k N，S=πdl=3.141 5×154×36=17 417 mm2，故l=5.5 MPa＞0.36 MPa，可确保复合材质转毂黏结处在寿命内不脱落与损坏。

4 结语

ZTA精细陶瓷相对于经热处理的40Cr合金钢材料具有更为优越的耐磨性，其磨损率仅为合金钢的22%左右，精细陶瓷材料的应用可大幅度提升搅拌机轴端密封寿命，具有较高的理论及应用价值。ZTA精细陶瓷与40Cr合金钢采用的高强度黏结方式，可确保复合材质转毂黏结处在寿命内不脱落与损坏，极限黏结强度5.5 MPa远大于0.36 MPa的要求值。ZTA精细陶瓷与40Cr合金钢复合材质转毂方案可用于混凝土搅拌机的轴端密封，该方案具有较高的可行性与可实施性。下一步将进行复合材质转毂工业装机验证，以根据运行实况最终确认轴端密封寿命值。