密炼机无油润滑材料的应用研究探讨

2021-12-13朱志海叶峰周元彬王成祥

橡塑技术与装备 2021年23期

朱志海，叶峰，周元彬，王成祥

(1.大连大橡工程技术有限公司，辽宁大连 116043；2.杭州中策清泉实业有限公司，浙江杭州 311400)

在世界范围内的轮胎和制品炼胶工厂都在大批量的使用密炼机。在密炼机设备上，端面密封在相对旋转的情况下，对内部胶料与粉尘起到密封作用。这种端面密封的动圈和定圈摩擦方式为直接接触式旋转滑动摩擦。一般的滑动摩擦需要添加润滑油，密封面开有润滑油槽，槽不易太多太深，否则会使泄漏增加。这样将有压力的润滑油直接引入摩擦面以起到润滑的作用。高压和高速转动要保持摩擦面间的液膜是有困难的，油膜常常被高压和高转速产生的摩擦热破坏。仅可以在摩擦界面上形成边界润滑和半液体润滑，从而降低摩擦系数，减少摩擦件的损耗，延长使用寿命，同时带走一部分摩擦产生的热能。同时油膜还具有一定的吸振能力。当动、静环之间的压力不足，而使间隙增大，油膜增厚，这时不存在动定圈直接接触，故无摩擦现象。但也因此动、定圈之间的缝隙较大，起不到密封作用，泄漏严重。在加油情况的密封圈也容易出现动定圈容易磨损、漏料的情况。由于使用过的润滑油进入密炼室，会污染物料，甚至降低产品性能。混合炼胶中各种成分，如聚合物、填料等，通过端面密封系统排出来后，无法直接循环使用，废油处理费用昂贵，且给环境造成了负担。使用无油润滑更是一个新课题，动、定圈表面摩擦面上无润滑油，因而无油膜存在，仅有泄漏的炭黑，粉料，糊状胶料，在此种情况下，两个摩擦面的材料选择是主要的解决方式。

润滑油消耗量大，浪费资源，应用成本高。同时油润滑密封的密炼机新油的补给，废油的处理、环境的清洁等必须的项目增加了劳动力成本。图1是无油润滑圈和油密封圈的成本统计对比。使用密炼机规格、转子转速、密封圈材质、密封圈表面制造质量不同，耗油量存在差异，以下为大致估算数值，无油润滑密封圈采购成本大约是油润滑密封圈的1.5~2倍。每年润滑油的损耗量大约50万左右，废油处理成本大约10万左右。厂内加油换油以及输送物流人工成本大约5万元。油润滑密封圈总费用为75万元，无油润滑成本约为15万元。用户使用经济效益十分可观，对密炼机工厂节能减排起到了重要作用，同时制品对润滑油敏感的物料能获得更好的质量，杜绝了因泄漏而引起的环境污染。

图1 密封圈及油品消耗成本统计

1 无油润滑密封的失效形式分析

实现无油润滑可以用自润滑材料制成或预先充以润滑剂，可以长期使用，工作过程中不用添加润滑剂。用固体自润滑材料做成的无油密封圈，不需要添加润滑油，被称为“无油润滑密封”。在密炼机炼胶过程中，端面密封不仅仅对充满黏弹态的胶料密闭高压腔进行密封，还有各类粉尘，进入动定圈间隙的硬颗粒有的随动定圈一起转动，对动定圈表面起到破坏作用，加剧动定圈表面的磨损。无油润滑密封圈在滑动摩擦过程中，自润滑材料分子会相对转移，填平微小不平面，极易发生黏着磨损。对于密炼机的无油润滑材料的选择，已经成为众多密炼机用户关注的问题。本文根据众多使用过后的动定圈的表面磨损形态，在现存材料中筛选出适合密炼机用的材料。首先从无油润滑密封的失效形式着手分析如何避免短时间（半年以内）出现密封失效。

无油润滑密封的失效形式有如下几种情况：

（1）在长期载荷的反复作用下，密封表面出现与滑动方向垂直的疲劳裂纹，扩展后造成材料本身的剥落导致密封失效。

（2）部分聚合物随着碳纤维长度的增大，复合材料的摩擦系数增加。这主要是由于随碳纤维长度的增加，在机械混合的过程中，纤维容易形成絮团吸附物，因而在压制的过程中，就会使得制品表面的坑洼程度变大，使制品的粗糙度增加，在与金属件对磨时，机械啮合和切削碰撞就比较显著，导致滑动困难，使摩擦系数增大，同时磨耗量相应增大。磨损速度快在密炼机上表现是使用100 h后密封失效。

（3）进入动、定圈工作表面间隙的硬颗粒表面粗糙的微观轮廓尖峰，在工作表面划出线状伤痕，伤痕面积过大时，局部密封失效。

（4）两种材料互相填平对方微小不平面，发生黏着磨损，迅速造成密封失效。

（5）动、定圈受压力不均匀，材料本身刚性小，抵抗变形能力差，高压部分变形大，低压部分变形小，导致两平面出现缝隙，密封失效。

（6）偶尔的异常高温排胶导致密封圈材质发生变化，无法形成合理的摩擦副，密封失效。

（7）炼胶过程中产生的腐蚀性物质对动，定圈材料有腐蚀，材料腐蚀后易形成点状剥落，导致密封失效。

（8）无油润滑产生的高温。材料高温状态时耐磨性不良，导致失效，甚至异常高温导致易燃填料燃烧，导致火灾等风险。

（9）材料热膨胀系数高，高温时，定圈完全胀死，无法跟随动圈动作，密封失效。

（10）定圈材料易剥离进入动圈与定圈之间，造成缝隙，密封失效。

根据以上无油润滑失效的方式，进行针对性的选材，低摩擦系数、自润滑性能、升温慢、阻燃、耐水、耐腐蚀、绝缘、无磁、低膨胀系数等特点为优先选择材料。根据从试验室获得的理想数据，选择出在无油情况下，摩擦系数最小的摩擦物质。再在密炼机现场进行试用以进行验证，考核动定圈的工作条件以及实际使用温度和寿命。根据无油润滑的失效形式，由于聚合物本身具有较低的摩擦系数，自润滑性好、耐磨性高、耐腐蚀性、较高的使用温度，成为无油润滑定圈首选，目前聚合物基高性能自润滑材料的制备途径主要是通过聚合物与聚合物共混及添加纤维、晶须等来提高基体的机械强度，通过添加各类固体自润滑剂来提高摩擦性能，有效提高其综合性能。聚合物基自润滑材料可取代传统金属材料，成为全新的一类耐摩擦磨损材料。我们在研究过程中选用了高聚物基自润滑复合材料代替传统的铜材料。以下使用复合材料1号、复合材料2号、复合材料3号和复合材料4号来替代。动圈材质的选择考虑到该件在定圈内部，不容易拆出，耐磨性需要高于定圈。同时需考虑动圈的刚性和强度，动圈材质选用金属复合材料。作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属钨、钼、钢、不锈钢、钛等，它们能被基体金属润湿，也能增强陶瓷。在金属纤维金属复合材料以及金属纤维陶瓷复合材料这两类材料中进行选择。以下使用钛金属复合材料A，镍基金属材料B代替。

2 无油润滑材料的试验方法

模拟动圈和定圈的实际使用工况，动圈件相对旋转，定圈相对不动，通过重量损失计算耐磨性能。使用动圈的材料制造成旋转件，替代耐磨试验机的砂轮,测试件使用定圈的材质，并负荷一定的重量加以磨耗,到规定的转数后取出试件,观察试件磨后的状况或试件试验前的重量与试验后的重量差。

2.1 试验仪器

实验仪器如表1所示。

表1 实验仪器

2.2 试验内容

实验内容如表2所示。

表2 实验内容

这样形成 A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4共8种组合。这些组合每组试片连续运转一个月以60 r/min的转速。实验组合如表3所示。

表3 实验组合

2.3 试验条件

实验条件如表4所示。

表4 实验条件

2.4 试验结果

实验结果如表5所示。

根据表5测试数据，失重数据A3最小，因此选择A3制作设备上的应用件。

表5 实验结果

试验结束后，按照A3配置材料制作成品动定圈，使用在国内某大型轮胎厂270L密炼机设备上。转子形式为同步转子，转子速度23 r/min，定圈带冷却套。终炼胶，填加硫磺粉料，温升显示数据为100 ℃以下，比油润滑温度稍高，无漏料现象。通过记录定圈与拨叉之间的数值为磨损依据，目前使用半年，总磨损深度为3 mm，平均每1个月磨损0.8 mm。动圈微量磨损，可以忽略不计，定圈失效有效磨损为15 mm，理论计算定圈使用寿命为18个月。