QT600—3材料为船闸闸门底枢蘑菇头帽的模拟磨损研究

许明

摘要： 本文通过对船闸闸门底枢蘑菇头摩擦副进行模拟磨损试验，比较分析了以材料QT600-3和铜基镶嵌自润滑材料Fz-5（3）制造的蘑菇头帽在有润滑和无润滑工况下运行30万次的磨损状况，试验结果显示：两种材料的蘑菇头帽在运行20万次以内，有润滑状况下其磨损都较小，无水无润滑状况下磨损都较大。QT600-3材料市场供应充足，性价比高，使用更为方便。

关键词： 船闸；蘑菇头帽；磨损；自润滑材料；QT600-3

中图分类号：U641.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）26-0023-03

0 引言

在人字门船闸和三角门船闸中，底枢蘑菇头和蘑菇头帽既是一对运动副又是一对摩擦副，底枢蘑菇头帽的磨损是影响船闸闸门运行的一个主要问题。经过多年来不断的探索和研究，已取得了一些较好的技术经验。以前船闸蘑菇头帽使用过的材料有ZQSn6-6-3、ZQAl9-4、ZCuAl10Fe3等青铜材料，其耐磨性能均较差。船闸使用一个大修周期时，均出现严重的磨损。

盛选禹等（1998）进行了润滑条件下船闸材料的耐磨性研究，王建民等（2001）研究了ZCuAl8Mn13Fe3、CuNiCoBo以及38CrMoAlA等材料的蘑菇头帽，ZCuAl8Mn13Fe3材料的蘑菇头帽耐磨性能较差，磨损较大，38CrMoAlA材料的蘑菇头帽耐磨性能较好，磨损量较小，使用中蘑菇头和蘑菇头帽之间咬啃现象严重。

殷恋飞等（2006）进行了铜基镶嵌自润滑材料Fz-5（3）材料为蘑菇头帽的模拟磨损研究，用铜基镶嵌自润滑材料Fz-5（3）制造的蘑菇头帽耐磨性能较好，磨损量较小，但该材料市场供应量较少，价格较高。

球墨铸铁QT600-3是一种带有自润滑性能的耐磨材料，该材料价格较低，市场供应充沛。在船闸闸门底枢蘑菇头帽中应用材料QT600-3，其耐磨性能还没有人进行过研究，本文通过对用球墨铸铁QT600-3材料制造船闸闸门底枢蘑菇头帽与蘑菇头的配对磨耗试验，并与蘑菇头帽采用铜基镶嵌自润滑材料Fz-5（3）的摩擦副进行磨损比对，研究将球墨铸铁QT600-3材料应用于船闸闸门底枢蘑菇头帽上的可行性。

1 试验仪器

试验机使用自行设计的模拟磨损试验机，用于模拟磨损试验的底枢蘑菇头帽半径为50mm，试验用门体近似按实物10：1比例缩小。为使实验底枢蘑菇头帽的接触应力与实际工况相似，在试验门上安装一加载油缸，以便调整作用在底枢蘑菇头帽上的作用力。

试验是模拟船闸闸门运行工况，使门体作67.5°摆动，速度为1.5m/min，即开门或关门时间约为20秒。一个繁忙船闸在一个大修周期内运行的次数约15万次，从提高船闸底枢蘑菇头帽的耐磨性能延长船闸大修周期的角度出发，试验拟运行30万次。在实际运行中运行一定次数后作一次磨耗测量，以便掌握磨耗规律。

对试验用的泵站，控制启闭油缸的油路采用差动油路，并配有自动换向装置和自动记数装置。加载油缸油路为恒压系统，防止油压波动太大造成精度下降。

试验机上还配备润滑泵、电控箱，实施对各摩擦副进行自动润滑。

2 试验材料

试验用的蘑菇头帽材料选用2种：QT600-3（调质后球面渗氮HV600）和铜基镶嵌自润滑材料Fz-5（3）。蘑菇头材料选用40Cr，调质后球表面淬火。

3 试验方法

试验采用两种配对分别在三种状态下进行，共六组试验。

两种配对：第一种是蘑菇头采用40Cr材料，蘑菇头帽采用QT600-3材料；第二种是蘑菇头采用40Cr材料，蘑菇头帽采用铜基镶嵌自润滑材料Fz-5（3）。

三种状态分别是：有水有润滑状态磨损试验、有水无润滑状态磨损试验和无水无润滑状态磨损试验。润滑是指在蘑菇头和帽之间加MoS2锂基脂进行润滑。

试验测量周期和运行次数：测量周期：运行5万次测量一次蘑菇头与蘑菇头帽的磨损量。试验运行次数：30万次。

4 试验结果及分析

4.1 有水有润滑状态下磨耗试验：

4.1.1 蘑菇头采用锻40Cr，调质HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇头帽采用QT600-3，调质HB240，球面渗氮0.4mm，HV600。

此种材料搭配的摩擦副磨耗试验数据见表1，磨耗曲线见图1。

4.1.2 蘑菇头采用锻40Cr，调质HB240，球表面淬火HRc45；蘑菇头帽采用自润滑铜Fz-5（3）。

此种材料搭配的摩擦副磨耗试验数据见表2，磨耗曲线见图2。

对比以上数据，这两种摩擦副在有水有润滑的相同磨耗条件下：

在运转25万次以内，QT600-3蘑菇头帽磨损正常，最大磨损量为0.52mm，而超过25万次以后，磨损快速增大。

在运转20万次以内，Fz-5（3）蘑菇头帽磨损正常，最大磨损量为0.22mm，而超过20万次以后，磨损快速增大。

4.2 有水无润滑状态磨耗试验

4.2.1 蘑菇头采用锻40Cr，调质HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇头帽采用QT600-3，调质HB240，球面渗氮0.4mm，HV600。

此种材料搭配的摩擦副磨耗试验数据见表3，磨耗曲线见图3。

4.2.2 蘑菇头采用锻40Cr，调质HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇头帽采用自润滑铜Fz-5（3）。

此种材料搭配的摩擦副磨耗试验数据见表4，磨耗曲线见图4。

对比以上数据，这两种摩擦副在有水无润滑的相同磨耗条件下：

在运转25万次以内，QT600-3蘑菇头帽磨损正常，最大磨损量为0.90mm，而超过25万次以后，磨损快速增大。

在运转20万次以内，Fz-5（3）蘑菇头帽磨损正常，最大磨损量为0.24mm，而超过20万次以后，磨损快速增大。

4.3 无水无润滑状态磨损试验

4.3.1 蘑菇头采用锻40Cr，调质HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇头帽采用QT600-3，调质HB240，球面渗氮0.4mm，HV600。

在运转5万次时，QT600-3蘑菇头帽磨损量已达2.2mm，40Cr蘑菇头的磨损量为0.19mm。

4.3.2 蘑菇头采用锻40Cr，调质HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇头帽采用自润滑铜Fz-5（3）。

在运转5万次时，Fz-5（3）蘑菇头帽磨损量已达3.8mm，40Cr蘑菇头的磨损量为0.65mm。

5 研究结论和建议

由试验结果可知：在有水有润滑及有水无润滑的运行条件下，QT600-3蘑菇头帽和Fz-5（3）蘑菇头帽在运行20万次即在船闸一个大修周期内（约运行15万次），磨损量都较小，都能满足船闸运行的要求。但在无水无润滑的条件下，两种蘑菇头帽的磨损量都较大，即在无水无润滑的条件下尽量少运行。

研究结论：相对于Fz-5（3）材料的蘑菇头帽，QT600-3材料的蘑菇头帽的耐磨性能以及相应的自润滑性能相当接近，但QT600-3材料的市场供应充足，性价比高，制造方便，在船闸闸门底枢的使用中具有广泛的应用前景和市场。另外，此次试验采用的是普通球墨铸铁材料，如对球铁进行低合金化，将较大地增加球铁的耐磨性能。

建议：对以QT600-3材料制造的蘑菇头帽的耐磨实际应用效果进行跟踪研究。根据文献资料，在球铁中加入微量的Cu、Sb元素使其合金化，将显著地提高球铁的的耐磨性能，可对球铁的合金化在船闸运转件中的应用进行研究。

参考文献：

[1]盛选禹，雒建斌，温诗铸.润滑条件下船闸材料的耐磨性研究[J].清华大学学报，1998，38（4）：47-51.

[2]王建民.船闸运转件磨损实验报告[M].江苏省交通厅航道局，2001.

[3]殷恋飞，丁建宁，岳陆游等.几种人字门底枢材料的摩擦磨损性能研究[J].润滑与密封，2006（11）：130-132.

[4]王建民.人字门船闸底枢摩擦副零件失效事故分析及材料研究[J].现代交通技术，2006（4）：78-81.

[5]司敬阳.人字闸门底枢结构改进及材料选用[J].水利电力机械，2007，29（2）：11-14.

在运转20万次以内，Fz-5（3）蘑菇头帽磨损正常，最大磨损量为0.24mm，而超过20万次以后，磨损快速增大。

4.3 无水无润滑状态磨损试验

4.3.1 蘑菇头采用锻40Cr，调质HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇头帽采用QT600-3，调质HB240，球面渗氮0.4mm，HV600。

在运转5万次时，QT600-3蘑菇头帽磨损量已达2.2mm，40Cr蘑菇头的磨损量为0.19mm。

4.3.2 蘑菇头采用锻40Cr，调质HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇头帽采用自润滑铜Fz-5（3）。

在运转5万次时，Fz-5（3）蘑菇头帽磨损量已达3.8mm，40Cr蘑菇头的磨损量为0.65mm。

5 研究结论和建议

由试验结果可知：在有水有润滑及有水无润滑的运行条件下，QT600-3蘑菇头帽和Fz-5（3）蘑菇头帽在运行20万次即在船闸一个大修周期内（约运行15万次），磨损量都较小，都能满足船闸运行的要求。但在无水无润滑的条件下，两种蘑菇头帽的磨损量都较大，即在无水无润滑的条件下尽量少运行。

研究结论：相对于Fz-5（3）材料的蘑菇头帽，QT600-3材料的蘑菇头帽的耐磨性能以及相应的自润滑性能相当接近，但QT600-3材料的市场供应充足，性价比高，制造方便，在船闸闸门底枢的使用中具有广泛的应用前景和市场。另外，此次试验采用的是普通球墨铸铁材料，如对球铁进行低合金化，将较大地增加球铁的耐磨性能。

建议：对以QT600-3材料制造的蘑菇头帽的耐磨实际应用效果进行跟踪研究。根据文献资料，在球铁中加入微量的Cu、Sb元素使其合金化，将显著地提高球铁的的耐磨性能，可对球铁的合金化在船闸运转件中的应用进行研究。

参考文献：

[1]盛选禹，雒建斌，温诗铸.润滑条件下船闸材料的耐磨性研究[J].清华大学学报，1998，38（4）：47-51.

[2]王建民.船闸运转件磨损实验报告[M].江苏省交通厅航道局，2001.

[3]殷恋飞，丁建宁，岳陆游等.几种人字门底枢材料的摩擦磨损性能研究[J].润滑与密封，2006（11）：130-132.

[4]王建民.人字门船闸底枢摩擦副零件失效事故分析及材料研究[J].现代交通技术，2006（4）：78-81.

[5]司敬阳.人字闸门底枢结构改进及材料选用[J].水利电力机械，2007，29（2）：11-14.

在运转20万次以内，Fz-5（3）蘑菇头帽磨损正常，最大磨损量为0.24mm，而超过20万次以后，磨损快速增大。

4.3 无水无润滑状态磨损试验

4.3.1 蘑菇头采用锻40Cr，调质HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇头帽采用QT600-3，调质HB240，球面渗氮0.4mm，HV600。

在运转5万次时，QT600-3蘑菇头帽磨损量已达2.2mm，40Cr蘑菇头的磨损量为0.19mm。

4.3.2 蘑菇头采用锻40Cr，调质HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇头帽采用自润滑铜Fz-5（3）。

在运转5万次时，Fz-5（3）蘑菇头帽磨损量已达3.8mm，40Cr蘑菇头的磨损量为0.65mm。

5 研究结论和建议

由试验结果可知：在有水有润滑及有水无润滑的运行条件下，QT600-3蘑菇头帽和Fz-5（3）蘑菇头帽在运行20万次即在船闸一个大修周期内（约运行15万次），磨损量都较小，都能满足船闸运行的要求。但在无水无润滑的条件下，两种蘑菇头帽的磨损量都较大，即在无水无润滑的条件下尽量少运行。

研究结论：相对于Fz-5（3）材料的蘑菇头帽，QT600-3材料的蘑菇头帽的耐磨性能以及相应的自润滑性能相当接近，但QT600-3材料的市场供应充足，性价比高，制造方便，在船闸闸门底枢的使用中具有广泛的应用前景和市场。另外，此次试验采用的是普通球墨铸铁材料，如对球铁进行低合金化，将较大地增加球铁的耐磨性能。

建议：对以QT600-3材料制造的蘑菇头帽的耐磨实际应用效果进行跟踪研究。根据文献资料，在球铁中加入微量的Cu、Sb元素使其合金化，将显著地提高球铁的的耐磨性能，可对球铁的合金化在船闸运转件中的应用进行研究。

参考文献：

[1]盛选禹，雒建斌，温诗铸.润滑条件下船闸材料的耐磨性研究[J].清华大学学报，1998，38（4）：47-51.

[2]王建民.船闸运转件磨损实验报告[M].江苏省交通厅航道局，2001.

[3]殷恋飞，丁建宁，岳陆游等.几种人字门底枢材料的摩擦磨损性能研究[J].润滑与密封，2006（11）：130-132.

[4]王建民.人字门船闸底枢摩擦副零件失效事故分析及材料研究[J].现代交通技术，2006（4）：78-81.

[5]司敬阳.人字闸门底枢结构改进及材料选用[J].水利电力机械，2007，29（2）：11-14.