這是一篇發(fā)表在《城市軌道交通研究》上的分析地鐵尼龍滑輪壽命的中級(jí)工程師職稱論文。尼龍滑輪是安裝在地鐵滑動(dòng)門中的滑輪，其壽命影響著地鐵的運(yùn)行安全。尼龍滑輪的失效有五種情況，其壽命受溫度以及載荷的作用而變短，作者提出了準(zhǔn)確計(jì)算尼龍滑輪壽命的方法，以供地鐵相關(guān)部門參考。

　　《城市軌道交通研究》Urban Mass Transit(月刊)1998年創(chuàng)刊之初為季刊，2003年起改為雙月刊，2006年1月起改為月刊，是我國(guó)城市軌道交通領(lǐng)域內(nèi)唯一的“雙核心期刊”專業(yè)媒體。針對(duì)城市軌道交通的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，以及城市軌道交通產(chǎn)業(yè)跨行業(yè)、跨部門、跨學(xué)科的特點(diǎn)，《城市軌道交通研究》雜志社于2001年成立了以《城市軌道交通研究》雜志為媒介的一個(gè)服務(wù)性組織——城市軌道交通研究理事會(huì)。理事會(huì)成員由城市軌道交通產(chǎn)業(yè)鏈群內(nèi)的企事業(yè)單位以及與該產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)的政府部門、科研機(jī)構(gòu)和社會(huì)團(tuán)體所組成。

　　中國(guó)地鐵事業(yè)蓬勃發(fā)展，在地鐵的屏蔽門中，有一個(gè)小構(gòu)件起到一個(gè)重要的作用，即安裝在滑動(dòng)門中的滑輪。滑輪的質(zhì)量、壽命始終影響著地鐵的順利運(yùn)營(yíng)，與地鐵設(shè)備的故障率息息相關(guān)。本文利用理論推導(dǎo)的方法，推導(dǎo)出了尼龍材料滑輪的壽命。

　　關(guān)鍵詞：地鐵;滑輪;尼龍;材料

　　1 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(nèi)靠共價(jià)鍵結(jié)合，分子間靠分子鍵結(jié)合。此種結(jié)構(gòu)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(yīng)用很廣泛的工程塑料[1]。

　　應(yīng)用于天津地鐵2號(hào)線屏蔽門的MC尼龍滑輪，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，會(huì)出現(xiàn)以下兩種失效形式：(1)滑輪外側(cè)邊緣磨損;(2)滑輪內(nèi)圈與軸承出現(xiàn)間隙。

　　出現(xiàn)以上兩種失效形式的原因，現(xiàn)做如下分析：

　　(1)門體不正，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)滑輪位置不正，會(huì)造成外側(cè)磨損，滑輪內(nèi)側(cè)與軸承的作用力出現(xiàn)不同方向的空間應(yīng)力。

　　(2)軌道不直或者軌道面不平整，造成外側(cè)磨損。

　　(3)門開(kāi)門關(guān)時(shí)，滑動(dòng)門運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)輪長(zhǎng)時(shí)間受循環(huán)載荷，造成疲勞變形，滑輪內(nèi)輪變形，產(chǎn)生間隙。

　　(4)門靜止時(shí)，滑輪一直承受滑動(dòng)門的重量，長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間擠壓作用會(huì)產(chǎn)生形變，造成失效[2]。

　　2 MC滑輪壽命計(jì)算過(guò)程

　　MC尼龍滑輪是一種高分子結(jié)構(gòu)的工程材料，在實(shí)際工作運(yùn)行中，受溫度以及載荷的作用，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變形，最終導(dǎo)致材料的破壞[3]。

　　(1)從溫度方面考慮：隨著環(huán)境內(nèi)溫度的變化，設(shè)備構(gòu)件的物理性能與失效的時(shí)間存在以下關(guān)系，用函數(shù)表達(dá)為：

　　F(P)=Kτ (1)

　　式中，P為物理機(jī)械性能值;K為反應(yīng)速度常數(shù);τ為老化時(shí)間。

　　如果材料確定了，那么這種材料物理參數(shù)值P就確定了，設(shè)定拉伸和彎曲的保證值在80%以上，則臨界時(shí)間和K常數(shù)的關(guān)系為：

　　τ=F(P)/K (2)

　　K常數(shù)和溫度T滿足以下關(guān)系：

　　K=Ae(- E/RT) (3)

　　其中，E是活化能;R是理想氣體常數(shù);A、e是常數(shù)。將上述兩個(gè)公式用數(shù)學(xué)方法取對(duì)數(shù)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(shù)。根據(jù)上式可以知道，臨界時(shí)間和溫度存在類似于正比的關(guān)系 。繼續(xù)對(duì)上式進(jìn)行變形處理，得到：

　　lnτ=a+b/T (5)

　　根據(jù)數(shù)值分析的理論，將上式中的常數(shù)a和b確定下來(lái)，就可以計(jì)算在使用工況溫度下的臨近壽命。

　　天津地鐵2號(hào)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(jīng)測(cè)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(shù)為0.6，得到安全值為20.3年。

　　(2)載荷對(duì)疲勞壽命分析：以上推算為考慮溫度的滑輪壽命計(jì)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(jié)構(gòu)在交變載荷的作用下產(chǎn)生了不可逆的分子結(jié)構(gòu)的演變和變形，機(jī)械工對(duì)分子鏈作用，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)和扭曲，形成了銀紋和剪切帶銀紋，預(yù)示著疲勞，隨著大量交變循環(huán)加載次數(shù)的積累，銀紋逐漸擴(kuò)展，形成了裂紋，并急劇加寬，最終導(dǎo)致材料斷裂破壞。

　　本次壽命計(jì)算，是在理想環(huán)境的條件下進(jìn)行壽命分析，即軌道平整，門體位置也平正。

　　首先考慮載荷頻率對(duì)壽命的影響：每一個(gè)滑動(dòng)門上有四個(gè)滑輪，每一個(gè)滑輪分擔(dān)門重的四分之一，經(jīng)過(guò)查資料得知，一扇滑動(dòng)門重量為80kg，可得一扇門的重力為：80×9.8=784 N;

　　然后分擔(dān)到每個(gè)滑輪上的重力為：784÷4=196 N;

　　滑動(dòng)門的寬度為1m，即每次開(kāi)關(guān)門的行程為1m，再測(cè)量滑輪的直徑為0.057m，可算出它的周長(zhǎng)為：0.057×3.14=0.179m;

　　那么滑動(dòng)門開(kāi)一次門，滑輪需要走的圈數(shù)可以得出：1÷0.179=5.6圈;

　　根據(jù)行車管理部給的數(shù)據(jù)，一個(gè)月單側(cè)的跑車為4032次，可以得出每天的跑車次數(shù)為：4032÷30=134 次;

　　每天早晨車站會(huì)測(cè)試屏蔽門10次左右，所以每天滑動(dòng)門總運(yùn)動(dòng)的次數(shù)為：134+10=144 次;

　　滑動(dòng)門開(kāi)關(guān)一次，滑輪走11.2圈，一天滑動(dòng)門有144次開(kāi)關(guān)循環(huán)，那么滑輪一天走的總?cè)?shù)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(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)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(qiáng)對(duì)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(jì)其面積為：0.001.1×0.001.1=1.21×10-6m2

　　根據(jù)壓強(qiáng)公示：P=F/S=196÷1.21×10-6=161×106=161MPa

　　經(jīng)過(guò)查表可得161MPa對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為0.24×106;根據(jù)每月的循環(huán)次數(shù)4032次，可得一年的循環(huán)次數(shù)：4032×12=48384 次

　　那么可得此壓強(qiáng)下對(duì)應(yīng)的滑輪壽命為：0.24×106÷48384=4.9 年

　　此值為計(jì)算值，取安全系數(shù)為0.6，則安全值為2.9年。

　　3 結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)上述壽命分析，可以得到結(jié)論，天津地鐵2號(hào)線現(xiàn)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(duì)于地鐵運(yùn)營(yíng)和設(shè)備故障率來(lái)講，是不利的，應(yīng)該采取各種措施來(lái)保障滑輪的正常使用。