MC尼龙滑轮的使用寿命分析

1 MC滑轮失效形式及原因分析
MC尼龙材料在化学上成为聚酰胺，由共价键和分子键组成，即分子内靠共价键结合，分子间靠分子键结合。此种结构的材料具有重量轻、耐磨、防腐，绝缘等多种优点，是一种应用很广泛的工程塑料[1]。
应用于天津地铁2号线屏蔽门的MC尼龙滑轮，经过一段时间的使用，会出现以下两种失效形式：（1）滑轮外侧边缘磨损；（2）滑轮内圈与轴承出现间隙。

出现以上两种失效形式的原因，现做如下分析：
（1）门体不正，在运行过程中会出现滑轮位置不正，会造成外侧磨损，滑轮内侧与轴承的作用力出现不同方向的空间应力。
（2）轨道不直或者轨道面不平整，造成外侧磨损。
（3）门开门关时，滑动门运动，滑动轮长时间受循环载荷，造成疲劳变形，滑轮内轮变形，产生间隙。
（4）门静止时，滑轮一直承受滑动门的重量，长时间承受固定载荷，造成蠕变变形。
（5）轴承与滑轮存在硬度差，长时间挤压作用会产生形变，造成失效[2]。
2 MC滑轮寿命计算过程
MC尼龙滑轮是一种高分子结构的工程材料，在实际工作运行中，受温度以及载荷的作用，分子结构发生不可逆转的变形，较终导致材料的破坏[3]。
（1）从温度方面考虑：随着环境内温度的变化，设备构件的物理性能与失效的时间存在以下关系，用函数表达为：
F（P）=Kτ （1）
式中，P为物理机械性能值；K为反应速度常数；τ为老化时间。
如果材料确定了，那么这种材料物理参数值P就确定了，设定拉伸和弯曲的保证值在80%以上，则临界时间和K常数的关系为：
τ=F（P）/K （2）
K常数和温度T满足以下关系：
K=Ae（- E/RT） （3）
其中，E是活化能；R是理想气体常数；A、e是常数。将上述两个公式用数学方法取对数进行处理变形，可得：
lnτ=E/（2.303RT） C （4）
在上述所得的式子中，C是常数。根据上式可以知道，临界时间和温度存在类似于正比的关系 。继续对上式进行变形处理，得到：
lnτ=a b/T （5）
根据数值分析的理论，将上式中的常数a和b确定下来，就可以计算在使用工况温度下的临近寿命。
天津地铁2号线基本都是地下车站，由于屏蔽门和环控的作用，滑轮所处的温度一年四季比较稳定，经测量，取平均值25°，经过查表，可得a=-2.117，b=2220，将t=25°带入（5）中，可得τ=25.4年。取安全系数为0.6，得到安全值为20.3年。
（2）载荷对疲劳寿命分析：以上推算为考虑温度的滑轮寿命计算，而在实际使用中，滑轮还会受到载荷的作用，它的原理是：高聚物的分子结构在交变载荷的作用下产生了不可逆的分子结构的演变和变形，机械工对分子链作用，产生了旋转和扭曲，形成了银纹和剪切带银纹，预示着疲劳，随着大量交变循环加载次数的积累，银纹逐渐扩展，形成了裂纹，并急剧加宽，较终导致材料断裂破坏。
本次寿命计算，是在理想环境的条件下进行寿命分析，即轨道平整，门体位置也平正。
首先考虑载荷频率对寿命的影响：每一个滑动门上有四个滑轮，每一个滑轮分担门重的四分之一，经过查资料得知，一扇滑动门重量为80kg，可得一扇门的重力为：80×9.8=784 N；
然后分担到每个滑轮上的重力为：784÷4=196 N；
滑动门的宽度为1m，即每次开关门的行程为1m，再测量滑轮的直径为0.057m，可算出它的周长为：0.057×3.14=0.179m；
那么滑动门开一次门，滑轮需要走的圈数可以得出：1÷0.179=5.6圈；
根据行车管理部给的数据，一个月单侧的跑车为4032次，可以得出每天的跑车次数为：4032÷30=134 次；
每天早晨车站会测试屏蔽门10次左右，所以每天滑动门总运动的次数为：134 10=144 次；
滑动门开关一次，滑轮走11.2圈，一天滑动门有144次开关循环，那么滑轮一天走的总圈数为：144×5.6=806.4 圈；
滑轮每走一圈，就要受一次循环力，从而可以得到其受力频率：806.4÷（24×3600）=0.0093 Hz；
经过查资料，0.0093Hz这个频率对应的循环次数接近无穷大，说明载荷的频率很低，这里不用考虑。
（3）再次考虑压强对寿命的影响：经过分析，滑轮与轨道的接触为面接触，粗略估计其面积为：0.001.1×0.001.1=1.21×10-6m2
根据压强公示：P=F/S=196÷1.21×10-6=161×106=161MPa
经过查表可得161MPa对应的循环次数为0.24×106；根据每月的循环次数4032次，可得一年的循环次数：4032×12=48384 次
那么可得此压强下对应的滑轮寿命为：0.24×106÷48384=4.9 年