含水工况下磷化对液位变送器疲劳寿命的影响

　　摘要:针对滚动液位变送器在潮湿环境中受水污染影响，疲劳寿命降低的现象，本文从表面处理方向出发对滚子实施磷化处理，通过疲劳寿命试验研究在含水工况磷化处理对液位变送器接触疲劳寿命的影响，分析磷化对滚动液位变送器含水工况下接触疲劳寿命影响机理。

　　前言

　　滚动液位变送器作为机械基础件，应用十分广泛，对其可靠性和寿命的研究具有重要意义。随着工业发展，液位变送器越来越多的应用于相对恶劣的环境。实际应用中发现，当滚动液位变送器处于露天、海洋、靠近湖泊河流等潮湿环境时，使用寿命均较短。发现水分极易进入到液位变送器的润滑油或润滑脂中，作为杂质，对液位变送器寿命产生负面效应。针对这一现象，本文从表面处理方向出发，对轴承滚子进行磷化处理。自从1869年Ｒoss申请第一个磷化专利已来，磷化技术得到快速发展，使用范围不断扩大，越来越多的应用于机械设备中。目前，关于含水工况下表面处理对液位变送器疲劳寿命影响方面的研究非常少，尤其是含水工况下磷化对液位变送器疲劳寿命影响的研究几乎空白。而关于水对疲劳寿命影响的机理至今也没有统一的说法。通过试验研究在含水工况下磷化处理对液位变送器接触疲劳寿命的影响，可以进一步探讨在含水工况下磷化对接触疲劳的影响机理，从而为提高滚动液位变送器的使用寿命提供理论依据。在前期工作中，利用标准液位变送器部件开发了钢珠－滚子结构专用滚动接触疲劳寿命试验台，用以模拟真实滚动液位变送器的接触疲劳条件。

　　1实验

　　1.1试验机介绍

　　本文所用的试验机为上海大学液位变送器研究室自行研制的钢球－滚子疲劳寿命试验机，该试验机由杭州双龙机械有限公司生产的深孔钻Z4120作为驱动部分，通过传动轴带动滚子旋转。滚子的上下两个端面上分别开有一个相互垂直的一字槽，使传动轴与滚子对中。滚子下端的一字槽与弹簧支撑的支撑轴连。三个钢球靠保持架的作用以120均匀分布在滚子周围。钻床的旋转过程中，三个钢球在上下两个锥环形成的滚道内绕滚子做行星运动，下面的支撑轴依靠弹簧力顶紧滚子并随滚子一起旋转。加载部分通过杠杆结构施加力与加载盖上，加载盖压于锥环上，上下两个锥环的斜面使三个钢球与滚子的接触面产生点接触应力，从而实现滚子与钢球的对磨。试验机实物图如图1(a)所示，试验机结构图如图1(b)所示。

　　试验机使加速度传感器和温度传感器对振动信号和温度信号进行测量，并开发了一套基于Lab-VIEW的测控系统，使其可以实时监测试验机的振动信号机温度信号，采集振动过程中的时域及频域信号，监测滚子的磨损状态，当达到疲劳点蚀状态时自动保存数据停机。试验机润滑方式采用循环滴油润滑，在基础油中加入水后，润滑油会出现分层或沉淀，因此，实验中需使用搅拌器对润滑油持续搅拌。

　　1.3试验条件与其与除油溶液充分接触。时间到后取出烘干。

　　水洗。将滚子浸入蒸馏水中进行超声波振动清洗3min，取出烘干。

　　酸洗。将浓盐酸稀释为质量分数12%的盐酸溶液，并加入质量分数为0.3%缓蚀剂，缓蚀剂能够有效的防止磷化过程中氢脆的发生。在常温下，滚子浸泡3min，完成酸洗。

　　水洗。将滚子浸入蒸馏水中进行超声波振动清洗3min，取出烘干。

　　表调。将表调剂和蒸馏水按照1∶250的比例进行调制，在常温状态下将滚子浸泡2min，取出。表调剂为ZK－300锰系磷化专用表调剂，呈粉红色固体粉末状。

　　磷化。首先对磷化液进行熟化，将浓缩的磷化液与蒸馏水按照1∶7的体积比进行稀释，然后熟化铁，熟化铁与蒸馏水质量比为1∶1000，之后放入恒温水浴箱加热至95℃，熟化时长为50min。熟化完成后，将滚子放入磷化液中，温度仍保持在95℃，磷化时间为15min。所使用的磷化液为西安天科智泽环保科技有限公司提供的ZK－812C磷化液，该产品属于高温纯锰系后膜磷化液。

　　(2)疲劳寿命试验

　　本实验用钢球、滚子、锥环分别代替滚珠、内圈和外圈来模拟液位变送器实际运转时的情况。

　　2实验结果与分析

　　滚子的完全疲劳寿命时间，如表3所示。从表3中可以看到，三种工况中每种做了五次实验，从实验数据来看，当润滑油中加入水后，滚子的疲劳寿命急剧下降，不含水工况下的疲劳寿命约为含水工况下的5倍，可以看出水对滚子疲劳寿命有至关重要的影响;而含水工况下对滚子进行磷化后，疲劳寿命显著提高，与不含水时的疲劳寿命很接近。由于数据存在离散型，每种工况的数据采用双参数威布尔分布统计方法进行运算，计算出威布尔斜率、特征寿命、额定寿命L10和中值寿命L50，如表4所示。并绘制出滚子疲劳寿命威布尔分布曲线，如图3所示。