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塑料在滚动轴承中的应用

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-07-07

塑料在轴承中应用需注意的问题　　塑料的不少性能特点与金属相比使其在轴承中获得了广泛的应用，但塑料一些固有的特性也使其在轴承中应用时不得不要给予充分的考虑。如强度相对较低、硬度较差，热膨胀系数比金属大得多，导热系数低，导热性差，热变形温度低，有的塑料耐酸碱性能相对较差，还有高温蠕变等问题，有的塑料耐油性差等，下面就有关一些问题提出我们的看法。　　配合精度　　在GB和ISO标准中规定了轴承的精度等级，除普通精度P0级外，还有P6、P5、P4级，精度依次提高，这一标准只适用于钢轴承和陶瓷轴承而不适用于塑料轴承。塑料轴承的精度与上两类轴承相比相对较低。 　　游隙值的设定和控制是决定轴承精度非常重要的指标。滚动轴承运转中的内部游隙值的大小，对其疲劳寿命、振动噪音、温升等轴承性能影响很大。所谓游隙值是指轴承内圈（或外圈）一方固定，将另一方的套圈上下或左右方向移动的移动量。对钢轴承和陶瓷轴承的游隙值国家有相关规定。但对内，外圈或内、外圈滚动体全部是塑料制造的，该规定不适用，这可能是因为塑料的热性能较差，使游隙值较大而且难以控制的原因。 　　同样，使用塑料轴承时其径向配合间隙比金属轴承要大。例如对碳纤维填充的PTFE而言，通常取轴承内径间隙为(0.006-0.015)D，D为轴径(mm)。一般情况下，总径向间隙不得小于0.1mm(当D<10mm时，其间隙值可小于0.1mm)，这样可避免轴承因材料膨胀而抱死。 　　热膨胀系数的大小与制品精度密切相关。一般热膨胀系数的降低会使材料的成型收缩率减少、制品精度提高，因此为减少塑料轴承的游隙值，提高配合精度，必须使材料的热膨胀系数降低。另外需注意的是对纤维增强塑料而言，由于纤维在流动方向的取向，使流动方向上的热膨胀系数要大于垂直方向，产生各向异性，使制品挠曲，尺寸稳定性变差。　　相对运动的零件要有较高的刚性和一定的硬度差　　金属轴承其内、外圈与滚动体， 滚动体与保持架的材质之间均有一定的硬度差。这对塑料轴承来说，也有同样的要求。 　　塑料的硬度与刚性密切关联。凡能提高材料刚性的措施都有提高硬度的效果。 　　塑料与不同材料配合时会产生不同类型的磨损。当啮合材料为金属时，与较硬金属（如钢）配合时磨损较小，而与较软金属（如黄铜、铝合金等）配合时磨损较大。如金属表面不平则会产生“剥蚀磨损”；如金属表面很光滑，则会产生“粘着磨损”。当啮合材料为异种树脂时，粘着磨损一般会较大，其程度视品种而异，如PBT、PA与POM亲合性差，不易产生粘着磨损，而ABS、PP与POM则易产生粘着磨损。当啮合材料为同种树脂时，其摩擦磨损特性要比与金属或异种树脂配合时要差得多，粘着磨损要大得多，这一方面是因硬度差不够，另一方面是因为树脂的耐热性较差，导热性比金属低，尤其是在高压下滚动，滑动面产生异常高温而出现蠕变，硬度下降，大大促进了粘着，同时很容易发出刺耳噪音甚至抱死。　　同类材料之间没有足够的硬度差，易导致相对运动时有较大的摩擦，产生的大量摩擦热积蓄在摩擦面上，而使树脂软化甚至熔融，使摩擦阻力进一步扩大；而树脂与金属之间存在有硬度差，同时摩擦系数较小，金属易于导热，使积蓄在摩擦面上的热量耗散而减少，从而使树脂软化或熔融要发生在更高的载荷或更快速度之下。 　　在金属轴承中，滚动体的硬度一般比内外圈高，这对于减少摩擦磨损，提高轴承使用寿命和承载能力是有利的。目前在塑料轴承中，滚动体很少采用塑料，刚性或硬度差不够也许是一个重要的原因。 　　降低摩擦磨损问题　　通常对高分子材料的摩擦磨损特性用摩擦系数、比磨耗率、临界PV值和噪音等指标来评价。　　在塑料中一般POM、PA66、UHMWPE、PTFE、PEEK等材料的耐磨性较好，但作为摩擦付使用时，其摩擦系数仍较高， 比磨耗率较大， 临界PV值也较低，甚至会发生刺耳噪音。　　一般材料的摩擦系数小，自润滑性也好。具备自润滑性的条件是分子间的凝聚力要小，分子结构中原子呈对称排列。另外润滑性能与润滑条件有关。 　　从耐磨耗性来看，UHMWPE、PA、POM、PTFE等树脂均优于碳钢和黄铜。 　　为降低树脂的摩擦系数和磨耗量，除选用摩擦系数小的树脂，改善润滑条件外，还可以通过在树脂中填充耐磨填料，如PTFE、UHMWPE、石墨、MoS2、润滑油、青铜粉等以及用GF、CF等纤维增强一系列改性措施。 　　PV值的问题　　PV值是表示相对运动零件之间压力与速度关系的一个很重要的指标。临界PV值是塑料及有关覆盖层滑动轴承的干摩擦和油润滑时压力(载荷)或速度的极限，它决定了材料的耐磨性，是对产品的寿命或产品使用温度的限制，此值与摩擦功率损耗成正比，它表征了轴承的发热因素。限制PV值的目的就是限制温升，防止轴承温升过高而出现胶合破坏。　　PV值的大小与树脂的基体的性能、摩擦对象、润滑条件与工作温度等有关。例如POM相互配合时的临界PV值为0.04-0.09MPa.m/s，通过自润滑改性后， 临界PV值可达0.196MPa.m/s; 而POM与45#钢配合时， 临界PV值可高达0.392-0.588MPa•m/s。PTFE基纳米复合材料的PV值可达1.42-1.49MPa.m/s，使用温度可达230℃。不同的树脂在同一速度时，不同的温度下PV值不同；同一种树脂，在不同的温度下PV值也不同。 　　PEEK特别是CF增强级别，在200℃下，V=183m/min时其PV值可达60MPa•m/min，而且摩擦系数小、 磨损率低，因此它在轴承中的应用前景很明显。GF和CF增强PEEK的热变形温度可达315℃，长期使用温度可达250-260℃；在各种压力、速度、温度和原始粗糙程度条件下都表现出良好的耐磨性、自润滑性，它适用于对摩擦系数要低，耐磨耗要求严格的工况。 　　PEEK的耐γ射线辐照性、耐化学剥离性，耐疲劳性是所有树脂中最好的。它可在超过250℃的蒸汽或高压水中使用数百小时而性能不会有很大的变化。PEEK在宇航，航空以及特殊工况下使用的塑料轴承提供了极大的材料优势。 　　PA66/GF一般使用温度不超过120℃，对某些侵蚀性强的介质如压缩机中作为制冷剂使用的氨，它就不能在70℃以上的工作温度下使用。SKF公司在保持架中普遍使用PEEK/GF，以满足对高速，化学侵蚀或高温而严格要求的交流电机或变压器等应用埸所。 　　总之，应根据临界PV值、树脂的温升发热情况，使用的工况条件来合理选择轴承所用的塑料品种。 　　塑料因其所具备的特性，通过适当而必要的改性后，能够而且已经在轴承中获得了应用。
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