塑料在滾動軸承中的應(yīng)用
2009-04-07 作者：蘇州富事達塑業(yè) 包建成 丁?？?br />
滾動軸承是機械傳動中不可缺少的重要零件，它對于提高傳動效率，降低能耗起著不可替代的作用。 在現(xiàn)代滾動軸承技術(shù)發(fā)展過程中，為提高軸承的承載能力，對其進行優(yōu)化設(shè)計，采用新材料新技術(shù)。塑料，特別是工程塑料以及特種工程塑料已日益顯示出它們在軸承行業(yè)所具有的優(yōu)越性和重要性。
塑料比重小，耐磨損、耐腐蝕、耐輻射、韌性好，能抗震、能嵌埋固體異物，并能根據(jù)設(shè)計和使用要求進行有針對性的改性以提高其相應(yīng)的性能，加工方便，可直接注塑成型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)計的靈活性和自由度，這一切為塑料在滾動軸承中的應(yīng)用提供了技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性。
塑料在滾動軸承中的應(yīng)用概況
自1930年以熱固性樹脂制成的軸承首次面市以來，在軸承領(lǐng)域里各種聚合物和以聚合物為主的各種混合物的應(yīng)用不斷增加，應(yīng)用范圍也不斷擴大。
塑料在軸承保持架上獲得應(yīng)用
第二次世界大戰(zhàn)后，瑞典SKF軸承公司用PA66成功制作了“0”類軸承塑料保持架；上世紀(jì)70代美國鐵姆肯軸承公司對汽車前輪主軸圓錐軸承采用PA66保持架進行了系統(tǒng)的試驗和研究，行車試驗16萬公里以上，尼龍保持架良好無損，證明了其性能壽命優(yōu)于鋼保持架。
應(yīng)用塑料保持架Z為突出的是德國。SKF公司在上世紀(jì)80年代，己有70%圓柱滾子軸承和80%的新一代圓柱滾子軸承都采用了塑料保持架；FAG軸承公司在它為每輛汽車提供的50多套軸承中絕大多數(shù)采用了塑料保持架，“E”型對稱球面滾子軸承(D≤320mm)100%采用PA66/GF保持架，滾子加長數(shù)量增多，從而使軸承承載能力提高了7%-37%，使用溫度為-60-+120℃。SKF公司在有高速、高溫，化學(xué)侵蝕要求的場合，已廣泛使用PEEK/GF。
為了滿足汽車領(lǐng)域極為苛刻的應(yīng)用需要，SKF的工程師在深槽滾珠軸承的設(shè)計中開始轉(zhuǎn)而使用VICTREX PEEK等高性能聚合材料
保持架是滾動軸承中的重要零件。它不但要受到摩擦力、張力和慣性力等機械應(yīng)力的作用，而且還要受某些潤滑劑、潤滑添加劑或其老化產(chǎn)物、有機溶劑或冷卻劑產(chǎn)生的化學(xué)作用，它們的影響程度還可能受到諸如高溫、沖擊、振動、輻射等因素及其因素組合的影響。
保持架材料的性能和運行的可靠性是保證軸承正常工作的關(guān)鍵之一。高分子材料保持架能實現(xiàn)強度和彈性的完美結(jié)合，它在潤滑的鋼材表面有良好的滑動性能，極低的摩擦力，從而使軸承的磨損和發(fā)熱保持在Z低的水平。低密度材料的慣性低，即使在缺乏潤滑劑的條件下，塑料保持架也仍具有優(yōu)良的運行性能，因此軸承即使是連續(xù)工作也不會有卡死和二次損傷的風(fēng)險。
塑料保持架可在相同外形尺寸和截面條件下容納數(shù)量更多、尺寸更大的滾動體，從而提高軸承的承載能力，另外在存貯潤滑劑改善潤滑條件、減少振動、自調(diào)適應(yīng)性和節(jié)約材料、提高生產(chǎn)效率方面都具有明顯的優(yōu)越性。目前塑料保持架主要用材是玻璃纖維增強尼龍66， 玻璃纖維含量25%-30%。隨著工程塑料改性技術(shù)的發(fā)展和新材料的出現(xiàn)，將會進一步擴大塑料在軸承保持架中的應(yīng)用。
塑料在滾動軸承中應(yīng)用的進一步拓展
塑料在軸承保持架的廣泛應(yīng)用，己突顯了塑料在滾動軸承中應(yīng)用的優(yōu)越性。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，塑料新材料的成功開發(fā)及應(yīng)用范圍的延伸，為塑料在滾動軸承中的應(yīng)用進一步拓展了空間。
1)、軸承保持架用塑料己從PA66/GF，逐漸開始使用PTFE、PTFE/GF、PEI、PVDF、PEEK/GF、PEEK/CF、PPS、PI、UHMWPE等材料，以適應(yīng)不同的工況要求。如PTFE、PVDF主要用于有耐腐蝕要求的工況條件；UHMWPE有較好的強度、低的摩擦性以及低溫應(yīng)用特性(Z低可至-150℃)，PEEK/GF或CF主要用于耐高溫、耐輻射、低摩擦等工況條件。
2)、內(nèi)、外圈已出現(xiàn)用塑料制造。種類較多，用途各異。
例如：內(nèi)、外圈用POM或PA， 保持架采用PA66/GF (wt25%)，滾動體為玻璃、不銹鋼或陶瓷(主要是氧化鋯ZrO2、氮化硅Si3N4、碳化硅SiC)。此種軸承在堿性環(huán)境下表現(xiàn)良好，但不適用酸性腐蝕環(huán)境下運行。
內(nèi)、外圈用HDPE、PP或UHMWPE， 保持架采用HDPE、PP或UHMWPE的軸承，可用于相對較弱酸堿交變環(huán)境(通過30%CuCL2溶液和30%NaOH溶液測試)，可適用于大多數(shù)酸/堿/鹽/溶劑/油/氣體及海水腐蝕環(huán)境。
內(nèi)、外圈采用PEEK/CF、PEEK/GF、PI、PPS等材料也有使用。以POM或PEEK為內(nèi)、外圈， 保持架為PA66或PA66/GF或PEEK的塑料軸承，其精度和公差比一般的塑料軸承提高很多，可適用于精密機械、特殊工況和轉(zhuǎn)速要求較高的場合。
3)、目前滾動體材料基本上是使用不銹鋼為主，陶瓷、玻璃的滾動體也有采用。近年來已出現(xiàn)了用PEEK、PI制造的滾動體。
軸承主要原料為SiC
塑料的發(fā)展，為其在軸承中的應(yīng)用提供了有力技術(shù)支撐
在國外，塑料軸承發(fā)展很快，應(yīng)用范圍也較廣泛，這首先得益于塑料的發(fā)展。據(jù)報道，美國TIMKEN軸承公司研發(fā)了一種先進的軸承材料，這是繼NSK軸承公司開發(fā)塑料軸承材料和SKF軸承公司研發(fā)高性能的汽車塑料軸承保持架之后又一個新發(fā)展。日本精工在2005年通過優(yōu)化PA原材料分子量、GF直徑以及與GF的混合比例等，將材料的剛性和拉伸強度分別比以前應(yīng)用的材料提高了70%和45%，從而提高了材料的承載能力和抗蠕變性能，這對于提高軸承的性能提供了有力的技術(shù)支撐。
在國內(nèi)，原材料的生產(chǎn)尤其是軸承專用塑料品種的研發(fā)和生產(chǎn)起步較晚，與國外有較大的差距。我國的工程塑料及特種工程塑料不少品種還主要依靠進口，有的所謂“戰(zhàn)略物資”國外對我國仍實行封鎖，這在一定程度上制約了我國塑料軸承的發(fā)展。
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塑料的不少性能特點與金屬相比使其在軸承中獲得了廣泛的應(yīng)用，但塑料一些固有的特性也使其在軸承中應(yīng)用時不得不要給予充分的考慮。如強度相對較低、硬度較差，熱膨脹系數(shù)比金屬大得多，導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)熱性差，熱變形溫度低，有的塑料耐酸堿性能相對較差，還有高溫蠕變等問題，有的塑料耐油性差等，下面就有關(guān)一些問題提出我們的看法。
配合精度
在GB和ISO標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了軸承的精度等級，除普通精度P0級外，還有P6、P5、P4級，精度依次提高，這一標(biāo)準(zhǔn)只適用于鋼軸承和陶瓷軸承而不適用于塑料軸承。塑料軸承的精度與上兩類軸承相比相對較低。
游隙值的設(shè)定和控制是決定軸承精度非常重要的指標(biāo)。滾動軸承運轉(zhuǎn)中的內(nèi)部游隙值的大小，對其疲勞壽命、振動噪音、溫升等軸承性能影響很大。所謂游隙值是指軸承內(nèi)圈（或外圈）一方固定，將另一方的套圈上下或左右方向移動的移動量。對鋼軸承和陶瓷軸承的游隙值國家有相關(guān)規(guī)定。但對內(nèi)，外圈或內(nèi)、外圈滾動體全部是塑料制造的，該規(guī)定不適用，這可能是因為塑料的熱性能較差，使游隙值較大而且難以控制的原因。
同樣，使用塑料軸承時其徑向配合間隙比金屬軸承要大。例如對碳纖維填充的PTFE而言，通常取軸承內(nèi)徑間隙為(0.006-0.015)D，D為軸徑(mm)。一般情況下，總徑向間隙不得小于0.1mm(當(dāng)D<10mm時，其間隙值可小于0.1mm)，這樣可避免軸承因材料膨脹而抱死。
熱膨脹系數(shù)的大小與制品精度密切相關(guān)。一般熱膨脹系數(shù)的降低會使材料的成型收縮率減少、制品精度提高，因此為減少塑料軸承的游隙值，提高配合精度，必須使材料的熱膨脹系數(shù)降低。另外需注意的是對纖維增強塑料而言，由于纖維在流動方向的取向，使流動方向上的熱膨脹系數(shù)要大于垂直方向，產(chǎn)生各向異性，使制品撓曲，尺寸穩(wěn)定性變差。
相對運動的零件要有較高的剛性和一定的硬度差
金屬軸承其內(nèi)、外圈與滾動體， 滾動體與保持架的材質(zhì)之間均有一定的硬度差。這對塑料軸承來說，也有同樣的要求。
塑料的硬度與剛性密切關(guān)聯(lián)。凡能提高材料剛性的措施都有提高硬度的效果。
塑料與不同材料配合時會產(chǎn)生不同類型的磨損。當(dāng)嚙合材料為金屬時，與較硬金屬（如鋼）配合時磨損較小，而與較軟金屬（如黃銅、鋁合金等）配合時磨損較大。如金屬表面不平則會產(chǎn)生“剝蝕磨損”；如金屬表面很光滑，則會產(chǎn)生“粘著磨損”。當(dāng)嚙合材料為異種樹脂時，粘著磨損一般會較大，其程度視品種而異，如PBT、PA與POM親合性差，不易產(chǎn)生粘著磨損，而ABS、PP與POM則易產(chǎn)生粘著磨損。當(dāng)嚙合材料為同種樹脂時，其摩擦磨損特性要比與金屬或異種樹脂配合時要差得多，粘著磨損要大得多，這一方面是因硬度差不夠，另一方面是因為樹脂的耐熱性較差，導(dǎo)熱性比金屬低，尤其是在高壓下滾動，滑動面產(chǎn)生異常高溫而出現(xiàn)蠕變，硬度下降，大大促進了粘著，同時很容易發(fā)出刺耳噪音甚至抱死。
同類材料之間沒有足夠的硬度差，易導(dǎo)致相對運動時有較大的摩擦，產(chǎn)生的大量摩擦熱積蓄在摩擦面上，而使樹脂軟化甚至熔融，使摩擦阻力進一步擴大；而樹脂與金屬之間存在有硬度差，同時摩擦系數(shù)較小，金屬易于導(dǎo)熱，使積蓄在摩擦面上的熱量耗散而減少，從而使樹脂軟化或熔融要發(fā)生在更高的載荷或更快速度之下。
在金屬軸承中，滾動體的硬度一般比內(nèi)外圈高，這對于減少摩擦磨損，提高軸承使用壽命和承載能力是有利的。目前在塑料軸承中，滾動體很少采用塑料，剛性或硬度差不夠也許是一個重要的原因。
降低摩擦磨損問題
通常對高分子材料的摩擦磨損特性用摩擦系數(shù)、比磨耗率、臨界PV值和噪音等指標(biāo)來評價。
在塑料中一般POM、PA66、UHMWPE、PTFE、PEEK等材料的耐磨性較好，但作為摩擦付使用時，其摩擦系數(shù)仍較高， 比磨耗率較大， 臨界PV值也較低，甚至?xí)l(fā)生刺耳噪音。
一般材料的摩擦系數(shù)小，自潤滑性也好。具備自潤滑性的條件是分子間的凝聚力要小，分子結(jié)構(gòu)中原子呈對稱排列。另外潤滑性能與潤滑條件有關(guān)。
從耐磨耗性來看，UHMWPE、PA、POM、PTFE等樹脂均優(yōu)于碳鋼和黃銅。
為降低樹脂的摩擦系數(shù)和磨耗量，除選用摩擦系數(shù)小的樹脂，改善潤滑條件外，還可以通過在樹脂中填充耐磨填料，如PTFE、UHMWPE、石墨、MoS2、潤滑油、青銅粉等以及用GF、CF等纖維增強一系列改性措施。
PV值的問題
PV值是表示相對運動零件之間壓力與速度關(guān)系的一個很重要的指標(biāo)。臨界PV值是塑料及有關(guān)覆蓋層滑動軸承的干摩擦和油潤滑時壓力(載荷)或速度的極限，它決定了材料的耐磨性，是對產(chǎn)品的壽命或產(chǎn)品使用溫度的限制，此值與摩擦功率損耗成正比，它表征了軸承的發(fā)熱因素。限制PV值的目的就是限制溫升，防止軸承溫升過高而出現(xiàn)膠合破壞。
PV值的大小與樹脂的基體的性能、摩擦對象、潤滑條件與工作溫度等有關(guān)。例如POM相互配合時的臨界PV值為0.04-0.09MPa.m/s，通過自潤滑改性后， 臨界PV值可達0.196MPa.m/s; 而POM與45#鋼配合時， 臨界PV值可高達0.392-0.588MPa•m/s。PTFE基納米復(fù)合材料的PV值可達1.42-1.49MPa.m/s，使用溫度可達230℃。不同的樹脂在同一速度時，不同的溫度下PV值不同；同一種樹脂，在不同的溫度下PV值也不同。
PEEK特別是CF增強級別，在200℃下，V=183m/min時其PV值可達60MPa•m/min，而且摩擦系數(shù)小、 磨損率低，因此它在軸承中的應(yīng)用前景很明顯。GF和CF增強PEEK的熱變形溫度可達315℃，長期使用溫度可達250-260℃；在各種壓力、速度、溫度和原始粗糙程度條件下都表現(xiàn)出良好的耐磨性、自潤滑性，它適用于對摩擦系數(shù)要低，耐磨耗要求嚴(yán)格的工況。
PEEK的耐γ射線輻照性、耐化學(xué)剝離性，耐疲勞性是所有樹脂中Z好的。它可在超過250℃的蒸汽或高壓水中使用數(shù)百小時而性能不會有很大的變化。PEEK在宇航，航空以及特殊工況下使用的塑料軸承提供了極大的材料優(yōu)勢。
PA66/GF一般使用溫度不超過120℃，對某些侵蝕性強的介質(zhì)如壓縮機中作為制冷劑使用的氨，它就不能在70℃以上的工作溫度下使用。SKF公司在保持架中普遍使用PEEK/GF，以滿足對高速，化學(xué)侵蝕或高溫而嚴(yán)格要求的交流電機或變壓器等應(yīng)用埸所。
總之，應(yīng)根據(jù)臨界PV值、樹脂的溫升發(fā)熱情況，使用的工況條件來合理選擇軸承所用的塑料品種。
做好節(jié)能減排
即使在金屬結(jié)構(gòu)的軸承中采用了塑料保持架，為進一步減少摩擦，仍然要使用潤滑劑，而且一旦內(nèi)部的潤滑劑用完，其壽命便宣告結(jié)束。對軸承壽命而言，Z關(guān)鍵的是起動階段，在初始運行階段，由于潤滑膜尚未形成，軸承往往處于干態(tài)運行，如軸承從運行一開始就有潤滑，這就能解決潤滑膜滯后形成的問題。
美國igus系列塑料軸承無需添加潤滑劑，實現(xiàn)了環(huán)?；?，其聚合物軸承內(nèi)部的固體潤滑劑還可以減輕軸承質(zhì)量，同時減少燃料和潤滑劑的消耗量，減少二氧化碳的排放量。
從這方面來看，用于制造軸承零件的聚合物應(yīng)進行必要的改性，以解決潤滑膜滯后形成的問題，達到盡量少用甚至不用工業(yè)潤滑劑，實現(xiàn)節(jié)能減排。
結(jié)論
塑料因其所具備的特性，通過適當(dāng)而必要的改性后，能夠而且已經(jīng)在軸承中獲得了應(yīng)用。
塑料在軸承內(nèi)、外圈中的應(yīng)用得到了穩(wěn)步發(fā)展；對其在滾動體上的應(yīng)用應(yīng)根據(jù)具體情況慎重對待。
要根據(jù)臨界PV值，摩擦磨耗特性以及各種塑料特性，合理選用應(yīng)用埸合。目前PEEK/CF(或GF)的性能Z為突出。
塑料在軸承上應(yīng)用時，要注意技術(shù)可行性、經(jīng)濟可行性和環(huán)保性的協(xié)調(diào)。