聚四氟乙烯復(fù)合保持架材料的試驗(yàn)對比分析

靳國棟，郭金芳，李建華

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

某型號主機(jī)用陀螺轉(zhuǎn)子軸承使用溫度變化為-196～+55 ℃，工作轉(zhuǎn)速n≥7 000 r/min，啟動(dòng)摩擦力矩要求不超過5×10-5N·m。在這樣特殊的高、低溫環(huán)境中，難以使用油或潤滑脂，必須采用固體潤滑方式。而常用的玻璃纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯自潤滑保持架材料，雖然強(qiáng)度高，但耐磨性差，高轉(zhuǎn)速下固體潤滑劑在鋼球與溝道間會產(chǎn)生堆積，造成陀螺轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間變短，軸承噪聲增大，無法滿足主機(jī)使用要求。因此，需針對該軸承工況，研制新型自潤滑保持架材料，以滿足主機(jī)的使用要求。

1 材料的篩選

針對軸承保持架在試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，以聚四氟乙烯(PTFE)為基體，以聚苯酯(PHB)和聚酰亞胺(PI)等為增強(qiáng)劑，制備出多種配方的軸承保持架復(fù)合材料，對各材料的力學(xué)性能、摩擦磨損性能及邵氏硬度等進(jìn)行了測試。由于該主機(jī)要求軸承具有低的摩擦力矩，所以材料的摩擦因數(shù)和磨損量成為考慮的主要因素；另外考慮到保持架的壁厚小于0.5 mm，軸承工作轉(zhuǎn)速較高，保持架的強(qiáng)度也是設(shè)計(jì)時(shí)考慮的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。因此根據(jù)表1所示測試結(jié)果，從中篩選出了2種軸承保持架材料A(PTFE+PI)和B(PTFE+PHB+5%～10%PI)。

從表1中可以看出，只添加聚酰亞胺的A材料與B材料相比，A材料的抗拉強(qiáng)度較低，密度和邵氏硬度相差無幾，但摩擦因數(shù)和磨損量相對B較小。而B材料是采取PHB，PI共同填充PTFE復(fù)合材料的配方，其抗拉強(qiáng)度較大。因此，對保持架材料進(jìn)行2種方案的軸承性能試驗(yàn)，旨在最終確定一種最佳的保持架材料[1]。

表1 材料性能測試

2 軸承性能試驗(yàn)與分析

采用材料A和B制成保持架，裝入71700軸承(以下簡稱A軸承和B軸承),分別進(jìn)行如下的軸承性能試驗(yàn)：(1)在專用跑合裝置上，按照主機(jī)要求的載荷(軸向載荷5 N)和轉(zhuǎn)速(7 000 r/min)進(jìn)行100 h常溫性能試驗(yàn)；(2)在主機(jī)上進(jìn)行300次的高低溫沖擊試驗(yàn)。

2.1 常溫下的性能試驗(yàn)

2.1.1 啟動(dòng)摩擦力矩

軸承按照主機(jī)要求的載荷和工作轉(zhuǎn)速進(jìn)行了常溫100 h的性能試驗(yàn)，軸承啟動(dòng)摩擦力矩隨跑合時(shí)間的變化曲線如圖1所示。

圖1 常溫下軸承啟動(dòng)摩擦力矩曲線

從圖1可以看出，2種軸承在常溫100 h的性能試驗(yàn)過程中，啟動(dòng)摩擦力矩的變化幅度基本一致，尤其在25～50 h時(shí)啟動(dòng)摩擦力矩相差很小，而此時(shí)間段正好是主機(jī)實(shí)際應(yīng)用的時(shí)段。

2.1.2 性能檢測

從軸承試驗(yàn)前、后的性能檢測結(jié)果(表2)可以看出，雖然軸承徑向游隙略有增加(1～2 μm)，但軸承旋轉(zhuǎn)精度基本不變。這表明軸承經(jīng)過100 h性能試驗(yàn)后,溝道表面只有正常的輕微磨損，但軸承精度并未喪失，其中B軸承精度還略有提高。

表2 試驗(yàn)前、后軸承性能測試結(jié)果 μm

2.1.3 電鏡掃描分析

從掃描電鏡照片(圖2)可以看出：A軸承內(nèi)圈溝道表面所形成的固體潤滑轉(zhuǎn)移膜粗糙且不太致密，將會使軸承摩擦力矩增大，導(dǎo)致主機(jī)振動(dòng)、噪聲加大，慣性時(shí)間變短；B軸承內(nèi)圈溝道表面所形成的固體潤滑轉(zhuǎn)移膜細(xì)膩、均勻且致密。

圖2 試驗(yàn)后軸承內(nèi)圈溝道表面形貌

2.2 主機(jī)試驗(yàn)

2.2.1 陀螺轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間的變化

軸承安裝在主機(jī)上按照要求的工作轉(zhuǎn)速進(jìn)行了300次溫度沖擊試驗(yàn)(-196～+55 ℃)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 裝有A軸承的陀螺轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間變化圖

圖4 裝有B軸承的陀螺轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間變化圖

從陀螺轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間隨溫度沖擊次數(shù)的變化曲線上可以看出：使用A軸承的陀螺轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間隨溫度沖擊次數(shù)的變化在初始調(diào)試值的下方波動(dòng)較大，慣性時(shí)間有緩慢變短的趨勢，說明軸承的摩擦力矩在逐步增大，若沖擊次數(shù)繼續(xù)增加，其結(jié)果可能就無法滿足主機(jī)使用要求；使用B軸承的陀螺轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間隨溫度沖擊次數(shù)的變化在初始調(diào)試值的上方波動(dòng)，波動(dòng)范圍較小，慣性時(shí)間在逐步增加，說明軸承的摩擦力矩在變小，符合軸承性能變化規(guī)律，滿足主機(jī)使用要求。

2.2.2 軸承性能測試

在摩擦力矩測試儀上測試試驗(yàn)前、后軸承啟動(dòng)摩擦力矩，正、反轉(zhuǎn)各測試10個(gè)點(diǎn)，取平均值；同時(shí)，測試徑向游隙、端面跳動(dòng)，測試結(jié)果見表3。由表中可看出：雖然軸承徑向游隙略有增加，但軸承仍然保持著良好的旋轉(zhuǎn)精度；A軸承試驗(yàn)后的啟動(dòng)摩擦力矩平均值比試驗(yàn)前增加較大，而B軸承試驗(yàn)后的啟動(dòng)摩擦力矩平均值比試驗(yàn)前有所減小。

表3 軸承主機(jī)試驗(yàn)前、后的檢測記錄

2.2.3 掃描電鏡分析

試驗(yàn)后，A，B軸承中鋼球與內(nèi)圈的微觀形貌如圖5～圖8所示。由圖可以看出，A軸承內(nèi)圈溝道表面所形成的固體潤滑膜粗糙且呈斑塊狀；B軸承內(nèi)圈溝道表面所形成的固體潤滑膜細(xì)膩、均勻。

圖5 A軸承鋼球

圖6 A軸承內(nèi)圈溝道

圖7 B軸承鋼球

由此可見，軸承隨主機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果同常溫下的性能試驗(yàn)結(jié)果一致。

3 結(jié)束語

針對某型號主機(jī)的使用工況，從多種保持架材料的性能測試結(jié)果中篩選出2種材料配方保持架，在常溫下進(jìn)行的100 h試驗(yàn)中，PTFE+PI和PTFE+PHB+(5%～10%)PI的性能無明顯差別；而在特殊的高低溫環(huán)境下經(jīng)過300次溫度沖擊試驗(yàn)后，PTFE+PHB+(5%～10%)PI材料保持架轉(zhuǎn)移到軸承的鋼球和溝道表面所形成的固體潤滑膜細(xì)膩、均勻，其軸承的精度和性能比試驗(yàn)前還有所提高，因此，該材料保持架更適應(yīng)于主機(jī)工況。