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當前位置： 首頁 資訊中心 技術支持 技術文章 塑料在滾動軸承中的應用

塑料在滾動軸承中的應用

2014-12-10 瀏覽量 1635

滾動軸承[軸承:軸承（“Bearing”，日本人稱“軸受”）是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數的部件。也可以說，當其它機件在軸上彼此產生相對運動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數和保持軸中心位置固定的機件。]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。

在現代滾動軸承[軸承:軸承（“Bearing”，日本人稱“軸受”）是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數的部件。也可以說，當其它機件在軸上彼此產生相對運動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數和保持軸中心位置固定的機件。]技術發展過程中，為提高軸承[軸承:軸承（“Bearing”，日本人稱“軸受”）是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數的部件。也可以說，當其它機件在軸上彼此產生相對運動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數和保持軸中心位置固定的機件。]的承載能力，對其進行優化設計，采用新材料新技術。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所具有的優越性和重要性。

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，并能根據設計和使用要求進行有針對性的改性以提高其相應的性能，加工方便，可直接注塑成型復雜的結構，提高了設計的靈活性和自由度，這一切為塑料在滾動軸承中的應用提供了技術和經濟上的可行性。

塑料在滾動軸承中的應用概況

自1930年以熱固性樹脂制成的軸承首次面市以來，在軸承領域里各種聚合物和以聚合物為主的各種混合物的應用不斷增加，應用范圍也不斷擴大。

塑料在軸承保持架上獲得應用

第二次世界大戰后，瑞典SKF軸承[SKF軸承:SKF的全稱是“Svenska Kullager-Fabriken”中文音譯名稱為“斯凱孚”；SKF集團總部設立于瑞典哥特堡，是軸承科技與制造的領導者。SKF軸承根據具體結構不同和工作性質異同可以分為滑動SKF軸承和滾動SKF軸承]公司用PA66成功制作了“0”類軸承塑料保持架；上世紀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于鋼保持架。

應用塑料保持架最為突出的是德國。SKF公司在上世紀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，化學侵蝕要求的場合，已廣泛使用PEEK/GF。

為了滿足汽車領域極為苛刻的應用需要，SKF的工程師在深槽滾珠軸承的設計中開始轉而使用VICTREX?PEEK等高性能聚合材料

我國應用塑料保持架起步于上世紀60年代中期。上世紀80年代，在國外各類軸承結構的塑料保持架都在興起并廣泛應用的影響下，國內也有不少單位慎重開展了塑料保持架的研究開發和應用工作，并在軍品軸承和一些專用軸承中獲得較好的應用。另外在電機軸承、軋機軸承、冷凍機軸承、直線運動軸承、重大型軸承等方面，塑料保持架也逐步得到應用。

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力的作用，而且還要受某些潤滑劑、潤滑添加劑或其老化產物、有機溶劑或冷卻劑產生的化學作用，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鍵之一。高分子材料保持架能實現強度和彈性的完美結合，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熱保持在最低的水平。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良的運行性能，因此軸承即使是連續工作也不會有卡死和二次損傷的風險。

塑料保持架可在相同外形尺寸和截面條件下容納數量更多、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、自調適應性和節約材料、提高生產效率方面都具有明顯的優越性。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的發展和新材料的出現，將會進一步擴大塑料在軸承保持架中的應用。

塑料在滾動軸承中應用的進一步拓展

塑料在軸承保持架的廣泛應用，己突顯了塑料在滾動軸承中應用的優越性。隨著現代科技的發展，塑料新材料的成功開發及應用范圍的延伸，為塑料在滾動軸承中的應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用特性(最低可至-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、外圈已出現用塑料制造。種類較多，用途各異。

例如：內、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)。此種軸承在堿性環境下表現良好，但不適用酸性腐蝕環境下運行。

內、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境(通過30％CuCL2溶液和30％NaOH溶液測試)，可適用于大多數酸/堿/鹽/溶劑/油/氣體及海水腐蝕環境。

內、外圈采用PEEK/CF、PEEK/GF、PI、PPS等材料也有使用。以POM或PEEK為內、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。近年來已出現了用PEEK、PI制造的滾動體。

軸承主要原料為SiC

4)、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。近年來已出現了用PEEK、PI制造的滾動體。

塑料的發展，為其在軸承中的應用提供了有力技術支撐

在國外，塑料軸承發展很快，應用范圍也較廣泛，這首先得益于塑料的發展。據報道，美國TIMKEN軸承公司研發了一種先進的軸承材料，這是繼NSK軸承公司開發塑料軸承材料和SKF軸承[SKF軸承:SKF的全稱是“Svenska Kullager-Fabriken”中文音譯名稱為“斯凱孚”；SKF集團總部設立于瑞典哥特堡，是軸承科技與制造的領導者。SKF軸承根據具體結構不同和工作性質異同可以分為滑動SKF軸承和滾動SKF軸承]公司研發高性能的汽車塑料軸承保持架之后又一個新發展。日本精工在2005年通過優化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支撐。

在國內，原材料的生產尤其是軸承專用塑料品種的研發和生產起步較晚，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展。

塑料在軸承中應用需注意的問題

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用，但塑料一些固有的特性也使其在軸承中應用時不得不要給予充分的考慮。如強度相對較低、硬度較差，熱膨脹系數比金屬大得多，導熱系數低，導熱性差，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，下面就有關一些問題提出我們的看法。

配合精度

在GB和ISO標準中規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，這一標準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。

游隙值的設定和控制是決定軸承精度非常重要的指標。滾動軸承運轉中的內部游隙值的大小，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規定。但對內，外圈或內、外圈滾動體全部是塑料制造的，該規定不適用，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。

熱膨脹系數的大小與制品精度密切相關。一般熱膨脹系數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要大于垂直方向，產生各向異性，使制品撓曲，尺寸穩定性變差。

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、外圈與滾動體，?滾動體與保持架的材質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聯。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生不同類型的磨損。當嚙合材料為金屬時，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生“剝蝕磨損”；如金屬表面很光滑，則會產生“粘著磨損”。當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，不易產生粘著磨損，而ABS、PP與POM則易產生粘著磨損。當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，導熱性比金屬低，尤其是在高壓下滾動，滑動面產生異常高溫而出現蠕變，硬度下降，大大促進了粘著，同時很容易發出刺耳噪音甚至抱死。

同類材料之間沒有足夠的硬度差，易導致相對運動時有較大的摩擦，產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，同時摩擦系數較小，金屬易于導熱，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、比磨耗率、臨界PV值和噪音等指標來評價。

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，其摩擦系數仍較高，?比磨耗率較大，?臨界PV值也較低，甚至會發生刺耳噪音。

一般材料的摩擦系數小，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，分子結構中原子呈對稱排列。另外潤滑性能與潤滑條件有關。

從耐磨耗性來看，UHMWPE、PA、POM、PTFE等樹脂均優于碳鋼和黃銅。

為降低樹脂的摩擦系數和磨耗量，除選用摩擦系數小的樹脂，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系的一個很重要的指標。臨界PV值是塑料及有關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，是對產品的壽命或產品使用溫度的限制，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。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，而且摩擦系數小、?磨損率低，因此它在軸承中的應用前景很明顯。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出良好的耐磨性、自潤滑性，它適用于對摩擦系數要低，耐磨耗要求嚴格的工況。

PEEK的耐γ射線輻照性、耐化學剝離性，耐疲勞性是所有樹脂中最好的。它可在超過250℃的蒸汽或高壓水中使用數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勢。

PA66/GF一般使用溫度不超過120℃，對某些侵蝕性強的介質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，化學侵蝕或高溫而嚴格要求的交流電機或變壓器等應用埸所。

總之，應根據臨界PV值、樹脂的溫升發熱情況，使用的工況條件來合理選擇軸承所用的塑料品種。

做好節能減排

? ? ? 即使在金屬結構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，而且一旦內部的潤滑劑用完，其壽命便宣告結束。對軸承壽命而言，最關鍵的是起動階段，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，實現了環?；?，其聚合物軸承內部的固體潤滑劑還可以減輕軸承質量，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潤滑劑，實現節能減排。

結論

塑料因其所具備的特性，通過適當而必要的改性后，能夠而且已經在軸承中獲得了應用。塑料在軸承內、外圈中的應用得到了穩步發展；對其在滾動體上的應用應根據具體情況慎重對待。要根據臨界PV值，摩擦磨耗特性以及各種塑料特性，合理選用應用埸合。目前PEEK/CF(或GF)的性能最為突出。 塑料在軸承上應用時，要注意技術可行性、經濟可行性和環保性的協調。
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