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塑料在滚动轴承中的应用 |
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作者：苏州富事达塑业 包建成 丁常楷 |
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滚动轴承是机械传动中不可缺少的重要零件，它对于提高传动效率，降低能耗起着不可替代的作用。
在现代滚动轴承技术发展过程中，为提高轴承的承载能力，对其进行优化设计，采用新材料新技术。塑料，特别是工程塑料以及特种工程塑料已日益显示出它们在轴承行业所具有的优越性和重要性。
塑料比重小，耐磨损、耐腐蚀、耐辐射、韧性好，能抗震、能嵌埋固体异物，并能根据设计和使用要求进行有针对性的改性以提高其相应的性能，加工方便，可直接注塑成型复杂的结构，提高了设计的灵活性和自由度，这一切为塑料在滚动轴承中的应用提供了技术和经济上的可行性。
塑料在滚动轴承中的应用概况
自1930年以热固性树脂制成的轴承首次面市以来，在轴承领域里各种聚合物和以聚合物为主的各种混合物的应用不断增加，应用范围也不断扩大。
塑料在轴承保持架上获得应用
第二次世界大战后，瑞典SKF轴承公司用PA66成功制作了“0”类轴承塑料保持架；上世纪70代美国铁姆肯轴承公司对汽车前轮主轴圆锥轴承采用PA66保持架进行了系统的试验和研究，行车试验16万公里以上，尼龙保持架良好无损，证明了其性能寿命优于钢保持架。
应用塑料保持架最为突出的是德国。SKF公司在上世纪80年代，己有70%圆柱滚子轴承和80%的新一代圆柱滚子轴承都采用了塑料保持架；FAG轴承公司在它为每辆汽车提供的50多套轴承中绝大多数采用了塑料保持架，“E”型对称球面滚子轴承(D≤320mm)100%采用PA66/GF保持架，滚子加长数量增多，从而使轴承承载能力提高了7%-37%，使用温度为-60-+120℃。SKF公司在有高速、高温，化学侵蚀要求的场合，已广泛使用PEEK/GF。 
为了满足汽车领域极为苛刻的应用需要，SKF的工程师在深槽滚珠轴承的设计中
开始转而使用VICTREX PEEK等高性能聚合
材料
我国应用塑料保持架起步于上世纪60年代中期。上世纪80年代，在国外各类轴承结构的塑料保持架都在兴起并广泛应用的影响下，国内也有不少单位慎重开展了塑料保持架的研究开发和应用工作，并在军品轴承和一些专用轴承中获得较好的应用。另外在电机轴承、轧机轴承、冷冻机轴承、直线运动轴承、重大型轴承等方面，塑料保持架也逐步得到应用。
保持架是滚动轴承中的重要零件。它不但要受到摩擦力、张力和惯性力等机械应力的作用，而且还要受某些润滑剂、润滑添加剂或其老化产物、有机溶剂或冷却剂产生的化学作用，它们的影响程度还可能受到诸如高温、冲击、振动、辐射等因素及其因素组合的影响。
保持架材料的性能和运行的可靠性是保证轴承正常工作的关键之一。高分子材料保持架能实现强度和弹性的完美结合，它在润滑的钢材表面有良好的滑动性能，极低的摩擦力，从而使轴承的磨损和发热保持在最低的水平。低密度材料的惯性低，即使在缺乏润滑剂的条件下，塑料保持架也仍具有优良的运行性能，因此轴承即使是连续工作也不会有卡死和二次损伤的风险。
塑料保持架可在相同外形尺寸和截面条件下容纳数量更多、尺寸更大的滚动体，从而提高轴承的承载能力，另外在存贮润滑剂改善润滑条件、减少振动、自调适应性和节约材料、提高生产效率方面都具有明显的优越性。目前塑料保持架主要用材是玻璃纤维增强尼龙66， 玻璃纤维含量25%-30%。随着工程塑料改性技术的发展和新材料的出现，将会进一步扩大塑料在轴承保持架中的应用。
塑料在滚动轴承中应用的进一步拓展
塑料在轴承保持架的广泛应用，己突显了塑料在滚动轴承中应用的优越性。随着现代科技的发展，塑料新材料的成功开发及应用范围的延伸，为塑料在滚动轴承中的应用进一步拓展了空间。
1)、轴承保持架用塑料己从PA66/GF，逐渐开始使用PTFE、PTFE/GF、PEI、PVDF、PEEK/GF、PEEK/CF、PPS、PI、UHMWPE等材料，以适应不同的工况要求。如PTFE、PVDF主要用于有耐腐蚀要求的工况条件；UHMWPE有较好的强度、低的摩擦性以及低温应用特性(最低可至-150℃)，PEEK/GF或CF主要用于耐高温、耐辐射、低摩擦等工况条件。
2)、内、外圈已出现用塑料制造。种类较多，用途各异。
例如：内、外圈用POM或PA， 保持架采用PA66/GF (wt25%)，滚动体为玻璃、不锈钢或陶瓷(主要是氧化锆ZrO2、氮化硅Si3N4、碳化硅SiC)。此种轴承在碱性环境下表现良好，但不适用酸性腐蚀环境下运行。
内、外圈用HDPE、PP或UHMWPE， 保持架采用HDPE、PP或UHMWPE的轴承，可用于相对较弱酸碱交变环境(通过30%CuCL2溶液和30%NaOH溶液测试)，可适用于大多数酸/碱/盐/溶剂/油/气体及海水腐蚀环境。
内、外圈采用PEEK/CF、PEEK/GF、PI、PPS等材料也有使用。以POM或PEEK为内、外圈， 保持架为PA66或PA66/GF或PEEK的塑料轴承，其精度和公差比一般的塑料轴承提高很多，可适用于精密机械、特殊工况和转速要求较高的场合。
3)、目前滚动体材料基本上是使用不锈钢为主，陶瓷、玻璃的滚动体也有采用。近年来已出现了用PEEK、PI制造的滚动体。 
轴承主要原料为Si3N4
轴承主要原料为ZrO2
轴承主要原料为SiC
3)、目前滚动体材料基本上是使用不锈钢为主，陶瓷、玻璃的滚动体也有采用。近年来已出现了用PEEK、PI制造的滚动体。
塑料的发展，为其在轴承中的应用提供了有力技术支撑
在国外，塑料轴承发展很快，应用范围也较广泛，这首先得益于塑料的发展。据报道，美国TIMKEN轴承公司研发了一种先进的轴承材料，这是继NSK轴承公司开发塑料轴承材料和SKF轴承公司研发高性能的汽车塑料轴承保持架之后又一个新发展。日本精工在2005年通过优化PA原材料分子量、GF直径以及与GF的混合比例等，将材料的刚性和拉伸强度分别比以前应用的材料提高了70%和45%，从而提高了材料的承载能力和抗蠕变性能，这对于提高轴承的性能提供了有力的技术支撑。
在国内，原材料的生产尤其是轴承专用塑料品种的研发和生产起步较晚，与国外有较大的差距。我国的工程塑料及特种工程塑料不少品种还主要依靠进口，有的所谓“战略物资”国外对我国仍实行封锁，这在一定程度上制约了我国塑料轴承的发展。
HDPE塑料轴承
PEEK/PI塑料轴承
PTFE/PVDF塑料轴承
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。
做好节能减排
即使在金属结构的轴承中采用了塑料保持架，为进一步减少摩擦，仍然要使用润滑剂，而且一旦内部的润滑剂用完，其寿命便宣告结束。对轴承寿命而言，最关键的是起动阶段，在初始运行阶段，由于润滑膜尚未形成，轴承往往处于干态运行，如轴承从运行一开始就有润滑，这就能解决润滑膜滞后形成的问题。
美国igus系列塑料轴承无需添加润滑剂，实现了环保化，其聚合物轴承内部的固体润滑剂还可以减轻轴承质量，同时减少燃料和润滑剂的消耗量，减少二氧化碳的排放量。
从这方面来看，用于制造轴承零件的聚合物应进行必要的改性，以解决润滑膜滞后形成的问题，达到尽量少用甚至不用工业润滑剂，实现节能减排。
结论
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。
塑料在轴承内、外圈中的应用得到了稳步发展；对其在滚动体上的应用应根据具体情况慎重对待。
要根据临界PV值，摩擦磨耗特性以及各种塑料特性，合理选用应用埸合。目前PEEK/CF(或GF)的性能最为突出。
塑料在轴承上应用时，要注意技术可行性、经济可行性和环保性的协调。 (end)
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(2/18/2009) |
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