PTFE紡織復合材料自潤滑關節軸承

2016年08月19日

PTFE紡織復合材料自潤滑關節軸承

1.引言

自潤滑關節軸承具有無須定期換油、承載能力高、熱傳導性能好,不吸水、結構緊湊、重量輕、耐沖擊、自潤滑使用及安全可靠性強、壽命長等優點,近年來被廣泛應用于航空航天、國防工業,以及汽車、化工、食品機械等方面。PTFE紡織復合材料自潤滑關節軸承是利用PTFE作為潤滑劑的關節軸承,目前國內使用的該種軸承主要依靠從俄羅斯進口。根據PTFE的實際使用要求,自行設計了PTFE紡織復合材料自潤滑關節軸承,各項試驗結果表明其能夠滿足使用要求。

工作原理

自潤滑關節軸承是關節軸承的一種,在軸承外圈內球面粘貼一層自潤滑墊層,用墊層滑動表面對內圈外球面的滑動摩擦來代替對鋼表面的滑動摩擦。PTFE紡織復合材料自潤滑關節軸承, 是利用PTFE作為潤滑劑,軸承內球表面與襯墊相對運動時,襯墊中的PTFE就會在沒有潤滑膜的地方形成潤滑膜。在一定的壓力和運動下,磨損的PTFE使金屬和襯墊表面光滑,摩擦系數降低。當摩擦系數足夠低時,PTFE就不再從襯墊上剪切下來,也就沒有PTFE的沉積,軸承進一步使用,襯墊中PTFE又繼續脫落,這時摩擦系數會升高,PTFE會再從襯墊上機械剪切下來。

3.設計

3.1軸承設計

軸承的設計需要根據不同使用要求選用不同材料:A)外圈選擇要考慮耐蝕性(鹽霧、濕熱)、強度、可塑性(對擠壓工藝適應性)和耐沖擊等要求。選用硬化沉淀不銹鋼17-4PH或奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9TiB)內圈材料要有可加工性,與PTFE襯墊對偶材料的耐磨性,內圈外球面與襯墊形成對偶摩擦副,該摩擦副決定了軸承的各項性能和壽命。選用9Cr18,硬度在HRC5560C)在航天、航空、汽車、火車等場合,該類軸承受高振動、沖擊負荷及高頻交變負荷都會使PTFE固體潤滑材料疲勞、破裂。因此對襯墊材料重點要求靜負荷與動負荷容量高,允許滑動速度高、磨損率低、摩擦系數小而且穩定、導熱性好、尺寸公差小、吸水率低、抗腐蝕能力強、耐污染、生產成本低。選用聚四氟乙烯織物(PTFE fabric)。它是聚四氟乙烯纖維與其它纖維交織而成的雙層織物,靜負荷容量最高,承載量可達300N/mm2

3.2 PTFE fabric織物與樹脂基的體系設計

PTFE復合材料由增強相和基體復合而成,并可形成界面或界面相。通過分析對比,選用PTFE+Nomex(芳綸纖維)增強相主要起承載作用。

基體相用熱固性酚醛樹脂,主要起連接支撐和保護作用。界面的主要作用是傳遞載荷。這樣的紡織復合材料具有高的比強度、比模量以及高的疲勞壽命和損傷容限,并可在高溫(163℃)、低溫(-25℃)高壓和高腐蝕等嚴酷條件下工作。

4關鍵工藝

4.1 軸承內環殘余應力控制

9Cr18不銹鋼是老鋼種,以前在做沖擊試驗時經常發生斷裂,通過金相顯微鏡Mef317671電子探針顯微分析儀JCXA-733 1423分析,材料無明顯缺陷,主要是由于殘余應力分布不均引起的。在車削后,采用真空熱處理600℃和800℃等溫處理,經冰冷處理,調高了補充回火溫度,同時延長了時間可以消除車削殘余應力。磨加工從砂輪、磨削液、工藝參數三方面解決了磨削殘余應力分布。

4.2 粘接工藝

根據工藝要求,在襯墊與外圈粘接中,必須經過二次固化處理。通過對二次固化處理中的溫度、時間的控制,提高了處理質量,保證后續擠壓工藝能順利進行。

為了保證粘接質量的高可靠性,關節軸承外圈粘接表面均進行噴砂處理。在進行表面噴砂處理中,注意了砂粒的材質、砂粒的大小和噴砂時間的長短、流速等因素,提高了粘接強度。采用了特殊的表面清潔技術,提高了聚四氟乙烯編織纖維襯墊的表面清潔處理效果,改善了粘接完善性等技術指標。

4.3擠壓工藝

在關節軸承擠壓工藝中,擠壓質量的好壞,首先取決于擠壓模具的設計研制。根據各種規格軸承的不同要求,高質量高效率地設計制造出了與之相配套的擠壓模具。并根據“0Cr17Ni4Cu4Nb”牌號的沉淀硬化不銹鋼彈性模量大,原有1Cr18Ni9Ti擠壓工藝參數不適用的情況,重新設計了擠壓工藝參數,經各種徑、軸向極限載荷試驗和各類擺動磨損試驗的考核,證明新的設計能夠滿足技術指標要求。

5. 性能分析

5.1 結構強度

5.1.1徑向極限靜載荷試驗

軸承按圖1所示裝置安裝,首先按其規定徑向極限載荷的4%6%施加預加載荷,保持3分鐘,將測量指示表調整為零。然后以每秒1%的速率逐步加載,達到極限負荷,保持2分鐘,總變形量小于0.25mm。以相同的速率逐步減載直至預加載荷值,所產生的永久變形量小于0.076mm

再用同樣的方法加載直至達到其徑向極限負荷值的1.5倍,套圈未被破壞。其結果如表1所示。

5.1.2 軸向極限靜載荷試驗

軸承安裝方法如圖所示,加載方向為軸向,其余試驗方法、程序與徑向加載試驗相同,試驗后永久變形量小于0.127mm

再用同樣的方法加載直至達到其軸向極限負荷值的1.5倍,內圈未被擠出。其結果如表2所示

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 徑向極限靜載荷試驗

序號

預加載荷

極限載荷

總變形量(mm)

永久變形量(mm)

允許值

實測值

允許值

實測值

01-07-02

11kN

217kN

0.25

0.23

0.076

0.01

01-07-25

11kN

219kN

0.25

0.242

0.076

0.013

ЩН25ЮТ()

11kN

217kN

0.25

0.316

0.076

0.081

ЩН25ЮТ()

11kN

217kN

0.25

0.405

0.076

0.20

2 軸向極限靜載荷試驗

序號

預加載荷

極限載荷

總變形量

(mm)

永久變形量(mm)

允許值

實測值

01-07-22

1.5kN

29kN

0.23

0.127

0.04

01-07-24

1.5kN

29kN

0.16

0.127

0.019

ЩН25ЮТ()

1.5kN

29kN

0.42

0.127

0.24

上述結果表明新研軸承:

1)徑向、軸向極限靜載荷試驗均達到標準,也達到了1.5倍的安全可靠性標準。

2)永久變形量和總變形量優于俄制軸承。

5.2各種工作條件下抗磨損性能

磨損決定無潤滑軸承的使用壽命,磨損率取決于材料的機械性能和摩擦特性,并隨載荷和速度的增加而加大。對軸承在各種工作條件下的摩擦性能進行了試驗,原理如圖3所示,安裝如圖4所示,結果如圖5~7、表3~4所示。

 

 
 

 

 

                  4

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

5新研軸承常溫試驗磨損曲線                新研軸承高溫試驗磨損曲線

7 新研軸承低溫試驗磨損曲線

3 低溫摩擦磨損試驗結果

試件情況

試驗狀態

載荷

(N)

磨損量

(mm)

允許的磨損量mm

次數

()

擺角°

試驗現象

新研軸承

低溫試驗

92.63

0.2023

0.2032

25000

±25

未見異常

俄φ25

低溫試驗

92.63

 

1156

墊層磨漏

 

 

4 試液浸泡后摩擦磨損試驗結果

試件情況

試驗狀態

載荷kN

磨損量

(mm)

允許磨損量mm

試驗現象

新研軸承

RP-3航空煤油浸泡試驗

92.63

0.0279

0.15

未見異常

新研軸承

10號液壓油浸泡試驗

0.0532

未見異常

新研軸承

4109滑油浸泡試驗

0.0504

未見異常

試驗結果表明新研關節軸承各種溫度條件下磨損量很小,且隨著循環次數的增加其磨損量變化也很小。在低溫狀態下俄羅斯軸承在1156次擺動后墊層磨漏,新研軸承未見異常,新研軸承抗低溫摩擦性能比俄羅斯軸承好。新研軸承的多種液體浸泡后磨損量符合要求,證明襯墊的基體樹脂和粘結劑符合要求,沒發生襯墊脫落、磨損量大、越抱越緊以至“咬死”等現象。

5.3 襯墊剝離強度試驗及粘接牢靠性檢查

通過襯墊剝離強度試驗檢查墊層的粘接工藝是否符合標準要求。

按圖8進行剝離試驗,平均剝離強度超過了0.357N/mm,并對已剝離的試件進行了粘結牢靠性檢查,符合要求。留在金屬上的膠粘劑沒有外圈寬度的25%6.35mm(取其小者)的外接圓直徑未粘接區域存在。

6 結論

PTFE紡織復合材料自潤滑關節軸承在各項性能上滿足了SEA-B-81820的指標。在徑向靜極限載荷軸向靜極限載荷,負載下的擺動磨損性能指標均優于俄制軸承,達到了國際先進水平。

參考文獻:[1]陶肖明,冼杏娟,《紡織結構復合材料》,科技出版社,2001.

[2]董元,張廷森,《現代表面工程技術》,機械工業出版社,20018.

[3]王善元,張汝光,《纖維增強復合材料》,東華大學出版社,19985.

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[6] 任敬心,康仁科,史興寬,《難加工材料的磨削》,國防工業出版社,19992.

[7][]S·馬爾金《磨削技術理論與應用》,東北大學出版社,20028.

[8][]T·曼格,W·德雷澤爾,《潤滑劑與潤滑》,化學工業出版社,200111.

 

 

來源:麗水市中興軸承有限公司
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