塑料保持架的性能及試驗分析

鄭志功，頓涌泉，李定語，錢海濱，史德卿

（1.國家軸承質量監督檢驗中心，河南 洛陽 471039；2.河南科技大學，河南 洛陽 471003；3.DSM工程塑料公司，上海 201203）

保持架是滾動軸承的重要零件之一，它的基本作用就是使滾動體保持分離，軸承在運轉過程中保持滾動體沿軸承周向均勻分布，并引導滾動體在正確的滾動軌跡上滾動。普通應用場合，以傳統的金屬沖壓保持架為主；而在高溫、高速、低噪聲及長壽命應用領域，則以實體保持架為主。

根據使用工況的不同，實體保持架中又有金屬保持架、酚醛樹脂保持架及塑料保持架。金屬實體保持架與酚醛樹脂保持架加工、裝配比較復雜。由于生產成本較高，適用于單件和小批量生產。塑料保持架的加工、裝配相對簡單。采用模具注塑一次成型，批量生產，成本較低，適用于大批量生產。隨著塑料材料技術的發展，塑料復合材料的性能得到很大的提高，塑料保持架的應用更加廣泛。尤其是一些國外的軸承企業，如SKF公司已將各類軸承的塑料保持架在一定尺寸范圍內選作標準保持架；NSK，FAG公司采用塑料保持架的軸承占其產量的30%左右。

1 塑料保持架的性能特點

1.1 保持架材料

塑料保持架主要材料成分為聚酰胺，又叫尼龍，簡稱PA，其有良好的綜合性能，包括力學性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學藥品性和自潤滑性，且摩擦系數低，有一定的阻燃性，易于加工。尼龍的品種繁多，常規的有PA6，PA46，PA66和PA1010等，隨著溫度的升高，其性能會發生一些改變，比如強度降低，熱膨脹變形，長時間使用易于老化等，這些缺點使常規塑料保持架的應用受到一定的限制。選擇合適的改性劑對塑料進行改性，使其向高沖擊強度、高性能、延長老化時間發展，是該領域研究的熱點。玻璃纖維（GF）是最通用的一種改性劑，廣泛應用于各種通用塑料的增強改性。在這些材料中加入一定量的玻璃纖維及抗老化劑，能夠增強材料改性，提高材料的強度和彈性，并擴大材料的應用范圍。通過改性玻璃纖維增強后的尼龍，保持了塑料原有的一些優點，同時耐磨性、力學性、耐熱性也顯著提高。目前，玻璃纖維增強尼龍66和尼龍46是使用在軸承保持架上比較成功的兩種材料，在低噪聲、高速應用場合玻璃纖維增強尼龍66是使用較多的一種保持架材料，玻璃纖維增強尼龍46因價格較高，使用相對較少。

1.2 塑料保持架的特點

用尼龍材料制成的保持架有很多特點。第一，重量輕，使得軸承的靈活性更好，如果用于電器或者功耗產品，對于節能有很大的作用；第二，噪聲低，是靜音軸承的首選，特別是現在對噪聲要求很嚴格的家電產品，它的應用可顯著提高家電的低噪聲性能；第三，能有效延長軸承的使用壽命，減少保持架與滾動體之間的摩擦；第四，具有耐磨、防磁和低摩擦等良好性能。

2 塑料保持架的對比試驗

為了進一步檢驗玻璃纖維增強后尼龍保持架的性能，采用兩種不同材料（PA66-GF25和PA46-GF30）的塑料保持架軸承進行對比試驗。以兩組雙列角接觸球軸承3207DDU為例，該軸承的外形尺寸d×D×B＝35 mm×72 mm×27 mm，基本額定動載荷Cr＝33.5 kN，軸承兩側為接觸式密封結構。參照JB／T50013-2000《滾動軸承 壽命及可靠性試驗規程》及該軸承的結構參數，制定試驗條件。根據軸承在高速下運轉時，保持架會受到較大的沖擊和磨損，在高溫下長時間運轉易于老化的特點，對該軸承進行高速試驗和高溫試驗，以檢驗保持架的耐磨損性和抗高溫老化性。

（1）高速試驗：試驗轉速n＝5 000 r／min，徑向載荷Fr＝3.35 kN，當量動載荷P＝0.1Cr，試驗時間200 h。

（2）高溫試驗：試驗轉速n＝3 700 r／min，徑向載荷Fr＝8.38 kN，當量動載荷P＝0.25Cr，試驗時間200 h，軸承外圈溫度≥120℃。

2.1 試驗軸承安裝

試驗采用B30-60型軸承試驗機。裝機容量為一次4套／臺，軸承的安裝如圖1所示。

圖1 試驗軸承安裝圖

圖中A，B，C，D4個工位分別安裝4套試驗軸承，其中A，B兩工位安裝軸承保持架的材料為PA46-GF30，C，D兩工位軸承保持架的材料為PA66-GF25。通過試驗裝置對軸承施加一定的徑向載荷，驅動主軸一端對軸承進行試驗。試驗裝置中，主軸公差采用m6，與軸承內圈是過盈配合；殼體公差采用H7，與軸承外圈是間隙配合。在兩端殼體中分別植入加熱棒，以加熱軸承至所需溫度。試驗過程中監測軸承外圈的溫度及噪聲，每間隔2 h記錄一次軸承溫度。

2.2 試驗

在第1階段200 h高速試驗過程中，A，D兩工位軸承外圈的溫度為90℃左右，B，C兩工位軸承外圈的溫度為150℃左右。由于試驗機機體的密閉性，使中間兩套軸承在高速狀態下，軸承外圈溫度比兩端溫度高出很多。軸承在高速運轉過程中沒有出現異常聲，說明軸承沒有發生損壞或出現旋轉不靈活現象。這兩種材料的保持架均能夠滿足軸承高速狀態下平穩運行的要求。

在第2階段200 h高溫試驗過程中，對兩端軸承加熱，A，D工位軸承外圈的溫度保持在120℃左右，B，C兩工位軸承外圈溫度保持在150～160℃。軸承在高溫試驗中沒有出現異常聲，說明軸承保持架沒有損壞，這兩種材料的保持架均具有一定的耐高溫性能。

在高速、高溫兩個階段的試驗完成后，軸承運轉正常，說明兩種不同材料保持架均保持了較高的使用性能。為了進一步考核這兩種材料保持架的耐久性及耐高溫的能力，前兩階段試驗結束后，提高軸承運轉的環境溫度繼續試驗，A，B，C，D4個工位軸承外圈的溫度控制在180～190℃。軸承又連續運轉400 h以上，監測到C，D兩工位軸承出現異常聲，這可能是保持架老化或斷裂，使性能發生改變而影響軸承的正常運轉。在同等高溫條件下繼續試驗，每套軸承共進行了1 185 h的試驗，運轉噪聲并沒有發生明顯的增大現象，隨后停止試驗。

2.3 試驗結果

試驗結束，拆下軸承檢查。其中A，B兩工位軸承外觀完好，無失效。C，D兩工位軸承的保持架出現了多處斷裂痕跡，已完全失效。

分解軸承，檢查各零部件的情況，4套軸承的套圈、鋼球均未出現疲勞剝落現象。也就是說試驗過程中產生的異常聲，不是因套圈或鋼球失效所致。把保持架從軸承中拆下，A，B兩工位保持架外觀完好，并且還保持了一定的韌性（圖2和圖3）；C，D兩工位保持架發生了脆性斷裂，形成多個斷裂塊，而且材料已明顯老化（圖4，圖5）。

圖2 工位A保持架外觀（PA46-GF30）

圖3 工位B保持架外觀 （PA46-GF30）

圖4 工位C保持架外觀（PA66-GF25）

圖5 工位D保持架外觀（PA66-GF25）

清洗保持架，測量兜孔外邊緣的尺寸，檢查保持架的磨損情況，測量結果見表1。PA66-GF25保持架比PA46-GF30保持架磨損嚴重。

表1 保持架兜孔邊緣尺寸 mm

3 結果分析

從試驗過程中監測到的軸承外圈溫度來看，A，D兩工位軸承保持架工作條件相同，B，C兩工位軸承保持架工作條件相同。B，C兩工位軸承保持架在高速試驗時，軸承外圈溫度為150℃。

在高溫試驗階段外圈溫度為150～160℃，在追加的高溫試驗階段，外圈溫度為180～190℃，保持架一直處于高溫狀態。試驗結束原材料為PA46-GF30的保持架沒有發生斷裂，原材料為PA66-GF25的保持架完全斷裂，并且C工位與D工位相比，斷裂更為嚴重。這是由于兩種原材料高溫抗老化性能不同所致，PA46-GF30與PA66-GF25相比，其抗老化溫度更高，時間更長。

軸承在高速運轉過程中，保持架所受的應力主要來自摩擦力、慣性力和沖擊力。在高溫的環境下，還受到潤滑劑及其老化生成物等化學物質的侵蝕。這些侵蝕物質附著在保持架與鋼球之間加劇了摩擦、磨損與發熱，致使保持架磨損嚴重，影響了軸承的正常運轉。試驗后保持架兜孔邊緣平均尺寸PA66-GF25比PA46-GF30小很多，一方面是保持架磨損產生的，說明材料的耐磨性方面PA66-GF25沒有PA46-GF30好；另一方面是由于在高溫下模型收縮率PA66-GF25比PA46-GF30大，保持架發生了一定的老化收縮變形。

4 結束語

通過試驗可以看出，4套軸承在第1階段高速試驗中均未出現異常情況。第2階段高溫（150℃）試驗中軸承也未出現異常情況。說明在一定的高速、高溫條件下，兩種不同材料的塑料保持架均保持了較好的性能，使軸承能夠正常靈活運轉。在第3階段進一步升高環境溫度（軸承外圈溫度達180～190℃）的條件下，長時間運行C，D兩工位軸承的保持架（材料為PA66-GF25）出現了明顯的磨損與老化現象；A，B兩工位軸承的保持架（材料為PA46-GF30）相對較好，表明PA46-GF30材料的耐高溫及抗老化性能更好。