聚四氟乙烯復合保持架材料的試驗對比分析

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)

某型號主機用陀螺轉子軸承使用溫度變化為-196～+55 ℃，工作轉速n≥7 000 r/min，啟動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聚四氟乙烯自潤滑保持架材料，雖然強度高，但耐磨性差，高轉速下固體潤滑劑在鋼球與溝道間會產(chǎn)生堆積，造成陀螺轉子慣性時間變短，軸承噪聲增大，無法滿足主機使用要求。因此，需針對該軸承工況，研制新型自潤滑保持架材料，以滿足主機的使用要求。

1 材料的篩選

針對軸承保持架在試驗中出現(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)等為增強劑，制備出多種配方的軸承保持架復合材料，對各材料的力學性能、摩擦磨損性能及邵氏硬度等進行了測試。由于該主機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，軸承工作轉速較高，保持架的強度也是設計時考慮的關鍵技術指標之一。因此根據(jù)表1所示測試結果，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復合材料的配方，其抗拉強度較大。因此，對保持架材料進行2種方案的軸承性能試驗，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),分別進行如下的軸承性能試驗：(1)在專用跑合裝置上，按照主機要求的載荷(軸向載荷5 N)和轉速(7 000 r/min)進行100 h常溫性能試驗；(2)在主機上進行300次的高低溫沖擊試驗。

2.1 常溫下的性能試驗

2.1.1 啟動摩擦力矩

軸承按照主機要求的載荷和工作轉速進行了常溫100 h的性能試驗，軸承啟動摩擦力矩隨跑合時間的變化曲線如圖1所示。

圖1 常溫下軸承啟動摩擦力矩曲線

從圖1可以看出，2種軸承在常溫100 h的性能試驗過程中，啟動摩擦力矩的變化幅度基本一致，尤其在25～50 h時啟動摩擦力矩相差很小，而此時間段正好是主機實際應用的時段。

2.1.2 性能檢測

從軸承試驗前、后的性能檢測結果(表2)可以看出，雖然軸承徑向游隙略有增加(1～2 μm)，但軸承旋轉精度基本不變。這表明軸承經(jīng)過100 h性能試驗后,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 試驗前、后軸承性能測試結果 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移膜粗糙且不太致密，將會使軸承摩擦力矩增大，導致主機振動、噪聲加大，慣性時間變短；B軸承內(nèi)圈溝道表面所形成的固體潤滑轉移膜細膩、均勻且致密。

圖2 試驗后軸承內(nèi)圈溝道表面形貌

2.2 主機試驗

2.2.1 陀螺轉子慣性時間的變化

軸承安裝在主機上按照要求的工作轉速進行了300次溫度沖擊試驗(-196～+55 ℃)，試驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 裝有A軸承的陀螺轉子慣性時間變化圖

圖4 裝有B軸承的陀螺轉子慣性時間變化圖

從陀螺轉子慣性時間隨溫度沖擊次數(shù)的變化曲線上可以看出：使用A軸承的陀螺轉子慣性時間隨溫度沖擊次數(shù)的變化在初始調(diào)試值的下方波動較大，慣性時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，其結果可能就無法滿足主機使用要求；使用B軸承的陀螺轉子慣性時間隨溫度沖擊次數(shù)的變化在初始調(diào)試值的上方波動，波動范圍較小，慣性時間在逐步增加，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前、后軸承啟動摩擦力矩，正、反轉各測試10個點，取平均值；同時，測試徑向游隙、端面跳動，測試結果見表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精度；A軸承試驗后的啟動摩擦力矩平均值比試驗前增加較大，而B軸承試驗后的啟動摩擦力矩平均值比試驗前有所減小。

表3 軸承主機試驗前、后的檢測記錄

2.2.3 掃描電鏡分析

試驗后，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，軸承隨主機試驗的結果同常溫下的性能試驗結果一致。

3 結束語

針對某型號主機的使用工況，從多種保持架材料的性能測試結果中篩選出2種材料配方保持架，在常溫下進行的100 h試驗中，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次溫度沖擊試驗后，PTFE+PHB+(5%～10%)PI材料保持架轉移到軸承的鋼球和溝道表面所形成的固體潤滑膜細膩、均勻，其軸承的精度和性能比試驗前還有所提高，因此，該材料保持架更適應于主機工況。