聚醚醚酮在擒縱機構中的應用及其計算分析與試驗研究

摘 要：擒縱機構應用在軍工產品中時，需經歷苛刻的環境試驗，其中，力學試驗往往造成在擒縱機構工作面磨損從而導致輪系卡滯。為了解決擒縱機構在經歷力學試驗后的磨損問題，文章提出將傳統擒縱輪金屬材料改為一種工程塑料-PEEK聚醚醚酮，通過計算分析及多次試驗證明，該材料在擒縱機構上的應用，在不影響其它功能性能的條件下，很大程度上降低了力學試驗后工作面的磨損情況，解決了因擒縱機構工作面磨損引起的輪系卡滯問題。

關鍵詞：擒縱機構；擒縱輪材料；PEEK聚醚醚酮

在鐘表機構中，擒縱機構的作用是：把振動系統的振動次數傳遞給裝置，以達到計量時間的目的。根據所采用的振動系統的特點，擒縱機構分為兩大類：有固有振動擒縱調速機構和無固有振動擒縱調速機構。其中無固有擒縱調速機構結構簡單，能夠在外界動力較大的使用條件下較為可靠地工作，抗外界干擾能力強、耐振、抗沖擊，周期較短，一般在0.005～0.05秒范圍內。因此，在要求工作時段較短或使用時受到較大動力作用的計時儀器中常被采用。

根據擒縱輪的機械性能和工藝性能的要求，一般選用不銹鋼制造。在產品進行力學試驗（振動試驗、沖擊試驗）時，擒縱輪與平衡擺銷會產生撞擊，降低了工作表面質量，增加了平衡擺的運動阻力。由于機構加速度小，作用在擒縱輪片的驅動力約為0.4克，驅動力矩約為3.9×10-5N·mm。當阻力達到或超過驅動力80%時，會影響擒縱輪的正常運轉，造成卡死現象。

擒縱調速機構在進行力學試驗（振動試驗、沖擊試驗）后，不銹鋼材料的擒縱輪表面質量下降，摩擦力增大，增加了平衡擺的阻力矩，易造成卡滯現象。文章提出將擒縱輪的材料改為一種具有耐高溫、自潤滑、易加工和高機械強度等優異性能的特種工程塑料-PEEK聚醚醚酮。計算分析和試驗驗證結果表明，材料的更改在未對其它功能性能造成影響的條件下，減小了擒縱調速機構振動試驗后的摩擦阻力，提高了機構的工作可靠性。

顯微鏡下觀察不銹鋼材料和聚醚醚酮材料的擒縱輪工作面在力學實驗前后的表面質量對比見圖1。由圖可見，不銹鋼材料的擒縱輪，經歷力學試驗后，工作面的表面質量產生了非常明顯的變化（出現小凹坑及多余物）；聚醚醚酮材料工作表面質量無明顯變化（只有些小附著物）

1 聚醚醚酮（PEEK）材料特性

聚醚醚酮是一種具有耐高溫、自潤滑、易加工和高機械強度等優異性能的特種工程塑料，具有如下幾項顯著特征：

（1）溫度適應性好：輕載荷條件下溫度范圍-40℃～260℃。

（2） 韌性、剛性好：韌性和剛性兼備并取得平衡的塑料，可與合金材料媲美。

（3）具有自潤滑性：在所有塑料中具有出眾的滑動特性，適合于嚴格要求低摩擦系數和耐摩耗用途使用。

（4）耐化學藥品性好：具有優異的耐化學藥品性，在通常的化學藥品中，能溶解或者破壞它的只有濃硫酸，它的耐腐蝕性與鎳鋼相近。

（5）耐疲勞性強：在所有樹脂中具有最好的耐疲勞性。

（6）耐水解性良：不受水和高壓水蒸氣的化學影響。

（7）耐磨性優：具有相當于聚酰亞胺的良好耐磨性，與合金鋼材質對磨的磨耗量為2.7×10-4克。

2 計算分析

聚醚醚酮（PEEK）是一種很好的工程塑料結構材料，使用溫度-40℃～+250℃；線膨脹系數α=47·10-6/℃、彈性模量E=3600MPa、拉伸強度σb=97MPa；邵氏硬度90。

已知：高溫+55℃、低溫-30℃；聚醚醚酮線膨脹系數α1=47·10-6/℃；配合材料的金屬線膨脹系數α2=12·10-6/℃；正常裝配溫度+20℃。

計算結果證明：聚醚醚酮材料的擒縱輪的高低溫環境要求下，產生的熱變形不影響機構可靠性。

計算分析證明：聚醚醚酮材料在高低溫環境下產生的內應力和熱變形不影響機擒縱構的功能性能可靠性。

3 試驗驗證

3.1 力學試驗

更改擒縱輪的材料為聚醚醚酮后，裝配20臺聚醚醚酮材料的擒縱輪的試驗樣機進行力學試驗。試驗后常溫測試樣機各項指標正常，輪系未發現卡滯現象。測試結果表明，聚醚醚酮材料的擒縱輪經受力學試驗后不影響擒縱機構的功能性能。

3.2 其它各項試驗驗證

經歷10次試驗條件為+80℃保溫2h～-70℃保溫2h的高低溫循環后，常溫測試樣機各項指標正常。

在經歷3次試驗條件為+95℃保溫20h的濕熱試驗后，常溫測試樣機各項指標正常。測試結果表明，聚醚醚酮材料的擒縱輪經受濕熱試驗后不影響擒縱機構的功能性能。

樣機在100℃沸水中放置1h，然后快速放入自來水中冷卻0.5h進行溫度沖擊試驗。室溫放置晾干后進行常溫測試，樣機各項功能性能指標正常。

樣機放入密封的塑料袋中，放在太陽光暴曬的空調室外機上進行的擱置試驗，15天后進行室內常溫測試，各項功能性能指標正常。

各項試驗證明，試驗結果表明的擒縱輪材料改變為聚醚醚酮材料，有效降低了延時機構振動試驗后的摩擦阻力，提高了延時機構的工作可靠性。

結論：根據計算分析和試驗驗證結果，擒縱輪從不銹鋼換為聚醚醚酮材料后，提高了力學試驗后擒縱機構運動靈活性，且不影響擒縱機構功能性能。解決了經受力學試驗后因擒縱機構工作面磨損導致的輪系卡滯。

參考文獻

[1]田景志.銷式平衡擺機構的力學分析[Z].輕工業鐘表研究所.

[2]北京飛色塑料有限公司.聚醚醚酮的應用及研究[Z].

作者簡介：楊陽（1986，03-），女，漢族，籍貫：陜西省西安市長安區，工作單位：輕工業鐘表研究所，學歷：本科，職稱：助工，研究方向：精密計時儀器。

馬彪，工作單位：西安慶安電氣控制有限責任公司。

徐翼然，輕工業鐘表研究所。