塑料保持架的性能及试验分析

郑志功，顿涌泉，李定语，钱海滨，史德卿

（1.国家轴承质量监督检验中心，河南 洛阳 471039；2.河南科技大学，河南 洛阳 471003；3.DSM工程塑料公司，上海 201203）

保持架是滚动轴承的重要零件之一，它的基本作用就是使滚动体保持分离，轴承在运转过程中保持滚动体沿轴承周向均匀分布，并引导滚动体在正确的滚动轨迹上滚动。普通应用场合，以传统的金属冲压保持架为主；而在高温、高速、低噪声及长寿命应用领域，则以实体保持架为主。

根据使用工况的不同，实体保持架中又有金属保持架、酚醛树脂保持架及塑料保持架。金属实体保持架与酚醛树脂保持架加工、装配比较复杂。由于生产成本较高，适用于单件和小批量生产。塑料保持架的加工、装配相对简单。采用模具注塑一次成型，批量生产，成本较低，适用于大批量生产。随着塑料材料技术的发展，塑料复合材料的性能得到很大的提高，塑料保持架的应用更加广泛。尤其是一些国外的轴承企业，如SKF公司已将各类轴承的塑料保持架在一定尺寸范围内选作标准保持架；NSK，FAG公司采用塑料保持架的轴承占其产量的30%左右。

1 塑料保持架的性能特点

1.1 保持架材料

塑料保持架主要材料成分为聚酰胺，又叫尼龙，简称PA，其有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性，易于加工。尼龙的品种繁多，常规的有PA6，PA46，PA66和PA1010等，随着温度的升高，其性能会发生一些改变，比如强度降低，热膨胀变形，长时间使用易于老化等，这些缺点使常规塑料保持架的应用受到一定的限制。选择合适的改性剂对塑料进行改性，使其向高冲击强度、高性能、延长老化时间发展，是该领域研究的热点。玻璃纤维（GF）是最通用的一种改性剂，广泛应用于各种通用塑料的增强改性。在这些材料中加入一定量的玻璃纤维及抗老化剂，能够增强材料改性，提高材料的强度和弹性，并扩大材料的应用范围。通过改性玻璃纤维增强后的尼龙，保持了塑料原有的一些优点，同时耐磨性、力学性、耐热性也显著提高。目前，玻璃纤维增强尼龙66和尼龙46是使用在轴承保持架上比较成功的两种材料，在低噪声、高速应用场合玻璃纤维增强尼龙66是使用较多的一种保持架材料，玻璃纤维增强尼龙46因价格较高，使用相对较少。

1.2 塑料保持架的特点

用尼龙材料制成的保持架有很多特点。第一，重量轻，使得轴承的灵活性更好，如果用于电器或者功耗产品，对于节能有很大的作用；第二，噪声低，是静音轴承的首选，特别是现在对噪声要求很严格的家电产品，它的应用可显著提高家电的低噪声性能；第三，能有效延长轴承的使用寿命，减少保持架与滚动体之间的摩擦；第四，具有耐磨、防磁和低摩擦等良好性能。

2 塑料保持架的对比试验

为了进一步检验玻璃纤维增强后尼龙保持架的性能，采用两种不同材料（PA66-GF25和PA46-GF30）的塑料保持架轴承进行对比试验。以两组双列角接触球轴承3207DDU为例，该轴承的外形尺寸d×D×B＝35 mm×72 mm×27 mm，基本额定动载荷Cr＝33.5 kN，轴承两侧为接触式密封结构。参照JB／T50013-2000《滚动轴承 寿命及可靠性试验规程》及该轴承的结构参数，制定试验条件。根据轴承在高速下运转时，保持架会受到较大的冲击和磨损，在高温下长时间运转易于老化的特点，对该轴承进行高速试验和高温试验，以检验保持架的耐磨损性和抗高温老化性。

（1）高速试验：试验转速n＝5 000 r／min，径向载荷Fr＝3.35 kN，当量动载荷P＝0.1Cr，试验时间200 h。

（2）高温试验：试验转速n＝3 700 r／min，径向载荷Fr＝8.38 kN，当量动载荷P＝0.25Cr，试验时间200 h，轴承外圈温度≥120℃。

2.1 试验轴承安装

试验采用B30-60型轴承试验机。装机容量为一次4套／台，轴承的安装如图1所示。

图1 试验轴承安装图

图中A，B，C，D4个工位分别安装4套试验轴承，其中A，B两工位安装轴承保持架的材料为PA46-GF30，C，D两工位轴承保持架的材料为PA66-GF25。通过试验装置对轴承施加一定的径向载荷，驱动主轴一端对轴承进行试验。试验装置中，主轴公差采用m6，与轴承内圈是过盈配合；壳体公差采用H7，与轴承外圈是间隙配合。在两端壳体中分别植入加热棒，以加热轴承至所需温度。试验过程中监测轴承外圈的温度及噪声，每间隔2 h记录一次轴承温度。

2.2 试验

在第1阶段200 h高速试验过程中，A，D两工位轴承外圈的温度为90℃左右，B，C两工位轴承外圈的温度为150℃左右。由于试验机机体的密闭性，使中间两套轴承在高速状态下，轴承外圈温度比两端温度高出很多。轴承在高速运转过程中没有出现异常声，说明轴承没有发生损坏或出现旋转不灵活现象。这两种材料的保持架均能够满足轴承高速状态下平稳运行的要求。

在第2阶段200 h高温试验过程中，对两端轴承加热，A，D工位轴承外圈的温度保持在120℃左右，B，C两工位轴承外圈温度保持在150～160℃。轴承在高温试验中没有出现异常声，说明轴承保持架没有损坏，这两种材料的保持架均具有一定的耐高温性能。

在高速、高温两个阶段的试验完成后，轴承运转正常，说明两种不同材料保持架均保持了较高的使用性能。为了进一步考核这两种材料保持架的耐久性及耐高温的能力，前两阶段试验结束后，提高轴承运转的环境温度继续试验，A，B，C，D4个工位轴承外圈的温度控制在180～190℃。轴承又连续运转400 h以上，监测到C，D两工位轴承出现异常声，这可能是保持架老化或断裂，使性能发生改变而影响轴承的正常运转。在同等高温条件下继续试验，每套轴承共进行了1 185 h的试验，运转噪声并没有发生明显的增大现象，随后停止试验。

2.3 试验结果

试验结束，拆下轴承检查。其中A，B两工位轴承外观完好，无失效。C，D两工位轴承的保持架出现了多处断裂痕迹，已完全失效。

分解轴承，检查各零部件的情况，4套轴承的套圈、钢球均未出现疲劳剥落现象。也就是说试验过程中产生的异常声，不是因套圈或钢球失效所致。把保持架从轴承中拆下，A，B两工位保持架外观完好，并且还保持了一定的韧性（图2和图3）；C，D两工位保持架发生了脆性断裂，形成多个断裂块，而且材料已明显老化（图4，图5）。

图2 工位A保持架外观（PA46-GF30）

图3 工位B保持架外观 （PA46-GF30）

图4 工位C保持架外观（PA66-GF25）

图5 工位D保持架外观（PA66-GF25）

清洗保持架，测量兜孔外边缘的尺寸，检查保持架的磨损情况，测量结果见表1。PA66-GF25保持架比PA46-GF30保持架磨损严重。

表1 保持架兜孔边缘尺寸 mm

3 结果分析

从试验过程中监测到的轴承外圈温度来看，A，D两工位轴承保持架工作条件相同，B，C两工位轴承保持架工作条件相同。B，C两工位轴承保持架在高速试验时，轴承外圈温度为150℃。

在高温试验阶段外圈温度为150～160℃，在追加的高温试验阶段，外圈温度为180～190℃，保持架一直处于高温状态。试验结束原材料为PA46-GF30的保持架没有发生断裂，原材料为PA66-GF25的保持架完全断裂，并且C工位与D工位相比，断裂更为严重。这是由于两种原材料高温抗老化性能不同所致，PA46-GF30与PA66-GF25相比，其抗老化温度更高，时间更长。

轴承在高速运转过程中，保持架所受的应力主要来自摩擦力、惯性力和冲击力。在高温的环境下，还受到润滑剂及其老化生成物等化学物质的侵蚀。这些侵蚀物质附着在保持架与钢球之间加剧了摩擦、磨损与发热，致使保持架磨损严重，影响了轴承的正常运转。试验后保持架兜孔边缘平均尺寸PA66-GF25比PA46-GF30小很多，一方面是保持架磨损产生的，说明材料的耐磨性方面PA66-GF25没有PA46-GF30好；另一方面是由于在高温下模型收缩率PA66-GF25比PA46-GF30大，保持架发生了一定的老化收缩变形。

4 结束语

通过试验可以看出，4套轴承在第1阶段高速试验中均未出现异常情况。第2阶段高温（150℃）试验中轴承也未出现异常情况。说明在一定的高速、高温条件下，两种不同材料的塑料保持架均保持了较好的性能，使轴承能够正常灵活运转。在第3阶段进一步升高环境温度（轴承外圈温度达180～190℃）的条件下，长时间运行C，D两工位轴承的保持架（材料为PA66-GF25）出现了明显的磨损与老化现象；A，B两工位轴承的保持架（材料为PA46-GF30）相对较好，表明PA46-GF30材料的耐高温及抗老化性能更好。