聚四氟乙烯复合保持架材料的试验对比分析

靳国栋，郭金芳，李建华

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

某型号主机用陀螺转子轴承使用温度变化为-196～+55 ℃，工作转速n≥7 000 r/min，启动摩擦力矩要求不超过5×10-5N·m。在这样特殊的高、低温环境中，难以使用油或润滑脂，必须采用固体润滑方式。而常用的玻璃纤维增强聚四氟乙烯自润滑保持架材料，虽然强度高，但耐磨性差，高转速下固体润滑剂在钢球与沟道间会产生堆积，造成陀螺转子惯性时间变短，轴承噪声增大，无法满足主机使用要求。因此，需针对该轴承工况，研制新型自润滑保持架材料，以满足主机的使用要求。

1 材料的筛选

针对轴承保持架在试验中出现的问题，以聚四氟乙烯(PTFE)为基体，以聚苯酯(PHB)和聚酰亚胺(PI)等为增强剂，制备出多种配方的轴承保持架复合材料，对各材料的力学性能、摩擦磨损性能及邵氏硬度等进行了测试。由于该主机要求轴承具有低的摩擦力矩，所以材料的摩擦因数和磨损量成为考虑的主要因素；另外考虑到保持架的壁厚小于0.5 mm，轴承工作转速较高，保持架的强度也是设计时考虑的关键技术指标之一。因此根据表1所示测试结果，从中筛选出了2种轴承保持架材料A(PTFE+PI)和B(PTFE+PHB+5%～10%PI)。

从表1中可以看出，只添加聚酰亚胺的A材料与B材料相比，A材料的抗拉强度较低，密度和邵氏硬度相差无几，但摩擦因数和磨损量相对B较小。而B材料是采取PHB，PI共同填充PTFE复合材料的配方，其抗拉强度较大。因此，对保持架材料进行2种方案的轴承性能试验，旨在最终确定一种最佳的保持架材料[1]。

表1 材料性能测试

2 轴承性能试验与分析

采用材料A和B制成保持架，装入71700轴承(以下简称A轴承和B轴承),分别进行如下的轴承性能试验：(1)在专用跑合装置上，按照主机要求的载荷(轴向载荷5 N)和转速(7 000 r/min)进行100 h常温性能试验；(2)在主机上进行300次的高低温冲击试验。

2.1 常温下的性能试验

2.1.1 启动摩擦力矩

轴承按照主机要求的载荷和工作转速进行了常温100 h的性能试验，轴承启动摩擦力矩随跑合时间的变化曲线如图1所示。

图1 常温下轴承启动摩擦力矩曲线

从图1可以看出，2种轴承在常温100 h的性能试验过程中，启动摩擦力矩的变化幅度基本一致，尤其在25～50 h时启动摩擦力矩相差很小，而此时间段正好是主机实际应用的时段。

2.1.2 性能检测

从轴承试验前、后的性能检测结果(表2)可以看出，虽然轴承径向游隙略有增加(1～2 μm)，但轴承旋转精度基本不变。这表明轴承经过100 h性能试验后,沟道表面只有正常的轻微磨损，但轴承精度并未丧失，其中B轴承精度还略有提高。

表2 试验前、后轴承性能测试结果 μm

2.1.3 电镜扫描分析

从扫描电镜照片(图2)可以看出：A轴承内圈沟道表面所形成的固体润滑转移膜粗糙且不太致密，将会使轴承摩擦力矩增大，导致主机振动、噪声加大，惯性时间变短；B轴承内圈沟道表面所形成的固体润滑转移膜细腻、均匀且致密。

图2 试验后轴承内圈沟道表面形貌

2.2 主机试验

2.2.1 陀螺转子惯性时间的变化

轴承安装在主机上按照要求的工作转速进行了300次温度冲击试验(-196～+55 ℃)，试验结果如图3和图4所示。

图3 装有A轴承的陀螺转子惯性时间变化图

图4 装有B轴承的陀螺转子惯性时间变化图

从陀螺转子惯性时间随温度冲击次数的变化曲线上可以看出：使用A轴承的陀螺转子惯性时间随温度冲击次数的变化在初始调试值的下方波动较大，惯性时间有缓慢变短的趋势，说明轴承的摩擦力矩在逐步增大，若冲击次数继续增加，其结果可能就无法满足主机使用要求；使用B轴承的陀螺转子惯性时间随温度冲击次数的变化在初始调试值的上方波动，波动范围较小，惯性时间在逐步增加，说明轴承的摩擦力矩在变小，符合轴承性能变化规律，满足主机使用要求。

2.2.2 轴承性能测试

在摩擦力矩测试仪上测试试验前、后轴承启动摩擦力矩，正、反转各测试10个点，取平均值；同时，测试径向游隙、端面跳动，测试结果见表3。由表中可看出：虽然轴承径向游隙略有增加，但轴承仍然保持着良好的旋转精度；A轴承试验后的启动摩擦力矩平均值比试验前增加较大，而B轴承试验后的启动摩擦力矩平均值比试验前有所减小。

表3 轴承主机试验前、后的检测记录

2.2.3 扫描电镜分析

试验后，A，B轴承中钢球与内圈的微观形貌如图5～图8所示。由图可以看出，A轴承内圈沟道表面所形成的固体润滑膜粗糙且呈斑块状；B轴承内圈沟道表面所形成的固体润滑膜细腻、均匀。

图5 A轴承钢球

图6 A轴承内圈沟道

图7 B轴承钢球

由此可见，轴承随主机试验的结果同常温下的性能试验结果一致。

3 结束语

针对某型号主机的使用工况，从多种保持架材料的性能测试结果中筛选出2种材料配方保持架，在常温下进行的100 h试验中，PTFE+PI和PTFE+PHB+(5%～10%)PI的性能无明显差别；而在特殊的高低温环境下经过300次温度冲击试验后，PTFE+PHB+(5%～10%)PI材料保持架转移到轴承的钢球和沟道表面所形成的固体润滑膜细腻、均匀，其轴承的精度和性能比试验前还有所提高，因此，该材料保持架更适应于主机工况。