铜基/环氧树脂基/己内酰胺基自润滑罗拉轴承套性能分析

王显方，郭新玲，潘红玮

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳　712000)

铜基/环氧树脂基/己内酰胺基自润滑罗拉轴承套性能分析

王显方，郭新玲，潘红玮

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳712000)

摘要：为了探讨自润滑轴承套在环锭细纱机上的应用，分析了青铜基自润滑、聚合物基自润滑轴承套的结构及特点，通过模压工艺和螺杆压缩工艺制备了环氧树脂基和己内酰胺基自润滑轴承套，并与FU型铜基自润滑轴承套在物理、机械、摩擦性能和纺纱性能试验等方面进行了详细对比分析。指出：环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套制作工艺简单，成本较低，其物理和力学性能指标较铜基轴承套优，且安装维护方便;相比FU型铜基自润滑轴承套，具有质地柔软、强度高、弹性大、抗氧化性好、耐腐蚀性好、摩擦因数小、磨损率低、成纱条干CV值小、纱线断裂强度大等优点，可以取代铜基自润滑轴承套在细纱机上使用。

关键词：罗拉轴承套；自润滑罗拉；环氧树脂基；己内酰胺基；铜基；摩擦；磨损率；成纱质量

0引言

自润滑轴承是指在添加少量润滑剂或完全无润滑剂的情况下，依靠自身润滑剂来满足润滑的滑动轴承[1]。自润滑轴承在技术上完全突破了需要油脂润滑的局限性，实现了无油润滑，具有免加油、成本低、运行平稳、噪声小、劳动强度低等特点[2]。

自润滑轴承套按其材料分为铜基和聚合物基两种。铜基自润滑轴承套多以663青铜粉或CuSn10黄铜粉等为基体，以二硫化钼、石墨、碳纤维为固体润滑剂，以高硬度铅、陶瓷为耐磨相，采用粉末冶金工艺制成，成本高、耐磨性差、抗冲击性差[3]。

聚合物基自润滑轴承套主要以己内酰胺基和环氧树脂基等复合材料为基体，通过添加碳纤维、石墨、二硫化钼等固体润滑剂制造而成，具有质量轻、成型好、成本低、耐磨性好、柔韧性好、摩擦因数小等优点，代表了未来的发展方向。双酚A型环氧树脂(EP)属高强度的热固性高分子合成材料，具有优良的机械和摩擦性能，对纤维材料具有良好的浸润性，和多种金属、非金属有优良的粘接力。己内酰胺是一种重要的有机化工原料，熔点低、密度低、流动性好，在常压下通过聚合反应生产尼龙，制作工艺流程简单，成品具有质量轻、强度高、耐磨、防腐、抗蠕变、耐冲击等特点[4]，可代替铜、铁应用在工业生产中。笔者研究的是以环氧树脂和己内酰胺为基体，通过添加碳纤维、石墨等材料，采用模具成型和机械共混、塑料挤压成型等技术制得的轴承套半成品，再经过切削、磨砺、开槽等工艺，制备出符合环锭细纱机罗拉用的自润滑轴承套，并与FU型铜基自润滑轴承套在机械、摩擦和纺纱性能上进行对比试验。

1自润滑罗拉轴承套结构

图1是传统油润滑的细纱机滚动罗拉轴承，其缺点是：加油周期短，油脂易外溢造成油污纱，用工多、油料消耗大，是制约纺织企业提高质量、降低成本的关键因素。图2是青铜基自润滑轴承套，其优点是：免加油，运行平稳，强度高，寿命长，噪声小。缺点是：由于轴承套内圈一面无挡圈，故在运转过程中，轴承套易窜动，罗拉转速越高则窜动得越严重；另外，如果有一个轴承套损坏，则要将整根罗拉的轴承套取下更换，安装维修麻烦，故金属基自润滑轴承套在细纱机上使用受到一定的限制。图3是聚合物基自润滑轴承套，其特点是：免加油，柔韧性好，开槽容易，强度较好，安装和维修、更换方便。

图1　滚动罗拉轴承结构

图2　青铜基自润滑轴承套

图3　聚合物基自润滑轴承套

2试样制备

2.1环氧树脂基自润滑轴承套的制备2.1.1确定成型工艺2.1.1.1预压

将一定比例的双酚A型环氧树脂与固化剂、碳纤维、石墨以及导热材料按比例混合后，在压机上压成一定形状和质量的锭料。

2.1.1.2加料

将一定质量的环氧树脂胶粘剂倒入玻璃烧杯中，然后均匀地加入10%～20%的碳纤维，同时缓慢地加入20%～30%的石墨粉和10%的青铜粉，待完全混合搅拌均匀后，按照质量分数为1∶1的比例加入聚酰胺(PA66)固化剂，再倒入模具。

2.1.1.3合模

在凸模未接触环氧树脂混合物前应快速合模，当凸模接触混合物后，应慢速合模以使模具型腔中的空气充分排除。

2.1.1.4 排气

热固性塑料在成型时，必须排除水分和挥发气体以及化学反应产生的副产物，以免产生成型缺陷而影响制品的性能和表面质量。因此，合模后要卸压排气。

2.1.1.5固化

热固性塑料应在一定的温度和压力下，保持一段时间，使高分子交联反应充分，才能达到制品性能好，生产效率高的目的。

2.1.1.6脱模

由于冷却不均匀会导致制品内部产生较大的内应力，因此，脱模后的轴承套需放入80 ℃的恒温烘箱中进行缓慢冷却。

2.1.1.7清模

脱模后，需用铜刀或铜刷去除残留在模具型腔内的塑料废料，然后用压缩空气吹净。轴承套压缩成型工艺流程如图4所示。

图4　轴承套压缩成型工艺流程

2.1.1.8机械加工

压缩成型的轴承套需利用数控机床在其壁部切割一个直线通槽，以便把轴承套安装在内圈上。槽的宽度尺寸以不影响轴承套的基体强度为准，一般取2mm。

2.1.1.9浸泡

将轴承套在SAE40型润滑油中浸泡24h～48h，保证其在使用前充分浸油。轴承套在工作状态时，因受热渗出油渍，起到润滑作用。

2.1.2设计压缩成型模具

由于热固性环氧树脂的粘度较高，模具一般为不溢式。轴承套压缩成型模具结构如图5所示。

1—上凸模固定板；2—上凸模；3—凹模；4—轴承套；5—下凸模；6—型芯；7—垫板。图5　轴承套压缩成型模具结构

2.2己内酰胺基自润滑轴承套的制备2.2.1原料选取与配方组成

南京和聚的己内酰胺为50%～70%(质量分数，下同)， 日本东丽的碳纤维短绒为10%～25%，青岛天和的800目石墨为10%～25%，兰州化工的NaOH分析纯为0.1%～0.5%，西安化工的甲苯二异氰酸酯(TDI)分析纯为0.1%～0.5%。

2.2.2制作过程

分别将以上原料按试样编号，充分混合后加入到单螺杆塑料挤出机中，经100 ℃～120 ℃加热至熔融状态，经挤出机的口模和芯模环状间隙挤压成同一规格的轴承管材，然后进行定径和冷却，使管材形状和尺寸精度定型，最后经过车削、开槽等工序制成规格内径为20mm，外径23mm，宽14mm的细纱机用罗拉轴承套[5]。

3三种自润滑轴承套的物理、机械性能对比

依据相关标准在实验室通过一系列试验，对FU系列铜基、环氧树脂基和利用上述方法制得的己内酰胺基三种自润滑轴承套的物理性能和机械性能进行试验，结果见表1。

表1三种自润滑轴承套物理和机械性能对比

测试项目FU型铜基轴承套环氧树脂基轴承套己内酰胺基轴承套密度/(g·cm-3)2.60～3.000.891.16饱和吸水率/%—1.51.6马丁耐热/℃>6006770热变形温度/℃>200109120熔点/℃>5009087导热因数/(10-5·K-1)>237.000.780.25线膨胀因数/(10-3·K-1),100℃1.16～1.239.407.50体积电阻/(Ω·m)1×1037×10136×1012硬度/HB756065拉伸强度/MPa89230175压缩强度/MPa124208230断裂伸长率/%1.636.020.0弹性模量/MPa25.642785.002487.00冲击强度/MPa14.2067.2331.89抗氧化性差好好耐腐蚀性差好好价格高低低

由表1可知，环氧树脂基轴承套和己内酰胺基自润滑轴承套较铜基轴承套的密度小、熔点低、吸湿性好、强度高、硬度小，弹性模量比金属基高100倍，抗蠕变性好、耐冲击好、弹性好、耐疲劳性好、价格低，但导热性、导电性较铜基差。

4三种自润滑轴承套的摩擦性能试验

4.1试验方案

试验在宣化化伦MPX-2000型摩擦磨损试验机上进行，模拟细纱机罗拉轴承运行的实际工况，采用棒环端面立式干摩擦磨损方式，回转的摩擦上环为45低碳钢，硬度为50HRC，外径为19mm，表面粗糙度Ra值为0.6μm的圆棒；固定的下环为上述方法制得的己内酰胺基轴承套试样(未开槽)、环氧树脂基轴承套和FU系列铜基轴承套，试样尺寸均为φ23mm×φ20mm×14mm。室温干摩擦，试验速度为2.5m/s，试验载荷从1kN开始先跑10min，然后每隔5min加载1kN，直到出现摩擦因数突然变大、温度急剧升高的情况，则视为固体润滑涂层破坏，润滑失效，停止试验。由试验机在线记录试验过程中三种轴承套的摩擦因数试验数据的实时变化，用读数显微镜测量试样磨痕宽度，并换算成磨损率[6]。利用扫描电子显微镜(SEM)进行材料的磨损表面形貌分析，研究自润滑复合材料表面润滑膜的形成机理和作用，探讨复合材料的减摩自润滑特性及其机理。

4.2试验结果与分析4.2.1三种自润滑轴承套干摩擦状态摩擦因数

图6为三种轴承套在干摩擦状态的摩擦因数随时间动态变化曲线。从图中可以看出， 三种轴承套具有大体相同的变化规律。在试验载荷较小的初始阶段，摩擦副运行不平稳，摩擦因数较大且不稳定，环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套的摩擦因数率先达到峰值，铜基的摩擦因数较稳定；当载荷增大到2kN时，铜基轴承套的摩擦因数也出现了峰值，随后三种轴承套的摩擦因数又持续下降；当载荷达到2.5kN时，摩擦副运行逐渐变得平稳，摩擦因数明显减小，并维持在较小的范围内长时间运行；当载荷达到5kN时，铜基轴承套摩擦因数突然变大，然后环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套的摩擦因数也快速变大，表明样品表面的固体润滑涂层已破坏，固体润滑失效[7]。

图6　三种轴承套摩擦因数随时间变化曲线

滑动轴承的摩擦副有磨粒磨损和粘着磨损两种形式，在试验初期轴承套与金属轴之间处于胶合状态，此时以粘着磨损为主。试验开始阶段由于环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套表面比铜基表面粗糙，胶合状态更严重；因此，开始阶段环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套的摩擦因数较大，且出现了峰值。随着试验的延续，环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套的表面逐渐被磨平，材料被剥落，产生了大量的磨粒，此时摩擦副主要表现为磨粒磨损，在摩擦副中形成一层均匀致密的转移膜，使摩擦因数迅速减小并稳定在一定数值；但由于铜基的硬度较大，产生的磨粒较少，在运行中主要表现为粘着磨损，故环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套摩擦因数较金属基小[8]。在试验后期随着载荷的增大，会产生较大的剪切应力，较大的剪切应力更易产生粘着磨损，加速了材料的转移和剥落；同时，载荷的增大会使摩擦的实际接触面积增大、摩擦加剧，从而产生大量的摩擦热使表面温度升高、基体软化、工作层损坏严重、磨损量急剧增加、摩擦因数持续增大，导致材料自润滑失效或被破坏。由于铜基的强度小于复合材料的强度，所以金属基材料的失效较复合材料早约30min。

4.2.2三种自润滑轴承套磨损率

试验试样、设备同上，室温下干摩擦，在试验转速为2.5m/s，试验载荷为3kN条件下，连续运转120min，测得三种试样的磨损率，如图7所示。

图7　三种轴承套磨损率随时间变化曲线

由图7可知，在试验条件相同的情况下，三种轴承套的磨损率均随运行时间有明显变化。由于胶合作用，在摩擦初期，环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套较铜基的磨损率急剧增大，然后达到一个稳定值；FU型铜基轴承套的磨损率随时间的延续不断地增大，然后达到一个稳定值，但其磨损率大于环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套。产生这种变化的主要原因，是材质和环境条件不同引起的磨损机理差异。环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套在试验初期的磨损主要是粘着磨损，而后表现为磨粒磨损，磨屑主要为石墨粉末填料、碳纤维碎屑、环氧树脂粉末和己内酰胺粉末等。FU型铜基轴承套在整个试验过程中的磨损以粘着磨损为主[9]，是由于铜基轴承套的硬度较大，磨粒磨损的作用相对较弱，且磨屑中除了少量的石墨粉末外，绝大多数为铜和锌粉末，当与金属轴件接触时，一方面加剧了轴承套的磨损，另一方面使润滑作用减弱；所以，铜基轴承套的磨损较环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套相对要大一些。

4.2.3三种自润滑轴承套磨损面相貌

图8为三种轴承套在试验转速为2.5m/s，试验载荷为3kN的条件下，连续运转120min时的磨损面相貌，由此可以进一步分析润滑层的形成过程。

a)　己内酰胺基轴承套　　　　　　b)　环氧树脂基轴承套　　　　　　c)　铜基轴承套图8　相同试验条件下三种轴承套磨损面SEM照片(500×)

由图8a)和8b)可知，环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套表面的晶粒细致均匀，说明石墨、碳纤维与环氧树脂及己内酰胺混融性好[10]。其表面磨屑量较多，主要是由石墨和断裂的碳纤维组成，在对偶面上形成一层连续的转移膜，有利于减小摩擦阻力和磨损率，此时的磨损为磨粒磨损。而图8c)铜基轴承套粗糙的表面，说明材料间融合性较差，磨屑中含有较大的颗粒，除了一定量的石墨和碳纤维以外，还含有大量的铜屑，增大了对偶面间的摩擦阻力和磨损率，储油减磨效果较差。

5三种自润滑轴承套的纺纱性能试验

选取自制的环氧树脂基轴承套、己内酰胺基轴承套和FU系列青铜基轴承套各10个，在FA506型环锭细纱机上采用相同粗纱定量、工艺参数，分别生产号数为J18.6tex、J14.5tex、J9.6tex、J5.8tex品种纱，用YG136型条干均匀度仪和XT128型单纱强力仪进行成纱条干、细节、粗节、棉结及强力测试[2]，结果见表2。

表2试验数据对比结果表明：在生产相同号数的细纱时，环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套成纱质量相当，各项质量指标优于铜基轴承套。

使用环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套的成纱条干CV值，比铜基轴承套降低0.5%以上，成纱千米细节、粗节、棉结以及断裂强度等指标比铜基轴承套均有不同程度的改善；在长时间的试验运转过程中，三种自润滑轴承套均无油污纱产生。使用铜基轴承套成纱质量较差的原因：一方面是由于铜材料吸湿性大，在细纱车间高湿度的环境中使用时，摩擦副吸湿水分增多、摩擦因数增大，从而易产生爬行，使罗拉不能灵活转动；另一方面是铜基轴承套易氧化，导致磨损量增大，使得轴与轴承套间配合增大，致使罗拉不能平稳运行，从而影响成纱质量。

表2三种轴承套纺纱质量试验结果对比

品种/tex轴承套类型条干CV/%细节粗节棉结个·km-1断裂强度/(cN·tex-1)J18.6铜基12.6720518915.87J18.6环氧树脂基12.6921508815.85J18.6己内酰胺基12.4517487114.28J14.5铜基12.12165410214.22J14.5环氧树脂基12.08175510314.30J14.5己内酰胺基11.6711468914.17J9.6铜基13.21226510018.50J9.6环氧树脂基13.1923679818.57J9.6己内酰胺基13.1316529818.48J5.8铜基14.5628688922.02J5.8环氧树脂基14.6827699021.93J5.8己内酰胺基14.3423658521.14

6结论

6.1环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套制作工艺简单，成本较低，其物理和力学性能指标较铜基轴承套优，且安装维护方便。通过摩擦性能对比试验可知，在试验速度为2.5m/s、运行15min、载荷为2kN时，三种自润滑轴承套的摩擦因数均达到最大值0.55，磨损率也急剧增加；当运行到30min、载荷为5kN时，环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套的摩擦因数最小，约为0.08，磨损率也趋于不变；然后平稳运行到55min、载荷为10kN时，三种罗拉轴承套的摩擦因数急剧增大，磨损率也加速增大，此时轴承套已视为失效。

6.2目前，在环锭细纱机工艺设计时，罗拉最大加压量为0.2kN，前罗拉最大运转速度为0.25m/s。通过纺纱性能对比试验可知，在这种工艺范围内，环氧树脂基轴承套和己内酰胺基轴承套摩擦因数最小，磨损量也最小，成纱质量好，其性能优于铜基自润滑轴承套，完全可以取代铜基轴承套来使用。

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ThePerformanceAnalysisoftheBearingBushwithCopper/

epoxyresin/caprolactamBasedSelfLubricationWANGXianfang,GUOXinling,PANHongwei

(ShaanxiIndustrialVocationalCollege,Xianyang712000,China)

Abstract:In order to probe into the application of bearing bush with self lubrication in the ring spinning frame,analysis is done to the bronze and polymer based self lubricated bearing bush regarding the structure and characteristics and contrast analysis is made to the FU copper based self lubricating bearing bush in the physical,mechanical,frictoon properties and spinning performance in details.It is pointed out that epoxy resin based bearing bush and caprolactam based bearing bush are of simple manufacture technology,low cost.They are better than the copper based bearing bush in physical and mechanical properties with easy installation and maintenance.Contrast with FU copper based self lubricating,they are of soft texture,high strength,flexibility,good oxidation resistance,resistance to corrosion,small friction coefficient,low wear rate,small CV value,big yarn breaking strength and such.They can be used to replace the copper based self lubricating bearing bush in the spinning frame.

Key Words:roller bearing bush;self lubricated roller;epoxy resin based;caprolactam based;copper based;friction;wear rate;yarn quality

收稿日期：2015-09-23

基金项目：陕西省教育厅专项科研基金项目(14JK1056)

作者简介：王显方(1966—)，男，内蒙赤峰人，副教授，主要从事新型纺纱技术及纺织器材的研究。

中图分类号：TS103.81+9

文献标志码：B

文章编号：1001-9634(2016)03-0021-05