聚四氟乙烯自潤滑軸套極限PV 試驗方法探究

鄭合靜，丁曉龍，楊兆方，焦明華

（1.合肥波林新材料股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工業(yè)大學 摩擦學研究所，安徽 合肥 230009）

自潤滑材料以其優(yōu)異性能廣泛應(yīng)用于滑動軸承領(lǐng)域，其中聚四氟乙烯（PTFE）基自潤滑軸套因PTFE 具有優(yōu)越的耐腐蝕性、耐溫性、低摩擦系數(shù)等特性，成為自潤滑軸承領(lǐng)域應(yīng)用最廣范的產(chǎn)品[1-3]。PTFE 基自潤滑復合材料軸套以其結(jié)構(gòu)、材料、工藝性能一體性和功能的可設(shè)計性，可使多種材料相組合而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[4-6]，能夠廣泛應(yīng)用于低速、重載、邊界潤滑或無油潤滑、高溫、高真空、腐蝕介質(zhì)及粉塵等惡劣工況條件下，尤其是在無油潤滑條件下[7]。對于PTFE 基自潤滑軸套這種減摩自潤滑材料及產(chǎn)品，極限PV 值是評定滑動軸套工作特性的重要參數(shù)，因此通常采用極限PV 值來判斷其綜合性能[8]。極限PV值是在特定滑動線速度下軸承所承受的極限比壓值和表面相對滑動線速度之積，同一材料在不同條件下測得的極限PV 值不同[9-10]。在GB/T 7948—1987《塑料軸套極限PV 試驗方法》[11]這一國家標準中給出了三層復合自潤滑軸套的測試方法，但由于技術(shù)的進步和滑動軸承相關(guān)國家標準的發(fā)布，其中技術(shù)內(nèi)容需要修訂。本文從試驗角度出發(fā)，研究分析不同試驗條件對檢測結(jié)果的影響，并對既有技術(shù)標準的修訂工作提出建議。

1 試驗部分

1.1 原材料

PTFE 自潤滑材料：BLB-1A 自潤滑材料，合肥波林新材料股份有限公司。BLB-1A 自潤滑材料的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BLB-1A 自潤滑材料

1.2 設(shè)備及儀器

軸承PV 試驗機：BL-40，合肥波林新材料股份有限公司，其采用簡支梁結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示。

試驗軸承的極限比壓值計算方式為，

式中：P為極限比壓值；L為軸套寬度；D為軸套內(nèi)徑；W為極限載荷。

試驗軸承的滑動線速度計算方式為，

式中：d為試驗軸段外徑；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min。1-自潤滑軸承；2，3-支承；4-軸。

1.3 試樣的制備

BLB-1A 自潤滑材料通過落展長、落高度、去毛刺、圈圓、整形、拋光等工藝制作4 種規(guī)格的軸套：寬度20 mm、內(nèi)徑小間隙窄軸套，寬度20 mm、內(nèi)徑的大間隙窄軸套，寬度35 mm、內(nèi)徑的小間隙寬軸套，寬度35 mm、內(nèi)徑的大間隙窄軸套，軸套的具體要求如圖3 所示。

圖3 自潤滑軸套尺寸規(guī)格

1.4 測試與表征

本文針對GB/T 7948—1987《塑料軸套極限PV 試驗方法》規(guī)定的試驗條件存在的疑問進行了試樣寬度、配合間隙、滑動線速度三個方向的研究。試驗方法見表1。

2 結(jié)果與討論

按表1 中試驗方法進行軸套極限PV 值的測試，按GB/T 7948—1987 中的要求每種規(guī)格進行5 次試驗，5次結(jié)果的平均值為軸套的極限PV 值。4 種規(guī)格軸承的極限比壓值和極限PV 值見表2。每種規(guī)格試樣試驗時的溫度隨時間的變化曲線如圖4 所示。

表1 試驗方法

表2 試驗結(jié)束后軸套平均極限比壓值和極限PV 值

2.1 無油潤滑條件下軸套寬度對極限PV 值的影響

滑動線速度為0.5 m/s 時，小間隙窄軸套的極限PV值是小間隙寬軸套的極限PV 值的2.48 倍，大間隙窄軸套的極限PV 值是小間隙窄軸套的極限PV 值的2.70 倍；滑動線速度為1 m/s 時，小間隙窄軸套的極限PV 值是小間隙寬軸套的極限PV 值的2.19 倍，大間隙窄軸套的極限PV 值是大間隙窄軸套的極限PV 值的1.89 倍。寬軸套與配合軸的接觸面積大、產(chǎn)熱高、散熱慢、溫度上升快，窄軸套與配合軸的接觸面積小、產(chǎn)熱低、散熱快、溫度上升慢，如圖4 所示。因此，極限PV 試驗在相同溫度結(jié)束時，窄軸套能承受更高的載荷，而相同載荷下窄軸套的比壓值比寬軸套要大，所以最終導致寬軸套的極限PV 值比窄軸套的極限PV 值小很多。

圖4 不同滑動線速度下軸套極限PV 試驗中溫度隨時間的變化曲線

由上可知，相同條件下軸套的寬度對軸套的極限PV值影響很大。另外，由GB/T 12613.1—2011《滑動軸承 卷制軸套 第一部分：尺寸》[12]可知軸套規(guī)格尺寸有很多，不同規(guī)格的軸套適合何種工況需要相同規(guī)格的軸套進行測試，GB/T 7948—1987 適用于各種規(guī)格軸套的測試，因此標準中應(yīng)標明39 mm×35 mm×35 mm 規(guī)格的軸套只是標準的優(yōu)選尺寸，其他規(guī)格尺寸軸套測試也可按該方法進行測試。

2.2 無油潤滑條件下配合間隙對極限PV 值的影響

滑動線速度為0.5 m/s 時，大間隙窄軸套的極限PV值是小間隙窄軸套的極限PV 值的1.13 倍，大間隙寬軸套的極限PV 值是小間隙寬軸套的極限PV 值的1.03 倍；滑動線速度為1 m/s 時，大間隙窄軸套的極限PV 值是小間隙窄軸套的極限PV 值的1.08 倍，大間隙寬軸套的極限PV 值是小間隙寬軸套的極限PV 值的1.25 倍。如圖4所示，小間隙時散熱較慢、大間隙時散熱較快，導致小間隙軸套的溫度上升速度比大間隙軸套的溫度上升速度稍快，極限PV 試驗在相同溫度結(jié)束時大間隙軸套能承受更高的載荷，最終導致大間隙軸套的極限PV 值比小間隙軸套的極限PV 值稍大。

由上可知，相同條件下配合間隙對軸套的極限PV值影響較小。但為保證但其配合精度不建議修改GB/T 7948—1987 中的配合間隙。

2.3 無油潤滑條件下滑動線速度對極限PV 值的影響

小間隙寬軸套在滑動線速度0.5 m/s 時的極限PV值是在滑動線速度1 m/s 時的極限PV 值的2.86 倍；小間隙窄軸套在滑動線速度0.5 m/s 時的極限PV 值是在滑動線速度1 m/s 時的極限PV 值的3.23 倍；大間隙寬軸套在滑動線速度0.5 m/s 時的極限PV 值是在滑動線速度1 m/s 時的極限PV 值的2.36 倍；大間隙窄軸套在滑動線速度0.5 m/s 時的極限PV 值是在滑動線速度1 m/s 時的極限PV 值的3.37 倍。對比圖4（a）和（b）可知，滑動線速度1 m/s 時設(shè)置的載荷雖小但軸套的產(chǎn)熱量大、溫度上升較快，滑動線速度0.5 m/s 時設(shè)置的載荷雖大但軸套的產(chǎn)熱量小、溫度上升較慢，極限PV 試驗在相同溫度結(jié)束時，軸套在滑動線速度為0.5 m/s 時能承受的載荷比滑動線速度為1 m/s 時高，最終導致在滑動線速度為0.5 m/s時軸套的極限PV 值比在滑動線速度為1 m/s 時軸套的極限PV 值高。由上可知，相同條件下滑動線速度對軸套的極限PV 值影響很大。

另外由表1 和圖4 和可知，滑動線速度為1 m/s 時其加載載荷雖比滑動線速度為0.5 m/s 時降低了3 倍以上，但其升溫速率仍快于滑動線速度為0.5 m/s 時的升溫速率，由此可知在無油潤滑條件下速度越快極限PV 值越小，當速度高于一定值時極限PV 值的測試已無意義。GB/T 7948—1987 中推薦的滑動線速度范圍為0.25~3 m/s，該范圍中并不是所有的滑動線速度都適用于無油潤滑條件下的測試，為方便使用應(yīng)分別推薦無油潤滑條件下、脂潤滑條件下、油潤滑條件適用的滑動線速度范圍。

3 結(jié)論

無油潤滑試驗中，軸套寬度、配合間隙、滑動線速度對極限PV 值都有影響，其中滑動線速度影響最大、軸套寬度次之，配合間隙影響最小。該標準可以進行不同規(guī)格尺寸軸套的極限PV 值測試，標準中應(yīng)標明39 mm×35 mm×35 mm 的軸套為標準的優(yōu)選尺寸，其他規(guī)格尺寸軸套測試也可按該方法進行測試；配合間隙的增大雖使材料的極限PV 值稍有提高，但為保證但其配合精度不建議修改GB/T 7948—1987 中的配合間隙；GB/T 7948—1987 中推薦的滑動線速度范圍并不是所有滑動線速度都適用于無油潤滑條件下的測試，為方便使用應(yīng)分別推薦無油潤滑條件下、脂潤滑條件下、油潤滑條件等適用的滑動線速度范圍。