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陀螺轴承用多孔含油聚酰亚胺保持架研究 摘要 陀螺马达轴承大部分是精密角接触球轴承，轴承的性能决定着陀螺马达的 寿命和精度。由于应用工况及性能要求的特殊性，陀螺轴承多采用多孔含油保持 架，利用保持架内所含有的润滑油实现一次性稀油润滑。多孔聚酰亚胺保持架以 其显著的特点在实践中得到广泛应用，保持架材料的机械强度、尺寸稳定性、摩 擦与磨损性能及微孔特性都对含油保持架的应用效果产生影响。润滑油性能与装 配质量同样不可忽视。通过改变材料组成，成型与加工工艺，可以改变多孔聚酰 亚胺保持架材料的性能。在一定的转速和温度条件下，轴承内的多孔含油保持架 通过吸收与释放润滑油建立和维持润滑油膜，这种动态平衡关系是陀螺轴承实现 润滑的基础，保持架的性能影响平衡关系的建立，保持架的性能是可控的。 关键词：含油保持架，稀油润滑技术，陀螺轴承 t h e s t u d y o f o i l - i m p r e g n a t e d m i c r op o r o u s p o l y i m i d e r e t a i n e r su s e df o r g y r o s c o p eb e a r i n g s a b s t r a c t m o s to fg y r o s c o p eb e a r i n g sa r ep r e c i o u sa n g u l a rc o n t a c tb a l l b e a r i n g s ，t h e p r e c i s i o na n d l i f eo f g y r o s c o p ei sd e p e n d a n t o nt h ep e r f o r m a n c eo f b e a r i n g b e c a u s e o ft h es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o na n d r e q u e s t s ，g y r o s c o p eb e a r i n gh a so i l i m p r e g n a t d m i c r o p o r o u sr e t a i n e rw h i c h e s t a b l i s hl i f e t i m eo i ll u b r i c a t i o nw i t ht h ei m p r e g n a t e do i l m i c r op o r o u sp o l y i m i d er e t a i n e r sh a v eb e e nw i l d l yu s e di ns p a c eb e a r i n g sf o ri t s a d v e r t a n g e s t h em e c h n i c a lp r o p e r t i e s ，s i z es t a b i l i t y ，w e a r a b i l i t ya n dm i c r op o r o u s c h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a lh a v ee f f e c to nt h e u s e o i l i m p r e g n a t e dc a g e s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fl u b r i c a n ta n d a s s e m b l a g e a l s os h o u l db ec o n s i d e r e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so fp o r o u sp o l y i m i d ec a nb ec h a n g e db yv a r y i n gt h e c o n t e n t so f m a t e r i a la n dp r o c e s s i n gp a r a m e n t s f o rt h eg i v e nw o r k i n gc o n d i t i o ns u c ha ss p e e d a n dt e m p e r a t u r e ，t h eb e a r i n g sc a ne s t a b l i s ha n dm a i n t a i nc e r t a i nl u b r i c a t i o nl a y e r w i t ht h e o i l i m p r e g n a t e dp o r o u s r e t a i n e r sw h i c ha b s o r ba n dr e l e a s eo i l t h i s e q u i l i b r a t i o n i st h eb a s eo fg y r o s c o p eb e a r i n gl u b r i c a t i o n t h e e q u i l i b r a t i o n i s a f f e c t e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f c a g ew h i c h c a nb ec o n t r o l l e d k e y w o r d s ：o i l 。i m p r e g n a t e d m i c r o p o r o u s r e t a i n e r s ，l i f e t i m e o i l l u b r i c a t i o n ， g y r o s c o p eb e a r i n g 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席 甄三冬移驴 相鸯咯 弓参j 乇 导师： c 州 够以锋 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：了岁震签字日期：口l f 年r 月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒8 b 王、业盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 弗向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权垒 胆王、业盘堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：沙京 签字日期：。邯年f 月叫日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师躲够以啤 签字日期：。凸年j ，月巧日 电话： 自昭自； 致谢 在洛阳轴承研究所工作使我有机会接触到全面的有关轴承方面的系统知识， 了解轴承在国民经济和国防建设中的作用，参加陀螺轴承研究项目，承担多孔聚 酰亚胺保持架材料的研制和应用。这里有一大批富有研究成果的专家，他们给予 我指导和帮助，纪乃腾研究员始终关注着该项目的研究进展，将几十年的工作经 验毫不保留地传授给我，在此向他表示衷心的感谢。刘耀中教授在计算机应用方 面给予我多方指导，我的同事也在不同的方面给予了许多支持，使研究得以顺利 进行。在论文撰写阶段，焦明华老师给我精心指导，倾注了大量心血进行审核校 正，在此后论文答辩过程中还会有许多老师要花费精力，我对他们的辛勤工作表 示感谢。 最后，我谨在此向曾经和将要在论文答辩中给予我帮助的所有老师和同事再 次表示诚挚的感谢! 作者：王子君 2 0 0 4 年3 月 第一章综述 1 1 滚动轴承的发展状况 滚动轴承是指能使两机械零件作相对旋转运动的标准球及滚子轴承，其突 出优点是：摩擦力矩小，能量损耗低，运转精度高，对载荷的变化灵敏度小， 用少量润滑剂即可实现正常运转“3 。在设计范围内，轴承载荷、温度及速度的 变化对轴承性能影响较小，轴承的正常寿命符合统计规律”1 。每套轴承包括内、 外套圈，套圈上有一个淬硬的滚道，淬硬的滚动体沿滚道滚动，保持架使滚动 体保持一定的周向间隔。二十世纪七十年代未，还成功研制出氮化硅陶瓷材 料制造的轴承滚动体，用于高温高速轴承和防止轴承咬合的应用场所。随着空 间技术的发展，将需要许多新型的轴承 滚动轴承作为基础零部件，它的发展始终与社会生产的发展和科学技术的 进步密切相关，并随着人们要求的不断提高而完善。现代技术对滚动轴承的需 求首先是向高速化的发展，其次是轴承寿命的延长，第三是轴承运转可靠性的 提高，第四是承载能力的提高。第五是轴承的轻量化和应用系统的简单化。 以上对滚动轴承的发展要求必须依靠现代技术的发展来解决。首先是轴承 钢冶炼及热处理技术的发展，这是提高轴承性能的基础。其次是润滑技术的发 展与合理利用，这是保证轴承性能发挥的有效手段”。第三设计制造技术手段 的完善则是轴承性能提高的必要条件 展，使对轴承各种性能的评价成为可能 第四是轴承检测实验技术及仪器的发 反过来又指导轴承的设计与加工。轴 承技术已成为一个综合技术体系，各种新技术、新材料、新工艺的引进和应用 促进了轴承技术水平的不断提高。 1 2 滚动轴承的结构及各部件的作用 滚动轴承由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分构成，随着认识的不断深 入，主张把轴承的润滑剂纳入轴承的结构中作为轴承的第五大件“1 。在实际应 用中，由于空间、结构的不同及使用条件的差异，有的滚动轴承省略了内圈、 外圈或保持架。在省略内圈的轴承中，转轴同时具有内圈的功能；对于省略外 圈的轴承，其固定的轴承座具有外圈的功能，当滚动体紧密排列时，保持架即 可省略，所有这些都是滚动轴承的特殊形式，应用于一些特定的工作场所。滚 动轴承的内外圈用于将轴承固定于转轴和轴承座之内，在内、外圈中的沟道是 滚动体运动的轨道，依靠滚动体的滚动降低转动摩擦力并承受载荷。保持架的 作用是使相邻的滚动体分离，减少滚动体间的摩擦，使滚动体均匀分布，白润 滑保持架还具有补充润滑的功能“1 13 滚动轴承保持架的功能及其重要性 滚动轴承的保持架是轴承的结构件，根据轴承类型及滚动体形状的差异， 保持架的结构和形状也不相同，但功能都是相似的。保持架的最基本的功能是 把轴承内的滚动体均匀分开，保证轴承各滚动体均匀受力，减少高速自转和公 转的滚动体之间的摩擦发热量和磨损，特殊的保持架还有提供润滑的作用。在 轴承的运转中，保持架的运动形式十分复杂，它的运动轨迹也是不固定的，保 持架的运动由滚动体带动，为了增加保持架运转的平稳性，需采取某种引导方 式，依据引导面的不同可分为外引导、内引导和球引导。保持架与相邻引导面 之间的间隙称引导间隙。轴承保持架同滚动体和引导面之间的摩擦属于滑动摩 擦，相对于滚动摩擦，滑动摩擦的摩擦系数较大。保持架的尺寸精度和耐磨性 对轴承的动态性能和寿命均会产生影响，若保持架设计及制造不合理，会导致 轴承的动态性能变差，寿命缩短，对于高速轴承影响更甚。自润滑轴承保持架 般由减摩摩材料制成，保持架材料中的减摩摩成份通过与滚动体的接触，转 移到滚动体和滚道表面形成转移润滑膜。对于精密陀螺轴承，保持架由多孔质 材料制造”1 ，内部浸含润滑剂，这样轴承保持架不但具有结构功能，而且是润 滑剂的载体，可以贮存和释放润滑油，形成油膜润滑。 保持架材料有金属合金、塑料基复合材料以及无机复合材料，通常情况， 重载中低转速轴承用金属做保持架材料，而轻载高速轴承保持架使用塑料复合 材料。 图l 所示是一些典型的塑料保持架结构 嗣鞠 一 世 强瞄 剀 b 。 c - 崔 基 矗 b a - a 三 “ 蓁鼍 p a - 3 - f 尽吖 aa - a g a - a 凄髟 ： i 一 j 寸i占 l b 。 h a ，a z j 飞斛 蜉l k 图1 典型的塑料保持架结构 d - 1 4 陀螺马达用高速球轴承的结构特征 陀螺作为一个高速旋转的精密运动部件，对其性能的要求主要集中在动态 方面，如转动惯量、转动力矩、同步性、噪音、温升、质量偏移、寿命及可靠 性等，转动惯量一般由陀螺的功能所决定，在设计制造阶段就已经确定，如果 陀螺的动态性能稳定，转动惯量可以保持稳定：陀螺的同步性是指陀螺达到额 定设计转速的性能，在特定电源驱动下，陀螺应在规定时间内达到设计转速并 保持稳定，陀螺的转动力矩是陀螺动态性能的体现，转动力矩大说明在稳态转 动条件下克服阻力大，消耗更多的功率，这将导致轴承温升加大，可靠性降低， 转动力矩主要由轴承决定，轴承的制造精度、装配状态、润滑油种类及数量、 保持架特性都影响陀螺的转动力矩。陀螺的停惯时间反映了轴承转动力矩和预 紧力的大小，陀螺轴承般是分离型角接触球轴承，组装之后加轴向预载以提 高轴系的刚度，然而过高的预紧力对轴承的使用不利，应控制在合适范围内。 陀螺的噪声主要由转动的陀螺轴承引起，其根源可能由于保持架设计加工不合 理产生的运转不平稳，或者润滑不良产生的摩擦声。轴承的温升是轴承运转动 态性能的综合体现，由轴承转动的摩擦热引起。稳定运转阶段陀螺的生热与散 热达到平衡，其温度稳定在某数值范围。陀螺的质量偏移往往由内部的物质 在旋转的陀螺仪上产生不均衡的移动造成，润滑剂转移是造成质量偏移的一个 原因，因此陀螺轴承内部的润滑剂数量应严格控制，同时设计有效的润滑剂供 应方法减少偏移量。陀螺的寿命与可靠性是陀螺的主要性能指标，在所有影响 陀螺仪寿命及可靠性的因素中，轴承的影响最大，轴承是不可更换的，并且一 直处于动态之中，因此轴承的寿命与可靠性就决定了陀螺的寿命与可靠性。 球轴承与滚子轴承相比，由于滚动体与沟道接触面小，滚动体质量相对较轻， 因而更容易实现高速运转。作为高速球轴承，其沟曲率半径与球半径之比较大， 角接触球轴承在结构上使它能承受轴向与径向力，装配时的预载消除了游隙， 有利于钢球的滚动，该种结构的球轴承更适合于高速运转。高速轴承的尺寸精 度要求更高，尤其是滚道的圆度、沟曲率、波纹度等几何表面质量。高速轴承 是球轴承中的一个特殊类别，它的设计、选材、润滑都有其特点，所有这些因 素都是为了减小由于轴承转速提高造成的振动增大和发热增加现象。 1 5陀螺轴承的润滑及可靠性 陀螺轴承是指用于陀螺马达中的高速球轴承，大多数是角接触球轴承，陀 螺马达的性能要求决定了对陀螺轴承的性能要求。陀螺轴承的负荷般较小， 因此对轴承的承载能力要求不高，轴承的工作环境很洁净。陀螺轴承的突出特 点是高精度和长寿命，轴承材料选用9 c r l 8 不锈钢和g c r l 5 轴承钢，轴承保持 架几乎都是非金属材料，长寿命陀螺马达轴承大部分选用多孔含油保持架材 料，润滑油多为合成油。为了改善轴承的表面特性，可采用物理或化学方法对 轴承表面进行处理”1 ，处理方法是在轴承滚道面上形成一层硬物质膜，以提高 轴承的表面硬度，有的处理则是把滚动面的物质改性以提高润滑油在轴承滚动 表面的铺展性能，改善表面润滑状态或提高表面硬度和耐磨性的目的是延长轴 承运转寿命。对于如此洁净工作环境和相对较低的工作负荷，轴承的失效模式 一般不是疲劳破坏，大部分是由于润滑失效或润滑不良而造成的转动力矩升高 和动态性能变差。在正常运转情况下轴承是造成陀螺失效的主要原因，而轴承 的失效大部分由润滑失效引起，在陀螺轴承中由于空间结构限制，润滑剂只能 靠一次性加注完成终生润滑，在工作过程中没有补充润滑剂的能力。 高速球轴承不但在设计、制造与选材上有特殊要求，轴承的润滑方式也十 分重要，高速轴承的失效往往是由于润滑不良瞬间造成的。当轴承的设计及制 造精度都合理的情况下，轴承的润滑决定它的使用效果和寿命。高速轴承的突 出问题是由于高速旋转产生的热量，润滑的目的是减少热量的产生、降低轴承 温度实现润滑的方式有油脂润滑、油浴润滑和油气润滑等。油脂润滑是利用 密封在轴承内部的润滑油、脂达到轴承润滑之目的，要求润滑脂具有好的粘附 性和粘温性，避免油脂甩出轴承和油脂随温度上升而产生的流失。油脂润滑的 优点是使用方便，省去了复杂的供油系统，缺点是高速性稍差，不能满足于极 高转速下的轴承润滑。在轻载高速工况下，常使用油气润滑，润滑油经压缩空 气雾化之后，导入高速旋转的轴承内，油气流不但给轴承带来了润滑油，而且 带走了部分热量，缺点是系统较复杂，对环境造成一定污染。对于高速重载环 境，循环油浴润滑比较适用。利用现代技术手段对高速轴承润滑的研究表明， 微量的润滑油即可起到有效润滑作用，只要油膜厚度比轴承滚动面的表面粗糙 度值大即可。过多的润滑油对润滑是不必要的，过量的润滑油在高速旋转的轴 承内搅动，产生大量热，导致温度升高和润滑油劣化。润滑油的重要性能指标 是粘度和粘温指数。润滑的可靠性即是采用一切手段保证轴承滚动面始终有一 层完整油漠。轴承转速提高有利于油膜形成，轴承摩擦产生的热导致润滑油粘 度下降和化学性质变化，在一定的条件下，轴承可以建立起个动态平衡，这 个平衡关系由轴承尺寸、精度及工况条件决定，同时受外界条件影晌。这个动 态平衡无法维持时，轴承即开始失效。 1 6 陀螺轴承保持架的发展 陀螺轴承保持架对陀螺轴承的性能起关键作用。首先是保持架材料的发 展，轴承保持架最初大部分都是金属材料，随着认识的深入，发现质轻而耐磨 的非金属材料，更适合于高速轴承，因此酚醛、尼龙等非金属材料得到了应用。 随着长寿命陀螺马达要求的提高，人们发明了多孔含油保持架，如含油尼龙、 含油聚甲醛、含油胶木及含油聚酰亚胺等，现在大部分采用含油聚酰亚胺保持 架。陀螺马达保持架材料的发展反映了对轴承的认识过程，尤其对陀螺轴承润 滑特性的认识过程，非金属材料由于其质轻耐磨，陀螺轴承中更易实现其高速 性，表面对油脂吸附力增强，润滑性提高。多孔含油保持架具有一定机械强度， 内部的润滑油在轴承内部循环建立完整油膜，可以实现长寿命与高可靠性。在 对多孔含油保持架研究过程中，也有一个不断深入的认识历程，最初认为含油 量的多少决定轴承寿命，但实践表明过多的润滑油对高速陀螺轴承的运转是有 害的”1 ，油的保持能力即平衡含油量才是真正起作用的润滑油量，多孔保持架 材料的孔隙率，孔半径及孔径分布是几个相互独立又相互影响的因素，针对不 同的工况条件，对保持架材料的特性要求也是不同的，应该分别研究。随着保 持架材料的发展，对油润滑的机理和影响因素认识进步深入，在此基础上发 展了二次供油系统，这样极大地提高了轴承的寿命与可靠度。 1 7 本课题研究的内容 高速轴承的润滑是限制其寿命及应用的关键性因素，只有获得稳定而且可 靠的润滑才能正常使用轴承，随着高新技术的发展，尤其是航天、航空与航海 技术的发展，迫切需要长寿命高精度的导航仪表，这些导航仪表的核心部件即 是陀螺仪，它是靠高转速获得转动量，因此转速的稳定性与可靠性是十分关键 的，由于功能的限制这些部位使用的轴承无法实现外部循环式油润滑，这样迫 使人们寻找其他的润滑方式，油润滑可以获得极低的摩擦力矩，这对于降低功 耗十分重要，现在的问题焦点是如何向这样的轴承内供润滑油实现长寿命润 滑。多孔含油保持架的使用使保持架的功能发生巨大变化，它不但是轴承的结 构件，更重要的是它成为轴承的润滑部件，贮存润滑油不断向轴承提供，在稳定 运转过程中保持一定厚度的润滑油膜，减少质量飘移，实现了轴承长寿命、高 精度、低摩擦运转。该技术的应用使陀螺马达轴承的长期运转成为可能，极大 地推动了航天等高技术的发展，也为这些技术的民用打下了基础，多孔含油保 持架技术正目趋完善。对它的理解与研究不断深入，应用也在拓展。本文即是 针对陀螺轴承中采用的多孔聚酰亚胺保持架的制各，性能及应用进行研究揭示 原材料特性，配方和成型工艺对多孔材料性能的影响研究保持架稳定性对陀螺 轴承使用效果的作用，建立多孔聚酰亚胺保持架的润滑技术，分析影响保持架 使用效果的因素。 第二章多子l 含油保持架的润滑机理 2 1 多子l 含油保持架的特性 多孔含油保持架是使用具有一定机械强度的多孔质材料制成的保持架，然 后对保持架进行含油处理，使它具有一定润滑性能，在轴承运转过程中形成弹 性流体动压润滑膜，维持轴承的可靠运转。多孔含油保持架的特点是保持架内 含润滑油，丽含油的基础是多孔保持架材料。多孔材料的比重相对较小，根据 孔隙度的大小而有差异，其比重一般为压实材料的7 0 ，多孔材料的强度相对 较低，这不利于保持架的加工和尺寸稳定。多孔含油保持架的含油量及对润滑 油的吸附力是其主要性能指标，对轴承的使用寿命有重要影响。多孔含油保持 架内部润滑油是循环的，它可以从保持架转移到轴承滚动面，也可以从轴承滚 动面吸附回保持架。多孔保持架内的孔隙是曲折相通的，即它的绝大部分孔是 贯通孔而非封闭孔。多孔含油保持架在使用过程中，其内部所含润滑油逐渐减 少，到最后达到一个平衡极限值，并不是内部所有的润滑油都能完全用于轴承 润滑。聚酰皿胺多孔材料强度较高，含油率稳定，洁净度高，而磨性好，化学 性能稳定，已经成功地应用于长寿命陀螺轴承之中，达到了满意的使用效果。 2 2 多子l 含油保持架的润滑原理 多孔含油保持架起润滑作用的是其中的润滑油，从润滑理论上分析，只要 能在滚动面上形成一层润滑油膜，把相互接触的表面隔离开即可达到理想的润 滑状态，有效油膜厚度与接触表面的粗糙度和润滑油粘度，轴承的转速等因素 有关。陀螺轴承的精度高，表面粗糙度值很低，只需要极薄的层润滑膜即 可有效油滑，关键是如何维持油膜完整。轴承运转时保持架作同向运转，由于 受到离心力作用，多孔含油保持架内的润滑油有向外径面转移的趋势：同时轴 承运转时由于摩擦等因素产生热量，保持架出现温升：由于润滑油的体积膨胀 系数比保持架骨架材料的大，保持架材料内部微孔内所含的润滑油的体积增大 量比微孔体积增大量大，产生一种压迫润滑油向外表面渗溢的内压力。随着轴 承保持架温度的升高，内部润滑油粘度降低，其流动性增强，这样就产生向轴 承钢球表面转移的倾向。钢球不停转动，将其表面的润滑油转移到相接触的滚 道面上。其中有部分润滑油会直接转移到轴承外引导厩上并流失掉，不仅对轴 承润滑无益，还会引起轴承的质量飘移，因此在工作中应尽量减少这部分油量。 如果没有吸油能力，事由承滚道内部的润滑油量会不断增多，并向周围流失。多 孔含油保持架的独特之处还在于其具有回收油的能力，由于多孔保持架材料内 微孔可以看作是相互贯通的微毛细管，它对于润滑油产生毛细管力。该力的大 小与微孔直径成反比，与润滑和多孔材料之间的表面张力成正比。该力阻l e 保 持架内润滑油的过快流失，同时将与之接触的多余的润滑油吸入保持架，在转 速、负荷、温度及润滑油特性等外界条件一定时，通过运转会建立一种动态的 平衡，此时出油及吸油速率相等，油膜厚度稳定，这是种理想的平衡状态， 是多孔含油保持架的平稳工作期。随着运转时向的延长，润滑油将会流失，或 出现变质，润滑性能变差，有时在滚道内出现磨损物或外来异物的进入，这些 因素导致平衡的破坏。若不能在新的条件下建立平衡，则轴承就无发建立和稳 定润滑油膜，轴承开始失效。因此可以看出多孔含油保持架的润滑是动态平 衡的，其内部的润滑油是循环的。1 ，提高保持架的含油量和吸油能力是陀螺轴 承长寿命运转的前提， 根据h a g e n p o i s e m l l e 研究“，多孔保持架内润滑油由于受到离心力与内 压力作用，向保持架表面移动的速率q 为： q ：n z c l a p 1 2 8 止 式中：p ：造成流动的内压差( p a ) n ：毛细管数 d ：毛细管直径( m ) u ：润滑油粘度( p a s ) l ：毛细管长度( m ) 4 8 c o s 口 p = j d 把多孔保持架端面看作是一束细微毛细孔，它对润滑油的吸附力p 表述为 式中：6 ：润滑油的表面张力( n m ) b ：润滑油与材料的浸润角 d ：毛细管直径( m ) 以上表达式是理论假设后的近似公式，表达了作用力与材料特性和润滑油 特性之间的关系，多孔含油保持架材料的孔径大小及分布情况，润滑油粘度， 表面张力及其与保持架材料的浸润性是影响其性能的主要因素。 2 3 多孔保持架材料种类及特点 多孔含油保持架通常由高分子材料加工而成，由于高分子材料质轻耐磨， 具有足够的机械强度，加工性能也较好，适于制作保持架。通过改变原材料种 类和成型加工工艺，可以方便地获得不同种类多孔材料。作为保持架材料，应 具备以下几个特点“：应具备一定强度，以便保持尺寸稳定性：材料的耐 磨减摩性良好，使保持架在长期运转过程中减少磨损物，提高可靠性：材料 应具有一定的孔隙率，适当的含油量是轴承长寿命的基础，材料的微孔隙相互 贯通，经过机械加工和表面处理不能堵塞表面和内部孔隙；材料的孔半径控 制在一定范围，孔半径大小与保持架的吸油能力有关，是多孔保持架材料的主 要特性，只有孔半径合适的保持架，才能达到预期的使用寿命；多孔材料必 须具备化学稳定性，在贮存与使用期间不会明显发生老化等现象，与润滑油相 容性好，不与之发生化学反应。 2 4 润滑油与多子l 保持架材料的相互关系 润滑油贮存于含油保持架之中，在轴承运转过程中转移到滚动面上，润滑 效果与润滑油的供应情况有关。供应量大则导致运转涡动增加，供油量小，则 润滑不充分。供油与吸油在某种特定工作条件如温度、转速和负荷条件下是可 以达到平衡的，平衡的稳定性与润滑油和保持架的特性有关。对于要求长寿命 的轴承，润滑油的稳定性及润滑性是首先要考虑的因素，只有稳定性高的油品 才能保证它在使用过程中不发生劣化变质，保证润滑稳定。保持架材料内部 的微孔半径小，则对润滑油吸附力增大，反之则对润滑油吸附力变弱。轴承的 运转速度高则润滑油易于向外流动，转速低则不易向外流动。当这些作用达到 平衡时，轴承才能处于稳定的运转状态，而这个稳定状态所维持的时间，与保 持架内贮油量和轴承内润滑油的散失速度有关。贮油量越大，散失量小时，则 轴承稳定工作的时间就越长，反之稳定工作时间变短。对于高低温条件下工作 的精密陀螺轴承，其对润滑油和保持架的要求更加苛刻，它要求在较宽的温度 区间内建立以上的供油与吸油平衡关系。工作难点主要在低温，因为低温使保 持架尺寸变小，润滑油粘度急剧增长，轴承内部间隙可能超出理想工作区间， 润滑也不充分，轴承保持架运转失稳，产生啸叫，工作电流波动变大。改善与 解决高低温条件下出现的这一问题，可以一方面减少保持架材料的膨胀系数， 另一方面降低润滑油的粘温系数，共同减少或消除低温条件下可能出现的这种 现象。 2 5 多孔保持架内润滑油的散失与补充 陀螺轴承大都是外圈旋转，在离心力作用下，有一部分润滑油向轴承沟道 外散失，不能继续润滑轴承。在真空条件下，润滑油蒸发加剧，这样又散失一 部分润滑油。此外，工作过程中润滑油还会发生化学变化生成非润滑性物质， 在有氧及高温环境中，这一现象更加明显。一般情况下，润滑油都是通过这几 条途径散失的。为了减少润滑油损失，经常采取以下办法：首先是在轴承的外 圈引导面上涂防爬涂层，阻断油向外流动的通道。再者是把陀螺轴承装在密 封环境中，内充惰性气体，降低润滑油的蒸发损失。但以上措施不能杜绝轴承 内润滑油的散失，而轴承中润滑油含量有限，若轴承要求长寿命，则必须有可 靠的辅助供油系统。该系统设计安装在陀螺马达内，随外圈转动。贮油装置内 设空腔，其中填充微孔含油材料并浸满润滑油，在靠近轴承端设出油口，出油 速率及时间由控油芯阀控制，这样使轴承在初期运转期间，靠轴承保持架供油， 寿命达到定时间之后，保持架内油量减少，轴承内的润滑油则由辅助供应系 统供给，供油速率控制在一定范围，通过辅助供油系统与控油技术，可以有效 地提高轴承的运转寿命。 2 6多子l 含油保持架的失效分析 正常情况下轴承的寿命可达两万小时以上。但有时轴承寿命较短，在两百 小时之内即出现失效。当陀螺马达的运转性能指标超出设计范围时就认为是轴 承失效，最严重的失效情况即轴承卡死。陀螺马达轴承负荷较小，一般不会出 现疲劳剥落等失效形式，最常见的是非正常磨损，表现为沟道及钢球表面上粘 附一层细碎的磨损混合物，保持架的兜孔及引导面磨损严重，钢球变暗，保持 架发干，沟道上油膜不完整。经过多次分析发现，失效之后轴承内产生的粘附 物大部分由润滑油变质产生，当然也有保持架材料的微小磨损物。高速运转的 陀螺轴承尽管负荷一般不大，但如果局部出现非正常接触，可产生局部瞬时高 温，润滑油在高温下迅速老化形成胶状物，这些物质失去润滑性能，导致油膜 破裂失效“。陀螺轴承应用环境的温度变化会引起保持架尺寸及润滑油粘度变 化，这些变化有时足以影响到轴承的引导间隙和球兜间隙，过小的间隙使之产 生过度磨损，而较大间隙导致保持架运转不平稳，引导间隙和球兜间隙之间存 在着协同关系，只有间隙配合较好的保持架才有可能正常运转并达到较长使用 寿命。 在跑合期以后轴承保持架的失效表现在供油能力的降低，使轴承油膜变 薄，不足以在滚动面形成完整油膜，油膜的破损是个渐变过程，由开始的点过 渡到面，轴承性能逐渐下降。 第三章多孔聚酰亚胺保持架材料研究 31 多孔聚酰亚胺保持架材料的概述 3 1 1 高分子材料的特点 高分子材料的性能特性：高分子材料是分子量较高的有机合成材料，一般 大子l 万，最高达】0 0 万咀土。高分子材料分子结构及成分决定其性能”，这 是高分子材料表现出各种不同性能的基础，同种高分子材料采用不同的成型加 工工艺可以得到物理性能各异的材质，这些是由高分子材料或其链节不同的结 晶状态决定的。总体上高分子材料不属于结晶体，但在局部微观范围内，它具 有一定结晶性，影响材料性能。高分子链的不同取向也影响材料机械性能，导 致材料各向异性。可以通过改变高分子材料的分子结构和高分子材料的原料组 成来改变其性能，这两种方法是高分子材料改性的基础。高分子材料结晶度较 低，也不完全：分子量不是固定值而是一个范围，存在着分布区间；热塑性高 分子材料的熔点也不是固定的，受外界环境影响；随着时何的延长和外界环境 的急剧变化，材料性能有劣化的趋势，而这个过程是不可逆的。 31 2 聚酰亚胺和聚四氟乙烯 聚酰亚胺是6 0 年代美国杜邦公司首先研制和投入生产的新型耐高温、高 强度塑料，分子链上有多个苯环和酰亚胺基团。根据原材料和合成工艺的不同 生成的聚酰亚胺性能又有差异，以四酸二酐( 均苯四酸二酐) 与二元胺( 芳香 族二胺) 反应缩聚而得的产物可用如下反应式表述。 秆叭行 n 0 。 0 o f胃 i r 下n 行一 j o + n 一。 ) m 一 一。 0 + 卿 ) 一。 ) + + 卿 占 j n 从分子结构上看，它属于线型高分子结构，应该具有热塑性特点，但由于 生成了环化的酰亚胺链，增加了分子的刚性，使它的熔点接近于分解温度，因 此成为不熔的树脂；不能用一般的热塑性塑料的成型方法加工，只能采用热压 一 一 八 法成型。它可以在2 6 0 高温下长期使用，在惰性气体环境中可以在3 0 0 长 期使用，短时向内可用到4 8 0 的高温。由于很难成型，使用起来很不方便， 又开发了可熔性聚酰亚胺，它是用醚酐与芳香族二胺反应制成的，反应式如下： 随着醚酐的不同，还有其他的结构，从分子结构上分析，由于分子链上有 醚键，增加了分子的柔性，使它成为可熔性高分子材料，可利用热塑性材料的 加工方法进行成型，但它的使用温度降低了一些。以e 两种聚酰亚胺材料的基本性能相差 不大，都具有很高的机械强度，摩擦及磨损性能好，在高温及真空条件下稳定。它的电陡能 和耐辐射性能都很好，具有稳定的化学性能，不溶于般溶剂，耐酸，但在碱和沸水长时间 。二伊。 c l 曰叭 k 二涉 lo o + n h 2 n 一p 一n h - - 2 珂* o 作用下性能下降。 聚四氟乙烯是氟塑料中综合性能最好的一种，它具有更加优越的而寸高低 温，耐腐蚀和耐候性，不吸水，低的摩擦系数等，这些性能是由它的分子结构 决定的，链节结构为c f ：- c f ：一，氟原子得到一个电子后形成十分稳定的化学结 构，几乎不与其他物质发生化学反应，因此具有十分优越的化学稳定性和热稳 定性。摩擦系数可达0 0 4 ，是所有塑料之中最小的，常用作固体润滑剂和减摩 材料。它没有明显熔点，3 9 0 左右开始分解，不能利用热塑性塑料成型加工 方法成型，只能利用冷压烧结工艺制成毛坯，再机械加工成所需形状。纯聚四 氟乙烯的“冷流”性和摩损率都较大。通常利用共混改性方法改善它的性能， 它能用塑料、金属微粉、无机非金属微粉来改性，极大改善它的耐磨性和抗蠕 变性。 3 1 3 复合多孔聚酰亚胺材料 所谓复合材料是通过各种方法把种类不同的两种或两种以上材料复配，改 善材料的某些性能，对于高分子材料有化学和物理两种方法制取复合材料。 化学法包括接枝，嵌段和共聚等使分子链上复合功能分子链段，从而改善材料 性能。物理方法包括共混，增强等工艺，它不改变原材料的分子结构，只是改 d j oi八i o 变相互比例及复合工艺，。聚酰亚胺熔点较高，达3 6 0 。c 一3 7 0 ，一般的塑料在 如此高温之下早已分解，不能作为复合组分，而聚四氟乙烯、聚苯酯、聚苯等 耐高温聚合物可以在如此高温下保持性能稳定。可作为高分子复合剂。无机物 如氟化钙、石墨、碳纤维、二硫化钼、二硫化钨等物质减摩性好，可以作为增 强剂或润滑剂改善聚酰亚胺的性能，各组分之间的比例对于复合材料的性能影 响较大，针对不同的性能要求有最合适的比例关系，这需要在充分试验的基础 上获得。经过充分实验确定，多孔聚酰亚胺复合材料是以聚酰亚胺为基体，内 混聚四氟乙烯，二硫化钼或二硫化钨等润滑改性剂。基本材料的体积比在7 0 9 6 以上，这样可保持复合材料具有较高的强度和刚性，成型时采用冷压成型，高 温焙烧工艺，也可采用模压烧结方式，只要在制作工艺中把握温度、压力与时 间三者之间的关系，就可以制造出性能优良的复合材料。 3 2 多子l 聚酰亚胺材料的制备及影响因素 利用万能试验机( k d 一5 ) 测试保持架材料径向拉伸强度，拉伸速度 0 2 m m m i n 。梯姆肯试验机测摩擦和磨损性能，转速1 0 0 0 r m i n ，载荷7 5 8 n ， 每隔2 m i n 测一次摩擦力，运转1 0 m i n ，1o m i n 后测试磨痕。压汞仪( 型号a u t o p o t o i v 9 5 0 0v 1 0 3 ) 测材料平均孔半径及孔隙率。 32 1 原材料粒度 原材料粒度通常指聚酰亚胺粉的粒径，用分级筛进行控制。使用中发现它 对材料径向拉伸强度、摩擦磨损性能及孔径大小都产生影响。 3 2 2 粒度对径向拉伸强度的影晌 表l 为原材料粒度对多孔聚酰亚胺保持架材料径向拉伸强度的影响。由表 1 可知：在相同配方( p 6 0 f 3 5 w 5 ) ，成型压力及烧结工艺条件下，聚酰亚胺粉过 筛的目数越大时，亚胺粉越细，粒径越小，多孔聚酰亚胺保持架材料径向拉伸 强度越大。用过筛6 0 目的原材料配制的保持架毛坯，其车加工性能不好，易 开裂，且加工后的坯料在显微镜下观察时，发现该材料组织疏松，存在洁净度 和均一性问题。 表1 粒度对聚酰亚胺保持架材料径向拉伸强度的黝向 聚酰弧胺粉试样尺寸径向拉伸强度m p a平均值 过筛的目数mt e a 6 0 目由1 2 7 7 9 x 6 1 1 0 61 0 8 由1 2 8 7 8 6 01 1 0 1 0 0 目由1 2 8 x 7 8 x 5 93 1 6 3 2 2 由1 2 7 7 8 x 6 2 3 2 8 1 5 0 目m 1 2 6 7 8 6 1 4 6 04 5 9 由1 2 7 7 8 6 14 5 8 3 2 3 粒度对摩擦磨损性能的影响 表2 为原材料粒度对多孔聚酰亚胺保持架材料摩擦磨损性能的影响。由表 2 可知：在相同配方( p 6 0 f 3 5 w 5 ) ，成型压力和烧结工艺条件下，聚酰亚胺粉过 筛的目数越大时，亚胺粉越细，粒径越小，多孔聚酰亚胺保持架材料摩擦力减 小，摩擦系数降低，磨痕变窄，材料的耐磨性能增强。用粒径小的原材料配制 成保持架毛坯，在显微镜下观察，发现其组织密实。 表2 粒度对聚酰亚胺保持架材料摩嚏瞄自性能的影响 l 聚酰亚胺粉摩擦力n摩擦 1 0 分钟磨c 艮r m i 过筛的目数2 r a i n4 r a i nb m l n8 m i nl o m i n系数 0 2 9 9 6 0 目0 4 9 10 船70 4 8 5 o 4 8 3o 4 9 02 1 o 2 9 3 0 2 8 5 i 0 0 目0 4 6 80 4 7 10 4 7 30 4 7 20 4 7 22 0 5 0 2 8 8 0 2 8 3 1 5 0 目 0 4 6 50 4 6 20 4 6 30 4 6 40 4 6 21 9 5 0 2 8 1 3 2 4 粒度对子l 径大小及孔隙率的影响 表3 为原材料粒度对多孔聚酰亚胺保持架材料孔径大小及孔隙率的影响。 由于用过6 0 目筛配制的保持架材料车加工性能极差，径向拉伸强度低，耐磨 性能较差，在该实验中被筛选掉。由表3 可知：在相同配方( p 6 0 f 3 5 w 5 ) ，成 型压力及烧结工艺条件下，聚酰亚胺粉过筛的目数越大，亚胺粉越细，粒径越 小，材料的平均孔半径变小，孔隙率下降，但在工作中对油的保持率提高。 表3 原1 爿举| 爿立宦对多孔聚酰亚胺保持架捌糌l 径大小、孔隙率的影响 聚酰皿胺粉过筛的目数平均孔半径1 1 m孔隙率 1 0 0 目 1 23 6 8 1 5 0 目 l _ 0 53 4 7 3 3 材料配方 在原来复合多孔聚酰亚胺保持架材料基础上，为了提高某些性能以满足不 同条件下使用，逐渐发展了新的多孔聚酰亚胺保持架材料，以提高机械强度为 目的，增加了聚酰亚胺含量，降低了聚四氟乙烯含量，去除其它固体润滑剂。 研发了几种不同配方，配方p 8 0 f 2 0 含2 0 聚四氟乙烯；配方p 9 0 f 1 0 含1 0 聚 四氟乙烯；配方p 7 0 f 3 0 含3 0 聚四氟乙烯：配方p b o f 3 5 w 5 含3 5 聚四氟乙烯， 5 二硫化钨；p 9 7 f 3 含3 聚四氟乙烯。 3 3 1 配方对径向拉伸强度的影响 表4 为不同配方对多孔聚酰亚胺保持架材料径向拉伸强度的影响。由表4 可知： 在相同成型压力，颗粒度及烧结工艺条件下，材料中去掉国体润滑剂后，多孔聚酰亚 胺保持架材料的径向拉伸强度明显增加“”。在显微镜下观察，材料的洁净度，光洁度 及均一性都显著提高，机加工性能得到改善。 聚四氟乙烯含量越小，材料的径向拉伸强度越大。 表4 不同配方对径向拉伸强度的影响 试样尺寸平均值 配方径向拉1 申强度肺a i 砷m p a 由1 3 2 8 3 4 54 9 6 p e 栅啪49 0 中1 3 2 8 4 4 8 54 8 5 中1 3 3 8 4 51 6 4 8 p l 0 f 2 0 1 5 6 3 中1 3 3 8 2 4 51 47 8 士1 3 3 8 3 4 ，61 96 5 p g 师1 01 9 2 5 由1 32 8 4 4 51 8 8 5 3 3 ，2 配方对摩擦磨损性能的影响 表5 为不同配方对多孑l 聚酰亚胺保持架材料摩擦磨损性能的影响。由表5 可知：在相同 成型压力，颗粒度及烧结工艺条件下，材料中去掉固体4 鸷滑剂后，材料的磨痕变窄，硎磨性 能提高。聚四氟乙烯含量越小，摩擦力越大，摩擦系数也越大，但摩痕变窄，耐磨性能增强。 表5 不同配方对摩擦磨损性能的影晌 摩擦力州 摩擦1 0 分钟 配方 2 r a i n4 n f i n6 m i n8 r a i n1 0 m i n 系数磨痕佃m r 姗f 3 5 ，5o a 8 4o 4 8 20 | 4 8 20 a 8 30 4 8 50 2 9 4 0 ，2 9 6】9 p 8 0 f 2 00 4 3 70 4 4 4o 4 5 70 4 6 30 4 6 50 2 6 5 旬2 8 31 4 8 p 9 0 f 1 0o a 7 40 4 9 70 5 2 80 5 5 0o 5 6 20 - 2 8 9 3 4 71 4 33 3 配方对孔径大小及孔隙率的影响 表6 为不同配方对多孔聚酰亚胺保持架材料孔径大小、孔隙率的影响。由 表6 可知：在相同成型压力，颗粒度及烧结工艺条件下，随着原材料中聚四氟 乙烯含量增加，材料的孔径逐渐变大，到一定程度后，随着聚四氟乙烯的含量 增加，孔径和孔隙率变小，微孔结构与成孔机理也有可能出现较大差异。 表6 不同配柳寸冲才i 珥孑馏汰小、孔隙率的黝自 配方平均孔半径um 孔隙率 p 9 7 f 30 9 9 6 1 9 6 p 9 0 f 1 01 3 2 62 4 5 p 8 0 f 2 01 3 7 82 7 4 3 p t o f 3 01 1 1 41 8 6 3 为了使材料性能均匀一致，须对原材料进行充分混合，针对氟塑料粉未粘性大， 有静电，易粘连等特点，原材料进行预干燥处理，采取高速混合搅拌。混合后 的料经过筛后贮存于干燥的磨口瓶中，避免吸潮和污染。 3 4 压制成型工艺 压制成型工艺包括压制压力，保压时间及压制方式。它们均对多孔含油材 料的性能产生影响。用双向受压的压制方式，延长保压时间可减少材料的不均 匀性。成型压力是主要参数，它的变化可引起材料性能的变化。 34 1 压力对径向拉伸强度影响 表7 为不同成型压力对多孔聚酰亚胺含油保持架材料径向拉伸强度的影 响。由表7 可知：在相同配方，颗粒度及烧结工艺条件下，随着成型压力的增 加，材料的径向拉伸强度增加，车加性能增加，加工后的坯料在显微镜下观察， 发现该材料组织密实。 表7 不同成型压力对材料径向拉伸强度的影响 压力试 羊尺寸径向拉1 申强度平均值 m p a 1 m d a a m 1 7 2 x