尼龙轴套的设计及其应用.pdf

多 7 M c 尼龙轴套的设计及其应用 衡 阳 工 程 机 械 厂 生 7 J 弓 乡t 弓 A 摘要 MC 尼龙是 目 前工程塑料 中应用比较广泛 用作代替有色金属 铜的 非金属材料 本文对MC尼龙 的主要性能特 点 和MC尼 尼轴 套的设 计与应 用 等 问题 作 7较为详细 的叙述 氧 词 壁 坚 酎 盟 MC尼龙又称单体 浇铸尼龙 它是用 已 内酰胺单体在强碱性催化剂 如N a OH 和 一 些助催化剂的作用下 通过简单的静态或 离心法 直接浇铸在模具内聚合成型 制成 各种实心制件或中空制品 它是 目前工程塑 辩 中应用 比较广泛的一种 尤其在工程机械 中作为耐磨减摩材料代替有色金属 锕 不 仅节省大量贵重金属 而且其耐磨性也 比 铜好 使用寿命比铜提高 1 4 倍 与它相 配合的轴磨损情况也大为改善 经济效益十 分显著 本文根据有关资料和设计实践筒述 MC 尼龙的主要性能特点和MC 尼 龙 轴套主 要参数的确定等同题 供参考 一 MC尼 龙 的主要性能特点 尼龙材料以其强度高 刚度大 韧性好 低蟠变 耐 磨耗及化学稳定 性 好而 著 称 MC尼龙 除具有 普通尼龙材 料的特点外 其 聚合物的分子量可 高达3 5 7万 结 晶 度 高 比一般尼龙 6 高一倍左右 因此 各项 物理及机械性能较为优异 其机械强度几乎 比一般尼龙高1 5 倍 超过一般 常 用工程塑 料 MC尼龙性能 指标见 表 1所 示 3 2 MC尼龙在制造过程 中聚合与成型过程 合在一起 园此利用MC尼龙制造工艺的特 点 可以在聚合过程中加入各种共单体 助 剂 填料等来改变聚合物的结构和性能 也 可以在做好制品后 通过热处理 化学处理 等方法来改变制品表面结构 达到所需的性 能要求 园此 MC尼龙的物理 机械 性能 可以在较大范围内调整 既可以做成冲击强 度大于9 0 MPa 伸长率大于3 O 的韧 性 优 照 的材料 也可 以做 成拉伸强 度 大于7 0 MP a 断裂伸长率达 8 的 高刚性材 料 还可以加 入 耐磨材料及金属粉末等 以提高 硬度 耐 热性 降低膨胀系数 和吸水率 并保持MC 尼龙原有的机械性质和摩擦特性 多种材料 的机械性质见表 2 所示 二 MC 尼龙轴套 结构尺寸的确定 1 轴套皇覃 的确 定 MC 尼龙轴套用于比压大或转 速高的场 合 应尽量做得薄些 以弥补导熟性较差 线膨胀系数大的缺点 一般来说 轴套越薄 润滑条件越好 承载能力越高 但是困壁厚 比较薄 轴套压入轴套孔即使用很大的过盈 凿岩 机械 气动工兵 1 9 9 4 4 一 l t 维普资讯 I 嗣 一毒 襄 1 MC 尼意主要性艟 密 度 g T c m 1 1 4 1 1 7 抗拉 强度 MPa 7 0 一9 0 抗压 强度 MPa 1 0 O 1 3 0 抗弯 强度 MP a 1 2 O 一1 5 0 带 缺口 k J m 2 7 4 5 冲击强度 无 缺口 k J m 5 0 0 一 6 O 0 斯 裂 仲长 率 2 0 4 0 弹性模 量 1 O MPa 2 4 3 6 线 膨胀 系数 1 0 一 5 9 热 变形 温度 负荷 1 8 1 MPa 1 4 0 布 氏硬度 da N 皿m 1 3 2 1 熔 点 2 2 0 2 0 马丁 耐热 性 4 9 5 o 维卡耐热性 1 5 O 一 2 2 0 吸 水率 0 6 1 2 介 电常数 1 0 e llz 3 7 摩 擦 系数 于摩 擦 0 1 7 一 O 2 5 裘 2 多种材料的摩壤系数和P V值 许用 应力 P 许用 速度 摩擦系数 材 料 PV极阻 值 MPa M s 无润 滑 润 杆 轴 承 台金 2 0 5 0 1 0 0 2 8 0 0 0 5 青铜BP O 6 5 O 5 1 0 3 1 5 0 1 2 0 0 1 夹 布 胶术 6 3 5 8 0 1 6 0 0 2 MC 尼龙 1 0 3 1 0 0 1 5 6 0 O 1 8 5 MC尼戈 5 石 墨 1 0 4 1 2 0 0 8 0 O 1 5 MC尼 龙 3 石墨 8 1 O 1 5 0 0 2 5 0 0 0 8 量 其张紧力也 小 轴套容易松动 压入时应 加涂粘结荆以防松动 MC尼龙轴套 若用于 承受冲击载荷 则壁厚应取大些 若用以代 昔 岩机械 气动工吴 1 9 9 4 4 替原机械上所用的铜套 则壁厚可暂按原铜 套壁厚 考虑 MC 尼龙轴 套可 参 考 表 3确 定 维普资讯 袭 5 MC 尼龙轴毒曲蕾厚参考表 袖颈 直 径 壁 厚 ram 接近 最大 许用压 力工 作 时 在平均工 作条 件下工 作时 承 受 冲击蔽 衍 时 25 2 3 5 50 3 4 5 7 7 5 4 5 6 0 l 00 5 j 7 5 11 125 9 l 1 5O 8 n 1 7 7 5 9 5 1 2 l 0 20 0 11 14 2 22 5 1 2 1 5 5 2 5 2 轴套长度的确定 Mc尼龙轴套的长度 与轴 颈d o 之比对 r 于轴套的摩 擦 系数影 响 很 大 当 l时 口 摩 攘系数最小 当轴套 长度超过轴径 2 3 倍对 由于轴的弯曲或轴的轻微振动 将g i 起局 部发 热 使轴套加剧磨 损a轴套 太短 接触面积小 压入轴套座 中后 容易松动 影 响工作可靠性 轴套压 入轴套座 中后 其两 端不宜露出 轴套座 以免 磕碰 影响轴旋转 的是活性 一般在轴套设计中 选取工 1 5 do 较为适 宜o 5 轴套外径过盈 量 的确 定 由 于MC尼龙的 弹性 和塑性 比金属大 弹性模量 比金属 小 因此要求 其过盈量 比金 届套大 以保证有足够的张紧力 防止工作 时松动 但过盈量过大 将造成压配困难 易引起大的 内应 力 面 发生 轴套 碎裂 对 具 有突缘的轴套更为突出 MC尼龙轴套的过盈 量 可 以按下 式计 算 f D 0 0 5 0 0 8 1 式 中 过盈量 mm D一轴套外径 mm 过 盈系数 一般 0 0 0 3 0 0 1 一 般说来 外径尺 寸大的 轴套 取较小 值 外径尺寸小的轴套 值取大些 L D大 的 轴套 取较 小值 L DJ j 的 轴套 值取 大些 对 于MC尼龙轴套与轴 套座一 般选 用 H7 p 6 G 7 s 7和N 8 r 7的 配合 4 轴套 内径 的确 定 由于轴套外径有一定的过盈量 在确定 MC 尼龙轴套的内径时 必须首先 考虑轴套 压入轴套座过盈所 引起的 内径收缩 为便 于 说明 建立轴套的模型如 图1 所示 并假设 轴套压入轴套座后 轴套座孔不变形 轴套 轴向尺寸不变j壁厚不影响内径的变化 轴 套材料体积不变化 扁 a 岛 司 司 2x 5 2 4a a 56 D 到 豳 1轴套祺鹜 由假设 得出 U D D 一 d o 2 3 L C D a 一 cf 一 c f 啻岩机械 气动工具 1 9 9 4 维普资讯 则 有2 D D D 2 d 一 d 考 虑到AD及 d 很小 故 忽 略 D 及 d 得到 d D 2 d a 式 中D 轴套 名义外径 D 轴套与轴套座的配台过盈量 d a 轴套名义 内径 从式 1 可见 内径的收缩量与外径 的 过盈量成正 比 根据试验 可近似地认为 内径的收缩量 Jd AD 所 以要 保证轴套装 配后 内径尺 寸就要根据外径 的过 盈量 D计 算 出内径 加工尺 寸d d 十Ad 其 次要 考虑配合 间隙 由于MC尼 龙的 导热性比金属差 热膨胀系数 比金属大 工 作时 由于温升引 起的热膨胀 将 导致 轴套 内 径缩小 从而 磕小 轴套 与轴颈的配台 闻隙 因此 其配合 间隙应 比锅套大 才能 保证正 常工作 配 合 间隙的选 择是 MC尼 龙 轴套能 否正常运 转的 重要环节 之一 轴套损坏往往 由于配合 间隙选择 不当造成 可 以根据下式 来计算轴套与 轴的 配合 间隙 C S f 一f a 0 0 4 3 式 中C 配合间隙 1 2 1 Y I 1 线膨 胀系数 l C S 壁 厚 mm f 一f 5作温升 口 c 试 验表明 也可 按 下式 确 定 配合 间 隙 C Ld n 4 式 中d n 轴颈名义直 径 mm 间晾系数 一 般 说 来 O 0 0 4 0 0 1 2 在 O 0 0 5 0 0 1 1 范 围 内 变 化 轴 颈 名 义 直 径 d 较小时 取较大值 d o 较大时 取 较 小值 子是可得 轴套 内径d d d d C 5 MC尼 龙的弹性 和塑性均较大 因此 轴 啬 岩机械 气动工具 珀9 4 4 套 内径不 需要 象金属 社套那样要求高 对于 轱套和轴颈一般选用Dg d 9 或 E 1 0 e l 0 等公 差 配合 三 MC 尼龙轴套 应用存在的问题 及解决方法 1吸术膨 酝 吸水 膨胀是M C尼龙轴套在 工 程 机械上 应用的一 大难题 MC尼龙 吸水 率高 2 4 小 时 浸泡 吸承 率为 l 左右 在加工 轴套 时 往 往只 控制最后 的尺寸 没有考虑 到在 使 用中因吸水膨 胀而产生 抱轴现象 对于水 下 作业 的施 工机拙 遮一点应引起设计者的 注意 解决达一 问题的方汝是 首先将毛坯加 工成半成 品 各直径尺 寸 留4 ram余量 若轴 承尺寸小 余量可小 些 再将半 成 品放入 沸水中煮l 4 小时左右 使其充分膨胀 最后 进行终 加工 将尺寸 控制在 图纸范围内 这 样 基术上可以保证轴套在使用中不因水流 浸 泡而 导致 尺寸的 变化o 2 温度变形 对于MC 尼龙材料来讲 温度 变形是一 个主要缺点o M C尼龙的 线膨 胀系数为 5 l 0 9 1 0 1 C 其耐热 芒 皂 差 对 温鏖 变化比较敏感 温度升高后机械性能明显降 低 o MC 尼 龙的 性能 如 图2 图 3所示 厶 苫 日 世 4 0 0 4 0 8 0 0 0 2 口 圈 2 c 尼龙的拉伸强度 与温虞的关男 I 35 维普资讯 嵩 翻 捌 素 垂 圈 5 Mc尼龙的拉伸弹性横 与强度的关摹 在进行MC 尼龙轴套设计 时 应该说明 轴套的工作温度 在进行车削对应根据测量 温度将尺寸修正 这样才能够控制温度变形 加工时内外径修正量计算式如下 d 内 d D f 6 d 外 D 口 f 7 式 中6 内 内径修正量 6 外径 修正量 卜一 轴套工作温度与 轴 套 加工时 的温度之差 口 线膨胀率 MC尼 龙 取8 3x 1 O 1 3 内应力变形 无论用何种方法加工的MC 尼龙 轴套 都会 有因内应 力释 放丽 造成的形变 所 以在 使用前应消除内应力 消除内应力的方法 主 要是通过热处理 其方法 同解决吸水膨胀问 题一样 此不再赘 述 此外 由于Mc 尼龙弹性变形 较太 故 在车削加工时有一定难度 可以在加工前私 作专用的车削夹具 4 润 滑方 式 MC尼龙 轴套 的润滑条 件和方式与 轴套 的 PV值有关 P 值受速度影响较大 速度 太 高容易发热 许用压力P值大尤减少 MC 尼龙的摩 擦 特性见表 4 在设计中 根据需要视具体情况决定轴 套的润滑方式 选取合适的润滑剂 四 MC尼龙轴套 设计举例 我厂某一产 品的l工作装置的销轴直径d 1 0 0 ra m 轴套工作温度为3 O 加工轴套 时强 度为 5 C 材料选定为MC尼 龙 试设 计此轴套 查表 3 轴承在平均工作条件下工作时 的壁厚S 7 5 ram 则 轴套座名 义内径D d O r 2 S皇1 0 0 2 7 5 l l 5 mm 若D 0 选 用 H 7 配 合 则 轴 套 座 内 径 制 造 尺 寸 为 姐I 5 mm 考虑 到轴承长度对 轴套摩 擦 r 系数的影响 一般选取争 I I 3 所以轴 U D 套长度 可在 1 0 0 l S 0 mm范围内选取 轴套外径过盈量 由式 1 计算 过盈 襄 4 协c尼龙在不同润滑条锋下的摩擦系戤 循环 浊滑 滑 o o o 2 0 o 2 矿物油 润 精 0 1 0 0 8 黄 于 油澜 滑 o 1 5 0 2 0 承润滑 0 2 3 o 1 9 无油 润 滑 o 3 0 4 o 1 5 0 3 o 5 硫 化铝填 充 O 0 7 0 1 5 0 0 6 0 1 凿 嚣机诫 气 动 工具 l CO 4 4 维普资讯 系数取 0 0 0 8 则 D 4 0 0 5 N0 0 8 0 0 0 8xl l 5 0 0 5 N 0 0 8 0 9 7 1 mm 取 0 9 8 ram 考虑 到温度 变形 加工时 的外径 修正量 由式 7 计算 6 外 D 口 1 1 5 X 8 3X 1 0 X 3 0 5 O 2 4 ram 在外径加工偏差中应减去此值 若轴套外径 D采用p 6 配合 则轴套外 径 制 造 尺寸D 为 l 1 5 7 4 8 3 m m 实际过盈量经计 算 得 0 7 9 9 mm 0 7 4 2 mm 平 均 过 盈 量 0 7 7 0 5 mm 轴套内径收缩量可按式 2 计算 取 D 0 7 7 0 5 则 Ad t d o AD a 0 uu 0 7 7 0 5 0 8 8 6 mm 同样也 考虑温度变形 加工时的内径修正量由式 6 计算 d 自 d 0 口 1 0 0 x 8 3X1 0 一 X 3 0 5 0 2 1 mm 在内径加工偏差 中应 减 去此 值 若 轴 套 内径d 采 用D9 配合 则 轴套 内径 制造尺寸 d 为 l 0 0 6 7 6 8 粥 i mm 内径实际缩小量经 计算 得 0 8 5 8 mm 0 7 9 8 mm 轴套压配台后的实际内径经 计算得 J l O 0 0 8 5 m m d 9 9 9 3 8 ramo若 轴 颈采 用 d 9配 合 则 轴 颈 外 径 制 造 尺 寸 为 1 0 0 3 i j mm 轴套与轴颈实际配台 间隙为 j 0 2 9 2 mm d 0 1 8 2 mm 平 均 配 合 间隙d O 2 3 7 mm 满足 使用要 求 值得注意的是一般在设计中仅计算外径 过盈量 或 D一6 最后 选取轴套与轴颈和轴套座的公差配台 在此 基 础上根据式 4 核算内径韵配台 间隙 本 倒 轴 承 外 径 D 1 1 5 7 3 8 l mm 轴 套 座 内 径 Do l 1 5 mm 轴 套 内 径d 1 0 0 6 7 6 8 i 2 mm 轴 颈 外 径d 1 0 0 8 i i mm 轴套 与 轴 顼 配 合 间 隙 为 d 1 0 9 ram d 0 9 1 6 ram 平 均间隙d 1 0 0 3 mmo保证轴顼在轴套 内孔中正常 运 转时的平均 间隙值C 0 O 5 0 0 1 1 d O 0 0 5 0 0 1 1 1 0 0 0 5 1 1 ram d 在 此范 围内 满足设计要求 上述参数确定之后 进行轴套的结构设