铁路货车用工程塑料保持架材料筛选与性能测试潘安徽

铁路货车用工程塑料保持架材料筛选与性能测试潘安徽铁路货车用工程塑料保持架材料筛选与性能测试潘安徽 第26卷 第1期 中国铁道科学xx 1月 CHINA RAILWAYSCIENCE 1001 4632 xx 01 0100 06Vol 26No 1 January xx 铁 货车用工程塑 保持架材 筛选与性能测试潘安徽 刘凤山 刁克军 陈国生 李卫东3 四方车辆研究所 山东青岛 266031 摘 要 详细研究保持架材 与油脂的兼容性 生产工艺与成品物 机械性 能的关系 通过测定 同配合体系保持架的性能 可知橡胶弹性体改性后的保持 架的韧性大幅度提高 研究还发现模具成型温度 后处 种类 时间及温度对保持架的性能 有较大的影响 研制的工程塑 保持架成品经过台架试验和120km h 1高速重载货车的实际运 考核 使用效果良好 即使在无油状态下也 能够维持列车轴承正常运转相当长时间 可有效防止热轴 切轴事故 的发生 关键词 轴承 保持架 材 工程塑 尼龙 设备研制 U270 42 A12311 1 铁道科学研究院金属及化学研究所 京 100081 2 二七车辆厂 京 100072 铁 货车用工程塑 保持架具有良好的耐磨性 耐腐蚀 自润滑 抗 冲击性 质 小 成本低 特别是应急安全性好 即使在无油状态 由 于工程塑 保持架自润滑的特点 能够维持滚动轴承正常运转一段时 间 提高了货车滚动轴承运 安全性 本文对铁 货车用工程塑 保持架的选材筛选及性能测试进 研究 表1 保持架原 配合体系的实测性能内容A3ZYT 1151 74619188 65 3011618 61 637 230 0GB1043GB104316 4033 2 4027025GB1043GB2577GB3398GB1634GB4608ZYT 2111 0179 0标准GB1040GB1040GB9341GB9341拉伸强度 MPa154 5弹 性模 MPa5120弯曲强度 MPa194 0弯曲弹性模 GPa6 75最大弯曲应 下挠度 mm5 87抗压强度 MPa176最大压缩 kN25 7压缩弹性模 GP a2 9简支 冲击强度 23 缺口 kJ m 2 简支 冲击强度 23 无缺口 kJ m 2 简支 冲击强度 50 缺口 kJ m 2 玻纤含 硬度 球压痕 MPa热变形温度 熔点 成型收缩率PA RALLEL 成型收缩率NORMAL 吸水性 密度 g cm 3 拉伸强度 MPa耐热 化性能冲击强度 kJ m 2 缺口冲击强度 kJ m 2 9 1667 87 9425132 52652650 550 860 451 33117 518 06 50 76 1 290 75GB1034GB1033GB1040GB1043GB10431 保持架材 配合体系与性能 只有高强增韧的复合材 才能满足保持架的设计要求 目前国外开发的保持架主要使用尼龙类工程塑 即采用玻璃纤维增 强改性尼龙制造工程塑 保持架 为保证良好的 学性能 提高玻纤在尼龙中的均匀性非常必要 国产尼龙材 含有的玻纤是在改性过程中加入 均匀性要差些 在一定 程度上影响其性能及稳定性 1 265 国外原材 中的玻纤是在高分子合成过程中加入的 具有极高的均匀 性 学性能优良并且稳定性好 要提高尼龙材 的抗冲击 韧性 在体系中还必须加入橡胶弹性体 可 以大幅度提高制品的韧性和抗冲击性 对 同保持 2 架原 配合体系的性能进 了测定 结果见表1 xx 03 23 作者简介 潘安徽 1974 男 安徽省黄山市人 助 研究员 基金项目 铁道部科技研究开发计划项目 xxJ039 第1期 铁 货车用工程塑 保持架材 筛选与性能测试101 上述所有配合体系中均加入了玻纤 A3和ZYT 1配合体系中没有加入增韧弹性体 ZYT 2体系中加入有橡胶增韧弹性体 从表1中数据可以看出 通过橡胶弹性体改性后的尼龙体系 其强度 弯曲等性能有所下降 但材 的冲击性 韧性 大幅度提高 2 保持架原材 与润滑脂的兼容性 保持架长期工作在油脂环境中 在运 中有一定的温度 应考察润滑脂 对运 中保持架性能的影响 将A3材 的测试样条分别置于180 的热空气中200h和140 的 型油 脂介质中长达1000h 前者考察保持架材 的热稳定性及热 化特型 后 者考察材 的耐热介质特型 试验结果见表2 表2 保持架A3材 在 同温度及油脂条件下的性能变化项目拉伸强度 MPa 弯曲强度 MPa简支 无缺口冲击强度 kJ m 2 简支 缺口冲击强度 kJ m 2 通常154 5196 067 89 16180 200h117 5161 848 06 50 型脂1 40 1000h141 8182 645 26 44图1 保持架整体弯曲测试示意图3 2 保持架框架整体拉伸法向保持架中的各个框架施加横向拉伸 如图2 所示 框架结构在横向拉 的作用下逐渐扩张 直至断裂 从中可以测得拉断 时的最大拉 在实际运 中保持架框架可能受到于滚柱非正常的横向作用 该 与P 的方向基本一致 该值可表征在非常情况下 滚柱振动致使保持架框 架断裂时所需 的大小 为详细考察保持架的性能 特别设计了两种 同类型的夹具 从窗 整 体均衡受 角度考虑设计夹具宽度为45mm的宽夹具 从倾向窗 大端受 角度考虑设计夹具宽度为25mm的窄夹具 从表2中数据可以看出 样品置于油脂或热空气中长期高温 化后其性 能有所下降 但其性能变化和适应性满足保持架的使用要求 3 保持架成品性能的评价 目前国内还没有针对保持架的检验和评价依据 针对SKF工程塑 保持架在国内使用过程中 的问题及潜在的薄弱环 节 3 图2 保持架框架整体拉伸测试示意图 参照欧洲关于工程塑 保持架的测 试标准EN12080 设计出一系列的评价测试方法 用于工艺调整和质保 控制 3 1 保持架整体弯曲法在垂直方向上给予保持架一缓慢压 P 如图1所示 保持架在压 作用下逐渐弯曲变形 直到被压断 可以测得保持架断裂 时的最大压 以及压 方向的最大变形 挠度 最大压 在一定程度上反应了保持架在外压 作用下薄弱环节发生断 裂时的强度临界点 挠度则表征保持架在外压 作用下发生的极限变 形 与材 韧性有关 3 3 保持架大端拉伸法保持架大端端面设计得比较薄弱 在成型过程中 熔融物 在此交汇 形成熔接痕薄弱环节 SKF保持架在国内使用过程 中发生较多大端断裂现象 因此采用向保持架大端施加一横向拉伸 的方法 如图3所示 从中测 得大端断裂时的最大拉伸 用于表征制品大端的强度 图3 保持架大端拉伸测试示意图102中 国 铁 道 科 学 第26卷品容 在此开裂 试验发现 无论采用何种材 4 加工与处 工艺对成品性能的影响4 1 熔接痕的影响保持架在注射成型过程中 熔融的物 在模具中冷却 最 后在充满型腔时汇聚 这样在汇聚点就会形成熔接痕 4 采用框架整 体拉伸评价方法 其 值随框架的位置有规 地起伏变化 结果如图4所 示 处于波谷的拉伸 值与保持架大端熔接痕所在位置一一相对应 说明 注射过程中产生的熔接痕对保持架的性能有一定的影响 在实际运转中 熔接痕薄弱环节受滚柱振动容 在此发生断裂 熔接痕是制品中的薄弱环节 制图4 同框架位置与 学性能的对应关系4 2 模具温度较高的模具温度 有利于制品结晶 但对制品的强度和韧性 有一定的影响 相对较低的模具温度具有较好的韧性 在压 作用下有 较大的变形 挠度 具有较高的拉断 和压断 图5 图7分别为利用压缩法和框架整体拉伸法测试制品时的 值 其 变化趋势与挠度相同 采用80 90 的模温制得的保持架具有较高的 压断 和拉断 所以实际工艺中 在保证熔接痕强度的前题下采用较 低的模温对提高保持架性能有利 最佳模具温度为80 90 图6 同处 时间下模温对压断 的影响 5 图7 模温对拉断 窄夹具 的影响图5 同后处 时间下模温对拉断 窄夹具 的影响4 3 后处 工艺对成品性能的影响经过水处 工艺的保持架产品的韧性 抗冲击能 大大提高 拉伸过程中圆弧部分能够被拉直 随后才出现断 裂 在压缩断裂过程中具有较大的变形 未经过后处 工艺的制品在拉伸过程中 圆弧部分没有明显的被拉直 现象就出现了脆裂 拌有强烈的 啪 声 图8为 同制品 用水处 和图8 有无后处 对保持架挠度的影响第1期 铁 货车用工程塑 保持架材 筛选与性能测试103用水处 8h的挠度值 变化 制品经过处 后 能够获得较高的韧性 这样 列车运 中 轴承内部钢 柱产生的振动和微小位移能够被保持架吸收 而保持架本身没有破裂 从而有利于维持轴承的正常安全运转 4 3 1 不同后处理方法的比较后处 有水浴 水蒸汽 油浴等 采用油浴处 6 工艺 同水处 工艺相比较 学性能相差 大 但是采 用油处 的成品缺乏韧性 图9为保持架在经过水和油 同处 方法后挠度值的比较 从中可以看 出采用水处 的挠度值比采用油浴方法处 的挠度值大得多 原因是采用水工艺处 时 保持架成品在水处 过程中会吸收一定 的 水分 而尼龙制品在成型后吸收一定 的水有利于提高产品韧性 而采用油浴处 只能消除内应 制品本身 能够吸收水分来提高自身 的韧性 所以对于保持架产品采用水处 比较有利 如图 13 图14所示 随着处 时间的延长 其拉断 总体呈下降趋势 为确保保持架的强度 水处 时间并 是越长越好 需结合其它性能参 数 寻找最佳值 图10 保持架吸水与处 时间关系图11 保持架挠度与处 时间关系图9 同处 介质对挠度的影响图12 保持架压断 与处 时间关系4 3 2 处理时间适 吸收水分对于提高制品的韧性 抗冲击性能是有利的 保持架制品在后处 过程中吸收水份需要一定的时间 图10反映了保 持架产品吸水 与后处 时间的关系 数据表明 随着时间的延长 保持架吸水 逐渐增多 最终达到饱和 对 同原 采用 同的水处 时间 然后作整体弯曲试验 考察其挠度值 和压断 的变化 测试结果如图 11 图12所示 制品随着水处 时间的延长 制品吸水 挠度值增加 其韧性提高 DP2体系中加入有增韧弹性体 BSF1 BSF2体系中无增韧弹性体 数据 表明DP2制品的韧性较BSF1 BSF2的好 显示出 高的挠度值 压断 与处 时间关系较为复杂 随着处 时间的增加韧性提高 压断 也随之提高 含增韧弹性体的DP2处 时间延长 韧性对压断 贡献 大反而呈下降趋 势 用宽窄 同夹具对保持架框架作横向拉伸时 图13 保持架宽夹具拉断 与处 时间关系图14 保持架窄夹具拉断 与处 时间关系104 中 国 铁 道 科 学 第26卷 DP2 由于自身含有增韧弹性体 水处 所需时间较短 处 时间在8h以 内就能够得到较好的韧性 延长处 时间 反而降低其抗拉强度 对于用BSF无增韧体系材 由于体系本身没有加入弹性体增韧 需要 的后处 时间较长 24h以上才能够保证保持架既有较好韧性又有较高 强度 对DP2 尝试采用蒸汽法进 后处 蒸汽处 4h后的试验结果如表3所示 各项指标都满足要求 表3 蒸汽处 后DP保持架性能数据项目测试结果挠度值 mm55压断 N913 拉断 宽 N3440大端拉断 N2454 于润滑滚柱 导致温度降低 如此来回反复 此间运 10h10min 此时轴温开始加速上升 50min由10 4 上升到158 8 停止试验 分解检查工程塑 保持架有熔化现象 但轴承未出现 抱轴 第二轮台架试验是各厂装有新研制的工程塑 保持架的滚动轴承和国 外滚动轴承进 对比试验 试验 工况符合上述的描述 国产滚动轴承平衡温升均低于国外滚动 轴承 主要是由于密封形式差别所致 试验 工况上述的描述基本符合 由于工程塑 保持架的自润滑特性 使得试验中处于警戒轴温上的轴承 继续运 近10h而未出现 抱轴 1现象 最高速度130km h 这就大大延缓了故障产生 具备了防止和杜绝热切轴的可能 从而避 免了恶性事故发生 提高了车辆运 的安全性 5 台架试验 采用国内 同厂家的货车滚动轴承 内部装用新研制的保持架进 台架 试验 试验条件按提速重载货车21t轴重要求设定 试验工况按正常运转性 能试验称为试验 试验工况按非正常运转性能 无润滑脂 试验称为 试验 共进 了12台次试验 其中试验 进 了7台次 试验 进 了5台次 试验 货车滚动轴承在60 120km h运转过程中轴温随速度的提高 稳定上升 在120km h 1 16 装车考核试验 xx xx 对试产的4000套工程塑 保持架进 装车运 考核试验 在铁道科学研究院环 铁道试验线提速货车上进 为期约1 的实际运 考核 轴重为21t 速度为120km h 运 效果良好 拆卸后发现保持架 没有受到任何伤害 1 7 结 语 装入工程塑 保持架的国产轴承 均通过了台架性能试验 其运转性能 平稳 温升变化小 在无油试验中 国产无油轴承及国外无油轴承均因轴温过高而损坏 轴承中的工程型 保持架均处于熔化 断裂状态 但都未出现 抱轴 现象 由于工程塑 保持架本身的自润滑特性 它能使处于警戒轴温下的轴 承 继续运 近10h而 破坏 这就大大延缓了故障的出现 防止或杜绝热切轴的可能性 从而避免 了恶性事故的发生 提高了车辆运 的安全性 通过现场运用 装入工程塑 保持架的国产轴承具有极高的安全应急 性 220h 间断运转过程中 温升在30 左右达到平衡 经过28560km运转后 轴承分解检查 各部件均处于正常状态 试验 是将经过试验 工况运转后 经过分解检查 确认各部件处于 正常状态 然后按正常检修的工艺要求 经过煤油清洗 尺寸检测 换 密封装置 重新组装 在 注入铁道 型脂的情况下进 工程塑 保持架 无油强化试验 在逐步加大负荷 提高速度情况下 经过9h2min部分滚动轴承内温度 达84 4 温升55 达到线 报警温度 轴温到90 时温升又趋平缓 轴温到103 7 又出现下降趋势 降到85 7 时又开始缓慢上升 这是由于保持架材 在内部熔化过程的表现 随着温度升高 尼龙开始 熔化 熔化后的流体有利参 1 2 3 4 考文献 彭治汉 聚酰胺 M 京 化学工业出版社 xx 周维祥 塑 测试技术 M 京 化学工业出版社 1997 SKF轴承保持架断裂原因汇报材 Z 京 铁道科学研究院金属及化 学研究所 xx 王兴天 注塑成型技术 M 京 化学工业出版社 1997 第1期 铁 货车用工程塑 保持架材 筛选与性能测试 5 6 金国珍 工程塑 M 京 化学工业出版社 xx 105 刘亚盈 蔡根喜 丁 琦 等 轴承工程塑 保持架的制造与应用 J 工程塑 应用 1994 22 1 23 25 MaterialSelectionandPerformance TestofEngineeringPlasticCagesfor FreightWagonsPANAn hui LIU Feng shan DIAO Ke jun 11CHEN Guo sheng LI Wei dong 1 Metal andChemistryResearchInstitute China Academyof RailwaySciences Beijing 100081 China 2 BeijingFeb 7th RollingStockWorks Beijing 100072 China 3 Sifang RollingStock ResearchInstitute QingdaoShandong266031 China 123Abstract C ompatibilitybetween cagematerials andoil relations betweenmanufacture