[科普中国]-无润滑轴承

简介

采用由自润滑性的材料，或者含固体润滑剂成分的材料制造的轴承，称为无润滑轴承，它处于干摩擦状态下运转。用作无润滑轴承的材料。绝大多数是塑料。

采用这种轴承时，轴颈表面粗糙度应Ra≤0.209μm，并应有较高的硬度，轴承应有较大的间隙，因为塑料吸湿和应力松弛后，尺寸会变化，且线胀系数较钢大。轴承常用宽径比为0.5～1.5，轴瓦厚度应尽量薄，以利散热。

设计参数（1）宽径比B/d与大小径比D2/D1径向轴承宽径比在0.35～1.5，推力轴承通常取外径与内径比D2/D1≤2。取大值，轴承承载能力大，但径向轴承中轴的变形和两轴承孔不同轴度的敏感性亦高。取小值，便于排出磨屑，利于散热。因此，若有可能宜选较小值。

（2）轴承间隙轴承间隙对轴承工作性能影响很大。间隙过大，磨损加剧，运转精度低；间隙过小，轴承过热，温升过高。工程塑料轴承的尺寸稳定性较差，会吸收液体而膨胀，浸入水中尺寸变化可达0.3%～2.0%，而且聚四氟乙烯在20～25℃时因相变体积将增大1%。同时塑料线胀系数比金属的大（聚四氟乙烯除外），还要顾及排出磨屑。因此，工程塑料轴承要留有足够大的配合间隙。碳石墨轴承线胀系数较小，浸渍金属的石墨线胀系数与金属接近，故轴承间隙可比塑料轴瓦取的小。为排屑方便，无润滑轴承的直径间隙最好不小于0.075mm。

（3）轴瓦壁厚工程塑料热导率比金属低很多，而且尺寸变化对运转性能的影响随轴瓦体积的增加愈明显，故在保证强度和注塑许可下，计及轴套张紧力与压配合后内孔的变形，壁厚应尽可能小。又鉴于工程塑料强度也比金属低，常用金属作轴瓦衬背，然后压入较薄的塑料衬套。若在金属衬背上涂附一层塑料减摩层，则该层厚度可很薄，但大于0.2～0.3mm，否则对轴的刚度和轴承孔的同轴度要求将很高。

（4）表面粗糙度 为使无润滑轴承在运转中磨损主要发生在轴瓦上，通常轴颈表面硬度都高于轴瓦（陶瓷轴瓦除外）。兼顾轴承寿命和经济性，建议取轴颈表面粗糙度Ra=0.2～0.4μm。1

承载能力无润滑轴承的使用寿命取决于轴瓦的磨损率。为了减小磨损率，轴颈材料用不锈钢或镀硬铬碳钢最佳。轴颈表面硬度应大于轴瓦表面硬度，表面粗糙度愈低愈好。

在稳定的非磨粒磨损状态下，采用下表给出若干材料的无润滑轴承pv等值确定承载能力过于简化。目前磨损率尚不能准确预测，但可以通过实验，求得一定条件下在给定磨损率不超过给定值的极限pv曲线。下图给出若干材料的无润滑轴承pv曲线。它是在室温，表面粗糙度Ra=0.2～0.4μm，承受单向载荷时给定磨损率为0.25μm/h，承受旋转载荷时给定磨损率为0.125μm/h时得出。设计时轴承pv值应在曲线左下方。对于推力轴承，要将纵坐标值增大一倍。若允许的磨损率比给定的高，则允许更高的载荷或和速度，反之亦然。当轴承工况正处于pv曲线中部直线部分，则可近似认为磨损率与pv值成正比，由此可推算其他磨损率下允许的pv值。在较高的环境温度下工作，应适当降低允许的载荷和速度。pv曲线与纵坐标交点反映轴承静承载能力，它是受材料塑性流动或蠕变限制。pv曲线与横坐标交点表明轴承温度可能超出允许值。1

无润滑轴承的设计准则无润滑轴承的设计准则目前都是通过试验建立的。

耐磨性准则无润滑轴承避免不了磨损，所以轴承的使用寿命决定于轴瓦的磨损率。影响磨损率的因素除材质和环境外，与轴承设计参数有关的主要是轴瓦单位面积上的载荷p和滑动速度v。

速度一定时，磨损率与法向压力p的关系，在压力不大时，近似呈线性关系，当压力超过某一临界值后，磨损率显著增大。

根据赫鲁晓夫（M．M，Xpymob）磨损理论：

磨粒磨损的磨损率——Kw=Kμpv

非磨粒磨损的磨损率——Kw=Kμpmvn

式中m，n——由材料确定的指数；
Kμ——磨损系数。

为保证轴承有一定的使用寿命，必须限制其磨损率。

静载强度准则轴瓦材料承受到载荷作用可能会出现塑性流动或蠕变，使塑性流动或蠕变的量达到给定磨损量的静载荷，即为静载承载能力，也就是曲线与纵坐标轴（p轴）的交点，有时也以pp的形式给出。

耐热性准则轴承的温升是无润滑轴承对运转速度与载荷的另一个限制因素，为了保证轴瓦材料的物理、力学性能和几何尺寸的稳定性，必须限制轴承的温升-虽然轴承的发热量与加成正比，但预计轴承温升十分困难，因为散热的计算比较复杂。

p-v曲线与横坐标轴（v轴）的交点可以作为对温升的限制指标，近似汁算时也以许用速度vp作为对温升的限制指标。2

材料分类聚合物材料聚合物又称塑料，作为机械工程材料使用的塑料称为工程塑料。它是以合成树脂为主要成分，还含有各种增塑剂、稳定剂、抗氧剂、防静电剂、阻燃剂、固化剂、增强料和填充料的有机高分子材料。

聚合物的种类很多，按其特性分为热塑性和热固性两大类。

热塑性聚合物常用的主要有：聚酰胺、聚缩醛、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚胺酯等。它们是具有线形或支链形结构的有机高分子化合物，可以反复受热软化和冷却变硬。热塑性塑料可用注塑、挤塑、吹塑、压延等工艺方法成型。

热固性聚合物常用的主要有酚醛树脂、环氧树脂等。它们在加工过程中加入催化剂或固化剂使之固化，一旦固化完成，它就成为永远不可熔融的固体材料。热固性聚合物可用压塑、层压、浇铸等方法成型。

常用塑料制作轴承、导轨、活塞环等摩擦副零件，例如水泵轴承，轧钢机轴承，船尾轴承等，特别是可以用塑料制作无润滑轴承。将聚四氟乙稀片材冲压成唇型密封圈、轴瓦、活塞环和垫片等，成功地应用于带式输送机、打字机、缝纫机、电唱机唱盘、水泵、纺织机械和农业机械等设备上。

聚合物具有质轻、绝缘、减摩、耐磨、自润滑、耐腐蚀、成型工艺简单、生产效率高等特点。和金属材料比较，它们的摩擦学性能对环境温度和湿度敏感、与粘弹性有关的特性显著、机械强度底、弹性模量小，对润滑油的吸附性差。3

碳石墨材料石墨是由碳元素组成的一类非金属材料。它是碳元素3种异构体中的一种，属六方晶系，各层面由六角形环构成，层面与层面平行，呈有序的重叠晶体结构。

石墨按来源分为天然石墨和人造石墨两种。人造石墨是由碳质材料经2500℃以上高温石墨化处理而成。

碳石墨一般导电性好、耐热、耐磨、有自润滑性、高温稳定性好，耐化学腐蚀能力强，热导率比聚合物高，线胀系数小。在大气和室温条件下与镀铬表面的摩擦因数和磨损率都很低。但在湿度很低时会丧失润滑性。涂覆耐磨涂层能提高碳石墨的耐磨性。

石墨不但可作固体润滑剂，可加入树脂、金属、陶瓷等材料中，增加这些材料的减摩性，还可直接作为摩擦副材料使用，如制作造纸、木材加工、纺织、食品等忌油场所的轴承，高温滑动轴承，密封圈，活塞环，刮片等。

机械工程用碳石墨材料的“类”代表符号为M，有4个系列：碳石墨材料、电化石墨材料、树脂碳复合材料和金属石墨材料。3

陶瓷材料陶瓷是以无机非金属天然矿物或人造化合物为原料，经粉碎、成形和高温烧结而成的，由无数无机非金属小晶体和玻璃相组成的非金属材料。以无机非金属天然矿物，如粘土、长石、石英等为原料制成的是传统陶瓷；以人造化合物为原材料制成的是特种陶瓷。机械工程采用的陶瓷一般是以氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化铅、氧化钛、碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼等人造化合物为原料制作的特种陶瓷。

陶瓷的性能在很大程度上决定于它们的显微结构，包括晶粒尺寸和分布，玻璃相的成分和含量，杂质的性质、含量和分布。而显微结构又由原料、组成和制造工艺所决定。陶瓷的共同特性是硬度和抗压强度高、耐高温、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性好、质脆、不耐冲击和无延展性。

陶瓷是一种较新的无润滑轴承的轴瓦材料，特别是SiC和Si3N4，它们的强度、耐热性和耐蚀性都很好，摩擦学性能也很好。3

应用特点1、无油润滑或少油润滑，适用于无法加油或很难加油的场所，可在使用时不保养或少保养。

2、耐磨性能好，摩擦系数小，使用寿命长。

3、有适量的弹塑性，能将应力分布在较宽的接触面上，提高轴承的承载能力。

4、静动摩擦系数相近，能消除低速下的爬行，从而保证机械的工作精度。

5、能使机械减少振动、降低噪音、防止污染，改善劳动条件。

6、在运转过程中能形成转移膜，起到保护对磨轴的作用，无咬轴现象。

7、对于磨轴的硬度要求低，未经调质处理的轴都可使用，从而降低了相关零件的加工难度。

8、薄壁结构、质量轻，可减小机械体积。

9、钢背面可电镀多种金属，可在腐蚀介质中使用。4