{机械公司管理}工程塑料在机械工程中的应用

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1、工程塑料及其应用,青 岛 科 技 大 学 塑料工程教研室,目 录,4 工程塑料在机械工程中的应用,4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材 塑料齿轮具有质轻、自润滑、吸振、低噪、耐腐蚀、易加工等优点； 与金属齿轮相比，工程塑料的强度低、导热性差、热变形大、承载能力低，并且材料性能容易受温度、湿度、加载方式等外界条件的影响。 塑料齿轮属于小模数齿轮，在精密机械和精密仪器中应用较为广泛，现已在纺织、印染、造纸、食品等轻工机械中应用。 注：“模数”是指相邻两轮齿同侧齿廓间的齿距p与圆周率的比值(m=p/)，以毫米为单位。模数越大，轮齿越高也越厚，如果齿轮的齿数一定，则轮的径向尺寸也越大。,4.1工程塑料齿

2、轮,塑料齿轮采用模具注塑，同轴度较难保证，虽然齿的精度高于金属齿轮，但是会有收缩，应考虑加以补偿。塑料齿轮的直径公差大于金属齿轮，强度小于金属齿轮。 塑料齿轮的失效形式为折损，强度计算应按弯曲强度来进行。,4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材,4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材,聚甲醛提供设计所要求的强度，硬度，尺寸稳定性，润滑性。,4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材,精密齿轮为高质量打印提供平稳、如一的运转，打印机中使用的齿轮组包含11个由聚甲醛树脂注塑成型的齿轮。,用塑料制作齿轮时应注意以下几个问题： (1)啮合齿轮的选材 一种是塑料与塑料，另一种是金属材料和塑料。前一种啮合齿轮应用不多。这

3、是因为塑料导热性差，容易因发热而“咬死”。后一种啮合齿轮应用较多。这是因为其导热性好(主要靠金属齿轮传热)、摩擦小和磨损小，并能弥补塑料齿轮精度低等缺点。这种啮合形式能充分发挥塑料齿轮的特 点。 在蜗轮和蜗杆啮合传动中一般蜗轮为塑料，蜗杆为金属材料。,4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材,(2)直齿轮和斜齿轮的选择：载荷较小时用直齿轮，载荷较大时，尽可能采用斜齿轮。这样可以提高齿轮的强度和受力的均匀性，但相应地增大了轴向力。 (3)塑料齿轮所能达到的精度：齿形直接成型的精度为810级。齿形机械加工的精度为78级。由于塑料的弹性变形，塑料齿轮可以满足高一级精度的金属齿轮的使用要求。,4.1.1工程

4、塑料齿轮的特点与选材,MC尼龙具有优良的耐磨性、自润滑性，加工方便。最大的MC尼龙齿轮，直径达4.27m，由长约45cm的28个MC尼龙扇面体组成用于水力发电站，每小时可过滤10000m3水。 3M4730钢球研磨机的主传动齿轮是模数为8，齿数为47，螺旋角为350的弧齿锥齿轮。采用MC尼龙后，经7000kg以上钢球4000h以上的运转，使用情况良好。,4.1.2 工程塑料齿轮应用,汽车起重吊索绞盘传动蜗轮的直径为240mm，模数为8，齿数为28，螺旋角为3504238，齿宽为56mm，最大起重质量为（6070）t。该齿轮原用磷青铜，寿命2年，改用MC尼龙后，质量减轻83，使用2年后磨损很小。

5、,4.1.2 工程塑料齿轮应用,造纸厂干燥机齿轮，外径近2m，以前用金属材料或酚醛布基板制成。为了实现高速化、无油润滑和降低噪声，改用了尼龙齿轮。与金属齿轮相比，质量只是原来的1/61/7，并且可以吸收启动和停车时的冲击，防止了缺齿，降低了驱动功率。速度由原来的3.3m/s提高到9m/s，寿命比金属齿轮高5倍，比酚醛布基齿轮高4倍，噪声小。,4.1.2 工程塑料齿轮应用,塑料取代金属作为轴承材料的优点： 1）摩擦系数小； 2）耐磨性好，具有自润滑性能和良好的耐腐蚀性能，可以在润滑条件恶劣的情况下工作； 3）噪声小； 4）生产效率高。 其缺点是： 1）受热、受冷以及吸水、吸油后尺寸变化大（蠕变大

6、）； 2）耐热性差，散热慢，变形后易引起“抱轴咬死”现象。,4.2 工程塑料轴承4.2.1工程塑料轴承选材,塑料轴承使用时载荷越小，轴速度越低，它的优越性也就越明显。用作轴承材料的耐磨塑料主要有聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚砜(PSU)、聚苯醚(PPO)、聚酰亚胺(PI)及酚醛树脂(PF)等。 塑料轴承所用的材料， 主要应根据各种塑料的摩擦磨损特性和PV极限值（密封达到失效时的极限值。用以表示密封的水平，单位为MPa.m/s）等进行选择。塑料轴承的PV值为速度与载荷的乘积，是衡量塑料轴承性能的重要指标。,4.2.1工程塑料轴承选材,速度与载荷实际上通过摩擦功转变成

7、热能，导致材料软化熔融、炭化。塑料轴承的PV值随滑动速度的变化而异，当滑动速度逐渐增大时，PV值下降。但PPTFE的情况比较特殊，由于摩擦因数极低，而承载能力也很小，对滑动速度的变化不敏感，因此，一定范围内随滑动速度的增快，PV值反而增大。 工程塑料轴承设计时，轴承的长径比与壁厚、润滑与密封、间隙量与配合是几个主要参数。 注：工程塑料轴承的长度与轴径比(LD)一般不得超过1.5；1，以1：1为好，此时摩擦因数最小，利于热量的散发。如果长度过长，可以分成几段。 塑料轴承壁厚不宜过大，壁厚过大不易散热，而且易于蠕变。在保证强度和成型工艺许可的情况下，壁越薄越好，但壁厚过小，压配时易引起变形，同时在

8、轴承座中的张紧力也不够。,4.2.1工程塑料轴承选材,由于工程塑料的线膨胀系数比金属大，由摩擦热引起的内径收缩也较大，所以工程塑料轴承与轴的配合间隙，一般比金属轴承与轴的配合间隙大。,4.2.1工程塑料轴承选材,aPTFE轴承 PTFE是一种摩擦因数极低、耐腐蚀性优异、使用温度范围很宽的自润滑材 料，是制作自润滑轴承的理想材料。 氟塑料摩擦因数小，是现有材料中摩擦因数最小的，它对钢的干静摩擦因 数仅为0.04，干动摩擦因数为0.12-0.20。,4.2.2几种常用的工程塑料轴承,氟塑料和钢之间在大载荷、低速下干滑动不会产生颤动、爬行、振动现象，这是目前己知材料中绝无仅有的。其原因就是氟塑料本身

9、的分子结构是特殊的大聚合螺旋性直链结构，分子链之间容易产生螺旋滑动，因而具有自润滑性、它的表面总是像有一层油蜡似的滑溜特性。这种特性使之成为无油轴承的理想材料，已经被广泛地应用于机床、汽车、吊车、纺织机中的无油轴套、铰链、关节套、转向套、导轨、齿轮轴套、滑轮吊钩套等低速于摩擦的轴承之中。,4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PTFE,氟塑料在有油脂存在的情况下，使滑动轴承的摩擦因数大大降低。根据润滑的状态，摩擦因数约为0.00012-0.0087。这一特性大大降低了设备的起动功率和拖动电动机的起动电流。因而也减少了传动机械的冲击磨损和功率损耗，尤其对大型设备更为突出。 例如，大型水轮发电机的转子

10、载荷常在几百吨到几千吨。用了弹塑瓦之后不用顶起就直接起动、停止。现在用了弹塑瓦的电站均取消了油顶系统，既简化了操作程序又避免了事故的发生。某电站原巴氏轴瓦转子盘车时，需15人坚持10min后才能将670t重的转于转动，而换上了弹塑瓦之后，仅用2人就能推动转子，完成盘车任务。,4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PTFE,PTFE轴承可用于热电厂、陶瓷厂大型球磨设备的导轴承和托轮轴承。这种轴承往往由于粉尘污染而导致巴氏合金瓦或铜瓦产生烧瓦事故。弹塑瓦由于质地软，具有镶藏性，当粉尘进入后，塑料瓦面能镶藏硬质点，从而减轻对轴的磨损，也延缓了事故的发生。 水泥厂的托轮轴承由于环境温度高、粉尘大和润滑不良

11、，往往导致烧瓦而造成很大损失；弹塑瓦具有自润滑性和包容粉尘的能力，能延长运行周期，创造良好的经济效益。,4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PTFE,水轮机导叶轴套是水轮机控制传动系统的摩擦部件。国内外水轮机导叶轴套一般采用优质锡青铜作为结构材料，没有润滑装置，要定期注入润滑油。随着水轮机容量日益增大，维护水平不断提高，锡青铜轴套机械制造加工困难，还常因润滑油泄入河中造成污染。虽然已有将导叶轴套改用桦木结构，制造工艺不仅复杂，而且易吸水膨胀，挤磨性能差。选用尼龙1010作轴套，发现尼龙1010和铜套有脱壳现象，尺寸稳定性也差。 填充15碳纤维的PTFE材料具有自润滑性、摩擦因数小、不吸水、尺寸稳

12、定、耐磨的特点，能较好地满足用作水轮机导叫轴的要求。根据试验测试结果计算表明，轴套在工作压力不大于19.6MPa时可以在6-7年内不必拆卸维修。 该材料已在5.15104kw混流式水轮机上用作导叶轴套。,4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PTFE,b.PA轴承 PA轴承广泛应用于汽车、玩具及非电机领 域等方面，其耐磨性好，摩擦因数小，易于模塑和 车削。以玻璃纤维、芳纶纤维、PTFE和MoS2等为填 料的复合尼龙轴承的工作温度为300。芳纶纤维 对提高PA66的耐磨性起到重要的作用，是目前耐磨 材料领域性能最佳的材料之一。,4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PA,c. POM轴承 在POM中填充

13、PTFE制备的POM轴承，在速度为12mmin时，可使PV极限值从7.2MPammin提高到13MPam/min。当速度为120m/min时，PV极限值会从4.6MPammin提高到8MPammin。,4.2.2几种常用的工程塑料轴承-POM,d PI轴承 PI具有突出的耐磨性、耐高温性、尺寸稳定性和高强度。它在所有工程塑料中拉伸强度最高，这一点对于在真空中和高温或低温下工作的轴承是十分必要的。值得提出的是，PI在惰性介质中，在高载荷和高转速下的磨损率非常小。聚酰亚胺常用的填料为石墨、PTFE和铜丝等。在速度为15m/min时，其典型PV极限值为10MPammin；在速度为60m/min时，其

14、PV极限值为20 MPamminn。从PI在真空中挥发物少和摩擦因数低来看，已经作为在空间使用设备的耐磨材料。,4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PI,4.3.1 滚动轴承保持架特点： 滚动轴承一般出内圈、外圈、滚动体和保持架组成。内圈通常装配在轴上，并与轴一起旋转；外圈通常装配在轴承座内或机械部件壳体中起支承作用。滚动体(钢球或滚子)在内圈和外圈之间滚动，它们的大小和数量直接影响轴承的载荷能力。保持架将轴承中的一组滚动体均匀 地相互隔开，改善轴承内部载荷 分配，引导滚动体运动，促进轴 承平稳运转。,4.3 工程塑料轴承（滚动）保持架,保持架是轴承中承受各种复杂应力的动态摩擦磨损零件。工程塑料

15、保持架能够提高轴承承载能力，降低噪声振动，运行可靠性提高，使用寿命长，生产成本低。,4.3.1 滚动轴承保持架特点：,4.3.1 滚动轴承保持架特点：,与金属保持架相比，主要优点如下： (1)产品设计的灵活性大。塑料保持架可以直接注射成型外形复杂的结构形式，便于轴承的优化设计。塑料保持架在窗孔处可带有油槽，便于贮油，从而大大改善了轴承的润滑条件。 2）保持架离心力小。 工程塑料的密度低，质量小。在 高速旋转的轴承中， 保持架离心力小， 起动力矩小，轴承 旋转灵活。,3）耐摩擦磨损，轴承温升低。 由于钢和尼龙之间的摩擦因数为0.05，远远小于钢-钢之间的0.20和钢-铜之间的0.15，因此，塑料

16、保持架轴承起动力矩要比金属保持架轴承起动力矩小，有利于减少摩擦热的产生。特别在边界润滑条件下，在轴承贫油或断油时，塑料保持架轴承有较好的自润滑性能，轴承不易突然卡死。 4）自润滑性能优异，可简化主机的润滑系统。 多孔含油聚酰亚胺保持架、多孔酚醛层压布管保持架，都是利用塑料自身中的微孔能贮存一定数量的润滑油，使保持架起到了贮存和供应轴承油源的作用，保证了轴承自润滑、长寿命的使用要求，从而大大简化了主机的供油系统。,4.3.1 滚动轴承保持架特点：,5）保持架易装配拆卸， 塑料保持架有较好的弹性，可承受滚动体作用于保持架的加速冲击载荷。 保持架兜孔或窗孔都设计有锁具，利用塑料的弹性，可锁住滚动体，也便于拆卸塑料保持架。尤其是深沟球轴承采用一件塑料冠形保持架，可取代原来的两片由铆钉铆合的钢板冲压浪形保持架，简化了保持架结构，更便于轴承装配的自动化。 6）保持架的韧性好，耐冲击，抗断裂性好。 金属保持架受到严重撞击时，会产生永久变形或断裂；而塑料保持架受