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 O6 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 5j 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。24a 。、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 JdAD。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 91 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 05)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 计，对于此工作装置的轴颈与轴套的润滑方 式，一 般采用 加注润滑脂 的方法进行润滑。润滑脂可采用钠 基、钙基脂或 选用锂基、合垒 锂基脂等。轴套 还必须设计储 油槽，储油槽的 种类有 螺旋形油槽、环形直 线油槽和人字形 油槽等多种型式，可 根据具体情况选择。对于 同一产 品的轴套设 计，可采用 类比法设 计。参 考 文 献 1 唐 经世 编 工 程机 械底 盘 人 民铁道 出腹 社，l 9 79 2 郑明新等编 现代工程材料 机械工程师进修 大 学，1 9 9 8 s 杨 明贵 铸 型 MC尼 龙 的性 勰蔑 其应 用 工程 机 械 1 9 9 1(1 2)酸枣熬褒内燕察赞餐 垄基 冬 簿 (上接 5 7 页)4 最好用 实际紧固 相应规格 螺桂的方 法 来评价机器，从 目前的测试技术上看，做到 这一点是完全可镯的。5 经过换算后 的扭矩误差，一般 都会 减 少。6 机器经过检测后，其出具的扭矩数值 应标明作用原理及所用螺纹副的规格，以使 方便用户。7 当用 旧式油压扭 矩试验 台 出 具 数 据 凿 岩机械 气动工具，1 9 9 4(4)：!些楚垦 塑!：2 时，利用本 方法可以较好地 给出机器在典 型 工 作状态下 的扭矩参数。并且不 同类型(Y S 学模型不一样)的试验台之间有较好的一致 性。所 以用此 方法可从 旧式油压试验 台中对 机器得 出较 一致 的评价。8 行 业各厂 家的 旧式 油压 扭矩 试验 台在 设计上应做到尽量尺寸一致，以减少试验台 之 间产生的差 异，并 应定期检 定。(收稿 日期 I 1 9 9 4 0 卜0 4)37 维普资讯