聚合物的轴承解决方案——挑战和经验教训

聚合物的轴承已经看到成功,以代替传统的铅青铜或在无数枚双金属轴承润滑应用程序。直到最近,PTFE-based高分子普通轴承无法匹配的金属合金轴承的装配尺寸精度。

这种限制大大限制其使用在应用程序需要控制轴间隙保持运营效率,减少噪音或限制振动和严酷。

为了克服这个限制,GGB委托项目旨在开发一个聚合物的轴承解决方案可以加工安装,改进内部直径控制同时保留摩擦学的好处与self-lubricious聚四氟乙烯的顶层。

本文详细介绍GGB的开发经验,专注于所面临的挑战和经验教训。

GGB的内部验证测试过程,以及不同的特点和性能优势的新产品概念。文章结尾两个案例研究,功能实用的例子被成功地取代了金属合金滑动轴承。

这些案例研究结合客户反馈和经验——实地绩效评估的结果两个关键发展伙伴,代表不同的润滑应用程序和市场:齿轮泵和压缩机。

上下文

已经有五十多年的发明第一个润滑金属聚合物轴承。因为他们的初始开发,使用持续增长,与新应用程序和流体动力润滑系统正在开发。

在许多应用程序中,这些自润滑轴承取代传统的金属合金或滚动体轴承。

受欢迎主要是独一无二的结合有关摩擦学的特点提供的多层复合结构(图1)包括:

1. 一个金属支持——典型的钢
2. 烧结多孔青铜层孔隙度(~ 30%)充满custom-formulated聚四氟乙烯混合
3. 一个覆盖薄顶层相同的聚四氟乙烯混合,浸渍到青铜
4. 填料的选择和比例很大程度上决定重要的轴承性能。这些属性包括摩擦、磨损、腐蚀和抗疲劳强度。

工程师更倾向于这种材料配置由于聚四氟乙烯层提供的低摩擦-与金属合金轴承的时期及其self-lubricate能力不足或边际润滑。

self-lubricious聚合物表层的低刚度也鼓励流体膜的形成由于流体(EHD)的影响。因此,这种类型的轴承是更宽容的边缘载荷和轴比金属同行失调。

虽然这提供显著的性能优势,金属合金滑动轴承中仍然是一个常见的选择应用程序要求严格的公差。金属合金的均匀组成轴承意味着他们可以加工组装到一个相当的深度而不影响滑动表面的性能。

加工传统PTFE-based聚合物轴承,然而,由于有限的厚度是不可取的聚四氟乙烯层(通常做些μm)和性能风险暴露底层铜的比例高。

图1所示。聚四氟乙烯的典型截面的基础金属聚合物轴承。图片来源:GGB

表1。摩擦轴承类型和空间特征。来源:GGB

	金属合金	传统的金属聚合物	理想的解决方案
摩擦	可怜的	好	好
尺寸精度	好	可怜的	好

表1总结了典型的这些产品类型之间的权衡,对公差和摩擦。

努力限制ID变化历来依靠聚合物轴承二次分级技术。这些技术包括插入一个特别设计的,超大的销通过组装孔可塑性改变直径和减少轴承壁厚。

在处理高销干扰和积极的条件下,然而,这种技术可能存在风险轴承性能。重要的是确保全面执行验证测试是否使用这种技术。

先前的工作已经证明,一个显著水平的抛光可以减少发生没有可衡量的磨损寿命与压缩机工作时。¹这种方法会产生尺寸公差,没有历史匹配精度的加工金属合金衬套。

只是可能达到优化的性能在某些应用程序中通过许可的精确控制。

已经表明,压缩机用聚合物制作的衬套可以提供效率增加高达3%和金属轴承间隙相同水平。²

表达了类似的愿望在增强尺寸公差齿轮泵制造商不断寻求减少噪音,最小的振动,提高机械效率。

项目的细节

GGB正从事一项开创性的发展计划,帮助满足这些市场需求。公司已经开发了一种低摩擦,高分子在油润滑轴承设计用于应用程序。

以及提供有益的属性,这种润滑剂可以加工装配后尺寸精度提高。

中央考虑整个过程留下足够的填充聚四氟乙烯涂层,表面完好无损后加工维护所需的传统金属聚合物的性能优势。

两个核心技术挑战,这需要一种微妙的平衡的材料和过程开发——当这个项目试图实现的目标。

有必要设计一种方法产生一个适当的厚聚四氟乙烯层多孔青铜结构之上。

GGB的常规处理技术依赖于聚四氟乙烯水分散体系的凝固和填料,以产生一个潮湿、共混聚合物容易浸渍到青铜的毛孔。

不幸的是,这种方法仅限于最大覆盖厚度30μm由于需要击退任何水分和溶剂在猛烈的粘贴和相关的风险高于这个厚度。

最初的计算是基于应用程序与齿轮泵的工程经验。这些计算表明,100年μm所需的最小覆盖厚度在确保足够的机械加工余量和一个全功能操作层。

有鉴于此,功能操作的目标设计厚度层加工后确定是5-60μm。

有必要开发和优化一个合适的聚四氟乙烯填料配方,提供足够的兼容性与过程方法适合清洁加工用最小的毛边。

也很重要,这配方提供一个令人满意的轴承性能在石油的耐疲劳、磨损和侵蚀。

这个项目从概念到解决方案,随后一系列的标准程序和里程碑符合一个训练有素的阶段-关卡的过程。GGB的标准协议是由六个关键发展阶段(图2)。

图2。GGB的产品开发周期和通用目标。图片来源:GGB

阶段0和1的协议本质上是关心最初的项目评估和规划工作。一般建立了项目目标,这些被细化为具体的、可衡量的目标发展。

最低可接受的性能限制为配方的摩擦,磨损、疲劳和腐蚀性能。这些都是每个量化和定义相对于已知的一个著名的基准性能GGB的标准条件下高分子材料测试。

这是决定一个“等效”这个基准测试产品性能将是一个令人满意的目标。

理想的二次产品特征包括温度和耐化学性,聚四氟乙烯层附着力和形成不同材料的潜力,常规轴承形式和几何图形,例如,垫圈,圆柱形或法兰灌木丛中。

问题产品的“machineability”也出现了,包括需要限制铜暴露,减少癫痫发作的风险或降低轴承的生活,

也很重要,以确保聚合物厚度可以控制整个加工ID或者确认厚度变化对性能没有负面影响。

也需要考虑传统加工注意事项,例如,磨损或撕裂的可能性及其对表面质量的影响或完成。

阶段2和3包含主要的开发活动,与大量的强调识别、验证和验证合适的材料和过程。

这个可行性阶段涉及的全部已知的聚四氟乙烯处理方法所评估的能力允许厚层的形成。聚四氟乙烯刮削似乎是最有前途的路线,使填充聚合物的形成连续治愈长度的磁带。

然而,大量的时间和精力后,这一过程的鲁棒性被认为是由于磁带的韧性不足和问题与浸渍的毛孔铜牌。

指出这是一个浸渍深度不足,或极端材料应力导致表面起泡或裂纹形成顶部的铜层。

在实例中,这提出了一个潜在的危险材料分层或磨损轴承或加工操作。项目最初停滞后未能消除这些风险,需要一个完整的评估其可行性。

决定启动一个协作伙伴关系专家聚四氟乙烯胶带制造开发和优化生产的高填充聚四氟乙烯胶带未硫化的形式。

确定,未硫化的聚四氟乙烯磁带提供更高的适应性和灵活性,提高他们的能力和最小压力浸渍材料。

使用这种方法需要第二个进程的实现治愈填充聚四氟乙烯层浸渍后,确保一个优化的滑动面与理想的分子结构和摩擦学性能。

初始试验强调,缓解磁带浸渍的共混聚合物的形成密切相关。的混合实验尝试和测试,根据GGB的丰富经验与有效填充包的润滑环境。

成功的配方浸渍最初受到实验室在车床加工试验,紧随其后的是综合摩擦学的筛选。

一个候选人超过其他人,超过每摩擦学性能期望。最优组合包括一个聚四氟乙烯矩阵满两个关键成分。这些成分之一是氟化钙,增强填料GBB的许多常见的润滑产品在石油和已知功能有效。

进行广泛测试,确认可以生产材料地带和制造轴承与适当的覆盖厚度和质量。材料设计被冻结。

材料冻结和到位,项目转移到第三阶段,它试图建立和验证一个健壮的、高容量的材料和轴承制造过程能力。这个阶段涉及大规模投资和修改当前的加工线。

一旦变线,一系列的研究是进行优化复合带材的生产在连续线圈形式。

这些研究也试图理解之间的复杂的相互作用和关键参数如温度、外加电压、线路速度,胶带厚度和胶带张力材料的尺寸和摩擦学特性。

这个过程耗时,因为每次迭代需要大量的材料变异跨广泛的制造和测试的测试平台和条件。

优化过程的窗口,其鲁棒性进行了测试和验证通过一系列重复的大量材料和轴承制造试验。这些试验是紧随其后的是全面的测试,以确认产品的稳定性。

发生了很多意想不到的问题和挑战在项目过程中,虽然有可能建立一个计划系统地解决和解决这些问题。这些问题扩展项目时间表,然而,导致一些延误。

为核心客户的声音

虽然早期实验室测试表明此原型的解决方案可以满足项目目标在轴承性能和切削加工性能,指出独立评估,可能最终用户将提供宝贵的输入和确认方法是否可行。

GGB邀请齿轮泵主要制造商和主要卷轴压缩机制造商成为发展伙伴项目,提供他们的机会评估和帮助改进产品。

这些客户都是探索替代轴承选择现有的金属合金轴承由于环境压力消除铅。

这些应用程序提供了两种截然不同的和高度挑战性的操作环境(表2),每个使用显著不同的轴承几何图形,代表大直径和小部件。

表2。比较操作条件和轴承的要求。来源:GGB

	卷轴压缩机	齿轮泵
轴承直径(毫米)	40 - 60	8 - 42
负载(MPa)	3 - 6	25 - 50
速度(米/秒)	8 - 11	2 - 5
润滑剂	石油(2%)+制冷剂	石油
间隙(µm)	70 - 100	25 - 50
温度(°C)	65 - 107	80 - 120

案例研究1:齿轮泵轴承

齿轮泵和马达是一种有效的和紧凑的高压单元在一个多样的流体动力应用程序。

齿轮泵的基本原则很简单:两个认清由此形成齿轮转子画在一侧流体强迫另一方。这些水泵看到广泛使用,特别是在农业、汽车、建筑、航空航天和采矿行业。

齿轮油泵在汽车行业从事动力转向系统,在越野的和建筑设备,和拖拉机动力输出系统。2020欧洲杯下注官网

齿轮泵的性能高度依赖于齿轮转子的设计和尺寸精度,以及这些旋转的轴承支撑转子。

聚合物的轴承在高强度的泵是一个受欢迎的选择。这些由泵润滑液和水动力条件下操作极薄的润滑剂的电影。

低磨损率是至关重要的在这种情况下由于磨损影响齿轮转子的相对定位,因此,泵的效率。

高特定轴承负荷由于泵输出压力的一个重要因素,和轴承表面暴露在动态加载从齿轮的交互。这就要求轴承材料展示足够的疲劳强度。

还有一个轴承表面的气蚀发生的危险。为了避免这种情况,轴承必须提供最佳性能,同时保持非常低的摩擦特性。

泵设计选择代表了新一代的“沉默”装置泵。这些泵需要特定的关键控制衬套尺寸减少振动、噪音和严酷。

图3显示了装配公差不能满意传统薄层聚四氟乙烯聚合物的轴承。确保支持所需的精密齿轮转子,客户依赖于四个铅青铜轴承的加工组装在两个铝双目块。

图3。临界尺寸和目标在衬套装配公差。图片来源:GGB

在这个例子中,使用完全负责生产和提供衬套装配工作,这意味着所有布什装配和加工是获得第一手的经验,在完全自动化的生产条件。

首先,原油铝块加工,轴承装配。每个安装轴承的内部直径是工程规模同时在两条平行的沟槽。住房的外观就加工其最终形式和大小相对于轴承ID。

标准设置和加工条件用于铅青铜轴承,但初步试验GGB可加工的金属聚合物网络的原型被发现是令人失望的成品尺寸和质量。

是遇到了一些问题,包括加工聚合物木屑剩余的连接孔,可怜的圆柱度和凹凸不平的聚四氟乙烯滑动层孔——后者也零星的青铜的局部暴露的问题。

发起了一个大学的一个研究部门,专业加工实践,以利用其经验和专业知识来帮助建立一系列的加工和模具设计准则为这种类型的产品。

同时,当地的研究是进行在衬套自动化加工和组装线GGB过程工程师,旨在优化加工安装及相关条件。

这项工作导致所有识别问题被系统地解决,但很快变得明显,这种聚合物的解决方案并不是注定要一个简单的“下降”替代任何金属合金轴承。

相反,最终用户需要一定的流程细化和验证试验,包括一个特定关注工具设置和调整由于其有限的覆盖厚度100μm。

加工经验对于这个应用程序目前等于超过四百万组装灌木(二百万套块),和产品概念和过程已经被证明能够满足客户的尺寸规格。

0.08毫米的色散取得代表的肌酸磷酸激酶(1.67)0.015毫米的内部直径公差。

孔加工后表面粗糙度通常是1.2μm Ra。这是略高于预期从金属合金轴承,不存在任何问题由于材料的整合,柔软和自然色。

从最初的实验室检测结果的原型泵是鼓励足以捕捉客户的兴趣,促使他们致力于开发项目。

客户进行广泛的实地测试,确认预期的性能优势的摩擦改进和优越的发作阻力与含铅青铜,特别是在启动/停止条件。

得出结论,低模量聚合物层提供了一个阻尼效应也导致了降噪。

案例研究2:压缩机轴承滚动

卷轴压缩机的作用是压缩空气或制冷剂,促使他们频繁使用中央供暖系统泵、汽车空调及商用空调系统。

他们的基本工作原理是基于两个螺旋卷轴之间的相对运动,陷阱和泵的流体之间的卷轴。确保效率,某些类型的滚动设计需要的实现非常紧公差与孔位置和轴承间隙。

选定的开发合作伙伴采用加工铝合金轴承中含有铅,积极探索无铅选项。这一问题复杂化法规对制冷剂的变化,迫使健壮的轴承性能以适应增加的压力。

因为金属合金产品难以适应的负载问题,设计工程师看着聚合物轴承的选择。低效率带来宽松的公差继续呈现一个障碍需要克服为了遵守政府SEER评级,然而。

它也指定轴承解决方案应该是:

• 兼容的制冷剂和石油
• 能够生存三个严格的考试制度:
  • Lubrication-free,重复干开始测试(重接触/短时间内)
  • 边界杂油膜润滑(光接触/延长持续时间)
  • 水动力测试(理想状态)
• 耐疲劳
• 耐腐蚀
• 抗癫痫
• 宽容的边缘加载和碎片

最初的原型是由两个上部轴承支持的主要住房和轨道滚动15吨压缩机。这些被选为原型测试。

图4显示了总体设计和轴承位置。早期的测试结果是成功,促使开发合作伙伴扩大试验包括高30吨压缩机加载。

图4。卷轴压缩机概念和测试轴承的位置。图片来源:GGB

案例研究1相比,这个应用程序没有使用自动化加工,而是依靠手动车床加工过程由客户。

客户进行了一系列要求实验室压缩机测试在过去的两年中,把原型的限制来识别最常见的失效模式。故意挑衅和加速测试表明潜在的疲劳损伤和侵蚀在这种环境下,但指出,一旦启动,这些没有进步。

这种材料被发现在各领域的excel在标准条件下使用时。

产品属性

最初的产品概念不断进化的8年项目。增量改进完成后系统,基于反馈和建议从项目的发展伙伴。

由此产生的产品——DTS10™,自信地对传统高分子的性能改善轴承技术由于其尺寸公差。DTS10™提供了一个实用的替代金属合金轴承广泛的应用程序。

的DTS10™承重结构(图5)提供了一个名义上的覆盖厚度0.12毫米(0.1毫米的最低)。这可以加工公差严格不牺牲典型聚合物的轴承的好处,只要这是在小心控制的条件下完成的。

图5。横截面结构DTS10™。图片来源:GGB

轴承性能属性

的的性能DTS10™评估使用标准GGB测试平台和测试条件。所有关键轴承性能测定和比较与参考高分子产品最初的项目中指定的目标。

加工对材料性质的影响是在可能的情况下,验证揭示推荐加工时没有明显的或负面的性能影响是坚持实践和条件。

摩擦

各种干燥的润滑条件下摩擦计测试证实符合低水平的摩擦滑动面,其主要成分是聚四氟乙烯——天然的润滑剂。

图6和图7检查的摩擦性能DTS10™随着负载增加,比较这种标准bi-metallic轴承材料在干燥和润滑条件下,分别。

图6。摩擦——负载关系DTS10™和标准bi-metallic霸菱材料,在干燥的条件下。图片来源:GGB

图7。摩擦——负载关系DTS10™和标准bi-metallic轴承材料,在油润滑条件下。图片来源:GGB

低摩擦、高负载能力和增强发作阻力与自润滑金属聚合物轴承被发现在每一个实例。

图8显示了对目标聚合物的摩擦而引用定义在项目目标。

图8。之间的相对摩擦(干)DTS10™和聚合物的基准性能。图片来源:GGB

边界润滑耐磨

的耐用性和耐磨性DTS10™是优于目前工业聚合物的基准。这是在其加工和non-machined形式。图9显示了边界润滑耐磨DTS10™和聚合物的基准。

图9。相对耐磨性稳定负荷下,边界润滑条件。图片来源:GGB

抗疲劳强度

抗疲劳强度是至关重要的在齿轮泵和压缩机因为这些组件经常看到滚动轴承受到高频动态载荷在油中。

抗疲劳损伤被发现异常高的DTS10™在这种制度下,持久的超过1600万个周期之前有任何伤害的证据,这一数字大约是当前高分子标准的四倍。

图10显示的疲劳损伤DTS10™相对于聚合物的基准性能。

图10。相对耐疲劳DTS10™和聚合物的基准性能。图片来源:GGB

空蚀阻力

的测量轴承的抗空蚀能力。这些都是与项目基准高分子产品相比。图11显示了相对空蚀阻力。

图11。相对耐气蚀DTS10™和聚合物的基准性能。图片来源:GGB

耐蚀性

激进的油——特别是油含有高浓度的硫——化学攻击青铜轴承。实验室腐蚀测试DTS10™涉及一个非常积极的使用标准测试油被加热到140ºC。

这些测试表明,产品代表一个显著的改善耐化学性和大多数其他金属聚合物产品。这也是对DTS10™的加工形式。

数字12 - 12 c功能图像比较腐蚀水平发现DTS10™与其他参考轴承材料。欧洲杯足球竞彩这些测量是经过100小时的暴露在热油。

图12。行业标准bi-metallic后轴承腐蚀测试。图片来源:GGB

图12 b。聚合物的基准后轴承腐蚀测试。图片来源:GGB

图12 c。DTS后10™腐蚀测试。图片来源:GGB

GGB测试证实DTS10™超过了全系列的初始项目性能指标。发现始终表现最好的产品当前的聚四氟乙烯行业基准。

客户反馈和测试装置泵和压缩机提供额外支持这个结论。增强产品的轴承性能源于其精心设计的组合配方和使用的专用处理技术在材料混合的准备。

加工特点

GGB及其客户加工试验已经证实材料兼容大部分的标准加工流程,例如,车削、钻孔、扩孔和铣削。

调查试验建立推荐程序为每个流程的关键,研究还表明,表面粗糙度对加工条件十分敏感。图13强调不同工具饲料率的影响。

图13。工具进给速率对表面粗糙度的影响。图片来源:GGB

也表明,略微粗糙的表面可能会导致更高的启动摩擦。试车期间表面会迅速修改之前回到最佳摩擦水平。没有证据表明其他的表面粗糙度的影响。

聚四氟乙烯以及其他氟聚合物的导热系数低可能导致工具的加热和高分子材料在高速切割操作。这可能会导致变形的聚四氟乙烯,以及工具的过度磨损。

因此,有必要采用一种润滑剂加工期间避免这样的过热效应。PCD(多晶金刚石)或涂层硬质合金(K10)工具还建议尽量减少磨损的工具。

它已经表明,加工的孔DTS10™轴承显著提高他们的集中性。试验还强调,组装轴承的圆度可能多达16μm或尽可能少2μm后加工。

经验教训

GGB认为这个项目是成功的。由此产生的产品符合或超过所有最初商定的项目目标,测试确认。

有通过学习到的课程时间反思整个管理经验。因此,第五阶段GGB的开发协议功能的常规审查。

项目强调了巨大和广泛的好处与第三方合作伙伴,这些伙伴是否代表最终用户或主题专家。

如果GGB不愿或无法与其他聚四氟乙烯处理专家合作,该项目就失败了在早期由于技术壁垒没有被解决。

假设客户一直不愿提供反馈和早期识别关键产品的弱点。在这种情况下,产品可能已经提前推出了其预期应用程序与问题不解决,严重发射后调试,甚至市场失灵。

产品的优势和局限性也特征发射之前,这意味着这些可以公开的与客户沟通。

120年的名义覆盖厚度μm被证实是一个可行的加工水平,提供足够的治疗和控制应用。然而,认识到这可能不是适合每一位客户的加工能力。

这将是必要的和客户的工程师一起工作来优化他们的设计和加工设置。追求更高的覆盖厚度将继续根据这种潜在的限制。

这个项目最初预期的四年,但实际上花了八年才找到和优化解决方案。这个扩展的时间表是由于许多因素,包括过于乐观的计划和低估的影响出现的技术问题。

风险项目的未来似乎不止一次,但结合市场需求和团队的信心和决心找到令人信服的解决方案是关键管理继续支持这个项目。

GGB及其坚持定期评审的阶段-关卡流程为此特别有效。它保证清晰的沟通和频繁的辩论关于修订活动和时间发生。

专有加工工艺开发DTS10™-与经验有望形成一个健壮的基础下一代高性能轴承设计用于在其他操作环境中,包括无润滑设置。

结论

项目的主要目标是开发一个聚合物解决方案,提供金属聚合物轴承的性能优势和传统bi-metallic径向轴承的尺寸精度。

这个目标是自信地会见了开发和推出DTS10™。这个轴承是能够有效地利用每一个利益的传统聚合物的复合结构,但由于其明确规定,聚四氟乙烯覆盖厚,也可以加工安装,以确保增强装配公差的控制。

布什被设计为了方便装配成一个刚性住房;其内部直径加工之间离开5-60μm聚合物在青铜色。

聚合物覆盖的配方是专门设计用于在润滑的应用程序。GGB综合测试,在田间试验装置泵和压缩机性能验证,每一个滚动的目标是满足。

摩擦系数也非常低。这符合PTFE润滑剂,相当于未发作阻力在任何流体动力系统和先进的运作效率。

材料还提供了令人印象深刻的耐疲劳、化学侵蚀和空蚀损伤——所有关键属性以确保轴承在积极的润滑环境能有效运作。

这些属性及其machineability将扩大聚合物轴承的使用到一些新的应用程序空间内的流体动力行业。

两个终端用户参与项目也批准和采用该解决方案在现有装置泵和压缩机滚动。他们也计划在未来的项目进一步利用其优势。

引用

1. 克里斯托弗·d·迈克尔·r·金、元h . Peng小“自润滑轴承的摩擦学的表现后二次分级”,2008年7月。
2. 克里斯托弗·d·小“金属-聚合物衬套的设计方面在压缩机的应用程序”,2006年12月。

确认

从材料最初由德里克Marse欧洲杯足球竞彩lla Souad Belmahdi GGB。

这些信息已经采购,审核并改编自GGB提供的材料。欧洲杯足球竞彩

在这个来源的更多信息,请访问GGB。