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李如琰
（上海市軸承技術(shù)研究所，上海200031）
The application of polytetrafluoroethylene fabrics to spherical plain bearings
LI Ru-yan
(Shanghai Bearing Technology Institute, Shanghai 200031, China)

Abstract: The polytetrafluoroethylene fabric is a kind of compound fabrics woven out of PTFE, Nomex, fiberglass (or Kevlar fibre )by special weaving process and impregnating treatment with the high quality of high strength and low friction coefficient. With such fabrics the spherical plain bearings will have the advantages of self-lubrication, impact resistance and long-life and remain the original characters of high load-bearing and self-aligning at the same time. So such spherical plain bearings have a wide application to the heavy-loaded key positions in the fields of aviation, astronavigation and railways etc.
Key words：polytetrafluoroethylene fabric；application；self-lubrication spherical plain bearings
摘要：聚四氟乙烯纖維織物是PTFE與Nomex、玻璃纖維（或芳綸纖維）等材料，采用特定方法紡織，并經(jīng)特殊浸漬處理后制成的復(fù)合織物，具有強(qiáng)度高，摩擦系數(shù)小的特點(diǎn)。將這種纖維織物應(yīng)用于關(guān)節(jié)軸承上，使關(guān)節(jié)軸承既保持了高承載、自動(dòng)調(diào)心的特性，又兼有自潤(rùn)滑、耐沖擊、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。這種自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承可廣泛應(yīng)用于航空、航天等高新技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵承載部位。
關(guān)鍵詞：聚四氟乙烯纖維織物；襯墊應(yīng)用；自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承
中圖分類號(hào)：TS15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)；1001-9731（2004）增刊-2221-03

1 引言
         自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承是航空、航天領(lǐng)域，及眾多新技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的產(chǎn)品，其中自潤(rùn)滑材料的性能是保證關(guān)節(jié)軸承具備重載、耐沖擊、長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵因素。聚四氟乙烯纖維織物作為一種新型高分子材料，具有韌性好、高強(qiáng)度、低摩擦等優(yōu)點(diǎn)，是作為關(guān)節(jié)軸承潤(rùn)滑層的理想材料。本文著重就該種材料在關(guān)節(jié)軸承上的應(yīng)用作一簡(jiǎn)單地介紹。
2 聚四氟乙烯纖維織物結(jié)構(gòu)及性能
2.1 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊簡(jiǎn)介
         自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承由內(nèi)、外圈及潤(rùn)滑層三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。軸承內(nèi)圈與外圈為球面接觸，其間是潤(rùn)滑層，在使用過程中起到自潤(rùn)滑作用。
         以往關(guān)節(jié)軸承的潤(rùn)滑層多為二硫化鉬、特氟龍等涂層材料(或使用PU銅網(wǎng)襯墊)，通過在軸承外圈內(nèi)表面涂層(或粘貼襯墊)后，再與軸承內(nèi)圈合套擠壓而成。使用這些材料的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承耐磨性能較差，軸承間隙大，在某些方面制約著部件的整體性能，選用PTFE纖維織物為自潤(rùn)滑材料的關(guān)節(jié)軸承，則能彌補(bǔ)上述缺陷，并從承載強(qiáng)度、耐蝕性、摩擦磨損、使用壽命等方面大大改善軸承的使用性能，擴(kuò)大了軸承的適用范圍。

2.2 聚四氟乙烯纖維織物結(jié)構(gòu)
         聚四氟乙烯（以下簡(jiǎn)稱：PTFE）纖維織物是PTFE纖維與其他纖維交織而成的雙層織物，通常選擇平紋、斜紋或緞紋等紡織結(jié)構(gòu)，按設(shè)計(jì)的織造密度，將組合纖維紡織而成需要的織物結(jié)構(gòu)，圖2即為其中的一種。

         PTFE纖維織物上富含PTFE纖維的織物表面，即為摩擦工作面，另一面則以強(qiáng)度高、粘結(jié)性好的纖維為主，即為粘結(jié)面，這種PTFE的雙層結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了PTFE的低摩擦和纖維的高強(qiáng)度特性。一般用作增強(qiáng)或粘結(jié)性的纖維種類很多，如高強(qiáng)耐蝕的Nomex、耐溫性能好的芳綸纖維、高強(qiáng)耐熱的玻璃纖維、高強(qiáng)低摩擦的碳纖維等。
         PTFE纖維織物表面經(jīng)過特殊浸漬處理后，加大了纖維間結(jié)合度，使織物在受到重壓摩擦?xí)r纖維間不錯(cuò)動(dòng)，同時(shí)可增強(qiáng)織物與金屬基體的粘著力，從而大大提高了織物的使用性能。
2.3 聚四氟乙烯纖維織物性能
         PTFE纖維織物摩擦面具有良好潤(rùn)滑性能的機(jī)理在于固體潤(rùn)滑膜的形成，固體潤(rùn)滑膜可以耐106次以上的摩擦，也有超過108次的。資料表明[1]，PTFE是迄今所發(fā)現(xiàn)的具有特別低的摩擦系數(shù)的固體物質(zhì)。在無潤(rùn)滑油的條件下，金屬的摩擦系數(shù)μ為0.5～1，而PTFE僅為0.04，比二硫化鉬和石墨還要低，這是金屬在良好潤(rùn)滑條件下也難達(dá)到的。PTFE的長(zhǎng)碳鏈四周為氟原子所包圍且沒有支鏈，氟原子的體積與聚乙烯分子中的氫原子相比要大得多，正好無間隙地遮蔽了碳原子的正電荷，而相鄰氟原子上的負(fù)電荷由于相斥作用造成分子間的內(nèi)聚能很低，因而容易產(chǎn)生滑移，顯示了極低的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)PTFE與金屬接觸摩擦?xí)r，因其表面凸峰溫度升高，剪切強(qiáng)度下降，促使PTFE分子粘附在對(duì)磨表面，向金屬表面平移并填平了金屬表面的凹坑，實(shí)際形成了PTFE/PTFE間摩擦，因而表現(xiàn)出極低的摩擦系數(shù)[2]。
         除良好的潤(rùn)滑性能外，PTFE纖維織物還有：較高的承載能力，可以承540MPa靜載，240MPa動(dòng)載；較寬的溫度適用范圍，54～163℃；較好的耐腐蝕性，抗多種油脂污染的能力；及經(jīng)浸漬處理后有很好的粘結(jié)牢度。
         PTFE纖維織物的以上性能，為其在關(guān)節(jié)軸承的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。
3 PTFE纖維織物在關(guān)節(jié)軸承上的應(yīng)用
3.1 PTFE纖維織物用于關(guān)節(jié)軸承潤(rùn)滑層
         用PTFE纖維織物取代涂層材料（或PU銅網(wǎng)襯墊）用于關(guān)節(jié)軸承潤(rùn)滑層，除具備良好的關(guān)節(jié)軸承自潤(rùn)滑材料的綜合優(yōu)勢(shì)外，還有很好的工藝性能。關(guān)節(jié)軸承加工中的關(guān)鍵技術(shù)為粘結(jié)和擠壓工序，當(dāng)加工好軸承內(nèi)、外圈后，將襯墊粘結(jié)到軸承外圈內(nèi)表面，再與軸承內(nèi)圈合套擠壓成型，然后通過控制軸承啟動(dòng)力矩等后續(xù)加工而形成關(guān)節(jié)軸承。實(shí)踐證明，PTFE纖維織物在適宜的粘結(jié)工藝下，有很好的粘結(jié)性能，能保證與基體的結(jié)合強(qiáng)度；纖維襯墊的高強(qiáng)度也很好地承受了擠壓工藝的考核；另外，PTFE纖維織物優(yōu)于其他自潤(rùn)滑材料的彈、韌性，可使關(guān)節(jié)軸承無徑向與軸向間隙，從而整體上提高了自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的制造水平與使用性能。
3.2 PTFE纖維織物自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承性能試驗(yàn)
         應(yīng)用PTFE纖維織物的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承（以φ25軸承為例），經(jīng)按MIL-B-81820全部要求試驗(yàn)考核，結(jié)果如下：

3.3 PTFE織物襯墊與PU銅網(wǎng)襯墊性能比較
         用相同規(guī)格，分別使用PU銅網(wǎng)與PTFE纖維為潤(rùn)滑材料的兩種軸承，按相同條件完成多組擺動(dòng)磨損試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其中一組的試驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖5。
         試驗(yàn)條件：徑向載荷123kN；擺動(dòng)頻率12周/分；擺動(dòng)角度±25°；試驗(yàn)溫度20℃。

         試驗(yàn)結(jié)果：PTFE纖維潤(rùn)滑材料，25000周后，襯墊磨損量0.08mm；
         PU銅網(wǎng)潤(rùn)滑材料，12000周時(shí)，襯墊磨損量0.17mm，已被磨穿。
         多組試驗(yàn)結(jié)果均顯示出相同結(jié)果，因此PTFE纖維織物襯墊性能明顯優(yōu)于PU銅網(wǎng)襯墊性能。
4 PTFE纖維織物在關(guān)節(jié)軸承上的應(yīng)用
         PTFE纖維織物是一種高強(qiáng)度、低摩擦、長(zhǎng)壽命的新型潤(rùn)滑材料，使用該纖維的關(guān)節(jié)軸承具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、耐沖擊、自潤(rùn)滑、安全可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。它在自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承上的應(yīng)用是集紡織、化工、高分子材料、摩擦學(xué)、機(jī)械制造等多學(xué)科交叉的綜合性新技術(shù)，隨著該技術(shù)的發(fā)展，一定會(huì)給自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承帶來更深層次的應(yīng)用前景。
5 PTFE纖維織物的發(fā)展與展望
         輕質(zhì)、高性能、長(zhǎng)壽命自潤(rùn)滑材料是航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域中自潤(rùn)滑軸承材料的發(fā)展方向，為適用更復(fù)雜的工況需要，PTFE纖維織物也需要在產(chǎn)品性能上有新的發(fā)展與突破，這主要體現(xiàn)在：增加強(qiáng)度，承受更高的載荷，如動(dòng)載345MPa或更大；降低摩擦系數(shù)，以適用于較高擺動(dòng)速度，如15m/min或更快；適用于更寬的溫度范圍，如-73～316℃；同時(shí)，需要綜合性能更優(yōu)異的纖維織物，如承受高溫環(huán)境中的高速擺動(dòng)，或高溫重載下的高速擺動(dòng)等。
         PTFE纖維織物的產(chǎn)品化、成系列的發(fā)展，也將有利于提升我國(guó)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的整體水平，使之在品種上、性能上充分滿足高技術(shù)領(lǐng)域的需求，為我國(guó)航空、航天事業(yè)的快速發(fā)展貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量。

參考文獻(xiàn)：
[1] 復(fù)合材料軸承[M]. 科學(xué)出版社, 1996.
[2] 曾竟成, 羅青, 唐羽章. 復(fù)合材料理化性能. [M]. 國(guó)防科技大學(xué)出版社, 1998.

作者簡(jiǎn)介：李如琰（1964－）女，河南人，工程師，上海市軸承技術(shù)研究所，Tel:021-64016746。

論文來源：中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議,2004年,9月12-16