工程塑料及其应用-工程塑料在机械工程中的应用.ppt
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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。这是
3、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工程塑料
4、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。,4
5、.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热能,导
7、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,同时在轴承座中
8、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的分子结构是
9、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载荷常在几百
10、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,往往导致烧
11、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、尺寸稳定、耐磨的特
12、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PTFE制备的POM轴承
13、,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PV极限值为20 MPa
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