真空環(huán)境下提高連桿升降裝置耐磨性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱星高

南昌大學(xué)、廣州禾信康源醫(yī)療科技有限公司 江西 南昌 330000

0 引言

真空環(huán)境下運(yùn)行的零部件必須達(dá)到無(wú)油、潔凈的標(biāo)準(zhǔn)。通常大氣環(huán)境中連桿與軸之間大都涂有潤(rùn)滑油，減少了連桿與軸之間的磨損，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。但是在真空環(huán)境下是不能使用普通潤(rùn)滑油的。通常在真空環(huán)境下連桿與軸都采用金屬材質(zhì)，把控好軸與連桿孔的間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行目的。這種做法在較重負(fù)載以及較快速度、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，因?yàn)榻饘俚哪Σ料禂?shù)較高長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)發(fā)熱、有微小顆粒產(chǎn)生，加上軸孔如果安裝時(shí)有不同心的情況，更會(huì)加劇其磨損，導(dǎo)致卡死不能正常工作。所以，必須要求在真空環(huán)境下做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)調(diào)整：減少軸與連桿之間的磨損防止卡死。

圖1 連桿-軸設(shè)計(jì)方案(方案1)

在升降裝置中，連桿-軸的磨損是最嚴(yán)重的，圖1是連桿-軸設(shè)計(jì)方案(方案1)，圖1中心軸、連桿1、2以及墊片都采用304不銹鋼材料；套在中心軸上的軸環(huán)材質(zhì)是黃銅材質(zhì)；方案1在短時(shí)間、輕負(fù)載的情況下、完全能滿足使用要求。但當(dāng)方案1在長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)載的情況下運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損甚至卡死的現(xiàn)象，直接導(dǎo)致升降裝置不能使用。見(jiàn)圖2

1 方案1磨損現(xiàn)象的分析

在升降連桿運(yùn)行時(shí)，連桿與中心軸、中心軸與黃銅材質(zhì)的軸環(huán)之間是直接接觸的，而真空環(huán)境下沒(méi)有添加任何的潤(rùn)滑脂，長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)載的運(yùn)行會(huì)使得中心軸與軸環(huán)及連桿之間產(chǎn)出大量的金屬粉末，增加他們之間的磨損最終導(dǎo)致中心軸卡死，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)

2 連桿-軸磨損的解決方案

2.1 設(shè)計(jì)修改改善潤(rùn)滑狀態(tài)

2.1.1 方案1黃銅軸環(huán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的缺陷 由于黃銅本身強(qiáng)度不高，在與304不銹鋼軸的摩擦中會(huì)產(chǎn)生大量微小的銅粉，這些銅粉分布在中心軸與軸環(huán)之間，加大了摩擦系數(shù)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)容易使得局部配合處出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象，進(jìn)而影響材質(zhì)的物理性能，加劇了軸與連桿的咬死。

圖2 連桿-軸實(shí)物圖(方案1)

2.1.2 改進(jìn)方案 連桿-軸改進(jìn)后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(方案2)在中心軸與連桿2和連桿1之間摒棄黃銅材質(zhì)的軸環(huán)，取而代之的是黑色PEEK-HPV材料的軸套1和軸套2，避免了兩金屬件直接接觸運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的徑向磨損，同樣，在連桿1和連桿2之間采用黑色PEEK-HPV墊片，避免了兩金屬件直接接觸運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的軸向磨損。

圖3 連桿-軸設(shè)計(jì)方案(方案2)

表1 各材料性能參數(shù)對(duì)比

上表是三種材料的性能參數(shù)對(duì)比。材料的磨損影響主要有：硬度；溫度；塑性和韌性；強(qiáng)度；表面粗糙度等。而不銹鋼SUS304材質(zhì)以及黃銅材材質(zhì)都不是我們理想中的耐磨材料。但PEEK-HPV材質(zhì)能夠符合我們的使用要求：滑動(dòng)性能極佳，耐磨性能出色，適合用于要求很高的耐磨場(chǎng)合；添加了碳纖維、鐵氟龍和石墨等以符合低摩擦、高散熱的高承負(fù)荷需求；該材料具有優(yōu)秀的綜合性能，機(jī)械性能好，耐高溫，耐化學(xué)性能優(yōu)越(適用于真空環(huán)境)。

2.2 連桿、軸材質(zhì)以及熱處理工藝提高耐磨性

2.2.1 表面處理問(wèn)題 方案1中中心軸與連桿均用SUS304材質(zhì)，相同SUS304材質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間磨損加劇其咬合性變差；黃銅材質(zhì)較軟，在與SUS304材質(zhì)的連桿接觸磨損后會(huì)有銅粉產(chǎn)生，影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2.2 改進(jìn)方案 連桿以及中心軸都采用淬火熱處理的SUS440C材料，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2，經(jīng)過(guò)淬火熱處理的SUS440C材質(zhì)的連桿硬度達(dá)到了洛氏HRC56，提高連桿孔的表面粗糙度，進(jìn)一步提高耐磨性，實(shí)際應(yīng)用表面，方案2中的結(jié)構(gòu)完全滿足使用要求。

表2 兩種材料性能對(duì)比

2.2.3 改進(jìn)后的效果

根據(jù)客戶反饋數(shù)據(jù)，一臺(tái)儀器平均每天升降運(yùn)行次數(shù)為6-8次，則每年總運(yùn)行次數(shù)為2000次(8次*250工作日＝2000次)。在常規(guī)的使用場(chǎng)景中可正常使用22000/2000＞11年，滿足使用需求。

4 結(jié)語(yǔ)

真空環(huán)境下連桿升降裝置不同于大氣環(huán)境，對(duì)零件材質(zhì)以及表面處理都有嚴(yán)格的要求，怎樣在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)連桿-軸長(zhǎng)時(shí)間、重負(fù)載的情況下穩(wěn)定運(yùn)行成為了一個(gè)難題，而對(duì)真空環(huán)境耐磨性的研究較少，本文針對(duì)這點(diǎn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和闡述，提供了較有意義的參考。