CN108150527A - 一种用于水基环境中的高分子滚动轴承 - Google Patents

一种用于水基环境中的高分子滚动轴承 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于水基环境中的高分子滚动轴承，包括轴承内圈；位于所述轴承内圈外的轴承外圈；位于所述轴承内圈与轴承外圈之间的保持架以及若干沿周向通过保持架间隔分布的滚动体；所述滚动体包括基体和包覆于基体外周的涂层，涂层与所述轴承内圈以及轴承外圈接触，所述基体采用陶瓷材料或者金属材料、所述涂层采用高分子复合材料，所述轴承内圈以及轴承外圈采用陶瓷材料，所述保持架采用高分子材料或者陶瓷材料。

Description

一种用于水基环境中的高分子滚动轴承
技术领域
本发明涉及一种高分子滚动轴承，具体涉及一种用于水基环境中的高分子复合材料轴承，属于机械传动设备技术领域。
背景技术
水基介质中或者海工设备中，高速传动时需要使用滚动轴承，要求滚动轴承具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
现有技术中的滚动轴承，滚动部件材料一般是高强度合金，内外圈为合金或者陶瓷材料，由于合金材料和陶瓷弹性模量较大，滚动部件和内外圈接触时变形较小，赫兹接触应力较大；而且水的浸润性较差；基于于以上的各种原因，现有的轴承在水中使用，在摩擦作用下加剧了滚动部件和内外圈的磨损，导致轴承短时间内失效。
在公开号为CN103328838B的中国发明专利文献中公开了一种滚动轴承，该滚动轴承保持架具有多个布置成至少一列的滚动体凹兜，其用于容纳至少一列滚动体，其中，该滚动轴承保持架由两个侧环和多个连接侧环的横向接片构成，在这些接片之间形成滚动体凹兜，并且该滚动轴承保持架具有至少一个空凹兜。为了实现低成本地制造相对于完全装备有滚动体的滚动轴承保持架具有尽可能小的改变的该滚动轴承保持架，根据本发明设置的是，该滚动轴承保持架在一列中装备有比该滚动体凹兜的数量更少的滚动体，并且由此该滚动轴承保持架在至少一列滚动体凹兜中具有不带有滚动体的空凹兜。该空凹兜可以以简单的方式通过取走一个或多个滚动体来实现，由此创造了用于润滑介质的储存空间。此外，该空凹兜可以通过有针对性的成型以如下方式构造，即，至少在一个转动方向上产生运输作用或者抽吸作用。
该滚动轴承在水基环境中运行时，由于滚动体与内外圈之间无法形成弹流润滑，甚至无法形成吸附膜，类似干摩擦，磨损严重；在水中长期使用时，尤其是海水或者污水中，即使使用耐腐蚀合金也会导致严重的腐蚀；影响使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于水基环境中的高分子滚动轴承，本发明能够解决现有轴承在水基条件下高速传动中使用时，由于材料和结构的限制，加剧了磨损，导致轴承短时间内失效的问题。
本发明的技术方案如下：
一种用于水基环境中的高分子滚动轴承，包括轴承内圈；位于所述轴承内圈外的轴承外圈；位于所述轴承内圈与轴承外圈之间的保持架以及若干沿周向通过保持架间隔分布的滚动体；所述滚动体包括基体和包覆于基体外周的涂层，涂层与所述轴承内圈以及轴承外圈接触，所述基体采用陶瓷材料或者金属材料、所述涂层采用高分子材料，所述所述轴承内圈以及轴承外圈采用陶瓷材料，所述保持架采用高分子材料或者陶瓷材料。
其中，所述基体采用不锈钢材料，所述涂层采用聚醚醚酮复合材料或者聚酰亚胺复合材料。
其中，所述基体采用17-4PH不锈钢；所述涂层采用含有石墨或者聚四氟乙烯等自润滑的聚醚醚酮或者聚酰亚胺复合材料。
其中，所述涂层厚度为0.5mm-9mm。
其中，所述最佳涂层厚度为1.5mm或者2mm。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的滚动部件使用高强度合金作为基体、高分子复合材料作为涂层，由于高分子材料弹性模量较金属材料小，与内外圈接触面积变大，接触应力变小，同时PEEK材料或者PI材料具有高强度、高耐磨性和耐腐蚀等特点；也可以发挥基体高强度的作用，增强滚动部件的承载能力；内外圈使用陶瓷材料，保持架使用高分子材料或者陶瓷，增强耐腐蚀性。
2、本发明具有足够的表面硬度，防止表面被对偶面或者杂质划伤；而且具有良好的自润滑性，可以减少摩擦力，从而减少磨损；同时具有良好的耐磨性，在滚动运行过程中，磨损量较小，表面没有出现较大缺陷。
附图说明
图1是本发明的圆柱形的滚动体的剖面结构示意图。
图2是本发明的圆柱形的滚动体的A-A剖面结构示意图。
图3是本发明的圆柱形的滚动体的B处局部结构放大示意图。
图4是本发明的腰形的滚动体的剖面结构示意图。
图5是本发明的腰形的滚动体的A-A剖面结构示意图。
图6是本发明的腰形的滚动体的B处局部结构放大示意图。
图7是本发明的鼓形的滚动体的剖面结构示意图。
图8是本发明的鼓形的滚动体的A-A剖面结构示意图。
图9是本发明的鼓形的滚动体的B处局部结构放大示意图。
图10是本发明的PEEK滚动体空运行功率随时间变化曲线图。
图11是本发明的30r/min时功率随时间变化曲线图。
图12是本发明的CFPEEK滚动体空运行功率随时间变化曲线图。
图13是本发明的PEEK滚动体负载运行功率随时间变化曲线图。
图14是本发明的CFPEEK滚动体负载运行功率随时间变化曲线图。
图15是本发明的PEEK滚动体表面形貌图。
图16是本发明的CFPEEK滚动体表面形貌图。
图17是本发明的节点的位移示意图。
图18是本发明的单柱塞对称结构滚动示意图。
图19是本发明的单柱塞对称结构立体模型示意图。
图20是本发明的聚合物接触面处网格示意图。
图21是本发明的聚合物的剪切应力规律示意图。
图22是本发明的聚合物的接触应力规律示意图。
图23是本发明的聚合物Von Mises应力规律示意图。
图24是本发明的聚合物应力云图。
图25是本发明的聚合物变形规律示意图。
图26是本发明的聚合物变形云图。
图中标记表示为：
1.轴承外圈，2.滚动体，3.保持架，4.轴承内圈，5.涂层，6.基体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
如图1-图9所示，一种用于水基环境中的高分子滚动轴承，包括轴承内圈；位于所述轴承内圈外的轴承外圈；位于所述轴承内圈与轴承外圈之间的保持架以及若干沿周向通过保持架间隔分布的滚动体；所述滚动体以高强度合金为基体、聚醚醚酮或者聚酰亚胺高分子材料作为涂层，复合材料中可以含有石墨、聚四氟乙烯等润滑材料，形状可以为圆柱形、腰形或鼓形，使用腰形或者鼓形时，增大了滚动部件与内外圈的微观接触面积，而且对中性较好，滚动体之间使用保持架隔离，所述保持架材料可以为陶瓷或者高分子材料；滚动体与内外圈接触，形成滚动摩擦，所述轴承内圈与轴承外圈均使用陶瓷材料，增强了耐腐蚀性，保持架使用高分子材料或者陶瓷材料。
优选的，所述基体采用不锈钢材料，所述涂层采用PEEK材料或者PI材料。
进一步的，所述基体采用17-4PH不锈钢；所述涂层采用CFPEEK材料。
优选的，所述涂层厚度为0.5mm-9mm。
进一步的，所述涂层厚度为1.5mm或者2mm。
进一步的，所述涂层厚度为1.5mm。
本发明的实验数据如下：
本发明的实验分为材料实验测试和厚度实验测试。
材料实验测试又分为空载跑合阶段和负载测试阶段。
一、空载跑合阶段
一、空载跑合阶段
在空载跑合阶段中，溢流阀阀口全口，即压力设定为0MPa，电机转速 30r/min、60r/min和75r/min分别运行1小时，以便使各摩擦副对偶面充分磨合，消除尖峰。过程中分别记录压力传感器的实时数值，变频器输出功率和输出频率。观察运行过程中的振动情况，如有异常及时停机。
二、负载跑合阶段
在负载跑合阶段中，外圈转速设置为75r/min，溢流阀压力设定分别为 1MPa、2MPa、3MPa、4MPa和5MPa，在每种压力设定下运行半小时，过程中分别记录压力传感器的实时数值，变频器输出功率和输出频率。观察运行过程中的振动情况，如有异常及时停机。
空载运行和负载运行时，每隔15分钟采集一次功率、频率和压力值，采集时长1分钟，每秒采集200点。
滚动体材料分别采用纯PEEK和CFPEEK两种。
测试数据：最多可以同时检测4通道，每秒采集200点。测试完成后将数据导入excel中进行处理。
测试结果分析
1、空运行测试数据分析
PEEK滚动体空运行时的功率随时间变化，空运行时，30r/min、60r/min 和75r/min各运行1小时，每个15分钟取1200个点计算平均值。G120变频器实时功率和频率输出为0-10V电压值，通过以下公式转化为功率P(KW)和转速ω(r/min)：
电机做功的有功功率主要克服摩擦力、液压力和弹簧力做功。电机的有功功率PM:
PM＝PT+PH+PS (1-2)
式中PT为克服摩擦力做功的功率、PH为克服液压力做功的功率，PS为克服弹簧力做功的功率。
克服液压力做功的功率PH：
PH＝FP·vP (1-3)
式中FP为液体对柱塞的作用力，vP为活塞运动速度。
同样克服弹簧力的功率PS：
PS＝FS·vP (1-4)
式中FS为弹簧力。压水阶段，FS与vp方向相反，弹簧力为阻力，做功为负；吸水阶段，FS与vp方向相同，弹簧力为动力，做功为正；吸压水过程中，弹簧力所做功相互抵消，所以整个运动过程中，弹簧力所做功为0。
所以弹簧力瞬时功率可表示为：
由于在实验过程中，有多对摩擦副，如轴承与轴、柱塞副和微型面接触摩擦副等，摩擦力所消耗的功率也受多种因素影响，故不对其做定量分析。
从图10可以看出30r/min时，功率呈微弱的下降趋势，主要因为滚动体的表面有一些粗糙峰，在滚动过程中被折断，表面逐渐变光滑，功率逐渐下降，但是下降有限。当设定转速为30r/min时，功率平均值为0.0338KW，电机平均转速为29.97r/min；设定转速为60r/min时，平均功率为0.0702KW，比设定转速30r/min时增大约107.7％，电机平均转速为599.4r/min；设定转速为75r/min时，平均功率为0.0903KW，比设定转速60r/min时增大约28.6％，电机平均转速为749.4r/min。在空载运行时，没有或者只有很小的液压力作用于活塞，可以忽略不计，这时弹簧力和摩擦力成为消耗电机功率的主要因素。可以看出，随着转速的增加，电机功率增加的幅度大于转速增加幅度，其中一部分功率增加因为高分子聚合物的粘弹性在高速时，由于弹性滞后损失所耗功率变大。
图11为30r/min最后阶段的功率随时间变化图，从图中可以看出功率变化的基本规律与转速相对应，即每秒中出现5次波峰和5次波谷，波峰的时候在内曲线的最高点，波谷对应内曲线的最低点，其中最大值为0.056KW。
图12为CFPEEK滚动体空运行时功率随时间变化曲线，当设定转速为 30r/min时，功率整体呈下降趋势，主要因为滚动体表面由于摩擦作用变得光滑，过程中平均功率为0.034KW，电机平均转速为289.9r/min；设定转速为 60r/min，功率整体呈下降趋势，平均功率为0.0626KW，电机平均转速为 579.6r/min；设定转速为75r/min，功率有微小的升高趋势，平均功率为 0.0843KW，电机平均转速为724.5r/min。
对比图10和图12可以看出，在设定转速相同时，CFPEEK滚动体所消耗的的功率比PEEK滚动体低，主要因为CFPEEK含有自润滑材料石墨和 PTFE，摩擦过程中石墨和PTFE转移到外圈内曲线的表面，表面间的相对摩擦减小，所以消耗功率减小。
2、负载运行测试数据分析
由于实验台只有一个柱塞，因此自吸性能不佳，因此在加载实验中采用泵加载，将吸压水单向阀拆除，即在柱塞上始终加载一恒定液压了。
图13为压水压力从1MPa至5MPa时，外圈速度为75r/min，PEEK滚动体运行功率随时间变化曲线。当压力为1MPa时，平均功率为0.174KW，平均压力为0.98MPa；压力为2MPa时，平均功率为0.228KW，平均压力为 2.02MPa；压力为3MPa时，平均功率为0.273KW，平均压力为3.02MPa；压力为4MPa时，平均功率为0.327KW，平均压力为4.05MPa；压力为5MPa 时，平均功率为0.390KW，平均压力为5.11MPa。
图14为压水压力从1MPa至5MPa时，外圈速度为75r/min，CFPEEK 滚动体运行功率随时间变化曲线。当压力为1MPa时，平均功率为0.182KW，平均压力为1.04MPa；压力为2MPa时，平均功率为0.222KW，平均压力为 2.03MPa；压力为3MPa时，平均功率为0.276KW，平均压力为3.07MPa；压力为4MPa时，平均功率为0.328KW，平均压力为4.01MPa；压力为5MPa 时，平均功率为0.381KW，平均压力为5.09MPa。
比较图13和14，每条曲线几乎都是功率随时间而降低，因为摩擦副表面的状态发生了一些改变，使得摩擦系数和摩擦力减小，导致功率消耗下降，将在下文详细分析。当压力每增加1MPa，根据公式(1-3)，功率应该增加 0.038KW，实际功率增加大于0.038KW，主要因为压力增大，导致摩擦副间的摩擦力增大，从而导致功率大幅上升。
3、滚动体表面形貌分析
图15为PEEK滚动体摩擦前、空载运行后和负载运行后表面形貌。滚动体初始质量为9.923g(水中浸泡7天)，从图15中abc处为PEEK运行前的表面形貌，可以看出表面比较光滑，没有杂质嵌入。
图15中def处为PEEK滚动体空运行后的表面形貌，表面沿滚动方向有许多划痕，因为摩擦副表面没有磨合，有很多粗糙峰，随着摩擦的进行， 17-4PH的粗糙峰在PEEK表面留下划痕；图中圈中为嵌入PEEK基体的杂质，由于17-4PH的硬度比较高，而PEEK的硬度比较软，所以17-4PH脱落的颗粒嵌入了PEEK表面。磨损后PEEK的质量为9.906g，质量减少约0.17％。
图15中ghi处为PEEK滚动体负载运行后的表面形貌，可以看出表面比较空运行后光滑，接近初始状态，沿着滑动方向有较浅的划痕，因为随着加载压力变大，摩擦副双发表面的粗糙峰脱落，表面被磨平，但是仍有极少部分17-4PH材料嵌入PEEK表面，如图6-8圈中的长条状磨屑。负载运行后的质量为9.855g，相比初始状态减少了约0.69％。
图16为CFPEEK滚动体表面形貌。图16中abc处为CFPEEK磨损前的形貌，从图中可以看到清晰的沟壑，这是车削时留下的痕迹，初始重量为 11.129g(水中浸泡7天)。
图16中def处为空运行后CFPEEK滚动体表面形貌，可以看出表面的沟壑已被磨平，图中黑色区域为石墨，大片白色区域为PEEK基体和PTFE，白色条状物为碳纤维材料。磨损后的重量为11.121g，比初始状态重量减少 0.072％。
图16中ghi处为负载运行后的CFPEEK滚动体表面形貌。表面露出了大片黑色物质，这是石墨粘附在CFPEK表面形成的图像，表面比较光滑。磨损后质量为11.122g，比空运行后的质量有所提高，可能因为天平的质量误差造成的，可以肯定滚动体质量几乎没有减少。
测试结果讨论
从以上分析可知，纯PEEK滚动体由于基体较软，表面容易被对偶面的粗糙峰刮擦，磨损体积较大，尤其在高负载和高速时，磨损较快，不适合作为微型面接触摩擦副材料。
由于基体加入增强材料碳纤维，CFPEEK的硬度高于纯PEEK，运动过程中没有发现表面有嵌入物；CFPEEK中含有石墨和PTFE，形成转移膜转移到对偶副表面，可以减少摩擦磨损；经过测量发现在2.5小时的摩擦实验中，质量几乎没有减少，所以适合作为微型面接触摩擦副材料。
归纳以上的结果，对于高分子聚合物材料作为微型面接触摩擦副的材料要求有以下几点：
(1)足够的表面硬度，防止表面被对偶面或者杂质划伤；
(2)良好的自润滑性，可以减少摩擦力，从而减少磨损；
(3)良好的耐磨性，在磨损过程中，如果滚动磨损较大，尺寸发生较大改变，将会影响泵的运行。
通过对实验的测试数据进行分析，得出以下结论：
(1)实验台所耗功率的增加幅度高于载荷和转速的增长幅度，主要因为高分子材料在高载荷和高速时摩擦力增大造成的；
(2)纯PEEK作为滚动体和17-4PH配对时，由于基体较软，磨损量较大，不适合作为微型面接触摩擦副材料；
(3)CFPEEK作为滚动体和17-4PH配对，在实验过程中，磨损量较小，表面没有出现较大缺陷，适合作为微型面接触摩擦副材料。
本发明采用耐腐蚀、高强度金属作为基体、聚合物作为涂层，这样即发挥了基体的高强度的作用，又能使表面层的聚合物发生较大变形，以减小接触应力和剪切应力。
在微型面接触摩擦副结构实验时，滚动体也采用金属作为基体、聚合物作为表面涂层。假设滚动体基体与聚合物注塑层的界面无相对滑移，将整个滚动体视为一个整体，内部满足弹性力学的基本规律。
三、厚度实验测试
三维弹性体的节点应变分量用变矩阵表示为：
式中B为应变转化矩阵，Ux、Uy、Uz分别为节点沿x、y、z方向的位移。
对于各向同性弹性体，在三维应力作用下，节点的弹性矩阵可表示为：
式中E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比。
对于任意节点数的单元刚度矩阵可表示为：
[K]＝∫∫∫[B]T[D][B]dV
式中[D]为单元弹性矩阵，[B]为单元应变转换矩阵。
单元所受载荷矩阵为：
式中为单元上集中力等效节点载荷矩阵，为单元上表面力等效节点载荷矩阵，为单元上集中力等效节点载荷矩阵，为单元节点载荷矩阵，n为单元节点数。
根据以上的公式，得到聚合物层所受的静力平衡方程为：K1ε1＝F1
式中K1为聚合物层的刚度矩阵，ε1为聚合物层的位移矩阵，F1为聚合物层所受外载荷矩阵。
同样，滚动体基体所受的静力平衡方程为：K2ε2＝F2
式中K2为滚动体基体的刚度矩阵，ε2为滚动体基体的位移矩阵，F2为滚动体基体所受外载荷矩阵。
聚合物与滚动体基体的交界面上应该无相对滑移，即满足：ε1＝ε2
将滚动体基体和聚合物视为弹性体，接触过程中无塑性变形，则聚合物层所受应力为：σ1＝D1ε1
式中D1为聚合物的弹性矩阵。
滚动体基体所受应力为：σ2＝D2ε2
式中D2为滚动体基体的弹性矩阵。
参见图17，在ANSYS Workbench中，结果中任意一点Deformation即为该点位移和变形总和，节点的位移计算公式为：
根据上式，在一刚性体上，所有点的平动位移相等。所以可以得出柔性上，任意一点的形变量：δ＝UF-UR (1-6)
式中δ为某点变形量，UF为在外载荷作用下将该物体视为柔性体时该点的位移，UR为在外载荷作用下将该物体视为刚性体时该点的位移。
具体的设计示意图参见图18，滚动体基体使用不锈钢材料，滚动体涂层使用PEEK或者PI材料。通过ANSYS Workbench平台Transient Sturcture模块计算不同的外圈厚度时，滚动体所受的应力情况。
滚动体涂层厚度从0.5mm-9mm(厚度为9mm时，没有基体，滚动体整体为聚合物材料)，基体与表面涂层无相对滑动。
聚合物滚动体有限元网格划分和加载设置
微型面接触摩擦副的受力分析：柱塞受到外载荷产生的压力、摩擦力和惯性力等，这些力最终传递到滚动体上，使滚动和外圈产生较高的接触应力和摩擦应力。
利用ANSYS Workbench瞬态动力学模块进行计算，分析滚动体基体不锈钢17-4PH上覆盖不同厚度的聚合物后与外圈所产生的应力，根据结果优化设计滚动体结构，使之能够承载柱塞传递的力。
表3-1几种模型节点数和单元数
聚合物与滚动体粘结采用bonded，其余接触副采用frictional，摩擦系数根据已有的研究取0.1。模型如图19，采用对称约束，这样可以减少网格和节点数，减少计算量，网格主要采用四节点四面体网格和八节点六面体网格。在活塞顶部加载1500N向下的力，代表实际工况中的负载，外圈转动速度为 6.3rad/s，使用refinement对微型面接触摩擦副接触面进行网格细化，表3-1 为几种模型节点数和单元数，随着聚合物层厚度的减小，节点数和单元数逐渐增多，图20为聚合物接触面的网格，边长约为0.5mm左右，符合接触分析的要求。
外圈的转动速度为6.3rad/s，压水时间约为0-0.05s，为计算的连贯性，设置计算总时间为0.06s，初始时间步长为0.0005s，最小时间步长为0.0005s，最大时间步长为0.001s。
1、聚合物滚动体应力分析
图21-23依次为不同厚度的聚合物注塑厚度时和外圈的剪切应力、接触应力和VonMises应力随时间变化规律，厚度为9mm时，即滚动体完全由聚合物构成，没有金属基体。图中从0.01s开始计算数据，因为在0-0.01s之间，由于计算步长的问题，计算结果处于波动中，因此剔除这些数据。表3-2为图21-23中各条曲线的平均值、标准差、最大值和最小值。图24为接触应力和剪切应力示意云图，从图中可以看出，接触应力、剪切应力和Von Mises 应力均发生在接触点处。
从图21-23和表3-2中可以看出，聚合物注塑层厚度9mm的滚动体应力波动比较大，在0.04s处有一次较大突变，最大值分别为159.13MPa和 15.913MPa。其余滚动体应力变化平顺，没有较大的突变，变化规律基本是随着柱塞的位移逐渐增大，在0.05s附近到达最大值，然后缓慢减小；在0.05s 附近，滚动体与外圈内曲线的最高点接触，此处应接触应力和剪切应力达到最大值。
表3-2滚动体接触应力和剪切应力统计
当滚动体表面聚合物注塑层厚度为1.5mm时，接触应力和剪切应力的平均值、标准偏差在几种滚动体中均是最小，分别为117.48804MPa和 12.515MPa，比聚合物注塑层厚度9mm的接触应力和剪切应力小15％和15％，滚动体表面聚合物注塑层厚度为2mm时次之，接触应力和剪切应力与厚度 1.5mm时相差很小。
一般材料在外力作用下产生塑性变形，以流动形式破坏时，这里校核聚合物强度应采用第四强度理论，即：
式中σ1、σ2、σ3为三个主应力，[σs]为材料许用应力。
方程(1-7)左边即为Von Mises应力。材料的破坏主要取决于最大Von Mises应力最大值，如果Von Mises应力超过材料的屈服极限(对于聚合物，这里使用压缩强度)，就会发生塑性变形，导致滚动体失效。从图23和表 3-2可知，滚动体表面聚合物注塑层厚度为2mm时，滚动体Von Mises应力平均值最小、最大值在几种滚动体中最小，分别为90.02196MPa和 97.961MPa，当滚动体表面聚合物注塑层厚度为1.5mm时，滚动体最大VonMises应力为100.42MPa。图24为聚合物应力云图。表3-3是已选定的几种高分子聚合物材料的抗压强度，从图24和表3-3可以看出PI材料的压缩强度较高，在不添加任何材料的情况下P84的压缩强度最高达到519MPa，纯 PEEK压缩强度最低，为118MPa，所有材料均满足强度要求。
如果处于简单的压缩状态时，最大应力σmax达到材料的屈服强度，表面材料变化发生塑性变形。但是在滚动体和外圈接触过程中，这种塑性变形不会出现，因为材料在三个正交方向上都承受压应力，以致σmax大于屈服极限时并不发生塑性变形，即任何一点应力的流体静力分量不会使这一点材料发生塑性变形。也就意味着局部应力超过屈服极限不会导致塑性变形。因此当滚动体表面聚合物注塑层厚度为1.5mm时，滚动体不会发生塑性变形。
表3-3几种选定聚合物材料的压缩强度
综上所述，聚合物的强度满足微型面接触摩擦副的强度要求，滚动体表面聚合物注塑层厚度为1.5mm或者2mm时，力学性能优于其他几种情况。
2、聚合物滚动体变形分析
表3-4聚合物变形统计
图25为聚合物接触处变形规律，图26为聚合物变形云图，从图中可以看出变形最大处为摩擦副接触处。变形量可根据公式(3-1)计算，从图25 和表3-4可以看出，从0.01-0.05s之间各种滚动体的变形大小几乎保持不变，其中当滚动体完全由聚合物构成时，变形最大，约为0.08mm左右，当聚合物注塑层厚度为0.5mm，变形最小，约为0.028mm；从0.5-0.6s之间，变形大小也同样稳定，几乎没有波动，小于0.01-0.05s之间的变形值，主要原因是因为滚动体向下运动时，柱塞和缸体壁摩擦力方向下，传递到滚动体上的作用力变小，所以变形变小。实际上0.05-0.06s时，处于吸水过程，作用在柱塞上的力比起压水过程小了一个数量级，有限元分析时只是为计算连贯，所以加载力设置和压水过程相同，没有实际意义。
几种滚动体的变形的平均值、标准偏差和最大值都随着聚合物注塑层厚度的增大而变大，当滚动体完全由聚合物构成时，变形最大，最大值出现在 0.05s时，即与外圈内曲线最高点接触时，变形量为0.0735mm，此时为压水行程结束，吸水行程开始。当聚合物注塑层厚度为1.5mm时，变形量最大值 0.0415mm，尽管变形量不是最小，所受应力却是最小。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于水基环境中的高分子滚动轴承，其特征在于：包括轴承内圈（4）；位于所述轴承内圈（4）外的轴承外圈（1）；位于所述轴承内圈（4）与轴承外圈（1）之间的保持架（3）以及若干沿周向通过保持架（3）间隔分布的滚动体（2）；所述滚动体（2）包括基体（6）和包覆于基体外周的涂层（5），涂层（5）与所述轴承内圈（4）以及轴承外圈（1）接触，所述基体（6）采用陶瓷材料或者金属材料、所述涂层（5）采用高分子复合材料，所述所述轴承内圈（4）以及轴承外圈（1）采用陶瓷材料或者金属材料，所述保持架（3）使用高分子复合材料或者陶瓷材料。
2.如权利要求1所述的用于水基环境中的高分子滚动轴承，其特征在于：所述基体（6）采用不锈钢材料或者陶瓷材料，所述涂层（5）采用聚醚醚酮复合材料或者聚酰亚胺复合材料。
3.如权利要求2所述的用于水基环境中的高分子滚动轴承，其特征在于：所述基体（6）采用17-4PH等耐腐蚀不锈钢；所述涂层（5）采用含有自润滑特性的石墨或者聚四氟乙烯等具聚醚醚酮或者聚酰亚胺等复合材料。
4.如权利要求3所述的用于水基环境中的高分子滚动轴承，其特征在于：所述涂层（5）厚度为0.5mm-9mm。
5.如权利要求4所述的用于水基环境中的高分子滚动轴承，其特征在于：所述涂层（5）最佳厚度为1.5mm或者2mm。
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