真空環境下提高連桿升降裝置耐磨性的優化設計

朱星高

南昌大學、廣州禾信康源醫療科技有限公司 江西 南昌 330000

0 引言

真空環境下運行的零部件必須達到無油、潔凈的標準。通常大氣環境中連桿與軸之間大都涂有潤滑油，減少了連桿與軸之間的磨損，延長結構的使用壽命。但是在真空環境下是不能使用普通潤滑油的。通常在真空環境下連桿與軸都采用金屬材質，把控好軸與連桿孔的間隙來實現其運行目的。這種做法在較重負載以及較快速度、長時間運行時會出現卡死的現象，因為金屬的摩擦系數較高長時間運行會發熱、有微小顆粒產生，加上軸孔如果安裝時有不同心的情況，更會加劇其磨損，導致卡死不能正常工作。所以，必須要求在真空環境下做出相應的設計調整：減少軸與連桿之間的磨損防止卡死。

圖1 連桿-軸設計方案(方案1)

在升降裝置中，連桿-軸的磨損是最嚴重的，圖1是連桿-軸設計方案(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材質是黃銅材質；方案1在短時間、輕負載的情況下、完全能滿足使用要求。但當方案1在長時間、高負載的情況下運行就會出現嚴重的磨損甚至卡死的現象，直接導致升降裝置不能使用。見圖2

1 方案1磨損現象的分析

在升降連桿運行時，連桿與中心軸、中心軸與黃銅材質的軸環之間是直接接觸的，而真空環境下沒有添加任何的潤滑脂，長時間、高負載的運行會使得中心軸與軸環及連桿之間產出大量的金屬粉末，增加他們之間的磨損最終導致中心軸卡死，無法轉動

2 連桿-軸磨損的解決方案

2.1 設計修改改善潤滑狀態

2.1.1 方案1黃銅軸環設計結構的缺陷 由于黃銅本身強度不高，在與304不銹鋼軸的摩擦中會產生大量微小的銅粉，這些銅粉分布在中心軸與軸環之間，加大了摩擦系數，長時間運轉容易使得局部配合處出現溫度升高的現象，進而影響材質的物理性能，加劇了軸與連桿的咬死。

圖2 連桿-軸實物圖(方案1)

2.1.2 改進方案 連桿-軸改進后的設計結構(方案2)在中心軸與連桿2和連桿1之間摒棄黃銅材質的軸環，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動帶來的徑向磨損，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動帶來的軸向磨損。

圖3 連桿-軸設計方案(方案2)

表1 各材料性能參數對比

上表是三種材料的性能參數對比。材料的磨損影響主要有：硬度；溫度；塑性和韌性；強度；表面粗糙度等。而不銹鋼SUS304材質以及黃銅材材質都不是我們理想中的耐磨材料。但PEEK-HPV材質能夠符合我們的使用要求：滑動性能極佳，耐磨性能出色，適合用于要求很高的耐磨場合；添加了碳纖維、鐵氟龍和石墨等以符合低摩擦、高散熱的高承負荷需求；該材料具有優秀的綜合性能，機械性能好，耐高溫，耐化學性能優越(適用于真空環境)。

2.2 連桿、軸材質以及熱處理工藝提高耐磨性

2.2.1 表面處理問題 方案1中中心軸與連桿均用SUS304材質，相同SUS304材質長時間磨損加劇其咬合性變差；黃銅材質較軟，在與SUS304材質的連桿接觸磨損后會有銅粉產生，影響正常運轉。

2.2.2 改進方案 連桿以及中心軸都采用淬火熱處理的SUS440C材料，技術參數見表2，經過淬火熱處理的SUS440C材質的連桿硬度達到了洛氏HRC56，提高連桿孔的表面粗糙度，進一步提高耐磨性，實際應用表面，方案2中的結構完全滿足使用要求。

表2 兩種材料性能對比

2.2.3 改進后的效果

根據客戶反饋數據，一臺儀器平均每天升降運行次數為6-8次，則每年總運行次數為2000次(8次*250工作日＝2000次)。在常規的使用場景中可正常使用22000/2000＞11年，滿足使用需求。

4 結語

真空環境下連桿升降裝置不同于大氣環境，對零件材質以及表面處理都有嚴格的要求，怎樣在真空環境下實現連桿-軸長時間、重負載的情況下穩定運行成為了一個難題，而對真空環境耐磨性的研究較少，本文針對這點進行了較為詳細的分析和闡述，提供了較有意義的參考。