機械資訊 732期
文/Matt Mowry
易格斯股份有限公司
 
前言
 
面對競爭越來越激烈的市場，機台與設備製造商往往承受很大的成本壓力，如何在不犧牲機台性能的前提下，有效降低成本？兩者要達到平衡並非易事。設備製造商通常忽略了一個很簡單的解決方案，而這能夠對自己和客戶的盈利帶來積極、長遠的影響︰使用免上油軸承。透過去除軸承的潤滑需求可以幫助設備製造商降低生產成本，為最終用戶降低使用和維護成本。
 
軸承的潤滑劑會帶來什麼問題呢？根據一家大型滾珠軸承製造商的研究，54%的軸承故障源自於潤滑問題。(請見圖1)在MIT(麻省理工學院)的一項研究顯示，僅僅在美國，每年因為潤滑問題而造成設備機台的停機時間和生產設備的維修成本高達2千4百億美元。不當的軸承潤滑或過當的潤滑可能造成40%到50%的機台故障，採用免上油、免保養的替代解決方案，不僅可以有效降低成本和風險，也可以免去處理廢棄油和採購潤滑相關零配件的麻煩(自動潤滑產線、黃油嘴、油壓閥等等……)。
 
被忽略的潤滑成本
 
提供適當的潤滑對滾珠軸承的正常運轉是非常重要的，尤其需要不斷地持續上油保養。通常後續的潤滑保養需要安排時間讓生產線暫停，這不僅增加了保養維護的成本，同時也造成生產線的損失。此外，重新潤滑保養的需求往往會越來越頻繁，雖然有些潤滑程式是自動的，但主要還是需要維護人員透過手動操作來潤滑設備上的零件。
 
這看似簡單的工作事實上包含一些關鍵步驟，才能確保提供適當的潤滑，比如正確的潤滑油量、合適的潤滑工具、適當的清潔保養、仔細的存放和裝卸等等……
 
此外，使用相同的潤滑劑來維持整個軸承的使用週期是非常關鍵的。對設備使用壽命維護技術進行的一項研究發現，80%的維護工人在工作所需基本技能的調查中得分低於50%，而“軸承潤滑”是他們的第一項測試任務。
 
根據麥克納利學院(McNally)的調查研究顯示，軸承故障的一個主要原因是水分和固體顆粒的污染。僅0.002%的水混合進入潤滑系統，便會增加48%的故障率。6%的水會減少83%的軸承壽命。 
 
1. 提供代工廠的零配件
 
  使用潤滑軸承會增加生產的複雜性和成本，潤滑保養時往往需要安裝黃油嘴或是使用到潤滑機及空油壓機。不僅會增加額外的採購費用，還會產生相關配套零件的加工和裝配成本。
 
  滾珠軸承需要油封來隔離潤滑劑與水或液體，刮油片與金屬刮刀同樣用來清除髒污及雜物。油封不僅無法在髒亂和塵土飛揚的環境中持久工作，還會增加應用的摩擦。在農業機械和割草機等應用中，灰塵、髒污、碎屑是不可避免的，油封可能需要頻繁更換。
 
2. 自潤式軸承無需這些成本
 
  (1)人力
  一家大型石油公司研究以手動潤滑一個軸承的油脂點所需的時間。結果顯示，採用手動潤滑，平均每點需要3分鐘。平均每台機器有20個潤滑點需要維護。每天潤滑一台機器上的20個潤滑點，每週工作7天，每年要消耗7,300美元的人力成本。另一位專家稱，平均一個員工維護2,196個軸承，每年需要60,000美元潤滑保養成本，其中57,000美元用於人力成本。
 
  (2)停機時間 
  軸承潤滑不當或潤滑保養造成了40%至50%的機器故障。當軸承過早失效，可能就需要採取一些措施。更換軸承、心軸及馬達和其他零件，花費昂貴。如果機器需要停機，費用可能直線上升。據估計平均停機時間的成本是每小時500美元，在一些汽車和其他大量生產工廠，停機成本也相當高。此外，非計畫停機時間會引起連鎖反應，影響工廠的生產進度。
 
  (3)廢棄物料的成本 
  根據Valin6指出，妥善處理潤滑油所花費的成本約為公司總支出的20 %，這表示如果工廠每年在潤滑油上花費$50,000美元，他們就必須花費約$10,000美元來清理，除此之外，潤滑劑本身的成本會對整個費用有著重大的影響，因為潤滑油價與石油油價有著密切的關係。
 
自潤式軸承
 
自潤式工程塑膠軸承由高性能工程塑膠製成，不同於滾珠軸承的工作原理，使用滑動代替滾動。它由基材、強化纖維和固體潤滑劑構成。強化纖維能增強材料的負載能力和耐磨性，固體潤滑劑在軸承和心軸的壓力下釋放出潤滑微粒以達到潤滑效果。運行中無需額外添加潤滑油，自潤滑軸承完全乾式運行。非常適合運用在食品生產線或是實驗室，因為這些地方都需要乾淨且無油污的生產環境。
 
工程塑膠軸承適合在環境髒污的地方使用，因為它表面沒有油，也不會附著灰塵和髒污，如：農業機械產業。它們使用時可以不傷害心軸，甚至在一般的心軸上，它也比一般硬陽處理的材質或不鏽鋼的心軸便宜。
 
1. 去除保養成本
  使用高性能自潤式工程塑膠軸承可以顯著降低維護成本，以及減少由於軸承失靈造成的突發停機時間。使用自潤式工程塑膠軸承的設備製造商能夠提供免維修的系統，提高終端客戶的生產能力，進一步提高產品的競爭力。如果自潤滑軸承需要更換，更換部件僅為一個廉價的塑膠軸套，採購成本只是佔更新整套金屬滾珠軸承的一小部分。
 
2. 降低生產成本
  塑膠軸承不需要加工和安裝滾珠軸承所需的工序。低價格且不需要潤滑油的配件，油線或泵。塑膠軸承可配合低成本的心軸使用，如鋁或冷軋鋼。易格斯提供線上使用壽命計算器，預測軸承壽命，以確保它是應用程序的理想選擇；無需測試，節省了時間和避免材料選擇中的錯誤。
 
3. 自潤工程塑膠軸承不適用的應用參數
✽高速高荷重:會造成過度摩擦熱量積聚和磨損的應用
✽高荷重懸臂:由於自潤式工程塑膠軸承採用滑動運行(不像滾珠軸承，是滾動)，具有較高摩擦係數的線性應用可能會導致高荷重懸臂或驅動力的不均勻運動。
✽極高精度:塑膠軸承與滾珠軸承相比，有.001-.002 的運行間隙，因此是非極端精度應用的理想選擇。
✽耐溫性:工程塑膠軸承不建議在長期運行溫度超過250°C的應用下使用。
 
高性能工程塑膠的應用領域
 
農業機械
 
播種機是農業機械領域的典型機械，使用步進車輪保證一致的播種深度形成獨立的植行單位。
 
常規的解決方案使用浸油的銅軸承加套石墨心軸套，來執行這項工作，卻帶來了嚴重的問題。一個播種季節中通常需要更換兩到三次。在沿海地區，空氣中的鹽份會造成腐蝕或卡死。
 
使用自潤式工程塑膠軸承可取代144銅軸承，播種臂的使用壽命增加500%到600%。實際軸承的成本比銅軸套少70%至80%，而且更可靠。
 
包裝機產業
 
垂直成型—填充—密封(V/F/F/S)的專業包裝設備具有廣泛的產品處理能力：綠豆、糖果、洗滌劑等。機器每分鐘運行能達160個週期，承受荷重達15磅，運行速度達每分鐘750英尺。
 
某製造商之前一直在使用金屬直線滾珠軸承。在發現金屬軸承會刮傷心軸和在一些機器上殘留油脂後，該公司決定，使用潤式直線軸承來替代。至今為止，直線軸承已超過10萬次運行，這些包裝機械幾乎沒有明顯的磨損。
 
醫療器材設備
 
為提高發現和治療前列腺癌的技術，麻州伍斯特理工學院(WPI)的一組研究人員開發了一台相容壓電驅動的核磁共振成像(MRI)機器人。
 
為了實現不同類型的運動，這台機器人使用線性導向系統與自潤塑膠平面軸承。直線導向系統實現定位模組的便捷移動，提供機器人的針驅動定位模組的平移運動。針驅動程式是一個系統的重要組成部分，它提供了針套管旋轉和平移運動：一個活動的管插入病人的身體來實施MRI引導的診斷和治療。
 
軸承以同步帶夾頭機制驅動機器人的馬達旋轉針。這樣旋轉針會減少組織損傷，同時提高定位精度。另有10個滑動軸承被用來構建一個旋轉關節，也被稱為“軸關節”或“樞接頭”，為機械提供單軸旋轉運動。
 
直線導軌是由硬質陽極氧化鋁心軸和高性能塑膠滑塊構成，不會干擾MRI程式。直線滑軌的運行無需潤滑劑，這對無菌的醫療環境非常重要。它還具有安裝空間小的特點。這種特殊的工程塑膠滑動軸承是這台機器人的理想選擇，由符合FDA標準材質製成，可以直接接觸食物或藥物。
 
工程塑膠自潤軸承取代金屬平面軸承的4個理由
 
在過去20年，工程塑膠在軸襯套的應用已有革命性的發展。而工程塑膠軸承的開發是為要因應高轉速、高附載、高溫、耐化學性並一系列廣泛的應用。
 
以下是使用工程塑膠自潤軸承取代DU軸承(PTFE直線襯套)的4個理由，將提供您在研發設計時更多的彈性。
 
1. 較薄的壁厚
 
  一顆PTFE直線金屬襯套是由金屬為本體，在內層加以薄層的聚合物表面(PTFE)。這類軸襯套的表面磨擦係數最高只有0.06毫米(0.002英吋/60條)，然而當運行時PTFE層開始磨耗脫落，金屬層面便很快的暴露出來。這就產生了心軸與襯套金屬間的磨耗效應，此時心軸會被嚴重的破壞。這樣的問題在高邊緣負載和擺盪運動的應用中更為所見。相反的，工程塑膠自潤軸承是由先進的複合材質所組成，塑料與塑料間的微小空間中含有固態潤滑成分。
 
  當機構在運行時，工程塑膠裡的潤滑成分就會轉換到心軸上來降低磨擦和磨耗，不同於PTFE直線金屬襯套的是，工程塑膠自潤軸承免除了金屬與金屬磨耗所產生的危險。這對於磨耗值在可接受範圍內的相關應用是一大福音。(然而，PTFE直線金屬襯套在磨擦係數超過0.06毫米時就會失去作用。) 
 
  例：目前使用的壽命計算器採用現行的磨耗值0.25(相當於0.01英吋)，但是使用者可以輕易的根據應用增減這個數值來達到可接受的範圍。
 
  不同於DU軸承(PTFE直線襯套)，工程塑膠自潤軸承不會有金屬與金屬的磨耗所產生的危險。
 
  多數的工程塑膠自潤軸承都能取代PTFE直線金屬襯套。其中有一型適用於嚴苛環境、中高負載、一般表面速度和一般溫度環境。
 
2. 重量高
 
  DU軸承(PTFE直線襯套)重量相較於工程塑自潤膠軸承高出許多，無論金屬的材質是什麼，運行時所產生的能源消耗也跟著增加。這對汽車、航空、能源再生交通工具和腳踏車的應用會產生許多問題。
 
  相反地，工程塑膠自潤軸承重量輕的特質能有效減少油耗和二氧化碳的排放。因為能夠達到低碳排放量，質量也較低，能源消耗相對減少。
 
  就重量來作比較，一顆工程塑膠自潤軸承大約比DU軸承(PTFE直線襯套)少了80%的重量。
 
3. 不耐腐蝕和化學性。
 
  金屬層的DU軸承(PTFE直線襯套)在水下和腐蝕性的化學物質環境中並不適用。在這類的應用中，DU軸承(PTFE直線襯套)會鏽蝕進而影響接觸面的靈活性，最後導致無法順利運行。由於工程塑膠自潤軸承是由高效能的工程塑膠所研發而成，在嚴苛環境中它提供了耐腐蝕、抗化學性等特性讓設備運行不受影響。
 
4. 不耐生物油
 
  使用生物油和生物柴油的趨勢導致PTFE直線金屬襯套在使用時會產生問題。當金屬軸襯套暴露在潮溼的環境超過一定的極限時，金屬軸襯套會開始產生剝落的現象。
 
  然而，這類型的應用卻為工程塑膠軸承開啟了一扇大門。因為耐腐蝕的特性，工程塑膠軸承能在這樣的應用環境中不受影響，儘管生物柴油容易吸收大量的水分已是不變的事實。
 
  目前市場上已開發出適用於生物柴油的應用環境。這類材質是專為高技術單位和嚴苛環境的應用所設計的。
 
  也有適用於水下環境的應用的產品，不但能耐化學物質、高負載，耐高溫更能達到華氏392度，甚至能在連續高溫華氏482度下連續運行的產品，這是經過特別的設計，在高溫的環境時吸水性的特質就會跟著增加的緣故。