PTFE／銅網(wǎng)襯墊關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能研究

王國鋒，邱 明，郜志倫

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

自潤滑關(guān)節(jié)軸承作為一種球面滑動軸承，在旋轉(zhuǎn)擺動和傾斜擺動的機(jī)構(gòu)中起著重要的作用，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、礦山和紡織等各類機(jī)械設(shè)備中［1-2］。自潤滑關(guān)節(jié)軸承的失效主要是因自潤滑材料的不斷磨損而失去自潤滑功能所致，故自潤滑材料的摩擦學(xué)性能是目前國內(nèi)、外學(xué)者研究關(guān)節(jié)軸承的熱點(diǎn)。但是，目前所開展試驗(yàn)的頻率普遍較低，一般不超過1 Hz，因而有必要在更高擺動頻率下對自潤滑關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能進(jìn)行深入研究［3］。下文在擺動頻率為1.2，1.9，2.9，4.8 Hz；壓力為23.8，47.6，71.4，95.2 MPa和擺角±10°條件下測試了PTFE／銅網(wǎng)復(fù)合材料襯墊關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損性能，以期為高頻重載擺動條件下自潤滑關(guān)節(jié)軸承的研制提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用關(guān)節(jié)軸承基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，基本尺寸為：內(nèi)徑12 mm，外徑22 mm，內(nèi)圈寬度10 mm，外圈寬度7 mm。軸承內(nèi)圈材料為GCr15軸承鋼，外圈材料為20號鋼，襯墊為PTFE／銅網(wǎng)復(fù)合材料。

圖1 自潤滑關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)圖

2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用如圖2所示的自制關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)方案參照SAE AS81819和SAE AS81820標(biāo)準(zhǔn)制定［4］，所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，試驗(yàn)前對關(guān)節(jié)軸承靜壓15 min，然后開機(jī)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)軸承的擺動次數(shù)為25 000次。定義接觸壓力P為正壓力N除以摩擦副沿直徑軸截面上的投影面積S，即P＝N／S［5］。試驗(yàn)采用扭矩傳感器、杠桿百分表和熱電偶實(shí)時記錄試驗(yàn)過程中的扭矩值、線磨損量和摩擦溫度。具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

圖2 關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)總體示意圖

表1 試驗(yàn)參數(shù)

3 試驗(yàn)分析

3.1 摩擦磨損分析

圖3a為試驗(yàn)軸承在不同壓力條件下摩擦系數(shù)隨擺動頻率的變化規(guī)律?？梢钥闯觯诘徒佑|壓力（≤47.6 MPa）下，摩擦系數(shù)和磨損量較小且隨擺動頻率的升高出現(xiàn)小幅波動，說明擺動頻率對該軸承的摩擦、磨損影響較??；經(jīng)過25 000次擺動，軸承摩擦面溫度上升幅度較小并保持在47℃左右，說明在此條件下軸承散熱較好。而在較高接觸壓力（＞47.6 MPa）下的摩擦系數(shù)和磨損量變化比較劇烈，且在2.9 Hz處出現(xiàn)拐點(diǎn)，磨損量達(dá)到最大，擺動過程中有大量黑色絮狀磨屑排出，此時襯墊表面PTFE和鉛粉混合物層剝落，在內(nèi)圈和襯墊基體銅網(wǎng)之間發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損，軸承進(jìn)入磨損加劇階段［6］，磨損襯墊的三維表面粗糙度值也最大（表2）；同時，軸承溫升也加劇（圖4），當(dāng)擺動頻率達(dá)到4.8 Hz時，積聚的熱量使將要脫落或者已脫落的襯墊磨屑發(fā)生了塑性變形，又由于銅本身具有良好的延展性，磨屑很容易嵌入并穩(wěn)定在摩擦所產(chǎn)生的凹谷中［7］，從而使摩擦表面相對光滑，三維粗糙度值變小。

表2 不同條件下三維粗糙度參數(shù)算術(shù)平均偏差值（S a）與均方根偏差（S q）值（95.2 MPa）

圖3 摩擦系數(shù)和線磨損量隨擺動頻率變化的關(guān)系曲線

圖4 軸承溫升隨擺動頻率的變化曲線

3.2 磨損機(jī)理的探討

圖5為關(guān)節(jié)軸承在23.8 MPa-1.2 Hz，23.8 MPa-4.8 Hz，95.2 MPa-1.2 Hz和95.2 MPa-4.8 Hz時襯墊材料的掃描電鏡形貌。由圖5a可以看出，襯墊表層保存完好，基體材料銅尚未顯露出來，襯墊材料幾乎沒有遭到破壞，自潤滑性能依然良好；隨著擺動頻率升高到4.8 Hz，摩擦過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及摩擦面上的剪切拉伸引起聚合物表面龜裂［8］，并且發(fā)生塑性變形，甚至出現(xiàn)了剝落，說明此狀態(tài)下襯墊材料發(fā)生剝落磨損（圖5b）。當(dāng)接觸壓力為95.2 MPa，擺動頻率為1.2 Hz時，軸承襯墊表層材料磨損較為嚴(yán)重，襯墊表層材料已幾乎被磨完，襯墊基體材料也遭到了破壞，剝落面積增大；當(dāng)擺動頻率為4.8 Hz時，襯墊表層材料已經(jīng)磨完，表面有大量的附著顆粒。

圖5 PTFE編織物磨損表面形貌SEM照片

對接觸壓力23.8 MPa、擺動頻率1.2 Hz條件下試驗(yàn)后的軸承襯墊材料進(jìn)行能譜分析，如圖6所示。襯墊中含有大量的Fe，由于襯墊為PTFE／銅網(wǎng)復(fù)合材料，故這些鐵只可能由內(nèi)圈轉(zhuǎn)移過來，襯墊發(fā)生粘著磨損，這也是襯墊潤滑失效的原因之一。

圖6 關(guān)節(jié)軸承的襯墊材料磨損表面SEM照片和EDS（1.2 Hz，23.8 MPa）

4 結(jié)論

（1）由摩擦磨損分析可知，該軸承適合在低接觸壓力（≤47.6 MPa）下工作，此時的摩擦系數(shù)、磨損量小且穩(wěn)定。

（2）通過對襯墊摩擦面的SEM和EDS分析可知，摩擦磨損過程中襯墊材料發(fā)生了粘著磨損、磨粒磨損和剝落。