自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承的摩擦性能研究

邱明，呂桂森，占松華，李迎春，陳龍

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003;2.臺(tái)州科錦軸承有限公司，浙江 臺(tái)州318050)

0 引言

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承作為一種球面滑動(dòng)軸承，在旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)和傾斜擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)中起著重要作用，已廣泛應(yīng)用于航天航空、工農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山冶金、紡織化工、印刷、制藥、鐵路、汽車(chē)、船舶、軍用機(jī)械等領(lǐng)域[1－3]。自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承通常是由一個(gè)帶螺紋桿的軸承殼體、空心球狀的內(nèi)圈和一個(gè)鑲嵌于外表面的自潤(rùn)滑襯墊層組成。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近年來(lái)引進(jìn)的機(jī)械設(shè)備中，凡屬連接操縱系統(tǒng)、調(diào)節(jié)裝置及要求抗污染、耐高低溫、在真空?qǐng)龊蟼鬟f力或力矩的設(shè)備中，70%以上采用了自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承。尤其值得一提的是:美國(guó)波音公司制造的波音737 型、747 型、757 型和法國(guó)生產(chǎn)的海豚、超黃峰飛機(jī)的操縱傳動(dòng)系統(tǒng)，采用自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承幾乎達(dá)到了100%[4].自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承的失效多數(shù)是由于自潤(rùn)滑材料磨損加劇而失去自潤(rùn)滑功能所致，故自潤(rùn)滑材料的摩擦學(xué)性能是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究關(guān)節(jié)軸承的熱點(diǎn)[5－7]。然而，針對(duì)桿端關(guān)節(jié)軸承襯墊材料，尤其是尼龍襯墊材料的摩擦學(xué)試驗(yàn)研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展的較少。因此，本文針對(duì)3 種常用襯墊材料和1 種新型尼龍襯墊材料的桿端關(guān)節(jié)軸承，利用自制的高頻重載桿端關(guān)節(jié)軸承擺動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究了4 種擺動(dòng)頻率條件下襯墊材料的摩擦學(xué)性能及其磨損機(jī)理，期望能為國(guó)內(nèi)桿端關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用桿端關(guān)節(jié)軸承基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，基本尺寸為:內(nèi)圈內(nèi)徑φ16 mm，內(nèi)圈寬21 mm，球徑φ28.575 mm，外圈外徑φ40 mm，外圈寬15 mm，M16的內(nèi)螺紋桿，深28 mm，桿端長(zhǎng)44 mm.

圖1 桿端關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of rod end spherical plain bearing

每種類型襯墊軸承在4 種擺動(dòng)頻率下分別做3 次試驗(yàn)，取平均值，共計(jì)試驗(yàn)軸承48 套。4 種類型襯墊桿端關(guān)節(jié)軸承由浙江臺(tái)州科錦軸承有限公司提供，其材料屬性如表1 所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)采用的自制桿端關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)如圖2 所示。利用扭矩傳感器、杠桿百分表和熱電偶，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中摩擦力矩、磨損量以及摩擦溫度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。參照SAE AS81819 和SAE AS81820 美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)方案制定如下:1)擺動(dòng)頻率分別為1.5 Hz、2.0 Hz、2.5 Hz、3.0 Hz;2)擺動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)擺動(dòng);3)擺動(dòng)角度±6°;3)軸承所受載荷壓力16 MPa.

表1 不同桿端關(guān)節(jié)軸承材料屬性Tab.1 Material properties of different rod end spherical plain bearings

試驗(yàn)過(guò)程如下:

1)將軸承裝入試驗(yàn)機(jī)靜壓15 min;

2)將扭矩傳感器、杠桿百分表等測(cè)試部分調(diào)整到工作狀態(tài)準(zhǔn)備開(kāi)機(jī);

3)檢測(cè)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程并定時(shí)記錄摩擦力矩、磨損量、摩擦溫度參數(shù);

4)軸承擺動(dòng)次數(shù)為25 000 次。

圖2 桿端關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)總體示意圖Fig.2 Schematic diagram of testing machine for rod end spherical plain bearing

試驗(yàn)時(shí)，桿端關(guān)節(jié)軸承所承受的載荷是通過(guò)液壓加載系統(tǒng)而得到，因?yàn)橐簤杭虞d系統(tǒng)比較穩(wěn)定，并且調(diào)壓方便。由(1)式可得施加在桿端關(guān)節(jié)軸承上的接觸壓力

式中:p1為液壓加載系統(tǒng)壓力;S 為桿端關(guān)節(jié)軸承外圈寬度與球徑的乘積;S1為液壓缸加載端面的面積。

本試驗(yàn)利用機(jī)械式測(cè)微杠桿百分表全程在線測(cè)量軸承擺動(dòng)過(guò)程中襯墊磨損后軸承徑向的線位移量，在桿端關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行加載前，將杠桿百分表的指針?lè)旁跅U端關(guān)節(jié)軸承底部的平面上。并通過(guò)EN880 型數(shù)字無(wú)紙記錄儀與熱電偶一端連接，熱電偶另一端放置于經(jīng)過(guò)加工的關(guān)節(jié)軸承外圈端面的小孔中，該孔位于桿端關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈摩擦面的正下方，孔徑φ1.2 mm，深8 mm，試驗(yàn)軸承的加載及測(cè)量部位如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)軸承的加載及測(cè)量Fig.3 Load and measurement of test bearing

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:隨著擺動(dòng)頻率的增加，桿端關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損狀況逐漸惡化，但是4 種軸承所表現(xiàn)出來(lái)的摩擦學(xué)性能差異較大。4 類軸承在載荷為16 MPa 時(shí)，摩擦系數(shù)、線磨損量及摩擦溫度隨擺動(dòng)頻率增加的變化曲線如圖4 ～圖6 所示。

2.1 擺動(dòng)頻率對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖4 為4 種不同類型試驗(yàn)軸承在載荷為16 MPa條件下摩擦系數(shù)隨擺動(dòng)頻率的變化規(guī)律。

圖4 摩擦系數(shù)隨頻率的變化曲線Fig.4 Friction coefficient vs oscillating frequency

可看出，隨著擺動(dòng)頻率的增加，4 類軸承的摩擦系數(shù)都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槟Σ翢崴鸬母邷卦斐刹牧宪浕?，從而使摩擦系?shù)減小[8]。說(shuō)明4 類軸承均適合于高頻條件下使用。從曲線的斜率上看，隨擺動(dòng)頻率增加，摩擦系數(shù)減小的速率逐漸降低。在1.5 ～2.5 Hz 時(shí)，PTFE 軸承的摩擦系數(shù)最小，并且其減小的速率在4 類軸承中也最小，其次是尼龍軸承，摩擦系數(shù)最大的為銅基粉末冶金軸承，當(dāng)頻率達(dá)到3.0 Hz 時(shí)，PTFE 軸承的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了緩慢上升的趨勢(shì)，因此，PTFE 軸承與尼龍軸承的摩擦系數(shù)出現(xiàn)交點(diǎn)，此時(shí)尼龍軸承的摩擦系數(shù)最小，PTFE 軸承次之，銅基粉末冶金軸承的摩擦系數(shù)仍為最大?？傮w上，PTFE 軸承的摩擦系數(shù)在4 類軸承中整體最小，尼龍軸承次之，銅基粉末冶金軸承的摩擦系數(shù)最大。

2.2 擺動(dòng)頻率對(duì)磨損量的影響

圖5 為4 種不同類型試驗(yàn)軸承在載荷為16 MPa條件下磨損量隨擺動(dòng)頻率的變化規(guī)律。

圖5 磨損量隨頻率變化的關(guān)系曲線Fig.5 Wear depth vs oscillating frequency

可看出，隨著擺動(dòng)頻率的增加，尼龍軸承的磨損量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，在低于2.0 Hz 時(shí)的減小速率較大，隨著擺動(dòng)頻率的繼續(xù)增加，磨損量的減小速率趨于平緩，減小幅度約為20%.與其他3 類軸承磨損量的變化趨勢(shì)不同，并且當(dāng)擺動(dòng)頻率達(dá)到3.0 Hz時(shí)，尼龍軸承和PTFE 軸承的磨損量出現(xiàn)了交點(diǎn)，與摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)相一致，這是由于尼龍材料的熱傳導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性較好，使得其抗磨性能有所提高，從而有利于磨損量的減小。說(shuō)明尼龍軸承適合在高頻重載的工況下使用。PTFE 軸承磨損量升高的幅度約為14%，為4 類軸承中磨損量最小的。青銅軸承磨損量在2.0 Hz 處出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨著擺動(dòng)頻率的繼續(xù)增加，其磨損量出現(xiàn)了一定幅度的下降，銅基粉末冶金軸承的磨損量最大，且在1.5 ～2.0 Hz 時(shí)，磨損量升高的速率較大，升高幅度約為69%，并且試驗(yàn)過(guò)程中軸承出現(xiàn)了大量的磨屑，說(shuō)明此類軸承的抗磨效果相對(duì)較差，其在2.0 Hz 處也出現(xiàn)了拐點(diǎn)，隨著擺動(dòng)頻率的繼續(xù)增加，其磨損量變化趨于平穩(wěn)?？傮w上，在4 類軸承中，PTFE 軸承的磨損量整體趨勢(shì)最小，其次是尼龍軸承，銅基粉末冶金軸承的磨損量整體趨勢(shì)最大。

2.3 擺動(dòng)頻率對(duì)摩擦溫度的影響

當(dāng)載荷一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，摩擦副發(fā)熱也越嚴(yán)重，接觸表面溫度上升，導(dǎo)致材料強(qiáng)度、硬度降低[9]。圖6 為4 種不同類型試驗(yàn)軸承在載荷為16 MPa 條件下摩擦溫度隨擺動(dòng)頻率的變化規(guī)律。

圖6 摩擦溫度隨頻率變化的關(guān)系曲線Fig.6 Frictional temperature vs oscillating frequency

圖7 不同桿端關(guān)節(jié)軸承襯墊材料的磨損表面SEM 微觀照片F(xiàn)ig.7 SEM micrographs of worn liners of different rod end spherical plain bearings

可看出，隨著擺動(dòng)頻率的增加，4 類軸承的摩擦溫度都呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。在1.5 Hz 時(shí)，PTFE 軸承的摩擦溫度最低，其次是尼龍軸承，銅基粉末冶金軸承的摩擦溫度最高，隨著擺動(dòng)頻率增加到2.0 Hz，青銅軸承的升高速率高于銅基粉末冶金軸承，因此青銅軸承和銅基粉末冶金軸承的摩擦溫度出現(xiàn)了交點(diǎn)，此時(shí)青銅軸承的摩擦溫度最高。尼龍軸承和PTFE 軸承摩擦溫度升高的速率小于青銅軸承和銅基粉末冶金軸承，升高幅度分別為46%和35%.青銅軸承和銅基粉末冶金軸承在3.0 Hz 時(shí)的摩擦溫度均超過(guò)70℃，說(shuō)明其散熱性較差?？傮w上，尼龍軸承和PTFE 軸承的散熱性要好于青銅軸承和銅基粉末冶金軸承，且PTFE 軸承的散熱性為4 類中最好，其次是尼龍軸承，青銅軸承的摩擦溫度最高，散熱性能最差。

2.4 摩擦磨損機(jī)理分析

圖7 為4 種桿端關(guān)節(jié)軸承襯墊材料在分別在16 MPa、1.5 Hz 和16 MPa、3.0 Hz 時(shí)的SEM 照片。

由圖7(a)可看出，1.5 Hz 時(shí)尼龍軸承的襯墊材料幾乎沒(méi)有遭到破壞，基體材料尚未顯露出來(lái)，只是出現(xiàn)了一些輕微磨痕。這是由于其表面轉(zhuǎn)移膜不連續(xù)且內(nèi)圈材料對(duì)其產(chǎn)生一定的擦傷所致，隨著擺動(dòng)頻率升高到3.0 Hz，襯墊表層完好，由于摩擦溫度升高，偶件表面聚合物及其復(fù)合材料更容易形成轉(zhuǎn)移膜，才使得尼龍基體受到的微觀切削和擦傷作用減輕，從而有利于降低其磨損量[10]，說(shuō)明尼龍軸承表現(xiàn)為輕微磨損，并且適合在高頻重載的工況下工作，如圖7(b)所示。由圖7(c)可知，1.5 Hz 時(shí)PTFE 軸承襯墊材料有輕微磨損，隨著擺動(dòng)頻率升高到3.0 Hz，襯墊材料出現(xiàn)了輕微剝落，并且基體材料顯露出來(lái)，說(shuō)明PTFE 軸承在此狀態(tài)下襯墊材料發(fā)生了輕微的剝落磨損如圖7(d)所示。由圖7(e)可知，1.5 Hz時(shí)青銅軸承的襯墊材料磨損較為嚴(yán)重，襯墊表面產(chǎn)生了犁皺和槽狀磨痕，青銅軸承發(fā)生了磨粒磨損，隨著擺動(dòng)頻率升高到3.0 Hz，襯墊表面磨屑多為扇形顆粒，凹坑為許多小而深的麻點(diǎn)，出現(xiàn)了點(diǎn)蝕現(xiàn)象，說(shuō)明青銅軸承又發(fā)生了疲勞磨損如圖7(f)所示。由圖7(g)可看出，1.5 Hz 時(shí)銅基粉末冶金軸承的磨損表面有明顯犁溝，并且表面條紋被裂縫破壞呈不連續(xù)狀，發(fā)生了嚴(yán)重的磨粒磨損，隨著擺動(dòng)頻率升高到3.0 Hz，襯墊材料磨損非常嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)熔融和粘著現(xiàn)象，說(shuō)明銅基粉末冶金軸承從磨粒磨損轉(zhuǎn)化為粘著磨損如圖7(h)所示。

3 結(jié)論

1)在試驗(yàn)條件下，銅基粉末冶金軸承的摩擦系數(shù)、磨損量和摩擦溫度都比較大，其摩擦學(xué)性能最差;其次是青銅軸承;PTFE 軸承在4 類軸承中的摩擦學(xué)性能相對(duì)較優(yōu)，并且散熱性最好。

2)由摩擦磨損分析可知:尼龍軸承襯墊材料有較好的熱傳導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性，使得其抗磨性能有所提高，此時(shí)的摩擦系數(shù)、磨損量和摩擦溫度小且穩(wěn)定，說(shuō)明其適合在高頻重載的工況下工作。

3)通過(guò)對(duì)襯墊摩擦面的SEM 對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):在16 MPa、3.0 Hz 條件下，尼龍軸承為輕微磨損;PTFE軸承為輕微剝落磨損;青銅軸承為磨粒磨損和疲勞磨損;銅基粉末冶金軸承為粘著磨損。

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