恒剝離角自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊粘結(jié)質(zhì)量檢測裝置

丁紅漢，杭魯濱，陳有光，陸九如

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.上海市軸承技術(shù)研究所，上海 200031)

自潤滑關(guān)節(jié)軸承由內(nèi)圈、外圈和粘結(jié)于外圈內(nèi)表面的襯墊(或金屬鍍層)構(gòu)成。以襯墊與內(nèi)圈摩擦代替內(nèi)外圈直接摩擦，從而滿足航空、航天、鐵路等應(yīng)用領(lǐng)域的使用要求。自潤滑關(guān)節(jié)軸承的主要失效形式之一是襯墊因粘結(jié)失效而松動或脫落[1-7]。襯墊松動會使關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈配合間隙增大，加劇襯墊磨損，導(dǎo)致摩擦因數(shù)升高，失去自潤滑功能。 因此，開展關(guān)節(jié)軸承襯墊粘結(jié)質(zhì)量研究，對提高關(guān)節(jié)軸承的使用性能，延長使用壽命有著十分重要的現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)有襯墊粘結(jié)質(zhì)量檢測方法

目前的襯墊粘結(jié)質(zhì)量檢測方法[8]如圖1所示。在現(xiàn)有剝離試驗過程中，剝離線上不同位置的襯墊所受剝離力不同，剝離過程中剝離角持續(xù)變化，襯墊易出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象，所測得剝離載荷波動較大(圖2)，難以精確評價自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊粘結(jié)質(zhì)量。

圖1 原有襯墊粘結(jié)質(zhì)量檢測方法示意圖

圖2 剝離載荷隨剝離長度的變化

另外，夾持襯墊自由端的夾具夾頭為直線型，而襯墊的剝離線為圓弧型，剝離線上不同點距夾持端對應(yīng)點處的距離不等(即S1≠S2)，會引起剝離線上襯墊不同點處受力不均，易產(chǎn)生粘滑效應(yīng)，影響襯墊剝離的真實性。

2 新型襯墊粘結(jié)質(zhì)量檢測裝置

2.1 檢測原理

在原有襯墊粘結(jié)質(zhì)量檢測模型的基礎(chǔ)上提出的新型襯墊剝離模型如圖3所示。采用外徑與襯墊內(nèi)徑相等的導(dǎo)輪，夾頭夾持處與剝離線為完全相同的圓弧，剝離線上各點與其對應(yīng)的夾持端點處距離相等(即L1=L2)，滿足同一剝離線上各點所受剝離力相同，從而可以實現(xiàn)襯墊真實剝離。此外，新型襯墊剝離模型可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)輪和試樣輪驅(qū)動速度實現(xiàn)襯墊以恒定剝離角剝離，剝離載荷波動相對較小，剝離穩(wěn)定性較高。

圖3 新型襯墊剝離模型原理

2.2 檢測裝置

以上述模型為基礎(chǔ)設(shè)計的新型襯墊粘結(jié)質(zhì)量檢測裝置如圖4所示，由自潤滑關(guān)節(jié)軸承外圈試樣、試樣夾具、導(dǎo)輪、導(dǎo)輪夾具、伺服電動機(jī)、聯(lián)軸器和底座等組成。繞線端電動機(jī)通過固定在底座上的聯(lián)軸器連接到傳動軸上驅(qū)動導(dǎo)輪，電動機(jī)及導(dǎo)輪借助聯(lián)軸器底座在滑槽內(nèi)滑動以實現(xiàn)剝離角的調(diào)節(jié)。剝離端電動機(jī)驅(qū)動由夾具固定于試樣輪上的試樣。通過導(dǎo)輪與試樣輪協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動即可實現(xiàn)同一剝離過程中剝離角恒定。此外通過調(diào)節(jié)定位滑塊在滑槽內(nèi)的位置可實現(xiàn)不同尺寸試樣和導(dǎo)輪的裝夾而不需要更換夾具。

1—試樣輪下滑槽；2—試樣輪下定位滑塊；3—定位板鎖緊螺栓；4—定位板；5—V形塊；6—試樣；7—試樣輪上鎖緊螺栓；8—試樣輪上定位滑塊；9—試樣輪上滑槽；10—試樣輪；11—剝離長度傳感器；12—剝離端電動機(jī)；13—襯墊；14—定位板；15—定位塊鎖緊螺釘；16—導(dǎo)輪定位滑塊；17—剝離力傳感器；18—繞線端電動機(jī)；19—軸承架；20—軸承架移動滑槽；21—繞線端電動機(jī)移動滑槽；22—底座

檢測裝置中的剝離長度和剝離力傳感器可以實時準(zhǔn)確地記錄剝離過程中的數(shù)據(jù)，并分別將伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動情況及襯墊所受剝離力傳送給控制器，經(jīng)控制器的處理后以電信號的形式傳送給顯示器，從而實現(xiàn)襯墊粘結(jié)質(zhì)量檢測數(shù)字化。

3 襯墊粘結(jié)力與剝離力映射關(guān)系

自潤滑關(guān)節(jié)軸承的外圈內(nèi)表面為球面，襯墊粘結(jié)到外圈內(nèi)表面時為球面接觸[9-17]，襯墊從球形粘結(jié)面剝落時與普通平面形膠層[18]剝離時所受剝離力不同。

在任一時刻襯墊剝離線上各點所受粘結(jié)力的方向由球心指向該點，襯墊剝離過程某時刻(剝離角為90°)剝離線上所受粘結(jié)力如圖5所示。對應(yīng)的剝離力(與粘結(jié)力大小相等、方向相反)共面[6-7]且指向球心O(圖6左)。剝離線上各點所受剝離力分別指向球心，在襯墊剝離過程中，無法通過已剝離襯墊自由端對當(dāng)前剝離線上不同位置點施加同時指向球心的剝離力。為實現(xiàn)襯墊的等效剝離，建立等效剝離力數(shù)學(xué)模型(圖6右)，即

圖5 剝離線襯墊粘結(jié)力示意圖

圖6 剝離截面襯墊所受線剝離力

f=q/cosθ，

(1)

(2)

式中：f為等效后單位剝離線上所受剝離力,N/mm；q為單位剝離線上所受剝離力,N/mm;θ為剝離線上不同位置點所受剝離力與水平方向(襯墊剝離過程中為襯墊自由端受拉的方向)的夾角，(°)；F為所需等效總剝離力，N;R1為襯墊內(nèi)球面半徑，mm；α為在剝離截面剝離線所對應(yīng)中心角，(°)，由外圈的寬度決定。

根據(jù)平面剝離檢測可得單位剝離線上襯墊所受的線剝離力q，從而獲得關(guān)節(jié)軸承曲面等效總剝離力F，用以確定襯墊粘結(jié)質(zhì)量。

4 襯墊彈性變形補償分析

在襯墊剝離過程中，編織襯墊受到剝離力的作用會有一定的彈性伸長，如圖7所示，需要調(diào)整導(dǎo)輪和試樣輪的驅(qū)動速度以補償襯墊彈性變形，實現(xiàn)襯墊的穩(wěn)定剝離。

設(shè)襯墊試樣半徑為R1，角速度為ω1，導(dǎo)輪外半徑為R2，導(dǎo)輪協(xié)同角速度為ω2，試樣襯墊剝離長度為L(包含襯墊已剝離長度l1、剝離前自由端長度l2和襯墊彈性伸長長度Δl)，襯墊彈性系數(shù)為K,則在剝離時刻t有以下關(guān)系

ω2R2t=ω1R1t+K(l1+l2+Δl)。

(3)

由剝離模型建立原理可知R1=R2，則

(4)

通過ω1與ω2的關(guān)系即可調(diào)整導(dǎo)輪及試樣輪的速度，從而實現(xiàn)襯墊的恒定角剝離。

5 結(jié)束語

根據(jù)自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊粘結(jié)面的幾何形狀，提出了襯墊恒剝離角剝離方式，設(shè)計了一種新型自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊粘結(jié)質(zhì)量檢測裝置，可準(zhǔn)確評價襯墊粘結(jié)質(zhì)量。然后，針對新型襯墊粘結(jié)質(zhì)量檢測模型，給出了襯墊粘結(jié)力與襯墊剝離力映射關(guān)系，并分析了剝離過程中繞線端電動機(jī)補償襯墊彈性變形的機(jī)理，保證剝離角恒定。