自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)研究

林 晶 趙穎春 李彥偉 常志剛

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

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自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)研究

林 晶 趙穎春 李彥偉 常志剛

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

[摘要]開展了溫度和載荷對(duì)自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)的影響研究，通過試驗(yàn)測(cè)量了不同載荷和溫度條件下自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到了摩擦系數(shù)隨載荷和溫度的變化規(guī)律，為自潤(rùn)滑軸承的設(shè)計(jì)使用提供必要的支撐。

[關(guān)鍵詞]摩擦系數(shù)；自潤(rùn)滑；軸承

[收修訂稿日期] 2015-12-01

自潤(rùn)滑軸承是近些年發(fā)展迅速的軸承產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載大、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)，廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械等裝備中。自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)是自潤(rùn)滑軸承的重要參數(shù)，是自潤(rùn)滑軸承設(shè)計(jì)、選用及使用中主要關(guān)注的參數(shù)之一。

研究表明在工作狀況下，自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)除與自身的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)有關(guān)外，還與徑向載荷、擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)次數(shù)、擺動(dòng)角度、接觸面溫度和表面粗糙度等因素密切相關(guān)[1]。自潤(rùn)滑軸承在運(yùn)動(dòng)時(shí)自潤(rùn)滑襯墊與對(duì)偶表面相對(duì)滑動(dòng)下產(chǎn)生摩擦，在軸承啟動(dòng)時(shí)，即軸承剛開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)次數(shù)、擺動(dòng)角度等因素對(duì)于軸承的啟動(dòng)力矩沒有影響，而影響軸承摩擦系數(shù)的因素主要包括載荷、接觸面溫度等因素。

MIL-HDBK-1599A[2]《飛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造中使用的軸承、操縱系統(tǒng)及相關(guān)硬件》研究了載荷和溫度對(duì)自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)的影響，給出了不同溫度和載荷條件下的自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)曲線。研究發(fā)現(xiàn)：在-50℉～70℉范圍內(nèi)，隨著載荷增大，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的擺動(dòng)摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì)；隨著溫度增加，自潤(rùn)滑軸承的擺動(dòng)摩擦系數(shù)也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。我國(guó)對(duì)自潤(rùn)滑軸承的相關(guān)研究起步較晚，只針對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承啟動(dòng)力矩等參數(shù)開展了部分的研究[3]，還沒有對(duì)自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)開展研究，對(duì)國(guó)產(chǎn)自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)還沒有充分掌握。

為了掌握國(guó)產(chǎn)航空自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)變化規(guī)律，本文開展不同環(huán)境溫度和載荷條件下的自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)研究，通過測(cè)量分析不同載荷和溫度條件下自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)，研究自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)隨載荷和溫度的變化規(guī)律，以期為我國(guó)航空自潤(rùn)滑軸承設(shè)計(jì)使用提供必要的支撐。

1　自潤(rùn)滑軸承簡(jiǎn)介

自潤(rùn)滑軸承主要分為自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承和軸襯，其中自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承具有調(diào)心功能。自潤(rùn)滑襯墊是自潤(rùn)滑軸承的關(guān)鍵組成部分，其自潤(rùn)滑功能的實(shí)現(xiàn)主要來自于自潤(rùn)滑襯墊。自潤(rùn)滑軸承的摩擦學(xué)性能的好壞與自潤(rùn)滑襯墊自身的結(jié)構(gòu)、性能密切相關(guān)。

目前自潤(rùn)滑襯墊一般采用聚四氟乙烯（PTFE）和芳綸纖維復(fù)合編織而成，采用酚醛樹脂或聚酰亞胺樹脂進(jìn)行填充固化，并利用膠黏劑粘接在金屬基底上。自潤(rùn)滑襯墊中的聚四氟乙烯纖維是主要的自潤(rùn)滑材料，具有良好的自潤(rùn)滑性能。

2　試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)方案

為了研究自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)，采用航空用自潤(rùn)滑軸襯作為自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)的研究對(duì)象。自潤(rùn)滑軸襯的自潤(rùn)滑襯墊與試驗(yàn)芯軸的外表面構(gòu)成摩擦副，通過測(cè)量該摩擦副之間的摩擦系數(shù)來研究自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。

試驗(yàn)的載荷和溫度范圍以及對(duì)偶表面的相關(guān)參數(shù)是按照航空自潤(rùn)滑軸承在飛機(jī)上的使用條件確定的。目前航空自潤(rùn)滑軸承使用的溫度范圍一般為-55℃～163℃，本文在該溫度范圍內(nèi)均勻地選擇了7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。按EN2311[4]《航空自潤(rùn)滑軸襯技術(shù)規(guī)范》自潤(rùn)滑軸襯的額定壓強(qiáng)為206MPa，因此本文選擇最大壓強(qiáng)為206MPa，然后在最大的載荷范圍內(nèi)，均勻地選擇了4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。軸襯載荷的計(jì)算公式見式（1）。與軸襯配合的對(duì)偶表面其硬度一般都在55 HRC～60 HRC，表面粗糙度為Ra0.2。

式中：F —徑向載荷（kN）；

d —軸襯內(nèi)徑（mm）；

l —軸襯長(zhǎng)度（mm）；

l1—軸襯法蘭的厚度（mm）。

試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法，試驗(yàn)測(cè)試的溫度和載荷參數(shù)組合如表1所示。

表1　試驗(yàn)參數(shù)組合

自潤(rùn)滑軸襯的摩擦系數(shù)是通過測(cè)量軸襯的摩擦力矩間接得到的，摩擦系數(shù)μ的計(jì)算方法見式（2）。

式中：μ— 摩擦系數(shù)；

T — 摩擦力矩（N·m）；

F — 載荷（N）；

R — 軸襯內(nèi)孔半徑（m）。

2.2試驗(yàn)件

自潤(rùn)滑軸襯的結(jié)構(gòu)和主要尺寸如圖1所示，自潤(rùn)滑軸襯的金屬基底采用17-4PH不銹鋼制造，自潤(rùn)滑襯墊采用PTFE纖維和芳綸纖維復(fù)合編織而成，采用酚醛樹脂進(jìn)行填充固化。

與其配合的試驗(yàn)芯軸采用GCr15軸承鋼制造，硬度58 HRC，表面粗糙度Ra0.2。

2.3試驗(yàn)裝置

自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)的試驗(yàn)裝置如圖2所示，軸襯安裝在加載板中，加載板與軸襯之間的采用0.001μm～0.014μm的過盈配合。試驗(yàn)芯軸與軸襯之間采用0.034μm～0.056μm的間隙配合。加載板與電子萬能試驗(yàn)機(jī)相連，能夠?qū)S襯施加規(guī)定的徑向載荷，電子萬能試驗(yàn)機(jī)的載荷精度為±1%。摩擦力矩采用力矩扳手進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量精度為±1%。

圖1　自潤(rùn)滑軸襯結(jié)構(gòu)圖

圖2　試驗(yàn)裝置示意圖

整個(gè)試驗(yàn)裝置放置在高低溫試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)箱的可調(diào)溫度范圍為-60℃～200℃，可以提供設(shè)定的恒溫環(huán)境。

2.4試驗(yàn)過程

首先將試驗(yàn)裝置在設(shè)定的溫度下恒溫4h，然后利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)軸襯施加規(guī)定的徑向載荷，利用扭矩扳手測(cè)量試驗(yàn)芯軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力矩。接著改變載荷的大小，測(cè)量在同一溫度條件下不同徑向載荷下的摩擦力矩。測(cè)量完所有的載荷點(diǎn)后，改變溫度條件，重復(fù)上述試驗(yàn)過程，直至所有溫度條件都測(cè)試完畢，這樣就可以得到不同溫度和環(huán)境條件下的摩擦力矩。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上述試驗(yàn)方法測(cè)量得到了不同載荷和溫度組合條件下自潤(rùn)滑軸承的摩擦力矩。按照式（2）通過計(jì)算得到了不同載荷和溫度組合條件下自潤(rùn)滑軸襯的摩擦系數(shù)，如圖3、圖4所示。圖3為不同載荷條件下，摩擦系數(shù)隨溫度變化的曲線，圖4為不同溫度條件下，摩擦系數(shù)隨載荷變化的曲線。

圖3　摩擦系數(shù)隨溫度變化曲線

圖4　摩擦系數(shù)隨載荷變化曲線

3.1溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響分析

從圖3中可以看出，在相同的載荷條件下，摩擦系數(shù)基本上是隨溫度的升高而下降，其中在-55℃～30℃區(qū)間，下降的速率較大，而在30℃～163℃區(qū)間，下降的速率較小，這說明低溫環(huán)境對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的摩擦系數(shù)影響更大，而高溫環(huán)境對(duì)摩擦系數(shù)的影響相對(duì)較小。

如前面所述，自潤(rùn)滑軸承的自潤(rùn)滑性能主要來自PTFE，PTFE分子內(nèi)靠共價(jià)鍵結(jié)合，分子內(nèi)結(jié)合牢固。而分子之間依靠分子間作用，結(jié)合力較弱，而PTFE與金屬表面的粘附力較強(qiáng)。自潤(rùn)滑軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于PTFE大分子之間結(jié)合力較弱，所以更容易在軸承對(duì)偶面形成一層高度取向的轉(zhuǎn)移膜，構(gòu)成PTFE與PTFE之間的摩擦，從而達(dá)到良好自潤(rùn)滑的功能。

PTFE材料的性能參數(shù)，拉伸強(qiáng)度、延伸率和熱膨脹系數(shù)等都會(huì)隨著溫度的變化而變化，呈現(xiàn)出一種流變性，在不同溫度下具有不同的力學(xué)性能。研究表明[5～6]PTFE材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量隨著溫度的上升都呈下降趨勢(shì)，PTFE材料的極限名義應(yīng)變隨溫度升高而線性增長(zhǎng)。當(dāng)溫度大于25℃時(shí)，極限名義應(yīng)變幾乎不受溫度的影響。

因此，自潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)環(huán)境溫度的升高而下降的現(xiàn)象，是由于隨著環(huán)境溫度的升高，自潤(rùn)滑襯墊的PTFE材料不同程度上的軟化，剪切力下降，從而降低了摩擦系數(shù)。

從圖3中還可以看出，載荷大于38kN以上時(shí)，摩擦系數(shù)在120℃～163℃區(qū)間出現(xiàn)了略微的上升，這主要是由于在高載高溫的條件下，摩擦副的溫度更高，導(dǎo)致自潤(rùn)滑襯墊中的樹脂和纖維材料由于高溫的作用，分子間的結(jié)合力減小，其向?qū)ε急砻娲罅哭D(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大。

3.2載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響分析

從圖4中可以看出，在相同的溫度條件下，自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)隨載荷的增加基本呈下降趨勢(shì)，但變化的幅度不大。說明自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)對(duì)載荷的變化不敏感。在0℃以下的低溫環(huán)境條件下，載荷對(duì)摩擦系數(shù)影響相對(duì)較大。

載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響機(jī)理主要是隨著載荷的增大，在載荷的作用下，試驗(yàn)芯軸和襯墊的變形量也越來越大。襯墊在內(nèi)外圈的擠壓作用下，使得襯墊與試驗(yàn)芯軸表面的有效接觸面積增大，從而一定程度上降低了摩擦系數(shù)，但由于這一因素對(duì)摩擦系數(shù)的影響較小，因此表現(xiàn)出摩擦系數(shù)對(duì)載荷的變化不敏感。

4　結(jié)論

本文對(duì)自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)測(cè)量了自潤(rùn)滑軸承在不同溫度和載荷組合條件下摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。通過研究可以發(fā)現(xiàn)自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)對(duì)溫度的變化更敏感，尤其對(duì)30℃以下的溫度變化敏感。隨著溫度的升高摩擦系數(shù)一般會(huì)逐步降低。這是由于自潤(rùn)滑襯墊中的PTFE材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，因此摩擦系數(shù)下降。但在一定載荷條件下，在120℃以上時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)出現(xiàn)略微的上升，這是由于高溫的作用使得PTFE材料向?qū)ε急砻娲罅哭D(zhuǎn)移造成的。

自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)隨載荷的增加會(huì)逐漸降低，尤其是在低溫環(huán)境時(shí)更明顯，但下降的幅度不大，說明自潤(rùn)滑軸承的摩擦系數(shù)對(duì)載荷的變化相對(duì)不敏感。

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（編輯：勞邊）

[中圖分類號(hào)]V229+.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]C

[文章編號(hào)]1003-6660（2016）02-0009-04

[DOI編碼]10.13237/j.cnki.asq.2016.02.002