自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命影響因素分析

李彥偉，林晶，趙穎春，宋超

（中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承是在關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)、外圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸表面覆蓋一層聚四氟乙烯（PTFE）等低摩擦因數(shù)的自潤(rùn)滑材料，具有低摩擦、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)［1-2］。

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的壽命通常指磨損壽命，在壽命計(jì)算中，滑動(dòng)表面的磨損是失效的基本判別依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命影響因素具有一些研究成果。文獻(xiàn)［3］研究了滑動(dòng)距離、承受壓力、介質(zhì)等對(duì)PTFE復(fù)合材料摩擦磨損特性的影響，但未開展裝在自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承上的PTFE復(fù)合材料摩擦磨損特性影響因素研究；文獻(xiàn)［4］對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的襯墊材料、擺動(dòng)頻率和前處理方法等磨損壽命影響因素進(jìn)行了研究，但未綜合考慮壓力、溫度等工作條件因素。為此，重點(diǎn)研究接觸應(yīng)力、滑動(dòng)速度、溫度等單因素對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命的影響規(guī)律及機(jī)理。

1 影響因素

目前國(guó)內(nèi)普遍采用JB/T 8565—2010《關(guān)節(jié)軸承 額定動(dòng)載荷與壽命》中的公式計(jì)算自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承壽命

式中：ak為載荷特性壽命系數(shù)；aT為溫度壽命系數(shù)；ap為載荷壽命系數(shù)（主要與接觸應(yīng)力有關(guān)）；av為滑動(dòng)速度壽命系數(shù)；az為軸承質(zhì)量與潤(rùn)滑壽命系數(shù)；KM為與摩擦副材料有關(guān)的系數(shù)；Cd為額定動(dòng)載荷；v為滑動(dòng)速度；P為當(dāng)量動(dòng)載荷。

由（1）式可知，對(duì)于相同型號(hào)的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，其磨損壽命的影響因素主要包括接觸應(yīng)力、滑動(dòng)速度和溫度。

2 試驗(yàn)

2.1 試樣及試驗(yàn)設(shè)備

將每個(gè)影響因素根據(jù)工作條件分為不同水平，在每種水平下分別對(duì)3套自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行磨損壽命試驗(yàn)，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試樣為XRA12自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承（圖1），內(nèi)徑為12 mm，外徑為22 mm；內(nèi)圈材料為9Cr18不銹鋼，外圈材料為17-4PH不銹鋼。試驗(yàn)設(shè)備采用自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承低速擺動(dòng)磨損壽命試驗(yàn)機(jī)（圖2）。

圖1 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承Fig.1 Self-lubricating spherical plain bearing

圖2 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承低速擺動(dòng)磨損壽命試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Low speed oscillation wear life tester for self-lubricating spherical plain bearing

2.2 試驗(yàn)方法

按照ARP5448/3《Plain Bearing Low Speed Oscillation Test》進(jìn)行試驗(yàn)，試樣安裝在軸承座中，外圈與軸承座、內(nèi)圈與芯軸之間的配合均為0～0.025 mm的間隙配合。將軸承座、試樣和芯軸安裝在試驗(yàn)機(jī)上，夾緊內(nèi)圈兩側(cè)面，通過(guò)徑向位移測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量軸承襯墊磨損量。試驗(yàn)環(huán)境溫度在規(guī)定溫度的±3℃范圍內(nèi)。將接觸應(yīng)力施加到軸承上，至少保持15 min，再將徑向位移測(cè)量系統(tǒng)清零。驅(qū)動(dòng)內(nèi)圈使其繞0°位置擺動(dòng)至少±25°，直至25000個(gè)周期擺動(dòng)結(jié)束，獲取最終的軸承襯墊磨損量。襯墊磨損量決定自潤(rùn)滑軸承的壽命，磨損量越小，壽命越長(zhǎng)。JB/T 8565—2010提出關(guān)節(jié)軸承滑動(dòng)速度的計(jì)算公式為

式中：f為擺動(dòng)頻率；β為擺角；dm為滑動(dòng)球面公稱直徑。由此可知，當(dāng)β和dm固定不變時(shí)，f和v成正比。擺動(dòng)頻率對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命的影響反映了滑動(dòng)速度對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命的影響，因此用擺動(dòng)頻率代替滑動(dòng)速度進(jìn)行試驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 接觸應(yīng)力的影響

在擺動(dòng)頻率1 Hz，溫度25℃，接觸應(yīng)力分別為100，150，250 MPa下進(jìn)行磨損壽命試驗(yàn)。接觸應(yīng)力對(duì)襯墊磨損量的影響曲線如圖3所示。由圖可知，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的磨損量隨接觸應(yīng)力的增大而增大，且接觸應(yīng)力越大，磨損量越大，250 MPa下自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊的磨損量約為100 MPa下的3倍。相應(yīng)得到，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命隨接觸應(yīng)力的增大而減小，接觸應(yīng)力越大，壽命減小的速率越大。

圖3 接觸應(yīng)力對(duì)襯墊磨損量的影響曲線Fig.3 Influencing curve of contact stress on wear extent of liner

接觸應(yīng)力變化會(huì)影響自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的力學(xué)性能。接觸應(yīng)力越大，內(nèi)、外圈擺動(dòng)將在接觸面產(chǎn)生更多的摩擦熱，使襯墊的變形和剝落更大，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承自潤(rùn)滑能力下降，進(jìn)而發(fā)生，更嚴(yán)重的粘著磨損和磨粒磨損，導(dǎo)致軸承磨損嚴(yán)重，壽命減小。

3.2 擺動(dòng)頻率的影響

在接觸應(yīng)力150 MPa，溫度25℃，擺動(dòng)頻率分別為0.2，1，2 Hz下進(jìn)行磨損壽命試驗(yàn)。擺動(dòng)頻率對(duì)襯墊磨損量的影響曲線如圖4所示。由圖可知，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊的磨損量隨擺動(dòng)頻率的增大而增大，且擺動(dòng)頻率越大，磨損率越大，2 Hz擺動(dòng)頻率時(shí)襯墊的磨損量為0.2 Hz擺動(dòng)頻率的4.4倍。相應(yīng)得到，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命隨擺動(dòng)頻率的增大而減小，擺動(dòng)頻率越大，壽命減小的速率越大。

圖4 擺動(dòng)頻率對(duì)襯墊磨損量的影響曲線Fig.4 Influencing curve of oscillation frequency on wear extent of liner

在擺動(dòng)過(guò)程中，擺動(dòng)頻率增大，摩擦副滑動(dòng)速度增大，使對(duì)偶面無(wú)法形成連續(xù)均勻的潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，軸承的自潤(rùn)滑效果差。隨著擺動(dòng)頻率增大，摩擦副滑動(dòng)速度增大，摩擦副接觸面的剪切應(yīng)力增大，磨損過(guò)程中產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力且加重摩擦副對(duì)偶面上的剪切拉伸，加劇了摩擦副對(duì)偶面上潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜的脫落，形成大量的磨屑，從而引起自潤(rùn)滑層表面龜裂，且發(fā)生塑性變形，甚至出現(xiàn)剝落，此狀態(tài)下襯墊材料發(fā)生更嚴(yán)重的粘著磨損，故加重了自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的磨損，導(dǎo)致軸承壽命減小。

3.3 溫度的影響

由于自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的使用溫度范圍為-54～163℃，所以取2個(gè)極限溫度進(jìn)行試驗(yàn)。分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高、低溫下自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的壽命均小于常溫下的磨損壽命，為此，增加0，100℃這2個(gè)溫度。

在接觸應(yīng)力150 MPa，擺動(dòng)頻率1 Hz，溫度分別為-54，0，25，100，163℃下進(jìn)行磨損壽命試驗(yàn)，溫度對(duì)襯墊磨損量的影響曲線如圖5所示。

圖5 溫度對(duì)襯墊磨損量的影響曲線Fig.5 Influencing curve of temperature on wear extent of liner

由圖可知，在低于常溫的范圍內(nèi)，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊的磨損量隨溫度的升高而減小，且溫度越高，磨損率也越大，-54℃時(shí)的襯墊磨損量約為25℃的3倍。相應(yīng)得到低于常溫的范圍內(nèi)，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命隨溫度的升高而增大，溫度越高，壽命增大的速率越大。在高于常溫的范圍內(nèi)，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊的磨損量隨溫度的升高而增大，但隨著溫度的升高，磨損率變化并不明顯，163℃時(shí)的襯墊磨損量約為25℃的1.5倍。相應(yīng)得到高于常溫的范圍內(nèi)，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命隨溫度的升高而減小，隨溫度的升高，軸承壽命減小的速率變化不明顯。

PTFE轉(zhuǎn)移膜屬于邊界潤(rùn)滑模型，在低溫范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，PTFE轉(zhuǎn)移膜介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度增大，磨損過(guò)程中在內(nèi)、外圈接觸面間不易形成PTFE轉(zhuǎn)移膜，導(dǎo)致潤(rùn)滑效果變差，所以在低于常溫的范圍內(nèi)，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命隨溫度的增大而增大，溫度越大，壽命增大的速率越大。在高溫范圍內(nèi)，隨著溫度的增加，PTFE轉(zhuǎn)移膜介質(zhì)的密度減小，PTFE轉(zhuǎn)移膜的潤(rùn)滑性能降低，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的潤(rùn)滑效果變差，并且隨著溫度的增加，襯墊厚度增大，在摩擦副對(duì)偶面上產(chǎn)生更大的剪切應(yīng)力和熱應(yīng)力，形成了較大的粘著磨損。

4 結(jié)論

1）自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命隨接觸應(yīng)力的增大而減小，接觸應(yīng)力越大，壽命減小的速率越大。

2）自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命隨擺動(dòng)頻率的增大而減小，擺動(dòng)頻率越大，壽命減小的速率越大。

3）在低于常溫的范圍內(nèi)，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命隨溫度的增大而增大，溫度越大，壽命增大的速率越大；在高于常溫的范圍內(nèi)，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命隨溫度的增大而減小，隨溫度的提高，軸承壽命減小的速率變化不明顯。

對(duì)于多個(gè)因素耦合條件下的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命情況有待進(jìn)一步研究。