回轉(zhuǎn)支承不同材料隔離體使用性能對比分析

黃傳輝，張 寧，劉 磊

（徐州工程學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇徐州221018）

隔離體是回轉(zhuǎn)支承的重要基礎(chǔ)件之一，用來分 隔、固定滾動體，減少滾動體之間的相互摩擦，其使用性能對回轉(zhuǎn)支承的可靠性和使用壽命有重要影響［1-2］。目前，隔離體常用的主要結(jié)構(gòu)形式有框式、花式、球式和異型等，常用材料為塑料、黃銅、青銅和鋼材等，其中尼龍1010（PA1010）和HPb59-1 應(yīng)用最為廣泛［3-4］。PA1010 的耐壓值波動小、密度小，能承受一定的塑性變形且順應(yīng)性好，在工程中廣泛應(yīng)用［5-6］，但它與其余工程塑料相比硬度偏高，在運轉(zhuǎn)時可能會引起噪聲［7］。PA1010 的磨損形式主要為塑性變形、犁溝和疲勞脫層［8］，其磨損量與載荷密切相關(guān)，這是由于受載荷影響，PA1010向偶件磨損表面發(fā)生轉(zhuǎn)移及成膜［9］。在PA1010 中加入適當(dāng)?shù)奶盍希梢燥@著提高其機械強度、硬度及耐磨性［10-13］。HPb59-1的強度、硬度均較高，耐磨性良好，具有很好的切削加工特性和力學(xué)性能，能承受冷熱壓力加工，耐腐蝕性較好，廣泛應(yīng)用于高速精密圓柱滾子軸承和推力角接觸球軸承［14］。在HPb59-1中加入Ni、Mn、Fe、Al等合金元素，可顯著提高材料所允許的最高轉(zhuǎn)速［15-16］。

在實際工作中，隔離體不但受到摩擦力、張力、離心力和慣性力等機械應(yīng)力的作用，還要承受潤滑劑及其添加劑或其老化產(chǎn)物、冷卻劑產(chǎn)生的化學(xué)作用，因此隔離體的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計對大型回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計和制造非常關(guān)鍵［17-19］。筆者將通過試驗研究PA1010、HPb59-1 兩種材料與軸承鋼GCr15 配副時的摩擦學(xué)行為，討論其摩擦磨損機制，并分析PA1010隔離體、HPb59-1隔離體的損傷機制和失效規(guī)律，旨在為回轉(zhuǎn)支承隔離體的機械設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 隔離體摩擦實驗和磨損觀察

隔離體摩擦實驗在M-2000 試驗機上進(jìn)行。PA1010 隔離體、HPb59-1 隔離體試件均加工成20 mm×10 mm×8 mm的長方體，經(jīng)800#砂紙打磨后隔離體試件試驗表面的粗糙度約為Ra 0.8 μm，實驗前試件經(jīng)無水乙醇清洗干凈后置于干燥箱內(nèi)，在80 ℃溫度下干燥1 h。GCr15鋼試件加工成圓環(huán)狀，其外徑為40 mm，內(nèi)徑為16 mm，厚度為10 mm，整體淬火后其硬度等級為HRC63，外圓表面磨削后用砂紙打磨拋光，表面粗糙度為Ra 0.4 μm，實驗前用丙酮清洗并干燥。

實驗時鋼環(huán)轉(zhuǎn)速分別取200，400 r/min，載荷分別取200，400，600 N，實驗時間為20 min，以常用潤滑劑——2 號鋰基潤滑脂和20#機油，對回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行潤滑。實驗時摩擦力由計算機數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集，并按式（1）換算成摩擦系數(shù)k：

式中：F為摩擦力，N；P為接觸載荷，N。

實驗結(jié)束后將隔離體試件取下，測量試驗表面的磨損寬度，用磨損寬度表示磨損量。相同實驗重復(fù)2次，實驗結(jié)果取2次實驗的平均值。

采用INSPECTS50型掃描電鏡觀察PA1010隔離體、HPb59-1隔離體試件磨損表面的形貌，采用Keyence高速數(shù)碼顯微系統(tǒng)觀察鋼環(huán)試件的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦實驗結(jié)果與分析

轉(zhuǎn)速為400 r/min，潤滑劑采用2 號鋰基潤滑脂時，PA1010和HPb59-1的摩擦系數(shù)、磨損量隨載荷的變化情況如圖1 所示。由圖可以看出，PA1010 的摩擦系數(shù)小于HPb59-1，相同載荷下二者的平均比值為1∶1.27。隨著載荷增大，2種材料的摩擦系數(shù)均略有減小，但基本維持不變。PA1010 的耐磨性不如HPb59-1，磨損量明顯大于HPb59-1，相同載荷情況下二者的平均比值為1.51∶1。隨著載荷增大，磨損量逐漸增大，當(dāng)載荷從200 N 增大到600 N 時，PA1010的磨損量增大了25.8%，HPb59-1 的磨損量增大了37.3%，HPb59-1 磨損量的增大幅度比PA1010 高出44.6%，這表明HPb59-1的耐磨損性能受載荷的影響程度顯著高于PA1010，即載荷越大，HPb59-1 和PA1010磨損量之間的差值越小。

圖2 為載荷為400 N，潤滑劑采用2 號鋰基潤滑脂時，不同轉(zhuǎn)速下PA1010和HPb59-1的摩擦系數(shù)和磨損量。由圖可見，隨著轉(zhuǎn)速的升高，2 種材料的摩擦系數(shù)均呈增大趨勢，當(dāng)轉(zhuǎn)速從200 r/min 上升到400 r/min 時，HPb59-1 的摩擦系數(shù)增大了23.1%，PA1010 摩擦系數(shù)增大了8.3%，HPb59-1 摩擦系數(shù)的增大幅度幾乎是PA1010 的3 倍。隨著轉(zhuǎn)速的升高，PA1010、HPb59-1 的磨損量分別增大了31.5%，96.3%，HPb59-1磨損量的增大幅度顯著高于PA1010；轉(zhuǎn)速為200 r/min時PA1010的磨損量比HPb59-1高出112%，轉(zhuǎn)速為400 r/min時則僅高出42%。對比上述數(shù)據(jù)可知，與載荷的影響類似，轉(zhuǎn)速對HPb59-1摩擦學(xué)性能的影響程度明顯高于PA1010。

圖3 為載荷為400 N，轉(zhuǎn)速為400 r/min 時，潤滑劑對PA1010和HPb59-1摩擦系數(shù)、磨損量的影響情況。當(dāng)采用20#機油潤滑時，2 種材料的摩擦系數(shù)和磨損量均低于采用2號鋰基潤滑脂的，其中：PA1010的摩擦系數(shù)減小了46.2%，磨損量降低了28.7%；HPb59-1 的摩擦系數(shù)減小了43.8%，磨損量降低了29.8%。采用20#機油潤滑時，PA1010的摩擦系數(shù)比HPb59-1小28.6%，磨損量比HPb59-1高44.4%；采用2 號鋰基潤滑脂潤滑時，PA1010 的摩擦系數(shù)比HPb59-1 小23.1%，磨損量比HPb59-1 高42.3%。由上述數(shù)據(jù)可知，不同潤滑劑對PA1010和HPb59-1的摩擦系數(shù)、磨損量的影響程度大致相當(dāng)。

圖1 不同載荷下HPb59-1和PA1010的摩擦系數(shù)和磨損量（轉(zhuǎn)速為400 r/min，潤滑劑為2號鋰基潤滑脂）Fig. 1 Friction coefficient and wear amount of HPb59-1 and PA1010 with different loads (rotating speed of 400 r/min and No. 2 lithium grease)

圖2 不同轉(zhuǎn)速下HPb59-1和PA1010的摩擦系數(shù)和磨損量（載荷為400 N，潤滑劑為2號鋰基潤滑脂）Fig. 2 Friction coefficient and wear amount of HPb59-1 and PA1010 with different rotating speeds (load of 400 N and No. 2 lithium grease)

圖3 不同潤滑條件下HPb59-1 和PA1010的摩擦系數(shù)和磨損量（載荷為400 N，轉(zhuǎn)速為400 r/min）Fig. 3 Friction coefficient and wear amount of HPb59-1 and PA1010 with different lubrication conditions (load of 400 N and rotating speed of 400 r/min)

2.2 磨損觀察結(jié)果與分析

不同條件下PA1010隔離體和HPb59-1隔離體磨損表面的典型微觀形貌如圖4所示。由圖可以看出，這2種隔離體的磨損表面均表現(xiàn)為明顯的磨料磨損，其中PA1010 隔離體的磨損表面還出現(xiàn)了顯著的片狀剝落。無論是HPb59-1 隔離體還是PA1010 隔離體，在其它參數(shù)相同時，采用20#機油潤滑時的磨損程度比采用2號鋰基潤滑脂潤滑時要低一些，這與圖3中顯示的采用20#機油潤滑時材料的摩擦系數(shù)和磨損量更小相一致。在同樣實驗條件下，HPb59-1隔離體的磨損比PA1010 隔離體要輕微不少，這是因為HPb59-1 的強度、硬度遠(yuǎn)大于PA1010。相對于金屬合金而言，PA1010是一種彈性模量低、黏彈性高的聚合物材料，對摩金屬表層較大的微凸體會對PA1010隔離體表面進(jìn)行切割，造成很強的犁削效應(yīng)，表層PA1010很快被割離下來成為磨屑。在對摩偶件的持續(xù)碾壓下，PA1010隔離體表面犁溝的邊緣局部地區(qū)破裂形成片狀剝落。而HPb59-1不但強度、硬度遠(yuǎn)大于PA1010，且材料的順應(yīng)性好，在發(fā)生塑性變形時基本不會破裂，其良好的嵌藏性又使犁削效應(yīng)形成的磨屑碾壓入磨損表層，因此HPb59-1隔離體磨損表面要比PA1010隔離體平整、光滑。

圖4 PA1010隔離體和HPb59-1隔離體磨損表面的微觀形貌Fig. 4 Worn surface micro-morphology of PA1010 isolator and HPb59-1 isolator

磨料磨損是試件表面與硬質(zhì)顆?；蛴操|(zhì)凸出體相互摩擦引起的表面材料損失現(xiàn)象。對于PA1010、HPb59-1這些塑性較大的材料，GCr15鋼環(huán)表面微凸體在壓力作用下壓入并犁耕試件表面形成溝槽，試件表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，壓痕兩側(cè)的材料受到破壞后易脫落，從而造成磨損。隨著轉(zhuǎn)速的升高，單位時間內(nèi)通過接觸區(qū)的鋼環(huán)表面微凸體數(shù)量增多，導(dǎo)致摩擦力增大，對試件表面造成更多的破壞，使得其摩擦系數(shù)，磨損量呈上升趨勢。當(dāng)載荷增大時，鋼環(huán)表面微凸體壓入PA1010隔離體和HPb59-1隔離體試件表層更深，導(dǎo)致犁耕效應(yīng)更加明顯，使得其摩擦力、磨損量都增大，但摩擦系數(shù)是摩擦力和載荷的比值，因此其變化并不大。

圖5 所示為摩擦實驗后GCr15 鋼環(huán)磨損表面的形貌（放大倍數(shù)：800 倍）。由圖可見，對磨后鋼環(huán)表面基本沒出現(xiàn)磨損痕跡，但試件打磨時形成的紋理仍清晰可辨，這是因為GCr15 鋼環(huán)淬火后的硬度遠(yuǎn)大于PA1010和HPb59-1。鋼環(huán)表面上僅在紋理波谷處偶爾存在HPb59-1的殘存物，這是犁溝效應(yīng)產(chǎn)生的個別磨屑沒有從摩擦區(qū)域排出所導(dǎo)致的。HPb59-1在鋼環(huán)表面的粘附現(xiàn)象比PA1010 嚴(yán)重得多，一些HPb59-1填充在鋼環(huán)表面的紋理波谷處，使得鋼環(huán)表面較粗糙，這是因為HPb59-1的嵌藏性優(yōu)于PA1010，且HPb59-1與GCr15同為金屬，相互間的范德華吸附力大于GCr15-PA1010 接觸副。當(dāng)轉(zhuǎn)速、載荷增大時，不但犁耕效應(yīng)更加突出，粘附現(xiàn)象也越來越顯著，導(dǎo)致摩擦力和磨損量增大。由于HPb59-1同時受這2 種因素的影響，其摩擦和磨損性能對轉(zhuǎn)速、載荷等試驗條件的敏感程度要高于PA1010。

圖5 GCr15鋼環(huán)磨損表面的形貌（800×）Fig. 5 Worn surface morphology of GCr15 steel rings（800×）

3 結(jié) 論

1）PA1010 的摩擦系數(shù)小于HPb59-1，二者的平均比值為1∶1.27；PA1010的磨損量高于HPb59-1，二者的平均比值為1.51∶1。

2）當(dāng)載荷從200 N 增大到600 N 時，PA1010、HPb59-1 的磨損量分別增大了25.8%，37.3%。當(dāng)轉(zhuǎn)速從200 r/min上升到400 r/min時，PA1010、HPb59-1的摩擦系數(shù)分別增大了8.3%，23.1%，磨損量分別增大了31.5%，96.3%。由此可知，載荷、轉(zhuǎn)速對HPb59-1摩擦學(xué)性能的影響程度明顯高于PA1010。

3）采用20#機油潤滑時PA1010和HPb59-1的摩擦系數(shù)、磨損量均低于采用2 號鋰基潤滑脂，其中：PA1010 的摩擦系數(shù)減小了46.2%，磨損量降低了28.7%；HPb59-1的摩擦系數(shù)減小了43.8%，磨損量降低了29.8%。