長壽命高承載自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承研究

許彩鳳

（福建龍溪軸承（集團(tuán)）股份有限公司，福建 漳州 363000）

0 引言

桿端關(guān)節(jié)軸承由桿端體和向心關(guān)節(jié)軸承組合而成，可自由轉(zhuǎn)動及在一定角度內(nèi)擺動。廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、軌道交通、風(fēng)電、核電及航天航空等領(lǐng)域的動力傳遞和操縱系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)型的自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承，裝配普通PTFE 襯墊型向心關(guān)節(jié)軸承，能承受較大徑向載荷以及不大于0.2 倍徑向載荷的軸向載荷[1]，但在要求承受大軸向力的特殊場合下運(yùn)用受限。

對于要求使用壽命為5000h 的桿端關(guān)節(jié)軸承，工作時(shí)同時(shí)受徑向交變載荷103kN、徑向沖擊載荷130kN 及31.5kN的軸向載荷的作用，且長期處于濕熱的惡劣環(huán)境下工作。在該工況下，若選用標(biāo)準(zhǔn)型的自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承，會出現(xiàn)以下一種或者多種復(fù)合的失效模式：1）普通PTFE 襯墊無法滿足5000h 使用壽命要求，甚至不到1000h 即可能出現(xiàn)襯墊磨破、磨穿。2）承受較大軸向載荷時(shí)，桿端體內(nèi)裝配的向心關(guān)節(jié)軸承被推出。3）在桿端體兩端面的鉚壓處出現(xiàn)銹蝕，服役過程中可能出現(xiàn)斷裂情況。

該文針對以上失效模式，對自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承的材料、摩擦副、熱處理方式、結(jié)構(gòu)形式及制造工藝進(jìn)行深入研究，結(jié)合先進(jìn)仿真技術(shù)、產(chǎn)品檢驗(yàn)、測試及試驗(yàn)技術(shù)，研制出一款能夠滿足長壽命、高載荷、耐腐蝕要求的產(chǎn)品。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該產(chǎn)品受力情況復(fù)雜，除須承受交變載荷、沖擊載荷外，還承受較大的軸向載荷。普通桿端關(guān)節(jié)軸承為向心關(guān)節(jié)軸承壓配入桿端體內(nèi)、鉚壓桿端體的眼孔外側(cè)使之包住外圈，由于桿端體材料阻止外圈軸向運(yùn)動的截面非常小，無法承受較大的軸向力。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示：桿端體一端為臺階結(jié)構(gòu)，外圈一端為法蘭結(jié)構(gòu)，兩者配合使用；桿端體另一端設(shè)計(jì)成大倒角結(jié)構(gòu)，外圈端溝槽翻邊鉚于此處。如此，能夠有效地提高產(chǎn)品的軸向承載能力。

圖1 桿端關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 材料選型

根據(jù)產(chǎn)品所承受的載荷情況，且長期處于濕熱環(huán)境下，普通45 鋼、軸承鋼無法滿足該承載及防腐要求。綜合考慮材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗腐蝕等性能指標(biāo)，桿端體材料選用高強(qiáng)合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo-GB/T3077，耐磨性強(qiáng)，韌性較好，綜合力學(xué)性能高且加工性好；桿端體加工好后表面鍍鋅，使之中性鹽霧試驗(yàn)達(dá)到120h 無紅銹。向心關(guān)節(jié)軸承外圈材料選用沉淀硬化型不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb- GB/T1220，該材料擠壓成型性能較好，固溶處理后屈服強(qiáng)度數(shù)倍于45鋼，能明顯地提高產(chǎn)品的軸、徑向承載能力。向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈材料選用馬氏體不銹鋼40Cr13-GB/T1220，防腐蝕性能好，熱處理后機(jī)械性能高。表1 為常規(guī)材料與改進(jìn)材料的性能對比表[2]。

表1 材料性能對比表

1.3 摩擦副的研究及選型

PTFE 襯墊主要有PTFE 復(fù)合材料和PTFE 織物兩種。有關(guān)研究數(shù)據(jù)表明PTFE 織物是目前為止摩擦系數(shù)較低的材料[3]，其摩擦磨損效果非常好。為滿足產(chǎn)品要求，該產(chǎn)品選用一種新型PTFE 織物襯墊，該襯墊通過改善織物纖維之間的樹脂浸漬情況來提高襯墊的強(qiáng)度和磨損性能。通過基礎(chǔ)性性能測試可知，該襯墊的壽命和國際一流襯墊的使用壽命相當(dāng)。圖2 為該襯墊的壽命試驗(yàn)曲線圖，使用的擺頻為70cpm（每分鐘周數(shù)）。該文研發(fā)的產(chǎn)品工作時(shí)擺頻很少、不到15cpm，配套該新型PTFE 織物襯墊，完全能夠滿足5000h的長壽命要求。

圖2 新襯墊產(chǎn)品測試結(jié)果

2 仿真分析

產(chǎn)品設(shè)計(jì)為上文所述結(jié)構(gòu)，雖然可以有效地提高產(chǎn)品的軸向承載力，但是也會降低其徑向承載能力。因此須對上述結(jié)構(gòu)再優(yōu)化，在有效提高軸向承載力的同時(shí)，對徑向承載能力影響不大。但與此同時(shí)，增加法蘭結(jié)構(gòu)的向心關(guān)節(jié)軸承外圈因厚度增加，擠壓成形難度隨之加大。根據(jù)初步計(jì)算，如果臺階凸沿尺寸設(shè)計(jì)為2mm，其軸向壓脫力約為257kN，向心關(guān)節(jié)軸承的軸向額定靜載荷為367kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足產(chǎn)品不小于31.5kNd 軸向力。鑒于此，2mm 的臺階結(jié)構(gòu)尺寸較為合理，不至于使外圈擠壓成形難度加大太多圖，同時(shí)對桿端體的承載能力影響不大。為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，對產(chǎn)品方案進(jìn)行仿真分析計(jì)算。圖3、圖4 為該新結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)所能承受最大力的仿真分析結(jié)果，圖5為常規(guī)結(jié)構(gòu)的軸向受力仿真分析結(jié)果。

圖3 新結(jié)構(gòu)外圈法蘭端，施加103kN 徑向力+90kN 軸向力

圖4 新結(jié)構(gòu)外圈鉚壓端，施加103kN 徑向力+70kN 軸向力

圖5 常規(guī)結(jié)構(gòu)外圈鉚壓端，施加103kN 徑向力+25.2kN 軸向力

將仿真結(jié)果匯總成表2，由此可知：①外圈法蘭端的承載能力比鉚壓端的高；②新結(jié)構(gòu)仿真的兩種受力情況下，軸承可承受的軸向載荷遠(yuǎn)大于要求的31.5kN，結(jié)構(gòu)安全裕度較大；③與材料為45 鋼的外圈常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，材料為05Cr17Ni4Cu4Nb 的外圈新結(jié)構(gòu)所能承受的軸向力大幅提高。

表2 仿真分析總結(jié)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 產(chǎn)品裝配

產(chǎn)品壓配如圖6 所示，由于裝入桿端體的向心關(guān)節(jié)軸承裝配前帶有端溝槽凸起，因此須在壓配模具上設(shè)計(jì)避讓槽。裝配后，由桿端體兩個(gè)端面的精度來保證軸承與桿端體的對稱度，為此桿端體兩端面須進(jìn)行機(jī)加工。

圖6 壓配

將向心軸承壓配入桿端體內(nèi)孔后，再進(jìn)行鉚壓?？紤]到05Cr17Ni4Cu4Nb 的材料固溶處理后硬度相對較高，回彈較大，不容易鉚壓。因此，鉚壓工藝分為3 個(gè)工步：1）工步一。按鉚壓角度為45°進(jìn)行鉚壓（鉚壓一模）。2）工步二。把鉚壓角度變?yōu)?0°進(jìn)行鉚壓（鉚壓二模）。3）工步三用平面模將鉚壓邊壓至與桿端體端面平齊即可（鉚壓三模）。圖7 和圖8 為鉚壓二模和鉚壓三模的示意圖。

圖7 鉚壓二模

圖8 鉚壓三模

3.2 軸向力測試與裝機(jī)驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析結(jié)果，桿端關(guān)節(jié)軸承僅受軸向力時(shí)，當(dāng)力加載到80kN 時(shí)，鉚壓端所受應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度（725MPa）。為驗(yàn)證仿真分析計(jì)算得出的承載能力，對研制出的產(chǎn)品進(jìn)行載荷試驗(yàn)。如圖9 所示，將關(guān)節(jié)軸承水平固定在試驗(yàn)機(jī)上，向內(nèi)圈端面施加軸向力，當(dāng)軸向力在80kN 時(shí)，向心關(guān)節(jié)軸承未發(fā)生變形和松動，仿真分析結(jié)果可靠。該桿端關(guān)節(jié)軸承加工好后送用戶處裝機(jī)試驗(yàn)，運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)順暢，且5000h 后仍運(yùn)行正常，完全能夠達(dá)到目標(biāo)要求。

圖9 樣件軸向力試驗(yàn)

4 總結(jié)

該文對標(biāo)準(zhǔn)型自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行改進(jìn)，使之滿足較大軸向力載荷的應(yīng)用要求，具體如下：1）桿端體的桿端眼一邊設(shè)計(jì)為臺階結(jié)構(gòu)、另一邊設(shè)計(jì)為大倒角結(jié)構(gòu)，內(nèi)部配套的向心關(guān)節(jié)軸承外圈一端帶有法蘭結(jié)構(gòu)、另一端帶端溝槽凸起。關(guān)節(jié)軸承壓配后通過三次鉚合，將向心關(guān)節(jié)軸承外圈的端溝槽凸起翻鉚到桿端體大倒角處。2）升級零部件材料，通過仿真分析，獲得新產(chǎn)品所能承受的軸向力，初步證明其完全能滿足產(chǎn)品需求。3）針對產(chǎn)品5000h 壽命的要求，將配套的普通PTFE 襯墊升級為新型PTFE 襯墊，使其壽命得到大幅提高、滿足產(chǎn)品壽命要求。最后制造試樣件，使用試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證仿真分析結(jié)果可靠，產(chǎn)品裝機(jī)試驗(yàn)后能夠很好地服役、并且運(yùn)行5000h 未出現(xiàn)軸承脫出或者襯墊磨損、磨破等問題。gaui 研究開發(fā)的桿端關(guān)節(jié)軸承，比標(biāo)準(zhǔn)型的自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承的壽命更長、能承受的軸徑向載荷更高，能夠滿足承受大軸向載荷、長壽命、耐腐蝕及自潤滑的要求。