組合工況下不同摩擦副關(guān)節(jié)軸承的性能對比

洪志偉

(1.福建龍溪軸承(集團)股份有限公司，福建 漳州 363000；2.福建省關(guān)節(jié)軸承企業(yè)重點實驗室，福建 漳州 363000)

航空航天關(guān)節(jié)軸承可適應(yīng)安裝偏斜，變形調(diào)心及工作時的圓周方向擺動等，常用于重載、高溫、高速等惡劣工況，對服役可靠性的要求非常高。磨損是導(dǎo)致軸承失效的重要原因，受磨損影響會導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大，甚至出現(xiàn)咬合、卡死的現(xiàn)象[1]。為增加航空航天關(guān)節(jié)軸承的服役可靠性，開展摩擦學(xué)性能研究顯得尤為重要。

本文以設(shè)計一種GE60關(guān)節(jié)軸承為例，為滿足其在350 kN微動組合工況及不允許添加油脂的條件下進行5個循環(huán)周期合計13 250次擺動后，磨損量不能超過0.12 mm，摩擦因數(shù)不大于0.3，且軸承不能卡死的要求，特制定3種不同摩擦副匹配方案，并通過臺架試驗開展摩擦磨損性能對比。

1 摩擦副設(shè)計方案

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及摩擦副

GE60關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)及外形尺寸如圖1所示。GE60DE1和GE60DE1X由內(nèi)圈和外圈組成，GE60DE1T由內(nèi)、外圈和自潤滑襯墊組成；外圈材料均為0Cr17Ni4Cu4Nb(硬度為28～37 HRC)，內(nèi)圈材料均為G102Cr18Mo(硬度為55～62 HRC)；內(nèi)圈外球面的表面粗糙度Ra值均不大于0.2 μm，處理前外圈內(nèi)球面的表面粗糙度Ra值均不大于1.6 μm。3種GE60關(guān)節(jié)軸承摩擦副方案見表1。

表1 3種GE60關(guān)節(jié)軸承摩擦副方案

圖1 GE60關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)及外形尺寸示意圖

1.2 潤滑

二硫化鉬(MoS2)固體干膜潤滑涂層由MoS2潤滑固體和樹脂黏結(jié)劑組成，具有自潤滑免維護的特點，廣泛應(yīng)用于宇航、衛(wèi)星、導(dǎo)彈和飛機等[2]。

GE60DE1和GE60DE1X按文獻[3]規(guī)定對外圈內(nèi)球面涂覆MoS2固體干膜潤滑層，厚度為0.005～0.018 mm，使用溫度為-68～204 ℃[3]，常溫下摩擦因數(shù)不大于0.15，動承載能力為100 MPa。

聚四氟乙烯(PTFE)織物自潤滑襯墊由PTFE纖維與其他增強纖維編織而成，并在樹脂中浸漬后形成的一種結(jié)構(gòu)致密的復(fù)合材料[4-5]，工作時織物中的PTFE會不斷轉(zhuǎn)移到軸承內(nèi)圈外球面上形成潤滑膜，起到潤滑劑的作用，具有良好的自潤滑和免維護功能，擺動時可保持良好的摩擦磨損性能[6-8]。GE60DE1T外圈內(nèi)球面黏結(jié)的PTFE織物自潤滑襯墊為自制，擠壓固化后的襯墊厚度為0.30～0.35 mm，常溫下摩擦因數(shù)不大于0.12，使用溫度為-55～185 ℃，動承載能力可達到200 MPa以上，適用于低速重載。

1.3 表面處理

GE60DE1T內(nèi)圈外球面進行了鍍鉻處理，鍍層的硬度和耐磨性極高，該技術(shù)已廣泛用于PTFE織物自潤滑襯墊的關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈外球面[9]。

GE60DE1X內(nèi)圈外球面進行了離子滲硫處理，該技術(shù)首次在關(guān)節(jié)軸承上使用。內(nèi)圈固溶時效后的硬度為55～62 HRC，內(nèi)圈外球面經(jīng)滲硫處理后表面形成一層薄硫化物(圖2)，可以減小摩擦因數(shù)，提高內(nèi)圈外球面的抗咬合和抗黏著性能，在干摩擦狀態(tài)下減摩效果明顯，可提高產(chǎn)品的使用壽命，特別是對于滲硫基體表面硬度較高的零件[10]。

圖2 GE60DE1X內(nèi)圈外球面離子滲硫金相圖

2 設(shè)計方案驗證

2.1 試驗方法

模擬GE60關(guān)節(jié)軸承實際使用工況分別對3種不同摩擦副關(guān)節(jié)軸承進行考核，試驗工況見表2。試驗溫度為常溫，試驗時工況1運轉(zhuǎn)50次為一個起停，工況2運轉(zhuǎn)2 500次為一個起停，工況1運轉(zhuǎn)3個起停+工況2運轉(zhuǎn)1個起停為1個循環(huán)周期，共進行5個循環(huán)周期合計13 250次擺動。

表2 試驗工況

設(shè)置試驗設(shè)備運行程序，試驗期間當(dāng)摩擦因數(shù)達到0.3時設(shè)備報警并停止運轉(zhuǎn)，試驗終止。試驗結(jié)束后軸承磨損量不大于0.12 mm，內(nèi)圈相對外圈擺動靈活為合格。

2.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為SDZ-500/14K關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機，試驗工裝示意圖如圖3所示，通過加載板對GE60關(guān)節(jié)軸承施加徑向載荷Fr，內(nèi)圈通過芯軸按工況擺動角度要求相對外圈進行擺動。

圖3 試驗工裝示意圖

2.3 摩擦磨損試驗結(jié)果

3種GE60關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能試驗結(jié)果見表3，GE60DE1X失效前的擺動次數(shù)比GE60DE1多，說明其耐磨損能力更優(yōu)，主要是內(nèi)圈外球面離子滲硫提高了產(chǎn)品的耐磨損性能。摩擦因數(shù)試驗曲線如圖4所示， 擺動試驗過程中GE60DE1和GE60DE1X的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性差，而GE60DE1T的穩(wěn)定性好。

圖4 GE60關(guān)節(jié)軸承試樣摩擦因數(shù)試驗曲線

表3 3種GE60關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能試驗結(jié)果

GE60DE1與GE60DE1X試驗結(jié)束后(摩擦因數(shù)超過0.3)摩擦副磨損情況相似，如圖5所示，外圈內(nèi)球面的固體干膜潤滑涂層已被磨穿，且內(nèi)圈外球面和外圈內(nèi)球面有明顯的犁痕。在350 kN的動載荷下，摩擦副間的接觸應(yīng)力約為120 MPa，雖然使用工況為微動工況，但金屬對金屬關(guān)節(jié)軸承中的MoS2涂層無法滿足該使用工況要求，在連續(xù)摩擦作用下涂層快速被剪切消耗，金屬摩擦表面塑性變形導(dǎo)致材料遷移，形成犁溝，甚至出現(xiàn)基體剝落、黏著磨損現(xiàn)象，隨著內(nèi)外圈相互運動的進行，摩擦因數(shù)迅速增大，關(guān)節(jié)軸承最終出現(xiàn)內(nèi)外圈燒結(jié)、咬死。

圖5 GE60DE1和GE60DE1X試驗后摩擦副表面

GE60DE1T完成5個循環(huán)周期合計13 250次擺動試驗后，摩擦副表面如圖6所示，內(nèi)圈外球面無明顯磨損，表面光滑且有薄層轉(zhuǎn)移潤滑膜(圖中黑褐色膜層)；自潤滑襯墊完好，自潤滑層無脫落，襯墊表面PTFE層光滑無明顯磨損。試驗過程中摩擦因數(shù)整體保持在0.05～0.12之間；內(nèi)外圈相互擺動靈活，并且襯墊磨損量很小。

圖6 GE60DE1T試驗后摩擦副表面

3 結(jié)論

通過對3種GE60關(guān)節(jié)軸承進行臺架試驗，開展摩擦磨損性能研究，得到以下結(jié)論：

1)在同種組合工況下，帶PTFE織物襯墊GE60DE1T的摩擦學(xué)性能優(yōu)于外圈內(nèi)球面噴涂MoS2的金屬對金屬GE60DE1和GE60DE1X。

2)內(nèi)圈外球面離子滲硫使GE60DE1X摩擦學(xué)性能優(yōu)于GE60DE1，但兩者均未通過試驗考核。GE60DE1T通過了試驗考核，滿足設(shè)計要求。