農(nóng)業(yè)機(jī)械滑動(dòng)軸承常見(jiàn)故障及其材料發(fā)展趨勢(shì)*

壽德榮 ，鄧正華 ，唐躍明 ，石宸毅

（重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 404100）

農(nóng)機(jī)滑動(dòng)軸承需在高轉(zhuǎn)速情況下工作，是農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要設(shè)備之一。農(nóng)機(jī)滑動(dòng)軸承對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著重要的作用，也是最常用的一種支撐軸類(lèi)零件，具有較大的適用范圍，適用于不同的農(nóng)機(jī)設(shè)備?；瑒?dòng)軸承的損壞已成為農(nóng)機(jī)設(shè)備的常見(jiàn)故障。主要是由以下原因造成的：農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境往往較為惡劣[1]，特別是山區(qū)，一般環(huán)境較為潮濕，地形高低不平；連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)；使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)接觸到石頭、水、泥、農(nóng)藥殘留物；使用過(guò)程中，加潤(rùn)滑油較難等。這些情況會(huì)導(dǎo)致滑動(dòng)軸承容易出現(xiàn)開(kāi)裂、腐蝕、燒瓦等故障?；瑒?dòng)軸承一旦出現(xiàn)問(wèn)題，其農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備將會(huì)受到直接的影響，可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)備使用不穩(wěn)定和精準(zhǔn)度不夠的情況，甚至?xí)苯涌s短農(nóng)機(jī)設(shè)備的使用壽命[2]。因此，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械滑動(dòng)軸承常見(jiàn)故障進(jìn)行分析，具有一定的研究?jī)r(jià)值。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械滑動(dòng)軸承常見(jiàn)故障

1.1 強(qiáng)度問(wèn)題

農(nóng)機(jī)設(shè)備滑動(dòng)軸承在使用一段時(shí)間后，很容易出現(xiàn)裂紋。作業(yè)時(shí)滑動(dòng)軸承時(shí)常會(huì)受到石頭等硬物撞擊，受到了沖擊力而出現(xiàn)了裂紋；當(dāng)農(nóng)機(jī)載荷過(guò)大時(shí)，滑動(dòng)軸承會(huì)變形甚至開(kāi)裂[3]。這些情況都會(huì)極大地縮短農(nóng)機(jī)的使用壽命，并且隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，裂紋會(huì)越來(lái)越多，最終導(dǎo)致軸承斷裂。因此，需進(jìn)一步研發(fā)高性能的軸承材料，來(lái)彌補(bǔ)農(nóng)機(jī)滑動(dòng)軸承強(qiáng)度的缺陷，滿(mǎn)足農(nóng)機(jī)設(shè)備日常使用的需求，降低故障發(fā)生率，延長(zhǎng)使用壽命。

1.2 摩擦問(wèn)題

首先，使用農(nóng)機(jī)設(shè)備的時(shí)候，大部分的使用者是將潤(rùn)滑油添加到農(nóng)機(jī)設(shè)備滑動(dòng)軸承和軸的接觸面，但在使用過(guò)程中，如果潤(rùn)滑油消耗過(guò)度，就不能形成潤(rùn)滑膜，導(dǎo)致軸承和軸桿摩擦，使軸承磨損過(guò)度而損壞，容易出現(xiàn)燒瓦或過(guò)度磨損等情況[4]。其次，在工作過(guò)程中水分會(huì)進(jìn)入農(nóng)機(jī)的內(nèi)部，從而接觸到滑動(dòng)軸承。這種現(xiàn)象會(huì)使?jié)櫥陀蛯咏Y(jié)構(gòu)遭到破壞，最終導(dǎo)致滑動(dòng)軸承受到損害[5]。添加潤(rùn)滑油要將農(nóng)機(jī)部分零件進(jìn)行拆解，具有一定的難度。最后，在使用過(guò)程中，如果遇到高硬度的泥沙顆粒流入，會(huì)對(duì)滑動(dòng)軸承造成磨損，造成區(qū)域性深度劃痕，劃痕增強(qiáng)磨粒的作用，進(jìn)而加重?fù)p害進(jìn)程，形成惡性循環(huán)。因此，需要提高農(nóng)機(jī)設(shè)備滑動(dòng)軸承摩擦性能和自潤(rùn)滑能力，保證農(nóng)機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中最大限度地工作，實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)的農(nóng)田耕作。

1.3 腐蝕問(wèn)題

農(nóng)機(jī)設(shè)備在耕作時(shí)會(huì)接觸土壤，而土壤內(nèi)有水、空氣、農(nóng)藥殘留物等介質(zhì)，會(huì)腐蝕農(nóng)機(jī)設(shè)備與內(nèi)部零件[6]。腐蝕問(wèn)題也是農(nóng)機(jī)設(shè)備使用的常見(jiàn)問(wèn)題之一，不僅會(huì)對(duì)機(jī)體造成損壞，還會(huì)侵入機(jī)器的內(nèi)部，對(duì)內(nèi)部軸承進(jìn)行腐蝕。因?yàn)槭褂煤蠛茈y對(duì)軸承進(jìn)行清洗，存放條件也較為潮濕，加劇軸承的損壞，導(dǎo)致農(nóng)機(jī)設(shè)備壽命縮短。根據(jù)腐蝕的不同程度，輕則使得軸承表面有破損，重則造成軸承的直接斷裂。當(dāng)腐蝕到一定程度時(shí)，則需更換軸承，此時(shí)會(huì)造成大量金屬材料的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，要求滑動(dòng)軸承材料具有更高的強(qiáng)度、自潤(rùn)滑性、耐腐蝕性等。

2 高性能軸承材料發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)研發(fā)出多種不同的金屬滑動(dòng)軸承，如巴氏合金、鋁基合金、TiAl基合金、鐵基合金、銅基合金等。

2.1 巴氏合金

巴氏合金分為錫基、鉛基、鎘基三種類(lèi)型[7]。巴氏合金擁有較強(qiáng)的嵌入性和順應(yīng)性，具有較高的強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性。巴氏合金的軟基體會(huì)形成內(nèi)凹的結(jié)構(gòu)，而硬質(zhì)點(diǎn)向外突出，從而形成許多細(xì)小空隙。這些空隙可以較好地儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，使巴氏合金軸承在農(nóng)業(yè)使用中具有較好的摩擦性能，硬質(zhì)點(diǎn)外突不僅僅能帶來(lái)儲(chǔ)存油量的好處，還能增強(qiáng)其承載方面的性能[7]。在巴氏合金軸承的制造中，有時(shí)還會(huì)加入少量的砷元素，從而減少成分偏析的情況。但巴氏合金所制造的軸承在使用溫度上需要嚴(yán)格把控，不能高于100 ℃，因?yàn)楫?dāng)溫度高于150 ℃時(shí)，巴氏合金軸承的硬度和疲勞強(qiáng)度較常溫會(huì)減少三分之二的性能強(qiáng)度[8]。雖然錫基的強(qiáng)度和抗腐蝕性能比鉛基強(qiáng)，但是由于錫元素的經(jīng)濟(jì)成本較高，應(yīng)用較少。

巴氏合金的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的嵌入性和順應(yīng)性，缺點(diǎn)是承載能力不強(qiáng)、耐熱性能差、抗疲勞能力低。

2.2 鋁基合金

鋁基合金軸承的重量比較輕，強(qiáng)度較高，并且具有很好的承載能力，尤其在溫度較高的情況下，其承載力更為突出，鋁基合金軸承主要分為Al-Sn、Al-Zn、Al-Pb三種[8-9]。其中，Al-Sn合金軸承中錫含量的多少對(duì)合金的性能起著至關(guān)重要的作用，根據(jù)錫含量的不同可以分為低錫合金、中錫合金和高錫合金。在低錫的情況下，具有較高的抗壓能力和較強(qiáng)的防腐蝕能力，隨著錫含量的不斷增加，鋁錫合金的硬度、強(qiáng)度和承載能力與其成反比例關(guān)系，但在高溫下的抗咬合性能更好，嵌入性也更好。Al-Zn合金中鋅含量的多少也有著至關(guān)重要的作用，如果鋅的含量過(guò)少，則其軟質(zhì)相很難起到作用；如果鋅的含量過(guò)多，則硬度會(huì)過(guò)大[8-9]。因此，需要嚴(yán)格控制鋅的含量。Al-Pb合金具有較好的自潤(rùn)滑作用，在使用過(guò)程中可以減少摩擦，防止抱死的現(xiàn)象，但是由于鉛具有毒性，在使用過(guò)程中需要尤為注意。

鋁基合金的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的耐磨性和防腐蝕性，缺點(diǎn)是干摩擦性不強(qiáng)、自潤(rùn)滑能力弱。

2.3 TiAl基合金

TiAl基合金擁有較好的高溫性能和較低的密度，是目前世界上研究最熱門(mén)的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。因?yàn)門(mén)iAl基合金的晶體中同時(shí)擁有金屬鍵和共價(jià)鍵，所以TiAl基合金不僅擁有金屬韌性的特征還擁有陶瓷耐高溫的特性[8,10]。在500 ℃～1000 ℃之間，使用的TiAl基合金主要包括Ti3Al（α2）、TiAl（γ）和TiAl3三種類(lèi)型，Ti3Al（α2）的使用環(huán)境一般不能高于650 ℃，因?yàn)門(mén)i3Al（α2）在較差環(huán)境中的結(jié)構(gòu)較為不穩(wěn)定。TiAl(γ)的綜合性能較好，相對(duì)質(zhì)量較低，并且具有耐高溫的特性。TiAl3固溶的范圍過(guò)于狹小，在室溫中的延展性較差，對(duì)制作環(huán)境的溫度要求較為苛刻，室溫下難以進(jìn)行加工[8,10]。

TiAl基合金的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，并且在高溫中仍能保持較好的強(qiáng)度以及抗蠕變和抗氧化等優(yōu)良的性能；其缺點(diǎn)是TiAl基滑動(dòng)軸承合金本身具有脆性，并且在室溫中延展性較差，不易進(jìn)行機(jī)械加工。

2.4 鐵基合金

鐵基合金材料是農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中較為常見(jiàn)的一種合金材料，其綜合性能較強(qiáng)，價(jià)格相對(duì)廉價(jià)，適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械軸承的生產(chǎn)制造。鐵基合金材料分為Fe-C系軸承材料、Fe-Cu-C系軸承材料、Fe-Mo-C系軸承材料等[8]。

由于鐵基材料的硬度較強(qiáng)，在長(zhǎng)時(shí)間的摩擦下很容易造成軸承的損壞。而石墨的化學(xué)性質(zhì)本身就不活潑，還具有抗腐蝕的性能，可以作為一種潤(rùn)滑材料添加到鐵基合金中。石墨在空氣中燃燒會(huì)形成二氧化碳，從而形成有機(jī)酸，不容易與水、農(nóng)藥殘留物等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以較好地適用于農(nóng)田耕作的惡劣環(huán)境。

在Fe-C合金中添加Cu元素，這種合金不僅保留了Fe-C的優(yōu)良特性，還具有Cu基材料的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)e-Cu-C材料抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)400 MPa，并且Cu還可以有效地抑制晶粒的生長(zhǎng)，從而將晶粒分散，提升其耐磨性和自潤(rùn)滑的功能[8,11-12]。

Mo元素在高溫中具有較好的強(qiáng)度、較強(qiáng)的硬度和一定的抗腐蝕性，因此Fe-Mo基軸承材料具有良好的摩擦性能[8]。

鐵基合金材料的優(yōu)點(diǎn)是抗壓能力強(qiáng)、硬度高、經(jīng)濟(jì)成本低，其缺點(diǎn)是噪聲大、防腐蝕性能差、減摩效果不明顯、嵌入性和順應(yīng)性都不強(qiáng)、在低速的環(huán)境下工作適應(yīng)性較差。

2.5 銅基合金

銅基合金是以黃銅為基體，再加入別的微量元素組成的合金。由于銅基合金具有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度和承載力，另外具有良好的導(dǎo)電能力和抗腐蝕能力，摩擦系數(shù)也很小。因此，銅基合金已被普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備滑動(dòng)軸承的制造工藝上。銅基合金中應(yīng)用范圍最大的滑動(dòng)軸承材料為青銅，主要分為鉛青銅、錫青銅、鋁青銅等[8]。但因?yàn)镻b的較強(qiáng)毒性，所以鉛青銅滑動(dòng)軸承材料受到限制。而錫銅合金由于本身就具備較好的導(dǎo)熱性和耐磨性，經(jīng)常被用于制作車(chē)輛以及其他工業(yè)部門(mén)中接觸摩擦的部位，但我國(guó)錫的儲(chǔ)量日益減少，品位降低，價(jià)格昂貴[13]。鋁青銅以其良好的性能，如高強(qiáng)度、耐磨、耐熱和耐腐蝕等，被廣泛應(yīng)用于軸承、軸套、齒輪等零部件；通過(guò)粉末冶金法制備的鋁青銅基軸承材料，不僅具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)質(zhì)性能，而且由于其內(nèi)部存在一定量的空隙，該空隙可以用來(lái)儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，在服役過(guò)程中能起到自潤(rùn)滑的作用。為了降低銅基滑動(dòng)軸承材料的摩擦磨損系數(shù)，通常會(huì)加入一定量的潤(rùn)滑脂，如石墨和二硫化鉬等，增強(qiáng)抗摩擦磨損能力，從而增強(qiáng)滑動(dòng)軸承材料的工作穩(wěn)定性和耐磨性，使得軸承在服役過(guò)程中只添加一次或不添加潤(rùn)滑油，軸承依然能正常工作。

結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境對(duì)軸承材料性能的要求，以及銅基滑動(dòng)軸承材料高強(qiáng)度、自潤(rùn)滑性、耐腐蝕性、耐熱等優(yōu)點(diǎn)，銅基滑動(dòng)軸承在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用廣泛。但是隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的快速發(fā)展，對(duì)軸承材料提出了更高要求，比如重載、低速、難維護(hù)等情況，這就需要銅基滑動(dòng)軸承材料具有更高的強(qiáng)度和摩擦性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展對(duì)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施有著重要的作用?；瑒?dòng)軸承作為農(nóng)機(jī)的核心部件，會(huì)直接影響農(nóng)機(jī)壽命，因此，滑動(dòng)軸承性能的好壞對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的快速發(fā)展，對(duì)滑動(dòng)軸承材料的性能要求也越來(lái)越高，并且由于農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境較為復(fù)雜，尤其是農(nóng)業(yè)設(shè)備在山區(qū)作業(yè)時(shí)，往往會(huì)加劇滑動(dòng)軸承斷裂、摩擦磨損、腐蝕等問(wèn)題。因此，需要滑動(dòng)軸承材質(zhì)具備更高的硬度、自潤(rùn)滑能力、抗腐蝕性等。銅基合金由于具備較高的疲勞強(qiáng)度和承載能力、較強(qiáng)的抗摩擦性和抗腐蝕能力、優(yōu)良的導(dǎo)熱性、較低的摩擦系數(shù)、較好的自潤(rùn)滑性和可維修等優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域有著非常好的應(yīng)用發(fā)展前景。