不同襯墊關節軸承摩擦學性能的對比

李喜軍，邱 明，陳 龍，袁文征

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

自潤滑關節軸承具有自潤滑和承載力大等特性，廣泛應用于航空、航天、輕工、交通等領域[1-3]。然而，在一些苛刻環境條件下，關節軸承很容易因磨損造成游隙過大而導致災難性的后果。自潤滑材料的摩擦學性能是影響關節軸承壽命的關鍵因素。日前，國內、外已開展了對自潤滑材料摩擦學性能的研究[4-7]。但是，試驗的擺動頻率普遍較低，一般在1 Hz以下，不能較真實地模擬軸承成品在圓周方向的往復擺動。為了模擬關節軸承在圓周方向往復擺動的實際使用工況，在自制的關節軸承擺動試驗機上對4種關節軸承進行擺動頻率1.9 Hz的摩擦磨損試驗，以便為較高擺頻條件下關節軸承的開發與研制提供試驗依據。

1 試驗方法

試驗所用向心關節軸承的基本尺寸參數為：內圈內徑12 mm，球徑18 mm，內圈寬度10 mm，外圈外徑22 mm，外圈寬度7 mm，其結構簡圖如圖1所示。4種關節軸承(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)的材料屬性見表1。

圖1 關節軸承結構簡圖

表1 不同摩擦副關節軸承的材料屬性

試驗前對關節軸承靜壓15 min，然后再進行往復擺動摩擦磨損試驗。實驗室環境條件為常溫常壓，擺動頻率為1.9 Hz，擺動角度為±10°，試驗分別在載荷為3，6，9和12 kN條件下連續擺動2.5×104次。摩擦系數由轉矩傳感器測得的轉矩值換算獲得，磨損量為關節軸承磨損后的徑向線位移量。為了更好地研究關節軸承磨損性能，用熱電偶實時測得并記錄了其摩擦溫度的變化，摩擦溫度取試驗過程中最高值。

2 結果與分析

2.1 摩擦

在擺動頻率為1.9 Hz條件下，不同摩擦副關節軸承的摩擦系數隨載荷的變化關系如圖2所示。可以看出，隨著載荷的增加，關節軸承Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ的摩擦系數逐漸增加，其中軸承Ⅰ的摩擦系數呈線性增大趨勢，而Ⅲ的摩擦系數則呈線性減小趨勢，最大增加和減小幅度在0.1左右。載荷小于9 kN時，軸承Ⅰ的摩擦系數最小，其次分別為Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ；載荷大于9 kN后，軸承Ⅲ的摩擦系數最小。在試驗過程中，Ⅳ的摩擦狀態最差。由圖3可知，關節軸承的摩擦溫度大體上隨載荷增加而升高。經過觀察分析，當摩擦溫度大于一定值后，襯墊材料中的PTFE在熱和壓力共同作用下會產生較為嚴重的塑性變形，結果引起大量的粘著，同時產生磨粒與磨屑，導致摩擦系數增大。

圖2 不同關節軸承的摩擦系數隨載荷的變化

圖3 不同關節軸承的摩擦溫度隨載荷的變化

2.2 磨損

由圖4可知，4種關節軸承的磨損量隨載荷增加而增大。載荷大于9 kN后，軸承Ⅰ的磨損量增加趨于平緩，Ⅲ的磨損量則略有降低。載荷為12 kN時，軸承Ⅱ和Ⅳ的磨損最為嚴重，自潤滑襯墊材料的破壞程度也較嚴重，幾乎已經磨穿。由圖3可知，關節軸承Ⅲ的摩擦溫度在9 kN和12 kN時基本沒有變化。經分析，此時在配副摩擦面上形成了一層較致密的PTFE轉移潤滑膜，有效減少了摩擦熱的生成，其磨損狀態也得到了顯著改善。同時，該摩擦溫度已處于動態平衡狀態，摩擦產生熱量的速率等于熱量消耗的速率[8]。然而，關節軸承Ⅳ在12 kN時的摩擦溫度卻異常地高(大于90 ℃)，導致摩擦表面不能有效地形成一層均勻而連續的潤滑膜。同時大量的摩擦熱致使關節軸承材料變軟，耐磨性能越來越差。

圖4 不同關節軸承的磨損量隨載荷的變化

2.3 三維形貌分析

圖5所示為載荷3 kN條件下4種關節軸承襯墊材料磨損表面的三維輪廓形貌。由圖5可知，試驗后的關節軸承Ⅰ，Ⅱ的摩擦面較為平整、光滑，襯墊材料表面的樹脂層保存完好，襯墊基體材料尚未顯露出來，此時以其表層材料形成的PTFE膜潤滑為主。而Ⅲ襯墊材料的摩擦面比較粗糙，編織襯墊的紋路清晰可見，此時該襯墊材料表面浸漬的樹脂層已被磨完；同時襯墊基體材料PTFE纖維織物已顯露出來，并且其表面也受到了輕度的磨損。軸承Ⅳ的磨損情況最為嚴重，其摩擦面有較為明顯的犁溝，襯墊材料受到不同程度的破壞，甚至部分脫落。這時，襯墊基體材料在潤滑過程中起主要作用。大量的脫落物在連續摩擦作用下變成磨屑、磨粒，一部分粘附到配副面上，一部分被排擠出來。隨著自潤滑材料逐漸被排擠出來，導致關節軸承的自潤滑性能下降，磨損嚴重，摩擦溫度升高。同時，摩擦溫度的升高也會加劇磨損。經過形貌分析得到的三維粗糙度值見表2。

圖5 載荷為3 kN時4種關節軸承襯墊磨損表面三維輪廓形貌

由表2可知，關節軸承Ⅰ的摩擦面最為光滑，而軸承Ⅲ因襯墊表面的浸漬層被磨完，纖維織物顯露出來，所以粗糙度最大，關節軸承Ⅱ和Ⅳ的Sa和Sq值雖然相差不大，但其磨損機制卻完全不同。Ⅱ的襯墊材料壓實后主要是襯墊表層材料形成的潤滑膜起決定因素；而Ⅳ的磨損以消耗襯墊基體材料為主。試驗過程中也發現，A類膠的粘結效果差(軸承Ⅱ和Ⅳ)，其性能對環境變化較為敏感，并且外圈基體材料對A類膠的粘結效果也有很大影響。擺動頻率一定時，載荷和溫度的上升都會顯著弱化A類膠粘結性能，特別是載荷的影響比較大。當載荷、溫度升高到一定值時，部分A類膠襯墊就會從外圈內球面上脫離，從而加速襯墊材料的磨損。而B類膠襯墊(軸承Ⅲ)盡管磨損后露出的纖維使表面粗糙度增大，但磨損程度輕于A類膠襯墊，且發現B類膠襯墊在整個磨損過程中粘結牢固，未出現A類膠襯墊剝落的現象。因此，B類膠的粘結效果優于A類膠。

表2 載荷為3 kN時4種關節軸承磨損表面的三維粗糙度值 μm

3 結論

在試驗條件下，有以下結論：

(1)載荷小于9 kN時，軸承Ⅰ的摩擦學性能較好；當載荷大于9 kN后，軸承Ⅲ則表現最好；而軸承Ⅳ在整個試驗過程中表現最差。

(2)軸承Ⅰ較適合在輕載、較低擺動頻率的條件下工作；而軸承Ⅲ適宜工作在重載、較高擺動頻率的環境中。

(3)B類膠的粘結效果比A類膠更加優良。