自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的貯存周期驗(yàn)證

黃雄榮， 李如琰， 陳有光

（上海市軸承技術(shù)研究所，上海200031）

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承又稱自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承，它由一個(gè)帶外球面的內(nèi)圈和一個(gè)內(nèi)球面上粘貼或涂鍍有自潤(rùn)滑材料的外圈組成，如圖1所示。它與桿端、異型件組合，還可形成多種結(jié)構(gòu)形式。

自潤(rùn)滑軸承的內(nèi)外圈一般由不銹鋼、鋁合金和鈦合金等材料組成，自潤(rùn)滑材料由銅網(wǎng)、聚四氟乙烯復(fù)合纖維編織物即紡織復(fù)合材料（Poly Tetra Fluoro Ethylene，PTFE）等帶有潤(rùn)滑、減磨功能的材料組成。自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承一般采用密封無(wú)油貯存，軸承內(nèi)外圈為金屬材料，對(duì)壽命無(wú)影響。PTFE紡織復(fù)合材料由高分子材料組成，隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，高分子材料分子結(jié)構(gòu)或組分中具有不飽和雙鍵、支鏈、末端上的羥基等，加上外界或陽(yáng)光、氧氣等環(huán)境因素條件，分子鏈發(fā)生老化等現(xiàn)象[1]。襯墊材料的老化直接降低其潤(rùn)滑性能，從而影響軸承的使用壽命[2－3]。

本文研究了粘貼PTFE紡織復(fù)合材料的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的貯存周期驗(yàn)證。PTFE襯墊主要由PTFE纖維、Nomex（美國(guó)杜邦公司品牌）纖維和樹脂組成。它具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐候性，室外暴露15 a，其機(jī)械性能未發(fā)生變化[4]。Nomex纖維耐高溫、具有良好的穩(wěn)定性，所使用的樹脂擁有良好機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性能；因此，PTFE襯墊是一種物理、機(jī)械性能穩(wěn)定的材料。目前，國(guó)內(nèi)使用PTFE襯墊的關(guān)節(jié)軸承貯存周期僅為3 a，國(guó)外為8～10 a。

圖1 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取貯存時(shí)間不大于1 a和貯存時(shí)間達(dá)8 a的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承。存貯條件選為普通紙盒包裝，不涂覆任何潤(rùn)滑、防銹介質(zhì)，陰涼、干燥處室溫保存。

試驗(yàn)方法參照《GJB5502—2005低速擺動(dòng)自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范》[5]。

1.1 黏結(jié)性能

考核自潤(rùn)滑墊層與軸承外圈黏結(jié)的牢固強(qiáng)度。將測(cè)試軸承沿軸心線剖開，撕開部分黏結(jié)的墊層，如圖2所示裝夾，已分離的墊層與軸承套圈被剝離面呈140°±40°，然后用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量（或直接掛砝碼）將墊層從基體上撕脫所需的力，作好記錄。

圖2 黏結(jié)性能測(cè)試示意圖

1.2 磨損性能

考核軸承在常溫、＋163℃、－23℃和常溫油污環(huán)境下的耐磨損性能。

（1）常溫磨損試驗(yàn)。軸承安裝調(diào)試結(jié)束后，按額定徑向擺動(dòng)載荷預(yù)壓15 min，而后開始按擺動(dòng)頻率12次／min，擺角±25°進(jìn)行擺動(dòng)試驗(yàn)。開始10次擺動(dòng)的位移量不計(jì)入正常磨損范圍內(nèi)，計(jì)數(shù)器調(diào)為零，然后開始為第1次擺動(dòng)磨損記錄值，直到計(jì)數(shù)器數(shù)值到25 000次停止試驗(yàn)。

（2）高溫磨損試驗(yàn)。將軸承在163℃環(huán)境溫度下恒溫10 min后，按常溫磨損試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）低溫磨損試驗(yàn)。低溫試驗(yàn)載荷為常溫試驗(yàn)規(guī)定載荷的75%，按常溫磨損試驗(yàn)要求完成1 000周試驗(yàn)，停止試驗(yàn)，將環(huán)境溫度保持或低于－23℃，1.5 h后，在－23℃溫度下繼續(xù)后24 000周試驗(yàn)。

（4）耐油污磨損試驗(yàn)。軸承放入15號(hào)航空用液壓油中浸泡24 h，溫度為71±3℃。軸承從試驗(yàn)液中取出后0.5 h內(nèi)，按常溫磨損試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)。載荷為常溫磨損試驗(yàn)規(guī)定載荷的75%。

1.3 紅外分析

將軸承襯墊從外圈滾道剝離，取樣進(jìn)行紅外分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 黏結(jié)性能

分別將存放1 a和8 a的軸承進(jìn)行黏結(jié)性能試驗(yàn)，主要表征軸承外圈與襯墊的結(jié)合狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。由此可見，隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，襯墊的黏結(jié)完善性和剝離強(qiáng)度均無(wú)明顯影響，遠(yuǎn)高出國(guó)家軍用元器件標(biāo)準(zhǔn)要求，黏結(jié)性能完全滿足《GJB5502—2005低速擺動(dòng)自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范》要求。

表1 軸承墊層的黏結(jié)完善性

表2 剝離強(qiáng)度

2.2 磨損性能

按照《GJB5502—2005低速擺動(dòng)自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范 》規(guī)范，將存放1 a和8 a的軸承分別進(jìn)行25 000次常溫、＋163℃、－23℃和常溫耐油污擺動(dòng)磨損試驗(yàn)。擺動(dòng)磨損試驗(yàn)表征了軸承在各種條件下的工作狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示，可見存放8 a的軸承磨損性能和試驗(yàn)后襯墊的剝離強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家軍用元器件標(biāo)準(zhǔn)5502要求，與存放1 a的軸承性能相近。圖3～6是其磨損曲線，記錄了襯墊在試驗(yàn)過程中的磨損變化。由此可見，襯墊在磨損的過程中均形成了初始磨損期、穩(wěn)定磨損期，和普通襯墊表現(xiàn)的磨損特性一致；軸承貯存8 a后，襯墊與軸承內(nèi)圈形成的摩擦副的磨擦磨損規(guī)律和特性無(wú)變化。

表4 25 000次磨損試驗(yàn)后襯墊剝離試驗(yàn)結(jié)果

圖3 常溫磨損壽命試驗(yàn)曲線

圖4 高溫磨損壽命試驗(yàn)曲線

圖5 低溫磨損壽命試驗(yàn)曲線

圖6 耐液體污染磨損壽命試驗(yàn)曲線

2.3 壽命試驗(yàn)

軸承的壽命試驗(yàn)一般按照《GJB5502—2005低速擺動(dòng)自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范 》規(guī)范進(jìn)行25 000次擺動(dòng)磨損試驗(yàn)，磨損量≤0.11 mm為合格。本次試驗(yàn)通過長(zhǎng)時(shí)間磨損試驗(yàn)，較為徹底的考察存放8 a后軸承襯墊的磨損狀況和最終壽命。

軸承理論磨損壽命經(jīng)過初始磨損期、穩(wěn)定磨損期和快速磨損期，分別對(duì)應(yīng)圖7中的1、2和3階段[6]。由圖8和圖9試驗(yàn)曲線可見，在試驗(yàn)前期，擺動(dòng)3 000次，磨損量達(dá)0.01 mm，而后22 000次擺動(dòng)完，襯墊的磨損量約為0.01 mm。可見在擺動(dòng)3 000次時(shí)，襯墊與9Cr18內(nèi)圈外球面的潤(rùn)滑層形成，25 000次磨損量約為0.02 mm，磨損特性與新鮮襯墊的性能一致；前110 000次襯墊的擺動(dòng)磨損，軸承擺動(dòng)扭矩保持為16±1 N·mm，磨損量很平穩(wěn)，總磨損量為0.07 mm，試驗(yàn)結(jié)束后襯墊剝離強(qiáng)度仍達(dá)1 N／mm（國(guó)家軍用元器件標(biāo)準(zhǔn)要求0.35 N／mm），可見軸承各方面試驗(yàn)性能遠(yuǎn)高于國(guó)家軍元器件標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖7 軸承壽命磨損曲線

圖8 110 000次擺動(dòng)磨損壽命試驗(yàn)曲線

圖9 180 000次擺動(dòng)磨損壽命試驗(yàn)曲線

2.4 紅外分析

自潤(rùn)滑襯墊是通過固化貼于軸承外圈，與軸承內(nèi)外圈一起保存。現(xiàn)將存放1 a和8 a的襯墊進(jìn)行紅外分析，查看襯墊主要官能團(tuán)是否發(fā)生變化。由兩個(gè)襯墊樣品圖譜（圖10和圖11）可見，兩個(gè)圖譜的吸收峰位置、強(qiáng)度一致，說明存放8a的襯墊樣品分子結(jié)構(gòu)的主要官能團(tuán)未發(fā)生變化。

3 結(jié) 論

本文對(duì)存放8 a使用PTFE襯墊的軸承的黏結(jié)性能、磨損試驗(yàn)、紅外等試驗(yàn)檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

圖10 存放1 a的襯墊紅外圖譜

圖11 存放8 a的襯墊紅外圖譜

（1）PTFE襯墊的黏結(jié)完善性和剝離強(qiáng)度均達(dá)到GJB5502要求。

（2）軸承常溫、高溫、低溫和耐腐蝕磨損試驗(yàn)遠(yuǎn)高于GJB5502要求。

（3）軸承襯墊貯存8 a后的官能團(tuán)未發(fā)生變化。

由此可見，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承在貯存條件為不接觸任何油脂，陰涼、干燥處室溫存放條件下，存放8 a后的使用性能未發(fā)生變化。說明貼有聚四氟乙烯復(fù)合纖維編織自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的貯存時(shí)間可延長(zhǎng)至8 a。

[1] 宋云峰.擺動(dòng)式關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)性能測(cè)試研究[D].上海：上海材料研究所，2001.

[2] 李如琰.聚四氟乙烯纖維織物在關(guān)節(jié)軸承上的應(yīng)用[J].功能材料，2004（35）：2221－2223.

[3] 向定漢，潘青林，姚正軍.聚四氟乙烯自潤(rùn)滑編織復(fù)合材料關(guān)節(jié)軸承的擺動(dòng)摩擦磨損性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23（1）：72－75.

[4] Smith Paul，Incoln L.Selflubricating Bearing：USA，US0120644A1[P].[2011－02].2006：1－2.

[5] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB5502—2005低速擺動(dòng)自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范[S].北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2005.

[6] Sarmaa.Spherical plain bearings[EB／OL].（2005）[2011－05－05].http：／／www.Sarma.com.