PTFE/芳綸織物襯墊自潤滑關節軸承性能試驗

柏耀星，周宇，邱明，李迎春，陳龍

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.中國軸承工業協會，北京 100055)

關節軸承屬于滑動軸承的一種，結構比較簡單，主要由一個帶內球面的外圈以及一個帶外球面的內圈組成[1]。自潤滑關節軸承則是在內、外圈之間鑲嵌或粘結一層自潤滑襯墊層，用襯墊層表面PTFE與內圈鋼的摩擦來代替內外圈直接的鋼與鋼摩擦，從而可滿足航空、航天、鐵路、機械等領域高承載能力、長壽命、免維護、易拆卸及自潤滑等方面的要求[2-3]。關節軸承的主要失效形式是磨損，磨損使關節軸承內外圈配合間隙增大[4]；甚至出現襯墊粘結脫落，導致摩擦因數升高，襯墊失去自潤滑功能；而當關節軸承套圈承受重載時，套圈會產生較大變形，甚至產生套圈破裂的現象。因此，開展關節軸承粘結質量、摩擦學性能及其承載性能的研究，對提高關節軸承的使用性能，延長使用壽命有著十分重要的意義。文中通過對比研究同型號國產與進口PTFE/芳綸織物襯墊自潤滑關節軸承的粘結質量、摩擦學性能以及承載性能，期望對國產自潤滑關節軸承質量的提高有所幫助。

1 試驗樣品

試驗樣品選用同型號的國產與進口PTFE/芳綸織物襯墊自潤滑關節軸承(以下分別簡稱國產軸承、進口軸承)，結構見圖1。軸承基本參數為：外圈外徑35 mm，外圈寬度12 mm，內圈內徑20 mm，內圈寬度16 mm，球面直徑29 mm。軸承內、外圈材料為GCrl5軸承鋼，襯墊層為PTFE/芳綸織物。

圖1 自潤滑關節軸承結構圖

2 試驗

將國產軸承與進口軸承進行了一系列的剝離強度試驗、摩擦磨損試驗以及承載性能試驗，借此對比考核國產自潤滑關節軸承的襯墊粘結質量、使用性能及可靠性。

2.1 剝離強度試驗

剝離強度試驗的主要目的是檢驗襯墊的粘結質量、工藝及其牢靠性是否符合標準要求。圖2為測試剝離強度示意圖，利用自制的剝離夾具將試樣夾持在電子萬能材料試驗機上，兩夾具以一定的速度遠離，將襯墊從軸承外圈內表面上剝離下來。試驗通過傳感器、數據采集系統采集剝離過程中的力及位移等信息并存儲起來。利用數據處理軟件將采集的數據進行處理并求出剝離強度等數據。結果表明，只有在適宜的粘結工藝下才能保證PTFE纖維織物襯墊與基體的結合強度[5]。

圖2 剝離強度測試示意圖

參照美國航空標準SAE-AS81820中自潤滑關節軸承剝離試驗的規定，制定本試驗的剝離角度為140°±40°；剝離速度為19 mm/min；采集間隔為2 ms，剝離長度為40 mm。剝離前進行襯墊粘附度檢驗，保證其90%緊緊粘附；剝離后進行牢靠性檢驗，不允許有外接圓直徑相當于外圈寬度25%或6.35 mm(兩者中取小值)的未粘區域。按關節軸承粘結質量試驗考核標準對兩類軸承隨機各抽取3個試樣，剝離強度試驗結果見表1。

由表1可以看出，國產與進口試驗軸承的剝離強度均高于標準規定值0.357 N/mm，表明試驗軸承都符合標準規定。但是，從表中可以明顯看出，國產軸承剝離強度均小于進口軸承的剝離強度，表明進口軸承的粘結質量優于國產軸承。 圖3為剝離曲線圖，從中可以看出，國產軸承的剝離曲線起伏較大，出現襯墊與外圈內球面粘結不均勻現象，表明其粘結質量較差。而進口軸承的剝離曲線較為平穩，說明粘結較均勻，粘結質量較好。故進口軸承的粘結質量優于國產軸承。

表1 剝離強度試驗結果

圖3 剝離曲線圖

2.2 摩擦磨損試驗

關節軸承的主要失效形式是磨損失效，其摩擦副材料是影響摩擦、磨損性能的關鍵因素[6]，而摩擦磨損試驗主要考核關節軸承摩擦副材料在使用過程中的摩擦學性能?；诖耍驹囼灢捎米灾频母哳l重載關節軸承摩擦磨損試驗機，其結構簡圖如圖4所示。

1—齒輪箱；2—搖桿；3，4—主軸；5—熱電偶；6—軸承；7—百分表

試驗方案：試驗前對關節軸承加載至試驗所需載荷18 kN(即接觸應力52 MPa)，并靜壓保持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，擺動角度±10°(實現高頻擺動的角度，符合SAE-AS 81819標準中的試驗擺動角度)，接觸應力為52 MPa，擺動頻率為2 Hz，每次試驗連續的擺動次數為2.5×104次，利用扭矩傳感器、杠桿百分表和熱電偶對試驗過程中的摩擦力矩、磨損量以及溫升的變化進行實時記錄，試驗結果見表2。

從表2中可以看出，盡管國產軸承的摩擦因數、接觸表面溫度以及磨損量都略高于進口軸承，但摩擦因數都小于JB/T 10860—2008規定的0.15，同時在試驗過程中試樣均沒有發生異常聲或卡死現象；軸承接觸表面溫度也都小于JB/T 10860—2008規定的150 ℃ ；25 000次常溫擺動的磨損量也都遠遠小于JB/T 10860—2008規定的0.30 mm。這表明國產軸承的摩擦磨損性能與進口軸承相當，且均遠好于國標要求。

表2 摩擦磨損試驗結果

2.3 承載性能試驗

本試驗的主要目的是考核關節軸承的承載能力[7]，因向心自潤滑關節軸承主要承受徑向載荷，故試驗中僅對軸承施加徑向載荷，以考核其徑向承載能力。

關節軸承承載性能試驗裝置如圖5所示，參照SAE-AS 81820標準進行承載性能試驗，表3是國產軸承與進口軸承承載性能試驗結果。

1—支撐軸；2—支撐夾具；3—加載夾具；4—關節軸承；5—千分表

表3 承載性能試驗結果

在承載性能試驗過程中，兩類關節軸承的套圈均沒有損壞，且其襯墊也沒有擠出現象。從表3知，兩類關節軸承的承載性能都滿足SAE-AS 81820標準要求。盡管國產軸承在達到極限載荷時的總變形量和永久變形量均大于進口軸承，但從數值上看兩類軸承處在同一數量級，這說明國產軸承的承載性能已與國外同類產品相當。

3 結論

(1)進口關節軸承的剝離強度、摩擦磨損性能以及承載性能三項指標都略優于國產關節軸承。

(2)國產關節軸承的襯墊粘結質量、摩擦學性能以及承載性能還有待于進一步提高。