銅基粉末冶金和青銅襯墊桿端關節軸承摩擦學性能對比

占松華，呂桂森，邱明

(1.臺州科錦軸承有限公司，浙江 臺州 318050； 2.河南科技大學，河南 洛陽 471003)

自潤滑關節軸承因其承載大、結構緊湊，具有耐腐蝕、耐沖擊以及摩擦因數小的特點，在載重汽車、軍工機械及工程機械等領域[1-3]得到了廣泛應用。近年來，我國引進的一些連接操縱系統、調節裝置以及耐高低溫的機械設備中，70%以上使用了自潤滑桿端關節軸承。在美國波音飛機的操縱傳動系統中，其使用率幾乎達到了100%[4]。自潤滑材料是影響自潤滑桿端關節軸承壽命的重要因素，因此，國內、外學者[5-8]研究關節軸承的一個重要方面就是自潤滑材料的摩擦學性能，但針對桿端關節軸承襯墊材料的摩擦學試驗研究開展的較少。

銅基粉末冶金襯墊是由銅粉、錫粉、鋅粉和鐵粉等經混合、壓坯、燒結、精整和浸油處理制成，其主要優點是自潤滑性能良好、摩擦因數小，并且結構簡單、加工成本低，便于制造和裝配，廣泛應用在一些不方便添加潤滑劑的工程機械中。青銅襯墊是錫磷青銅，由銅、錫、磷和鉛等化學成分組成，具有較高的強度和良好的耐腐蝕及耐磨性，其應用同樣非常廣泛。下文利用自制的高頻重載桿端關節軸承擺動摩擦、磨損試驗機，在3 Hz和8 MPa條件下，試驗對比襯墊材料的摩擦學性能及其微觀磨損機理，期望能為2種桿端關節軸承品質的提高提供參考。

1 試驗

1.1 試驗對象

圖1所示為試驗選用的桿端關節軸承結構圖。基本尺寸為：內徑16 mm，內圈寬度21 mm，球徑28.575 mm，外徑40 mm，外圈寬度15 mm，M16的內螺紋桿，深度28 mm，桿端長度44 mm。

圖1 自潤滑桿端關節軸承結構圖

1.2 試驗設備及方法

試驗在自制的桿端關節軸承摩擦磨損試驗機上進行，試驗機結構原理如圖2所示。參照JB/T 10860—2008[9]確定試驗方案和方法。試驗在室溫下進行，試驗開始前，對被試軸承靜壓加載8 MPa(或3.4 kN)，15 min后再開機進行25 000次的擺動試驗。因為液壓加載系統比較穩定，并且調壓方便，故試驗選擇液壓系統加載方式。試驗軸承的擺動頻率為3 Hz，擺動角度為±6°。采用變頻器實現對主軸擺動頻率的無級變速調節；通過曲柄搖桿機構帶動主軸擺動，調節主軸的擺動角度。利用扭矩傳感器和位移傳感器實現試驗軸承扭矩值和磨損量的在線檢測，采用無紙測溫儀實時記錄被試軸承的摩擦溫升。

1—減速電動機；2—搖桿；3—主軸；4—扭矩傳感器；5—熱電偶；6—軸承；7—位移傳感器

1.3 結果與分析

桿端關節軸承的失效形式大部分是磨損失效，影響其摩擦磨損性能的關鍵因素是桿端關節軸承的襯墊材料。因此，分別進行3組摩擦磨損試驗，取其平均值來對比2種襯墊材料的摩擦學性能。圖3所示為關節軸承運轉25 000次后的摩擦因數、摩擦溫升和磨損量的柱狀圖。

圖3 2種襯墊軸承的摩擦因數、溫升和磨損量的柱狀圖

由圖3可以看出，青銅襯墊軸承運轉25 000次后的摩擦因數、溫升和磨損量都高于銅基粉末冶金襯墊軸承，說明銅基粉末冶金襯墊軸承的摩擦學性能優于青銅襯墊軸承。根據JB/T 10860—2008要求可知：當關節軸承摩擦副材料的摩擦因數大于0.25，關節軸承表面溫度大于150 ℃以及磨損量大于0.114 mm時，表明關節軸承已經失效。由圖3可知，2種桿端關節軸承摩擦副材料的摩擦因數、摩擦溫升和磨損量都遠遠小于標準規定值，說明摩擦、磨損性能都能滿足JB/T 10860—2008的要求。

2 磨損機理分析

圖4所示為2種桿端關節軸承襯墊材料在擺動頻率3 Hz，接觸壓力8 MPa條件下經過25 000次擺動后的SEM照片。

圖4 2種桿端關節軸承襯墊材料磨損表面SEM照片

由圖4a可以看出，銅基粉末冶金襯墊軸承的摩擦表面條紋比較完整，襯墊表面局部產生了犁皺和槽狀磨痕，說明軸承發生了輕微的磨粒磨損。由圖4b可知，青銅襯墊軸承磨損表面有明顯的犁溝和槽狀磨痕，由于被裂縫破壞，襯墊表面的條紋呈現不連續狀,說明大量的脫落顆粒在連續摩擦的作用下變成磨粒或磨屑，導致磨損表面發生嚴重疲勞剝落和脆裂，軸承發生了嚴重的磨粒磨損。

3 結論

(1) 在相同試驗條件下，銅基粉末冶金襯墊軸承的摩擦因數、溫升和磨損量都小于青銅襯墊軸承，說明銅基粉末冶金襯墊軸承的摩擦學性能優于青銅襯墊軸承。

(2) 2種襯墊軸承的摩擦、磨損性能指標都能滿足JB/T 10860—2008的要求。

(3) 通過對2種桿端關節軸承襯墊磨損面的SEM對比分析發現，在3 Hz，8 MPa條件下，銅基粉末冶金襯墊軸承表現為輕微磨粒磨損，青銅襯墊軸承為嚴重磨粒磨損。