恒剝離角自潤滑關節軸承襯墊粘結質量檢測裝置

丁紅漢，杭魯濱，陳有光，陸九如

(1.上海工程技術大學 機械工程學院，上海 201620；2.上海市軸承技術研究所，上海 200031)

自潤滑關節軸承由內圈、外圈和粘結于外圈內表面的襯墊(或金屬鍍層)構成。以襯墊與內圈摩擦代替內外圈直接摩擦，從而滿足航空、航天、鐵路等應用領域的使用要求。自潤滑關節軸承的主要失效形式之一是襯墊因粘結失效而松動或脫落[1-7]。襯墊松動會使關節軸承內外圈配合間隙增大，加劇襯墊磨損，導致摩擦因數升高，失去自潤滑功能。 因此，開展關節軸承襯墊粘結質量研究，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現實意義。

1 現有襯墊粘結質量檢測方法

目前的襯墊粘結質量檢測方法[8]如圖1所示。在現有剝離試驗過程中，剝離線上不同位置的襯墊所受剝離力不同，剝離過程中剝離角持續變化，襯墊易出現粘滑現象，所測得剝離載荷波動較大(圖2)，難以精確評價自潤滑關節軸承襯墊粘結質量。

圖1 原有襯墊粘結質量檢測方法示意圖

圖2 剝離載荷隨剝離長度的變化

另外，夾持襯墊自由端的夾具夾頭為直線型，而襯墊的剝離線為圓弧型，剝離線上不同點距夾持端對應點處的距離不等(即S1≠S2)，會引起剝離線上襯墊不同點處受力不均，易產生粘滑效應，影響襯墊剝離的真實性。

2 新型襯墊粘結質量檢測裝置

2.1 檢測原理

在原有襯墊粘結質量檢測模型的基礎上提出的新型襯墊剝離模型如圖3所示。采用外徑與襯墊內徑相等的導輪，夾頭夾持處與剝離線為完全相同的圓弧，剝離線上各點與其對應的夾持端點處距離相等(即L1=L2)，滿足同一剝離線上各點所受剝離力相同，從而可以實現襯墊真實剝離。此外，新型襯墊剝離模型可以通過調節導輪和試樣輪驅動速度實現襯墊以恒定剝離角剝離，剝離載荷波動相對較小，剝離穩定性較高。

圖3 新型襯墊剝離模型原理

2.2 檢測裝置

以上述模型為基礎設計的新型襯墊粘結質量檢測裝置如圖4所示，由自潤滑關節軸承外圈試樣、試樣夾具、導輪、導輪夾具、伺服電動機、聯軸器和底座等組成。繞線端電動機通過固定在底座上的聯軸器連接到傳動軸上驅動導輪，電動機及導輪借助聯軸器底座在滑槽內滑動以實現剝離角的調節。剝離端電動機驅動由夾具固定于試樣輪上的試樣。通過導輪與試樣輪協調轉動即可實現同一剝離過程中剝離角恒定。此外通過調節定位滑塊在滑槽內的位置可實現不同尺寸試樣和導輪的裝夾而不需要更換夾具。

1—試樣輪下滑槽；2—試樣輪下定位滑塊；3—定位板鎖緊螺栓；4—定位板；5—V形塊；6—試樣；7—試樣輪上鎖緊螺栓；8—試樣輪上定位滑塊；9—試樣輪上滑槽；10—試樣輪；11—剝離長度傳感器；12—剝離端電動機；13—襯墊；14—定位板；15—定位塊鎖緊螺釘；16—導輪定位滑塊；17—剝離力傳感器；18—繞線端電動機；19—軸承架；20—軸承架移動滑槽；21—繞線端電動機移動滑槽；22—底座

檢測裝置中的剝離長度和剝離力傳感器可以實時準確地記錄剝離過程中的數據，并分別將伺服電動機的轉動情況及襯墊所受剝離力傳送給控制器，經控制器的處理后以電信號的形式傳送給顯示器，從而實現襯墊粘結質量檢測數字化。

3 襯墊粘結力與剝離力映射關系

自潤滑關節軸承的外圈內表面為球面，襯墊粘結到外圈內表面時為球面接觸[9-17]，襯墊從球形粘結面剝落時與普通平面形膠層[18]剝離時所受剝離力不同。

在任一時刻襯墊剝離線上各點所受粘結力的方向由球心指向該點，襯墊剝離過程某時刻(剝離角為90°)剝離線上所受粘結力如圖5所示。對應的剝離力(與粘結力大小相等、方向相反)共面[6-7]且指向球心O(圖6左)。剝離線上各點所受剝離力分別指向球心，在襯墊剝離過程中，無法通過已剝離襯墊自由端對當前剝離線上不同位置點施加同時指向球心的剝離力。為實現襯墊的等效剝離，建立等效剝離力數學模型(圖6右)，即

圖5 剝離線襯墊粘結力示意圖

圖6 剝離截面襯墊所受線剝離力

f=q/cosθ，

(1)

(2)

式中：f為等效后單位剝離線上所受剝離力,N/mm；q為單位剝離線上所受剝離力,N/mm;θ為剝離線上不同位置點所受剝離力與水平方向(襯墊剝離過程中為襯墊自由端受拉的方向)的夾角，(°)；F為所需等效總剝離力，N;R1為襯墊內球面半徑，mm；α為在剝離截面剝離線所對應中心角，(°)，由外圈的寬度決定。

根據平面剝離檢測可得單位剝離線上襯墊所受的線剝離力q，從而獲得關節軸承曲面等效總剝離力F，用以確定襯墊粘結質量。

4 襯墊彈性變形補償分析

在襯墊剝離過程中，編織襯墊受到剝離力的作用會有一定的彈性伸長，如圖7所示，需要調整導輪和試樣輪的驅動速度以補償襯墊彈性變形，實現襯墊的穩定剝離。

設襯墊試樣半徑為R1，角速度為ω1，導輪外半徑為R2，導輪協同角速度為ω2，試樣襯墊剝離長度為L(包含襯墊已剝離長度l1、剝離前自由端長度l2和襯墊彈性伸長長度Δl)，襯墊彈性系數為K,則在剝離時刻t有以下關系

ω2R2t=ω1R1t+K(l1+l2+Δl)。

(3)

由剝離模型建立原理可知R1=R2，則

(4)

通過ω1與ω2的關系即可調整導輪及試樣輪的速度，從而實現襯墊的恒定角剝離。

5 結束語

根據自潤滑關節軸承襯墊粘結面的幾何形狀，提出了襯墊恒剝離角剝離方式，設計了一種新型自潤滑關節軸承襯墊粘結質量檢測裝置，可準確評價襯墊粘結質量。然后，針對新型襯墊粘結質量檢測模型，給出了襯墊粘結力與襯墊剝離力映射關系，并分析了剝離過程中繞線端電動機補償襯墊彈性變形的機理，保證剝離角恒定。