剝離速度對自潤滑關節軸承襯墊剝離強度的影響

楊卓培，邱明，李迎春，胡仁松

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

自潤滑關節軸承以其長壽命、高承載、免維護等優點在機械行業得到廣泛應用[1-4]，其實現自潤滑的主要途徑之一就是在外圈內球面粘接一層自潤滑襯墊。目前，國內外關于自潤滑關節軸承的研究主要集中在如何提高軸承的摩擦磨損性能上[5-8]，而對自潤滑關節軸承襯墊粘接質量的研究較少。自潤滑襯墊的粘接質量是評價關節軸承性能的重要指標，如果粘接質量差，軸承運轉過程中襯墊有可能脫落，使軸承喪失自潤滑功能，甚至造成災難性的后果。因此，有必要開展自潤滑關節軸承襯墊粘接性能的研究。剝離試驗是檢測自潤滑關節軸承襯墊粘接質量的重要方法，試驗過程中表征粘接質量的重要指標是剝離強度，即襯墊剝離時單位寬度所能夠承受的最大載荷。實際試驗中發現，不同剝離速度下相同類型的試樣所測得的剝離強度有較大差別。鑒于此，分析了不同剝離速度對襯墊剝離強度的影響規律，為以后開展相關試驗提供借鑒。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗選用的試樣為GE40ET-2RS型自潤滑關節軸承，結構如圖1所示。自潤滑關節軸承內、外圈的材料為GCr15軸承鋼。先利用專用的編織設備將PTFE纖維與芳綸纖維編織成大塊的復合材料編織布，再沿同一方向裁剪(保證所有襯墊材料的一致性)所需襯墊，以富含芳綸纖維的一面作為粘接面，將其粘接到軸承外圈內表面，然后將軸承放入80～100 ℃的恒溫箱中，保溫3～4 h，進行固化處理。

圖1 自潤滑關節軸承結構圖

1.2 試驗設備

采用INSTRON5944型電子萬能材料試驗機以及自制的剝離夾具對自潤滑關節軸承進行剝離測試。自制的剝離夾具分為上、下2個部分，上夾具用來夾持軸承試樣的外圈，下夾具用來夾持襯墊。通過萬能材料試驗機自帶的力傳感器和光電位移傳感器記錄剝離過程的剝離載荷和剝離長度，利用與試驗機配套的Bluehill軟件對關節軸承剝離試驗過程中得到的數據進行采集和處理。

1.3 試驗方法

剝離強度測試示意圖如圖2所示。試驗前先將自制的剝離夾具安裝在電子萬能材料試驗機上，然后將試樣外圈和襯墊的可夾持部分分別夾持在上、下夾具上。啟動萬能材料試驗機，上夾具以一定的速度向上移動，而下夾具固定不動，從而逐漸將自潤滑襯墊從軸承試樣上剝離下來。

圖2 剝離強度測試示意圖

根據美國汽車工程師協會航空標準81820確定試驗方案，試驗過程中剝離角度(圖2)要求保持在140°±40°范圍內，可夾持的襯墊長度為80 mm，剝離總長度約75 mm，以12.7～25.4 mm/min的剝離速度進行剝離，每隔2 ms采集1個試驗數據[9]。

在試驗過程中選取48個試樣，平均分成6組，每組8個試樣，分別以13.0，15.4，17.8，20.2，22.6和25.0 mm/min的剝離速度進行試驗。取每組8個試樣的平均剝離強度作為該組的剝離強度。

為減小因試驗數據波動對試驗結果產生的影響，利用Origin軟件對試驗數據進行處理得到剝離載荷曲線，對其進行求積處理可得剝離載荷強度為

(1)

式中：C為剝離載荷曲線上單位高度所代表的載荷值，N/mm；S為剝離載荷曲線求積后的面積，mm2；L為襯墊的剝離長度，mm；B為襯墊的寬度，mm。

2 結果與討論

試驗測得的剝離強度變化如圖3所示，由圖3可知，隨著剝離速度的提高，剝離強度不斷降低。剝離速度在13.0～17.8 mm/min和22.6～25.0 mm/min內，剝離強度變化較大；而剝離速度在17.8～22.6 mm/min內，剝離強度雖然有所降低，但相對穩定。剝離速度為13.0 mm/min時的剝離強度比剝離速度為25.0 mm/min時的剝離強度高69%，總體上看，剝離強度變化顯著。

圖3 剝離強度隨剝離速度變化圖

不同剝離速度下襯墊的剝離載荷曲線如圖4所示。從圖中可以看出，隨著剝離速度的變化，剝離載荷有明顯變化，剝離速度越低，剝離所需載荷越大。剝離速度為13.0和15.4 mm/min時剝離載荷較大，且曲線波動較大，當其達到較穩定狀態時，剝離載荷的波峰值是波谷值的2.5～3倍，而剝離載荷變化不平穩，容易將襯墊拉斷；剝離速度為 17.8，20.2，22.6 和25.0 mm/min 時，剝離載荷曲線較為平滑，其波峰值是波谷值的1.5～2倍，試驗時剝離過程較為平穩。

圖4 不同剝離速度下襯墊剝離曲線變化趨勢

3 結論

1)在美國汽車工程師協會航空標準81820規定的剝離速度范圍內，隨著剝離速度的增大，剝離強度逐漸減小。

2)剝離速度為17.8～22.6 mm/min時，剝離強度較為穩定。當剝離速度小于17.8 mm/min時，剝離載荷曲線波動較大；而當剝離速度大于22.6 mm/min時，剝離強度太小，對比試驗中效果不明顯。因此，進行剝離試驗時采用17.8～22.6 mm/min的剝離速度較為合適。