擠壓型鋁合金自潤滑關(guān)節(jié)軸承性能研究

王兆昌

(福建龍溪軸承(集團)股份有限公司，福建 漳州 363000)

PTFE織物自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力高、壽命長和免維護等特點。因此，廣泛應(yīng)用于重載下具有自調(diào)心、擺動和旋轉(zhuǎn)運動的航空航天領(lǐng)域[1-2]。

目前，航空領(lǐng)域主要應(yīng)用的PTFE織物自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承是不銹鋼擠壓型。一些國家對低速擺動不銹鋼自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承技術(shù)性能指標都有所規(guī)定[3-4]。隨著飛機輕量化設(shè)計的發(fā)展，采用高比強度的鋁合金替代不銹鋼制造內(nèi)外圈成為航空PTFE織物自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承技術(shù)發(fā)展趨勢[5-6]。因此，下文設(shè)計了擠壓型鋁合金自潤滑關(guān)節(jié)軸承，進行了徑向額定靜載荷試驗、軸向額定靜載荷試驗和徑向額定動載荷下的擺動摩擦磨損試驗，并與擠壓型不銹鋼自潤滑關(guān)節(jié)軸承的性能進行了對比試驗研究。

1 試驗軸承

1.1 試驗軸承設(shè)計

按照EN3048—2001《航空航天系列 室溫條件下高負荷、輕系列、帶自潤滑襯套的耐腐蝕剛關(guān)節(jié)軸承 尺寸和負載》對內(nèi)孔φ12 mm軸承的尺寸要求，設(shè)計了試驗軸承EN3048-12-AL，其外形尺寸如圖1所示。考慮軸承承受重載，內(nèi)外圈材料采用強度較高的7075鋁合金(T6態(tài)：固溶熱處理+人工時效，屈服強度不低于480 MPa)，外圈內(nèi)球面粘貼PTFE織物自潤滑襯墊，采用擠壓技術(shù)使外圈包壓內(nèi)圈成形。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)和外形尺寸

對比軸承為自制的不銹鋼自潤滑關(guān)節(jié)軸承EN3048-12-ST，尺寸和公差與EN3048-12-AL一致，內(nèi)、外圈材料分別采用G102Cr18Mo和0Cr17Ni4Cu4Nb，襯墊采用和EN3048-12-AL同批的PTFE織物自潤滑襯墊，同樣采用擠壓成形技術(shù)。EN3048-12-AL和EN3048-12-ST技術(shù)要求見表1。

表1 試驗軸承套圈技術(shù)要求

鋁合金的承載強度低于不銹鋼，其硬質(zhì)陽極氧化的表面硬度為400～500 HV[7]，不銹鋼鍍硬鉻層表面硬度高于850 HV[8]，這對軸承承載性能和摩擦磨損性能都有較大影響，為此，需進行強度計算和有限元分析校核，并按照EN2755—2009《航空航天系列 具有自潤滑軸套的球面防腐鋼軸承 室溫環(huán)境下高負荷 技術(shù)規(guī)范》的要求開展相關(guān)性能試驗。

1.2 試驗軸承強度

參照標準EN2755—2009，軸承的徑向額定靜載荷、軸向額定靜載荷和徑向額定動載荷見表2，按照文獻[9]中自潤滑關(guān)節(jié)軸承徑向和軸向靜載荷計算公式，換算出名義應(yīng)力。由表可知，EN3048-12-AL選用的7075鋁合金(T6態(tài))拉伸屈服強度(大于480 MPa)高于軸承名義應(yīng)力，理論上是可靠的。

表2 軸承額定載荷和名義應(yīng)力

1.3 有限元分析校核

1.3.1 建模

利用有限元軟件ABAQUS建立徑向載荷試驗分析模型和軸向載荷試驗分析模型，如圖2所示，分析軸承在各額定載荷(表2)下的Von Mises等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力。試驗工裝(加載軸、加載套)材料采用GCr15。各材料的特性參數(shù)見表3。由于PTFE織物自潤滑襯墊是一種纖維和樹脂的復(fù)合材料，真正定義其屬性需要采用不同的本構(gòu)方程，但目前國內(nèi)外缺乏相關(guān)研究，襯墊的彈性模量和泊松比取值參考文獻[10]。

圖2 靜載荷試驗?zāi)Ｐ?/p>

表3 材料特性參數(shù)

網(wǎng)格劃分：采用C3D8R六面體減縮積分單元。

載荷與邊界條件：參照徑向和軸向靜載荷試驗裝置，當承受徑向載荷時，將載荷施加在加載套的上端面；當承受軸向載荷時，將載荷施加在加載軸(工裝)的上端面，底座的底面全約束。

接觸方式：將襯墊與外圈內(nèi)球面的接觸方式定義為固連接觸方式 (Tie)；將襯墊與內(nèi)圈外球面的接觸方式定義為各向同性庫倫摩擦模型(Penalty)，摩擦因數(shù)為0.05。

1.3.2 校核結(jié)果

EN3048-12-AL和EN3048-12-ST在46.4 kN徑向額定靜載荷下的Von Mises等效應(yīng)力分布圖如圖3所示。由圖可知，內(nèi)圈最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在與芯軸接觸的中間部位，外圈的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在與內(nèi)圈接觸的中間部位。內(nèi)、外圈最大Von Mises等效應(yīng)力見表4。由表可知，EN3048-12-AL內(nèi)、外圈Von Mises最大等效應(yīng)力均超出材料的屈服應(yīng)力，EN3048-12-ST內(nèi)、外圈均在屈服強度范圍內(nèi)，下文將結(jié)合額定徑向靜載荷試驗，對2種材料的永久變形量進行對比，以確定鋁合金軸承的抗變形能力是否滿足要求。

圖3 徑向額定載荷下軸承Von Mises等效應(yīng)力分布圖

表4 套圈的最大Von Mises等效應(yīng)力 MPa

EN3048-12-AL和EN3048-12-ST在3.7 kN軸向額定靜載荷下Von Mises等效應(yīng)力分布圖如圖4所示。由圖可知，內(nèi)圈的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在沿加載方向內(nèi)孔圓柱面的下部，外圈的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在沿加載方向外圈內(nèi)球面下部。內(nèi)、外圈最大Von Mises等效應(yīng)力見表4，由表可知，2種軸承的等效應(yīng)力均在屈服強度范圍內(nèi)。

額定動載荷下軸承的摩擦磨損性能主要受內(nèi)圈與襯墊的接觸應(yīng)力影響。EN3048-12-AL和EN3048-12-ST在25.5 kN的徑向額定動載荷下內(nèi)圈和襯墊接觸應(yīng)力分布圖如圖5所示，由圖可知，EN3048-12-AL和EN3048-12-ST的最大接觸應(yīng)力分別為411.8 MPa和382.1 MPa。

圖4 軸向額定載荷下軸承Von Mises等效應(yīng)力分布圖

圖5 徑向額定動載荷下襯墊應(yīng)力分布圖

2 性能試驗方法

軸承性能試驗方案見表5。用于每組試驗的2種軸承各3套，分別取3組實測值的平均值作為試驗結(jié)果。

表5 軸承性能試驗方案

2.1 徑向靜載荷試驗

試驗裝置如圖6所示。對試驗軸承施加5%的徑向靜載荷，保持3 min；測量儀表調(diào)零，以每秒1%規(guī)定載荷的加載速率施加載荷，直到規(guī)定載荷值，保持3 min，測量包括試驗工裝在內(nèi)的最大變形量；以同樣的速率卸載到預(yù)載值，測量永久變形量。

1—芯軸；2—試驗軸承；3—加載套；4—試驗座

2.2 軸向靜載荷試驗

試驗裝置如圖7所示。對試驗軸承施加5%軸向靜載荷，保持3 min；測量儀表調(diào)零，以每秒1%規(guī)定靜載荷的加載速率加載到規(guī)定靜載荷值，保持3 min；以同樣的速率卸載荷到預(yù)載值，測量永久變形量。

圖7 軸向靜載荷試驗

2.3 徑向載荷下擺動摩擦磨損試驗

軸承安裝在試驗裝置如圖8所示。對試驗軸承施加規(guī)定的徑向載荷，保持15 min，測量儀器歸零，開始擺動試驗。試驗時，內(nèi)圈從原點在±25°之間擺動(每周期擺動100°)，每分鐘擺動12周期(cpm)，總擺動周期為25 000次。試驗前測量軸承徑向游隙并進行標記，試驗后再測量徑向游隙，試驗前后游隙值之差為磨損量[11]。

1—試驗軸承；2—軸承座；3—支座；4—陪試軸承；5—頂塊；6—芯軸；7—位移傳感器

3 結(jié)果與分析

3.1 徑向靜載荷試驗結(jié)果

軸承徑向靜載試驗結(jié)果見表6。由表可知，在徑向額定靜載荷46.4 kN下，EN3048-12-AL在承載下最大變形量和卸載后永久變形量的平均值分別比EN3048-12-ST的大0.023 mm和0.010 mm，但均在EN2755標準要求的范圍內(nèi)。

表6 徑向額定靜載荷試驗結(jié)果 mm

試驗中的最大變形量包括軸承變形量和工裝變形量。工裝強度較高，主要發(fā)生彈性變形；軸承在徑向承載下除了彈性變形還有永久變形。由表4可知，在46.4 kN的徑向額定靜載荷下，EN3048-12-ST內(nèi)、外圈都不發(fā)生屈服，因此，在此載荷下軸承的永久變形主要是由PTFE織物自潤滑襯墊的變形所致；EN3048-12-AL內(nèi)、外圈都發(fā)生塑性變形，此時軸承的永久變形量不僅包括PTFE織物自潤滑襯墊的變形量，也包括內(nèi)、外圈的塑性變形量，因此，EN3048-12-AL的永久變形量大于EN3048-12-ST。

3.2 軸向靜載荷試驗結(jié)果

軸承軸向靜載試驗結(jié)果見表7。由表可知，在3.7 kN的軸向額定靜載荷下， EN3048-12-AL永久變形量平均值比EN3048-12-ST大0.019 mm，但仍滿足EN2755標準的要求。

表7 軸向額定靜載荷試驗結(jié)果 mm

由表4可知，在3.7 kN軸向載荷下，2種軸承的內(nèi)外圈均不發(fā)生屈服，因此，軸承永久變形均由PTFE織物自潤滑襯墊的變形所致，EN3048-12-AL和EN3048-12-ST的永久變形量不同的原因可能是PTFE織物自潤滑襯墊的變形除了取決于襯墊材料的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，與襯墊和金屬的接觸屬性也有很大關(guān)系，針對該變形機理后續(xù)還要進行深入研究。

3.3 徑向載荷下擺動摩擦磨損試驗結(jié)果

軸承在徑向載荷下的擺動摩擦磨損結(jié)果見表8。由表可知，在25.5 kN的徑向額定動載荷下，EN3048-12-AL的磨損量比EN3048-12-ST大0.011 mm，但仍在EN2755標準的要求內(nèi)。

表8 徑向額定動載荷下擺動磨損量 mm

常溫下，PTFE織物自潤滑襯墊的減摩和耐磨性能與承載P(MPa)和平均滑動線速度V(mm/s)有關(guān)，通過計算PV值可評估PTFE織物自潤滑襯墊的適用性。在航空(低速重載)工況下，襯墊合理的PV值不超過2 500 MPa·mm/s[12-13]，PV值越小襯墊磨損率越小。參考徑向載荷下的最大接觸應(yīng)力值，計算出軸承試驗PV值見表9。由表可知，EN3048-12-AL的PV值略大，磨損量也相對較大，這主要由于其硬質(zhì)氧化膜表面硬度比EN3048-12-ST硬鉻層表面硬度低，導(dǎo)致徑向載荷下接觸變形不同。

表9 徑向載荷下擺動摩擦磨損試驗PV值

4 結(jié)論

1)在46.4 kN的徑向額定靜載荷下，EN3048-12-AL的最大變形量和永久變形量都比EN3048-12-ST的大，但仍能滿足EN2755標準要求。

2)在3.7 kN的軸向額定靜載荷下，EN3048-12-AL的永久變形量比EN3048-12-ST大，但仍能滿足EN2755標準要求。

3)PTFE織物自潤滑襯墊的摩擦磨損性能和PV值有關(guān)，線速度相同時，接觸應(yīng)力越小，磨損率越小，耐磨性能越好。在25.5 kN徑向額定動載荷下，EN3048-12-AL擺動磨損量比EN3048-12-ST大，但仍能滿足EN2755標準要求。

由此可知，擠壓型鋁合金自潤滑關(guān)節(jié)軸承在常溫低速擺動工況下，完全可以替代擠壓型不銹鋼自潤滑關(guān)節(jié)軸承。