自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承的摩擦性能探析

摘要：文章通過自制高頻重載桿端關(guān)節(jié)軸承摩擦試驗機，對尼龍、PTFE、銅基粉末冶金、青銅等墊層材料進行實驗。實驗表明，PTFE材料的摩擦性能最佳，尼龍其次，并且具有良好的熱穩(wěn)定性以及熱傳導(dǎo)性。

關(guān)鍵詞：自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承；摩擦性能；機械性能；PTFE材料；尼龍 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH117 文章編號：1009-2374（2015）31-0065-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.032

自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承屬于球面滑動軸承中的一種，在傾斜擺動、旋轉(zhuǎn)擺動機構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、工業(yè)生產(chǎn)、冶金、機械等領(lǐng)域，并取得了顯著的成果。據(jù)不完全統(tǒng)計結(jié)果顯示，我國近幾年引進的連接操縱、調(diào)節(jié)設(shè)備中，絕大多數(shù)屬于自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承設(shè)備。為了能夠保證軸承墊層能夠承受較大的摩擦力，需要選用抗摩擦性能強的材料墊層，因此本文中的實驗就具有十分現(xiàn)實的意義。

1 摩擦性能實驗

1.1 實驗材料

本實驗多用的材料為下圖所示的桿端關(guān)節(jié)軸承?；緟?shù)如下所示：材料內(nèi)圈內(nèi)徑為Φ16毫米，寬21毫米；外圈外徑Φ40毫米，寬15毫米。內(nèi)螺紋桿長度為44毫米，深度為28毫米。

1.2 實驗方法、設(shè)備

本實驗采用自制實驗機，具體的示意圖如圖2所示。

如圖2所示，采用杠桿、扭矩傳感器、熱電偶等，對實驗中材料的磨損量、摩擦力矩、溫度等數(shù)據(jù)進行記錄。具體的實驗步驟包括以下四個方面：（1）首先將實驗軸承裝入試驗機中，靜壓15分鐘；（2）將杠桿百分表、扭矩傳感器等測試儀器進行調(diào)整，將其調(diào)整到工作狀態(tài)，然后做好開機準備；（3）對整個實驗過程進行檢測，并將材料摩擦溫度、磨損量、摩擦力矩等參數(shù)進行記錄；（4）軸承在一定頻率下進行25000次擺動。

實驗過程中，通過液壓加載系統(tǒng)使桿端關(guān)節(jié)軸承承受得到荷載，這主要是由于液壓加載系統(tǒng)具有調(diào)壓方便、穩(wěn)定等優(yōu)點。實驗中在線測量擺動參數(shù)測量儀器杠桿百分表，在進行桿端軸承加載前，將指針防御軸承平面，同時將熱電偶一端與無紙記錄儀進行連接，熱電偶兩一端放于軸承端面中的小孔中。小孔的具體位置如圖3所示：

2 實驗結(jié)果分析

2.1 摩擦系數(shù)與擺動頻率的關(guān)系

四種材料在載荷為16MPa下，在一定擺動頻率下，摩擦系數(shù)變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著擺動頻率增加，四種材料的摩擦系數(shù)逐漸減小。造成這種現(xiàn)象的原因主要是由于摩擦生熱，熱量造成材料軟化，降低了其摩擦系數(shù)。從摩擦系數(shù)變化曲線中可以看出，摩擦系數(shù)隨著擺動頻率增加而降低。在擺動頻率為1.5～2.5Hz時，PTFE摩擦系數(shù)最小，并且其摩擦系數(shù)降低的速率也最小。尼龍位列第二位，銅基粉末冶金摩擦系數(shù)最大。當擺動頻率為3.0Hz時，PTFE材料的摩擦系數(shù)又開始緩慢上升?？傮w上來說，PTFE材料摩擦系數(shù)最小、尼龍其次、銅基粉末冶金最大。

2.2 擺動頻率與磨損量的關(guān)系

圖5為四張材料在16MPa荷載下磨損量與擺動頻率的關(guān)系。

由圖5所示，在一定的載荷條件下，軸承擺動頻率的增加，尼龍軸承磨損量逐漸減小，在2.0Hz下變化的速度較快，對著擺動頻率的持續(xù)增加，其磨損量變化趨于平緩。另外三種軸承與尼龍軸承變化趨勢不同。在3.0Hz下，PTFE軸承與尼龍軸承磨損量變化曲線存在交點，并且對摩擦系數(shù)變化曲線相似，這與尼龍材料的熱穩(wěn)定性以及熱傳導(dǎo)性有關(guān)，這兩種性能提高了尼龍軸承的耐磨性。如圖5可見，PTFE軸承磨損量在四種材料軸承中最小，變化趨勢為14%左右；青銅軸承在擺動頻率為2.0Hz時出現(xiàn)拐點，并且隨著頻率的持續(xù)增長，青銅軸承的磨損量呈現(xiàn)了下降的趨勢；銅基粉末冶金軸承相對于其他三種軸承來說，磨損量最大，在1.5～2.5Hz之間，其磨損量增加速率逐漸增加，并且在實驗過程中出現(xiàn)磨屑，說明銅基粉末冶金軸承耐磨性能很低，在2.0Hz出現(xiàn)拐點，磨損量變化逐漸趨于平緩。

總體來說，四種材料軸承的耐磨性能從高到低順序為PTFE軸承、尼龍軸承、青銅軸承、銅基粉末冶金軸承。

2.3 擺動頻率與摩擦溫度的關(guān)系

在一定的載荷條件下，軸承轉(zhuǎn)速提升，摩擦發(fā)熱越來越嚴重，軸承的表面溫度上升，降低了材料的強度。圖6為四種材料的軸承在16MPa荷載下軸承摩擦溫度變化趨勢圖。

由圖6可以看出，軸承的摩擦溫度隨著擺動頻率的上升而逐漸上升。在擺動頻率為1.5Hz時，PTFE軸承摩擦溫度最小，尼龍軸承其次，而銅基粉末冶金軸承溫度最高。當擺動頻率達到2.0Hz時，青銅軸承摩擦溫度的上升趨勢逐漸增加，并與銅基粉末冶金軸承溫度變化曲線出現(xiàn)交點，青銅軸承的摩擦溫度在這一擺動頻率下最高。尼龍軸承與PTFE軸承，兩者摩擦溫度逐漸上升，但PTFE軸承的上升趨勢更加平緩?？傊姆N材料軸承散熱性由好到壞依次為PTFE軸承、尼龍軸承、青銅軸承、銅基粉末冶金軸承。

2.4 摩擦機理分析

利用顯微鏡技術(shù)，將四種材料軸承在16MPa荷載以及不同擺動頻率下拍攝，提供SEM照片。根據(jù)照片可以看出，在1.5Hz擺動頻率下，尼龍軸承襯墊材料并沒有遭到破壞，基體材料只是出現(xiàn)了一定的磨痕。這是由于其表面轉(zhuǎn)移膜不連續(xù)且內(nèi)圈材料對其產(chǎn)生一定的擦傷所致，隨著擺動頻率升高到3.0Hz，襯墊表層完好，由于摩擦溫度升高，偶件表面聚合物及其復(fù)合材料更容易形成轉(zhuǎn)移膜，才使得尼龍基體受到的微觀切削和擦傷作用減輕，從而有利于降低其磨損量。在1.5Hz下，PTFE軸承材料出現(xiàn)輕微的磨損，當頻率上升到3.0Hz后，墊層材料開始輕微剝落，基體材料逐漸顯現(xiàn)出來；青銅軸承在1.5Hz下磨損最為嚴重，墊層表面也出現(xiàn)了槽型磨痕以及梨皺現(xiàn)象，隨著擺動頻率增加，3.0Hz下青銅軸承墊層材料磨損更加嚴重，出現(xiàn)了點濁情況；銅基粉末冶金軸承在1.5Hz頻率下，材料表面出現(xiàn)犁溝，裂縫紋路并不連貫，并且隨著擺動頻率的升高，墊層磨損逐漸升高，甚至出現(xiàn)黏濁、熔融現(xiàn)象。

3 結(jié)語

在實驗中，PTFE軸承在四種材料的軸承中摩擦性能最好，散熱性極佳；尼龍軸承其次；銅基粉末冶金軸承最差。根據(jù)磨損量分析，尼龍軸承材料的熱傳導(dǎo)性、穩(wěn)定性最好，因此其可以在高頻重載條件下運行。

參考文獻

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作者簡介：陳冠杰（1973-），男，廣東大埔人，福建龍溪軸承（集團）股份有限公司工程師，研究方向：軸承冷加工工藝及設(shè)備。

（責任編輯：秦遜玉）endprint