自潤滑軸承摩擦系數研究

林 晶 趙穎春 李彥偉 常志剛

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

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自潤滑軸承摩擦系數研究

林 晶 趙穎春 李彥偉 常志剛

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

[摘要]開展了溫度和載荷對自潤滑軸承摩擦系數的影響研究，通過試驗測量了不同載荷和溫度條件下自潤滑軸承的摩擦系數，并對結果進行了分析，得到了摩擦系數隨載荷和溫度的變化規律，為自潤滑軸承的設計使用提供必要的支撐。

[關鍵詞]摩擦系數；自潤滑；軸承

[收修訂稿日期] 2015-12-01

自潤滑軸承是近些年發展迅速的軸承產品，其結構簡單、承載大、壽命長、免維護，廣泛應用于航空、機械等裝備中。自潤滑軸承的摩擦系數是自潤滑軸承的重要參數，是自潤滑軸承設計、選用及使用中主要關注的參數之一。

研究表明在工作狀況下，自潤滑軸承的摩擦系數除與自身的結構和性能參數有關外，還與徑向載荷、擺動頻率、擺動次數、擺動角度、接觸面溫度和表面粗糙度等因素密切相關[1]。自潤滑軸承在運動時自潤滑襯墊與對偶表面相對滑動下產生摩擦，在軸承啟動時，即軸承剛開始轉動時，擺動頻率、擺動次數、擺動角度等因素對于軸承的啟動力矩沒有影響，而影響軸承摩擦系數的因素主要包括載荷、接觸面溫度等因素。

MIL-HDBK-1599A[2]《飛機機械系統和子系統設計和制造中使用的軸承、操縱系統及相關硬件》研究了載荷和溫度對自潤滑軸承的摩擦系數的影響，給出了不同溫度和載荷條件下的自潤滑軸承摩擦系數曲線。研究發現：在-50℉～70℉范圍內，隨著載荷增大，自潤滑關節軸承的擺動摩擦系數呈下降趨勢；隨著溫度增加，自潤滑軸承的擺動摩擦系數也呈現下降趨勢。我國對自潤滑軸承的相關研究起步較晚，只針對自潤滑關節軸承啟動力矩等參數開展了部分的研究[3]，還沒有對自潤滑軸承摩擦系數開展研究，對國產自潤滑軸承的摩擦系數還沒有充分掌握。

為了掌握國產航空自潤滑軸承的摩擦系數變化規律，本文開展不同環境溫度和載荷條件下的自潤滑軸承摩擦系數研究，通過測量分析不同載荷和溫度條件下自潤滑軸承的摩擦系數，研究自潤滑軸承摩擦系數隨載荷和溫度的變化規律，以期為我國航空自潤滑軸承設計使用提供必要的支撐。

1　自潤滑軸承簡介

自潤滑軸承主要分為自潤滑關節軸承和軸襯，其中自潤滑關節軸承具有調心功能。自潤滑襯墊是自潤滑軸承的關鍵組成部分，其自潤滑功能的實現主要來自于自潤滑襯墊。自潤滑軸承的摩擦學性能的好壞與自潤滑襯墊自身的結構、性能密切相關。

目前自潤滑襯墊一般采用聚四氟乙烯（PTFE）和芳綸纖維復合編織而成，采用酚醛樹脂或聚酰亞胺樹脂進行填充固化，并利用膠黏劑粘接在金屬基底上。自潤滑襯墊中的聚四氟乙烯纖維是主要的自潤滑材料，具有良好的自潤滑性能。

2　試驗研究

2.1試驗方案

為了研究自潤滑軸承的摩擦系數，采用航空用自潤滑軸襯作為自潤滑軸承摩擦系數的研究對象。自潤滑軸襯的自潤滑襯墊與試驗芯軸的外表面構成摩擦副，通過測量該摩擦副之間的摩擦系數來研究自潤滑軸承摩擦系數的變化規律。

試驗的載荷和溫度范圍以及對偶表面的相關參數是按照航空自潤滑軸承在飛機上的使用條件確定的。目前航空自潤滑軸承使用的溫度范圍一般為-55℃～163℃，本文在該溫度范圍內均勻地選擇了7個試驗點。按EN2311[4]《航空自潤滑軸襯技術規范》自潤滑軸襯的額定壓強為206MPa，因此本文選擇最大壓強為206MPa，然后在最大的載荷范圍內，均勻地選擇了4個試驗點。軸襯載荷的計算公式見式（1）。與軸襯配合的對偶表面其硬度一般都在55 HRC～60 HRC，表面粗糙度為Ra0.2。

式中：F —徑向載荷（kN）；

d —軸襯內徑（mm）；

l —軸襯長度（mm）；

l1—軸襯法蘭的厚度（mm）。

試驗采用正交試驗方法，試驗測試的溫度和載荷參數組合如表1所示。

表1　試驗參數組合

自潤滑軸襯的摩擦系數是通過測量軸襯的摩擦力矩間接得到的，摩擦系數μ的計算方法見式（2）。

式中：μ— 摩擦系數；

T — 摩擦力矩（N·m）；

F — 載荷（N）；

R — 軸襯內孔半徑（m）。

2.2試驗件

自潤滑軸襯的結構和主要尺寸如圖1所示，自潤滑軸襯的金屬基底采用17-4PH不銹鋼制造，自潤滑襯墊采用PTFE纖維和芳綸纖維復合編織而成，采用酚醛樹脂進行填充固化。

與其配合的試驗芯軸采用GCr15軸承鋼制造，硬度58 HRC，表面粗糙度Ra0.2。

2.3試驗裝置

自潤滑軸承摩擦系數的試驗裝置如圖2所示，軸襯安裝在加載板中，加載板與軸襯之間的采用0.001μm～0.014μm的過盈配合。試驗芯軸與軸襯之間采用0.034μm～0.056μm的間隙配合。加載板與電子萬能試驗機相連，能夠對軸襯施加規定的徑向載荷，電子萬能試驗機的載荷精度為±1%。摩擦力矩采用力矩扳手進行測量，其測量精度為±1%。

圖1　自潤滑軸襯結構圖

圖2　試驗裝置示意圖

整個試驗裝置放置在高低溫試驗箱中，試驗箱的可調溫度范圍為-60℃～200℃，可以提供設定的恒溫環境。

2.4試驗過程

首先將試驗裝置在設定的溫度下恒溫4h，然后利用電子萬能試驗機對軸襯施加規定的徑向載荷，利用扭矩扳手測量試驗芯軸旋轉時的摩擦力矩。接著改變載荷的大小，測量在同一溫度條件下不同徑向載荷下的摩擦力矩。測量完所有的載荷點后，改變溫度條件，重復上述試驗過程，直至所有溫度條件都測試完畢，這樣就可以得到不同溫度和環境條件下的摩擦力矩。

3　試驗結果與分析

按照上述試驗方法測量得到了不同載荷和溫度組合條件下自潤滑軸承的摩擦力矩。按照式（2）通過計算得到了不同載荷和溫度組合條件下自潤滑軸襯的摩擦系數，如圖3、圖4所示。圖3為不同載荷條件下，摩擦系數隨溫度變化的曲線，圖4為不同溫度條件下，摩擦系數隨載荷變化的曲線。

圖3　摩擦系數隨溫度變化曲線

圖4　摩擦系數隨載荷變化曲線

3.1溫度對摩擦系數的影響分析

從圖3中可以看出，在相同的載荷條件下，摩擦系數基本上是隨溫度的升高而下降，其中在-55℃～30℃區間，下降的速率較大，而在30℃～163℃區間，下降的速率較小，這說明低溫環境對自潤滑關節軸承的摩擦系數影響更大，而高溫環境對摩擦系數的影響相對較小。

如前面所述，自潤滑軸承的自潤滑性能主要來自PTFE，PTFE分子內靠共價鍵結合，分子內結合牢固。而分子之間依靠分子間作用，結合力較弱，而PTFE與金屬表面的粘附力較強。自潤滑軸承在轉動時，由于PTFE大分子之間結合力較弱，所以更容易在軸承對偶面形成一層高度取向的轉移膜，構成PTFE與PTFE之間的摩擦，從而達到良好自潤滑的功能。

PTFE材料的性能參數，拉伸強度、延伸率和熱膨脹系數等都會隨著溫度的變化而變化，呈現出一種流變性，在不同溫度下具有不同的力學性能。研究表明[5～6]PTFE材料的拉伸強度和彈性模量隨著溫度的上升都呈下降趨勢，PTFE材料的極限名義應變隨溫度升高而線性增長。當溫度大于25℃時，極限名義應變幾乎不受溫度的影響。

因此，自潤滑軸承摩擦系數隨試驗環境溫度的升高而下降的現象，是由于隨著環境溫度的升高，自潤滑襯墊的PTFE材料不同程度上的軟化，剪切力下降，從而降低了摩擦系數。

從圖3中還可以看出，載荷大于38kN以上時，摩擦系數在120℃～163℃區間出現了略微的上升，這主要是由于在高載高溫的條件下，摩擦副的溫度更高，導致自潤滑襯墊中的樹脂和纖維材料由于高溫的作用，分子間的結合力減小，其向對偶表面大量轉移，從而導致摩擦系數增大。

3.2載荷對摩擦系數的影響分析

從圖4中可以看出，在相同的溫度條件下，自潤滑軸承的摩擦系數隨載荷的增加基本呈下降趨勢，但變化的幅度不大。說明自潤滑軸承的摩擦系數對載荷的變化不敏感。在0℃以下的低溫環境條件下，載荷對摩擦系數影響相對較大。

載荷對摩擦系數的影響機理主要是隨著載荷的增大，在載荷的作用下，試驗芯軸和襯墊的變形量也越來越大。襯墊在內外圈的擠壓作用下，使得襯墊與試驗芯軸表面的有效接觸面積增大，從而一定程度上降低了摩擦系數，但由于這一因素對摩擦系數的影響較小，因此表現出摩擦系數對載荷的變化不敏感。

4　結論

本文對自潤滑軸承的摩擦系數進行了研究，通過試驗測量了自潤滑軸承在不同溫度和載荷組合條件下摩擦系數的變化規律。通過研究可以發現自潤滑軸承的摩擦系數對溫度的變化更敏感，尤其對30℃以下的溫度變化敏感。隨著溫度的升高摩擦系數一般會逐步降低。這是由于自潤滑襯墊中的PTFE材料的強度隨溫度的升高而降低，因此摩擦系數下降。但在一定載荷條件下，在120℃以上時，摩擦系數會出現略微的上升，這是由于高溫的作用使得PTFE材料向對偶表面大量轉移造成的。

自潤滑軸承的摩擦系數隨載荷的增加會逐漸降低，尤其是在低溫環境時更明顯，但下降的幅度不大，說明自潤滑軸承的摩擦系數對載荷的變化相對不敏感。

[參考文獻]

[1] 姚圣軍，邱明，張永振. 自潤滑關節軸承摩擦、磨損性能的研究進展 [J]. 軸承，2008 （11）：38-42.

[2] MIL-HDBK-1599A Bearings, Control System Components, and Associated Hardware Used in the Design and Construction of Aerospace Mechanical Systems and Subsystems [S].

[3] 林晶，張令，李彥偉等. 濕熱對自潤滑關節軸承無載旋轉啟動力矩的影響 [J]. 軸承，2013 （8）：30-32.

[4] EN 2311 Aerospace Series Bushes with Self-Lubricating Liner - Technical Specification [S]. 2012.

[5] 張智源. 高速擺動條件下編織材料摩擦學性能與摩擦熱耦合作用機制 [D]. 河南科技大學碩士論文，2013. 6.

[6] 惠嘉. 溫度對聚四氟乙烯材料特性的影響研究[J]. 火工品，2006（1）：46-48.

（編輯：勞邊）

[中圖分類號]V229+.1

[文獻標識碼]C

[文章編號]1003-6660（2016）02-0009-04

[DOI編碼]10.13237/j.cnki.asq.2016.02.002