回轉支承不同材料隔離體使用性能對比分析

黃傳輝，張 寧，劉 磊

（徐州工程學院機電工程學院，江蘇徐州221018）

隔離體是回轉支承的重要基礎件之一，用來分 隔、固定滾動體，減少滾動體之間的相互摩擦，其使用性能對回轉支承的可靠性和使用壽命有重要影響［1-2］。目前，隔離體常用的主要結構形式有框式、花式、球式和異型等，常用材料為塑料、黃銅、青銅和鋼材等，其中尼龍1010（PA1010）和HPb59-1 應用最為廣泛［3-4］。PA1010 的耐壓值波動小、密度小，能承受一定的塑性變形且順應性好，在工程中廣泛應用［5-6］，但它與其余工程塑料相比硬度偏高，在運轉時可能會引起噪聲［7］。PA1010 的磨損形式主要為塑性變形、犁溝和疲勞脫層［8］，其磨損量與載荷密切相關，這是由于受載荷影響，PA1010向偶件磨損表面發生轉移及成膜［9］。在PA1010 中加入適當的填料，可以顯著提高其機械強度、硬度及耐磨性［10-13］。HPb59-1的強度、硬度均較高，耐磨性良好，具有很好的切削加工特性和力學性能，能承受冷熱壓力加工，耐腐蝕性較好，廣泛應用于高速精密圓柱滾子軸承和推力角接觸球軸承［14］。在HPb59-1中加入Ni、Mn、Fe、Al等合金元素，可顯著提高材料所允許的最高轉速［15-16］。

在實際工作中，隔離體不但受到摩擦力、張力、離心力和慣性力等機械應力的作用，還要承受潤滑劑及其添加劑或其老化產物、冷卻劑產生的化學作用，因此隔離體的材料選擇及結構設計對大型回轉支承的設計和制造非常關鍵［17-19］。筆者將通過試驗研究PA1010、HPb59-1 兩種材料與軸承鋼GCr15 配副時的摩擦學行為，討論其摩擦磨損機制，并分析PA1010隔離體、HPb59-1隔離體的損傷機制和失效規律，旨在為回轉支承隔離體的機械設計提供參考依據。

1 隔離體摩擦實驗和磨損觀察

隔離體摩擦實驗在M-2000 試驗機上進行。PA1010 隔離體、HPb59-1 隔離體試件均加工成20 mm×10 mm×8 mm的長方體，經800#砂紙打磨后隔離體試件試驗表面的粗糙度約為Ra 0.8 μm，實驗前試件經無水乙醇清洗干凈后置于干燥箱內，在80 ℃溫度下干燥1 h。GCr15鋼試件加工成圓環狀，其外徑為40 mm，內徑為16 mm，厚度為10 mm，整體淬火后其硬度等級為HRC63，外圓表面磨削后用砂紙打磨拋光，表面粗糙度為Ra 0.4 μm，實驗前用丙酮清洗并干燥。

實驗時鋼環轉速分別取200，400 r/min，載荷分別取200，400，600 N，實驗時間為20 min，以常用潤滑劑——2 號鋰基潤滑脂和20#機油，對回轉支承進行潤滑。實驗時摩擦力由計算機數據系統采集，并按式（1）換算成摩擦系數k：

式中：F為摩擦力，N；P為接觸載荷，N。

實驗結束后將隔離體試件取下，測量試驗表面的磨損寬度，用磨損寬度表示磨損量。相同實驗重復2次，實驗結果取2次實驗的平均值。

采用INSPECTS50型掃描電鏡觀察PA1010隔離體、HPb59-1隔離體試件磨損表面的形貌，采用Keyence高速數碼顯微系統觀察鋼環試件的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 摩擦實驗結果與分析

轉速為400 r/min，潤滑劑采用2 號鋰基潤滑脂時，PA1010和HPb59-1的摩擦系數、磨損量隨載荷的變化情況如圖1 所示。由圖可以看出，PA1010 的摩擦系數小于HPb59-1，相同載荷下二者的平均比值為1∶1.27。隨著載荷增大，2種材料的摩擦系數均略有減小，但基本維持不變。PA1010 的耐磨性不如HPb59-1，磨損量明顯大于HPb59-1，相同載荷情況下二者的平均比值為1.51∶1。隨著載荷增大，磨損量逐漸增大，當載荷從200 N 增大到600 N 時，PA1010的磨損量增大了25.8%，HPb59-1 的磨損量增大了37.3%，HPb59-1 磨損量的增大幅度比PA1010 高出44.6%，這表明HPb59-1的耐磨損性能受載荷的影響程度顯著高于PA1010，即載荷越大，HPb59-1 和PA1010磨損量之間的差值越小。

圖2 為載荷為400 N，潤滑劑采用2 號鋰基潤滑脂時，不同轉速下PA1010和HPb59-1的摩擦系數和磨損量。由圖可見，隨著轉速的升高，2 種材料的摩擦系數均呈增大趨勢，當轉速從200 r/min 上升到400 r/min 時，HPb59-1 的摩擦系數增大了23.1%，PA1010 摩擦系數增大了8.3%，HPb59-1 摩擦系數的增大幅度幾乎是PA1010 的3 倍。隨著轉速的升高，PA1010、HPb59-1 的磨損量分別增大了31.5%，96.3%，HPb59-1磨損量的增大幅度顯著高于PA1010；轉速為200 r/min時PA1010的磨損量比HPb59-1高出112%，轉速為400 r/min時則僅高出42%。對比上述數據可知，與載荷的影響類似，轉速對HPb59-1摩擦學性能的影響程度明顯高于PA1010。

圖3 為載荷為400 N，轉速為400 r/min 時，潤滑劑對PA1010和HPb59-1摩擦系數、磨損量的影響情況。當采用20#機油潤滑時，2 種材料的摩擦系數和磨損量均低于采用2號鋰基潤滑脂的，其中：PA1010的摩擦系數減小了46.2%，磨損量降低了28.7%；HPb59-1 的摩擦系數減小了43.8%，磨損量降低了29.8%。采用20#機油潤滑時，PA1010的摩擦系數比HPb59-1小28.6%，磨損量比HPb59-1高44.4%；采用2 號鋰基潤滑脂潤滑時，PA1010 的摩擦系數比HPb59-1 小23.1%，磨損量比HPb59-1 高42.3%。由上述數據可知，不同潤滑劑對PA1010和HPb59-1的摩擦系數、磨損量的影響程度大致相當。

圖1 不同載荷下HPb59-1和PA1010的摩擦系數和磨損量（轉速為400 r/min，潤滑劑為2號鋰基潤滑脂）Fig. 1 Friction coefficient and wear amount of HPb59-1 and PA1010 with different loads (rotating speed of 400 r/min and No. 2 lithium grease)

圖2 不同轉速下HPb59-1和PA1010的摩擦系數和磨損量（載荷為400 N，潤滑劑為2號鋰基潤滑脂）Fig. 2 Friction coefficient and wear amount of HPb59-1 and PA1010 with different rotating speeds (load of 400 N and No. 2 lithium grease)

圖3 不同潤滑條件下HPb59-1 和PA1010的摩擦系數和磨損量（載荷為400 N，轉速為400 r/min）Fig. 3 Friction coefficient and wear amount of HPb59-1 and PA1010 with different lubrication conditions (load of 400 N and rotating speed of 400 r/min)

2.2 磨損觀察結果與分析

不同條件下PA1010隔離體和HPb59-1隔離體磨損表面的典型微觀形貌如圖4所示。由圖可以看出，這2種隔離體的磨損表面均表現為明顯的磨料磨損，其中PA1010 隔離體的磨損表面還出現了顯著的片狀剝落。無論是HPb59-1 隔離體還是PA1010 隔離體，在其它參數相同時，采用20#機油潤滑時的磨損程度比采用2號鋰基潤滑脂潤滑時要低一些，這與圖3中顯示的采用20#機油潤滑時材料的摩擦系數和磨損量更小相一致。在同樣實驗條件下，HPb59-1隔離體的磨損比PA1010 隔離體要輕微不少，這是因為HPb59-1 的強度、硬度遠大于PA1010。相對于金屬合金而言，PA1010是一種彈性模量低、黏彈性高的聚合物材料，對摩金屬表層較大的微凸體會對PA1010隔離體表面進行切割，造成很強的犁削效應，表層PA1010很快被割離下來成為磨屑。在對摩偶件的持續碾壓下，PA1010隔離體表面犁溝的邊緣局部地區破裂形成片狀剝落。而HPb59-1不但強度、硬度遠大于PA1010，且材料的順應性好，在發生塑性變形時基本不會破裂，其良好的嵌藏性又使犁削效應形成的磨屑碾壓入磨損表層，因此HPb59-1隔離體磨損表面要比PA1010隔離體平整、光滑。

圖4 PA1010隔離體和HPb59-1隔離體磨損表面的微觀形貌Fig. 4 Worn surface micro-morphology of PA1010 isolator and HPb59-1 isolator

磨料磨損是試件表面與硬質顆粒或硬質凸出體相互摩擦引起的表面材料損失現象。對于PA1010、HPb59-1這些塑性較大的材料，GCr15鋼環表面微凸體在壓力作用下壓入并犁耕試件表面形成溝槽，試件表面發生嚴重的塑性變形，壓痕兩側的材料受到破壞后易脫落，從而造成磨損。隨著轉速的升高，單位時間內通過接觸區的鋼環表面微凸體數量增多，導致摩擦力增大，對試件表面造成更多的破壞，使得其摩擦系數，磨損量呈上升趨勢。當載荷增大時，鋼環表面微凸體壓入PA1010隔離體和HPb59-1隔離體試件表層更深，導致犁耕效應更加明顯，使得其摩擦力、磨損量都增大，但摩擦系數是摩擦力和載荷的比值，因此其變化并不大。

圖5 所示為摩擦實驗后GCr15 鋼環磨損表面的形貌（放大倍數：800 倍）。由圖可見，對磨后鋼環表面基本沒出現磨損痕跡，但試件打磨時形成的紋理仍清晰可辨，這是因為GCr15 鋼環淬火后的硬度遠大于PA1010和HPb59-1。鋼環表面上僅在紋理波谷處偶爾存在HPb59-1的殘存物，這是犁溝效應產生的個別磨屑沒有從摩擦區域排出所導致的。HPb59-1在鋼環表面的粘附現象比PA1010 嚴重得多，一些HPb59-1填充在鋼環表面的紋理波谷處，使得鋼環表面較粗糙，這是因為HPb59-1的嵌藏性優于PA1010，且HPb59-1與GCr15同為金屬，相互間的范德華吸附力大于GCr15-PA1010 接觸副。當轉速、載荷增大時，不但犁耕效應更加突出，粘附現象也越來越顯著，導致摩擦力和磨損量增大。由于HPb59-1同時受這2 種因素的影響，其摩擦和磨損性能對轉速、載荷等試驗條件的敏感程度要高于PA1010。

圖5 GCr15鋼環磨損表面的形貌（800×）Fig. 5 Worn surface morphology of GCr15 steel rings（800×）

3 結 論

1）PA1010 的摩擦系數小于HPb59-1，二者的平均比值為1∶1.27；PA1010的磨損量高于HPb59-1，二者的平均比值為1.51∶1。

2）當載荷從200 N 增大到600 N 時，PA1010、HPb59-1 的磨損量分別增大了25.8%，37.3%。當轉速從200 r/min上升到400 r/min時，PA1010、HPb59-1的摩擦系數分別增大了8.3%，23.1%，磨損量分別增大了31.5%，96.3%。由此可知，載荷、轉速對HPb59-1摩擦學性能的影響程度明顯高于PA1010。

3）采用20#機油潤滑時PA1010和HPb59-1的摩擦系數、磨損量均低于采用2 號鋰基潤滑脂，其中：PA1010 的摩擦系數減小了46.2%，磨損量降低了28.7%；HPb59-1的摩擦系數減小了43.8%，磨損量降低了29.8%。