組合工況下不同摩擦副關節軸承的性能對比

洪志偉

(1.福建龍溪軸承(集團)股份有限公司，福建 漳州 363000；2.福建省關節軸承企業重點實驗室，福建 漳州 363000)

航空航天關節軸承可適應安裝偏斜，變形調心及工作時的圓周方向擺動等，常用于重載、高溫、高速等惡劣工況，對服役可靠性的要求非常高。磨損是導致軸承失效的重要原因，受磨損影響會導致摩擦因數增大，甚至出現咬合、卡死的現象[1]。為增加航空航天關節軸承的服役可靠性，開展摩擦學性能研究顯得尤為重要。

本文以設計一種GE60關節軸承為例，為滿足其在350 kN微動組合工況及不允許添加油脂的條件下進行5個循環周期合計13 250次擺動后，磨損量不能超過0.12 mm，摩擦因數不大于0.3，且軸承不能卡死的要求，特制定3種不同摩擦副匹配方案，并通過臺架試驗開展摩擦磨損性能對比。

1 摩擦副設計方案

1.1 產品結構及摩擦副

GE60關節軸承結構及外形尺寸如圖1所示。GE60DE1和GE60DE1X由內圈和外圈組成，GE60DE1T由內、外圈和自潤滑襯墊組成；外圈材料均為0Cr17Ni4Cu4Nb(硬度為28～37 HRC)，內圈材料均為G102Cr18Mo(硬度為55～62 HRC)；內圈外球面的表面粗糙度Ra值均不大于0.2 μm，處理前外圈內球面的表面粗糙度Ra值均不大于1.6 μm。3種GE60關節軸承摩擦副方案見表1。

表1 3種GE60關節軸承摩擦副方案

圖1 GE60關節軸承結構及外形尺寸示意圖

1.2 潤滑

二硫化鉬(MoS2)固體干膜潤滑涂層由MoS2潤滑固體和樹脂黏結劑組成，具有自潤滑免維護的特點，廣泛應用于宇航、衛星、導彈和飛機等[2]。

GE60DE1和GE60DE1X按文獻[3]規定對外圈內球面涂覆MoS2固體干膜潤滑層，厚度為0.005～0.018 mm，使用溫度為-68～204 ℃[3]，常溫下摩擦因數不大于0.15，動承載能力為100 MPa。

聚四氟乙烯(PTFE)織物自潤滑襯墊由PTFE纖維與其他增強纖維編織而成，并在樹脂中浸漬后形成的一種結構致密的復合材料[4-5]，工作時織物中的PTFE會不斷轉移到軸承內圈外球面上形成潤滑膜，起到潤滑劑的作用，具有良好的自潤滑和免維護功能，擺動時可保持良好的摩擦磨損性能[6-8]。GE60DE1T外圈內球面黏結的PTFE織物自潤滑襯墊為自制，擠壓固化后的襯墊厚度為0.30～0.35 mm，常溫下摩擦因數不大于0.12，使用溫度為-55～185 ℃，動承載能力可達到200 MPa以上，適用于低速重載。

1.3 表面處理

GE60DE1T內圈外球面進行了鍍鉻處理，鍍層的硬度和耐磨性極高，該技術已廣泛用于PTFE織物自潤滑襯墊的關節軸承內圈外球面[9]。

GE60DE1X內圈外球面進行了離子滲硫處理，該技術首次在關節軸承上使用。內圈固溶時效后的硬度為55～62 HRC，內圈外球面經滲硫處理后表面形成一層薄硫化物(圖2)，可以減小摩擦因數，提高內圈外球面的抗咬合和抗黏著性能，在干摩擦狀態下減摩效果明顯，可提高產品的使用壽命，特別是對于滲硫基體表面硬度較高的零件[10]。

圖2 GE60DE1X內圈外球面離子滲硫金相圖

2 設計方案驗證

2.1 試驗方法

模擬GE60關節軸承實際使用工況分別對3種不同摩擦副關節軸承進行考核，試驗工況見表2。試驗溫度為常溫，試驗時工況1運轉50次為一個起停，工況2運轉2 500次為一個起停，工況1運轉3個起停+工況2運轉1個起停為1個循環周期，共進行5個循環周期合計13 250次擺動。

表2 試驗工況

設置試驗設備運行程序，試驗期間當摩擦因數達到0.3時設備報警并停止運轉，試驗終止。試驗結束后軸承磨損量不大于0.12 mm，內圈相對外圈擺動靈活為合格。

2.2 試驗設備

試驗設備為SDZ-500/14K關節軸承壽命試驗機，試驗工裝示意圖如圖3所示，通過加載板對GE60關節軸承施加徑向載荷Fr，內圈通過芯軸按工況擺動角度要求相對外圈進行擺動。

圖3 試驗工裝示意圖

2.3 摩擦磨損試驗結果

3種GE60關節軸承摩擦磨損性能試驗結果見表3，GE60DE1X失效前的擺動次數比GE60DE1多，說明其耐磨損能力更優，主要是內圈外球面離子滲硫提高了產品的耐磨損性能。摩擦因數試驗曲線如圖4所示， 擺動試驗過程中GE60DE1和GE60DE1X的摩擦因數穩定性差，而GE60DE1T的穩定性好。

圖4 GE60關節軸承試樣摩擦因數試驗曲線

表3 3種GE60關節軸承摩擦磨損性能試驗結果

GE60DE1與GE60DE1X試驗結束后(摩擦因數超過0.3)摩擦副磨損情況相似，如圖5所示，外圈內球面的固體干膜潤滑涂層已被磨穿，且內圈外球面和外圈內球面有明顯的犁痕。在350 kN的動載荷下，摩擦副間的接觸應力約為120 MPa，雖然使用工況為微動工況，但金屬對金屬關節軸承中的MoS2涂層無法滿足該使用工況要求，在連續摩擦作用下涂層快速被剪切消耗，金屬摩擦表面塑性變形導致材料遷移，形成犁溝，甚至出現基體剝落、黏著磨損現象，隨著內外圈相互運動的進行，摩擦因數迅速增大，關節軸承最終出現內外圈燒結、咬死。

圖5 GE60DE1和GE60DE1X試驗后摩擦副表面

GE60DE1T完成5個循環周期合計13 250次擺動試驗后，摩擦副表面如圖6所示，內圈外球面無明顯磨損，表面光滑且有薄層轉移潤滑膜(圖中黑褐色膜層)；自潤滑襯墊完好，自潤滑層無脫落，襯墊表面PTFE層光滑無明顯磨損。試驗過程中摩擦因數整體保持在0.05～0.12之間；內外圈相互擺動靈活，并且襯墊磨損量很小。

圖6 GE60DE1T試驗后摩擦副表面

3 結論

通過對3種GE60關節軸承進行臺架試驗，開展摩擦磨損性能研究，得到以下結論：

1)在同種組合工況下，帶PTFE織物襯墊GE60DE1T的摩擦學性能優于外圈內球面噴涂MoS2的金屬對金屬GE60DE1和GE60DE1X。

2)內圈外球面離子滲硫使GE60DE1X摩擦學性能優于GE60DE1，但兩者均未通過試驗考核。GE60DE1T通過了試驗考核，滿足設計要求。