粉末冶金含油軸套在裝載機上的應用研究

侯國清，馬蓉

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

裝載機工作裝置各鉸接點一般采用銷軸和軸套配合結構形式，二者材料均為合金鋼，表面熱處理硬度為55～60HRC。工作裝置作業時，銷軸是重要的承載件，銷軸、軸套相對轉動使其接觸部位存在很大的摩擦力。由于高載荷下反復運行，潤滑脂的內部骨架易被壓潰失去潤滑作用，一旦潤滑脂加注不及時，接觸部位會出現異常磨損或異響情況，尤其在中、大型裝載機更為突出[1]。同行業中，采用一些自潤滑軸套例如銅套、鋼基石墨軸套、鋅鋁合金軸套能很好地解決異響問題，因成本太高，很難在裝載機上廣泛應用。近年來，粉末冶金含油軸套因耐磨性、抗沖擊、抗咬合以及強度等各方面性能優良[2]，再加上性價比高，在中、小型挖掘機動臂、轉斗油缸部位和部分鉸接部位廣泛應用并代替銅套，而粉末冶金含油軸套在重載工況下的服役性能研究較少。探討粉末冶金含油軸套的承載能力、耐磨性、可靠性以及耐久性是否可應用到中大型裝載機上，解決中、大型裝載機工作裝置鉸接點銷軸與軸套異常磨損和異響問題。

1 粉末冶金含油軸套的組織和力學性能

粉末冶金含油軸套的主要加工工藝為：粉末混合，壓型，高溫燒結，熱處理，真空浸油，機加工。粉末冶金含油軸套的主要成分：Cu：13%～18%，Cr+Ni+Mo≤2，C：1%左右，其余為Fe和微量添加劑。

用4%硝酸酒精溶液腐蝕，粉末冶金含油軸套的金相組織如圖1所示。基體為回火馬氏體，白色組織為游離態的銅，灰黑色部位為孔隙儲存了潤滑脂，孔隙大小幾個微米到幾十個微米。粉末冶金含油軸套的基體組織為回火馬氏體，確保了軸套的強度和耐磨性。軸套內的存在若干微米級孔隙用于儲存潤滑油，當摩擦副溫度升高，軸套內表面滲油有利于潤滑。游離態的銅具有良好的自潤滑效果。

圖1 金相組織

按照國標《GB/T 6804燒結金屬襯套 徑向壓潰強度的測定》《GB/T 5163含油密度和含油重量》《GB/T 6525燒結金屬材料室溫壓縮強度的測定》《GB/T 5163燒結金屬材料（不包括硬質合金）可滲性燒結金屬材料密度、含油率和開孔率的測定》等要求檢測粉末冶金含油軸套的相關性能參數見表1。

表1 粉末冶金含油軸套性能參數

2 試驗方案

為了加快驗證軸套的耐磨性能，按照銷軸、軸套實際服役過程，設計了一套銷軸、軸套摩擦磨損試驗裝置。基本思路為：軸套壓入軸座里，銷軸穿入軸套并固定在軸座上，設定載荷施加在軸套上進而傳遞到銷軸上，試驗臺帶動軸套反復轉動，轉動角度：±55°。試驗臺加載載荷譜如圖2，即運行高載荷3次，運行低載荷3次為試驗臺一次工作循環，相當于裝載機工作裝置完成3次鏟裝作業。

圖2 載荷譜

銷軸尺寸：直徑90 mm，長度210 mm。銷軸材料為40Cr，調質+表面感應淬火，表面硬度為56HRC左右。軸套尺寸：外徑104 mm，內徑90 mm，長度110 mm。鋼套材料為20CrMnTi，滲碳淬火表面硬度59HRC左右。為對比粉末冶金含油軸套與鋼套在早期服役過程中的性能差異，開展了四組臺架試驗，具體方案見表2。四組試驗均在試驗前充分加注潤滑脂，過程中不再加注。試驗運行12萬次，相當于整機工作500 h。

表2 臺架試驗方案

3 試驗結果與討論

四組試驗的前12萬次加載運行總次數、異響情況、摩擦系數見表3。根據試驗運行情況，裝鋼套的第二、四組大致可分為四個階段：磨合期、平穩期、間歇性異響期和持續異響期。裝粉末冶金含油軸套第一組僅經歷了磨合期和平穩期。第三組僅經歷了磨合期和持續異響期。由于銷軸、軸套表面均存在加工刀痕留下凸起部分，因此四組試驗初期都經歷了磨合期。

表3 12萬次試驗運行情況

第一組試驗在前12萬次試驗和后續的14000次載荷逐級增加的試驗中均未出現異響，前12萬次經歷了磨合期和平穩期，磨合期摩擦系數從0.12逐步下降到0.1進入平穩期。12萬次的增加載荷試驗中，摩擦系數與載荷關系如圖3所示。載荷為65 MPa時，摩擦系數出現最小值，判斷此時進入平穩期，摩擦系數下降。載荷為70 MPa時，摩擦系數上升到0.12，再次進入平穩期，摩擦系數保持不變。載荷為80 MPa～90 MPa時，進入磨合期摩擦系數與載荷呈線性關系。載荷為95 MPa第三次進入平穩期，摩擦系數略有下降。粉末冶金含油軸套經過12萬次50 MPa載荷運行，從60 MPa逐級遞增到95 MPa下運行各2000次均無異響，表明粉末能短時間承受較高的載荷而不出現異響。

圖3 第一組增加載荷試驗

第二組試驗，磨合期運行第10次出現異響，繼續運行摩擦系數由0.1上升到0.15，然后下降到0.09進入平穩期，平穩期無異響。平穩期潤滑脂能夠形成有效油膜，對銷軸、軸套其到良好的潤滑作用。當隨著運行次數增加潤滑脂逐漸被破壞，銷軸、軸套出現干磨，運行到63724次時開始出現間隙性的異響，摩擦系數波動較大，最大值達到0.22。該階段以粘著磨損為主，銷軸和軸套接觸表面出現一些突起硬質物，摩擦系數增加[3]，出現銷軸異響。持續運行銷軸、表面突起硬質物被磨損，摩擦系數變小，異響消失。由于過程中不加注潤滑脂，銷軸、軸套干磨，摩擦系數反復波動，整體呈上升的趨勢。當運行到102587次時，摩擦系數上升到0.23，出現持續異響。

第三組試驗，高載荷和低載荷均比第一組大，僅運行5004次時，出現嚴重異響，其摩擦系數與運行次數的關系如圖4。運行次數2469次之前摩擦系數穩定，2469次以后摩擦系數呈線性增加趨勢。當摩擦系數達到0.39時，銷軸嚴重異響。

圖4 第三組粉末冶金含油軸套試驗

第四組試驗，高載荷和低載荷均比第二組大，整體運行的情況與第二組相似，載荷加大，使平穩期相對縮短，運行次數減少。

四組試驗銷軸、軸套的平均磨損量、最大磨損量如圖5。試驗后銷軸、軸套照片如圖6所示。第一組銷軸表面光滑，第二組銷軸表面磨損嚴重，兩組試驗銷軸平均磨損量、軸套平均磨損量、軸套的最大磨損量相差不大，但第一組的銷軸的最大磨損量比第二組小很多。即50 MPa服役載荷下粉末冶金含油軸套表現的性能明顯優于鋼套。第三組試驗軸套平均磨損以及最大磨損均比第四組大，說明粉末冶金含油軸套初始載荷75 MPa，粉末冶金含油軸套表面材料容易脫落粘附到銷軸表面上而導致銷軸異響[3]，從圖6（d）可看出銷軸表面上粘附粉末冶金含油軸套脫離的顆粒物。對比第一組12萬次的載荷增加試驗以及第四組的試驗可以看出，初始載荷的大小對早期的磨合階段至關重要。初始載荷過大，容易導致粉末冶金含油軸套表面脫落而出現異響。

圖5 磨損量對比（mm）

圖6 試驗結束銷軸、軸套照片

4 裝機驗證

根據試驗結果，結合裝載機工作載荷，在額定載荷為5 t、6 t的裝載機工裝裝置所有鉸接點部位應用粉末冶金含油軸套試裝100臺套。試裝機分別在采石場、水泥攪拌站、沙場、港口等常用工作場合進行鏟裝作業。跟蹤最長工作時間達5000多小時，平均工作時間達1500 h，未出現銷軸異常磨損和異響的情況。其中，對一臺額定載荷5 t的裝載機工作3464 h拆檢，銷軸和軸套表面光滑如圖7，銷軸外徑基本不變，軸套內表面磨損0.15 mm左右。裝機驗證結果和試驗結果具有較好的吻合性。

圖7 粉末冶金含油軸套工作3646h拆檢

5 結論

綜上分析，得出以下結論：

（1）粉末冶金含油軸套在50 MPa載荷下具有良好的可靠性和耐久性，粉末冶金含油軸套含油能承受短時間的超負荷載荷，很好地解決了銷軸異響問題。

（2）初始載荷對粉末冶金含油軸套性能影響很大，持續在初始載荷75 MPa下運行，軸套表面金屬脫落并粘附在銷軸表面上，進而導致銷軸異響。

（3）選用時粉末冶金含油軸套應充分考慮實際工況的載荷大小。