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        不同襯墊關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)性能的對比

        2010-07-26 13:58:52李喜軍袁文征
        軸承 2010年5期
        關(guān)鍵詞:關(guān)節(jié)軸承襯墊摩擦系數(shù)

        李喜軍,邱 明,陳 龍,袁文征

        (河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院,河南 洛陽 471003)

        自潤滑關(guān)節(jié)軸承具有自潤滑和承載力大等特性,廣泛應(yīng)用于航空、航天、輕工、交通等領(lǐng)域[1-3]。然而,在一些苛刻環(huán)境條件下,關(guān)節(jié)軸承很容易因磨損造成游隙過大而導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。自潤滑材料的摩擦學(xué)性能是影響關(guān)節(jié)軸承壽命的關(guān)鍵因素。日前,國內(nèi)、外已開展了對自潤滑材料摩擦學(xué)性能的研究[4-7]。但是,試驗的擺動頻率普遍較低,一般在1 Hz以下,不能較真實地模擬軸承成品在圓周方向的往復(fù)擺動。為了模擬關(guān)節(jié)軸承在圓周方向往復(fù)擺動的實際使用工況,在自制的關(guān)節(jié)軸承擺動試驗機上對4種關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行擺動頻率1.9 Hz的摩擦磨損試驗,以便為較高擺頻條件下關(guān)節(jié)軸承的開發(fā)與研制提供試驗依據(jù)。

        1 試驗方法

        試驗所用向心關(guān)節(jié)軸承的基本尺寸參數(shù)為:內(nèi)圈內(nèi)徑12 mm,球徑18 mm,內(nèi)圈寬度10 mm,外圈外徑22 mm,外圈寬度7 mm,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。4種關(guān)節(jié)軸承(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)的材料屬性見表1。

        圖1 關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)簡圖

        表1 不同摩擦副關(guān)節(jié)軸承的材料屬性

        試驗前對關(guān)節(jié)軸承靜壓15 min,然后再進(jìn)行往復(fù)擺動摩擦磨損試驗。實驗室環(huán)境條件為常溫常壓,擺動頻率為1.9 Hz,擺動角度為±10°,試驗分別在載荷為3,6,9和12 kN條件下連續(xù)擺動2.5×104次。摩擦系數(shù)由轉(zhuǎn)矩傳感器測得的轉(zhuǎn)矩值換算獲得,磨損量為關(guān)節(jié)軸承磨損后的徑向線位移量。為了更好地研究關(guān)節(jié)軸承磨損性能,用熱電偶實時測得并記錄了其摩擦溫度的變化,摩擦溫度取試驗過程中最高值。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 摩擦

        在擺動頻率為1.9 Hz條件下,不同摩擦副關(guān)節(jié)軸承的摩擦系數(shù)隨載荷的變化關(guān)系如圖2所示??梢钥闯觯S著載荷的增加,關(guān)節(jié)軸承Ⅰ,Ⅱ,Ⅳ的摩擦系數(shù)逐漸增加,其中軸承Ⅰ的摩擦系數(shù)呈線性增大趨勢,而Ⅲ的摩擦系數(shù)則呈線性減小趨勢,最大增加和減小幅度在0.1左右。載荷小于9 kN時,軸承Ⅰ的摩擦系數(shù)最小,其次分別為Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ;載荷大于9 kN后,軸承Ⅲ的摩擦系數(shù)最小。在試驗過程中,Ⅳ的摩擦狀態(tài)最差。由圖3可知,關(guān)節(jié)軸承的摩擦溫度大體上隨載荷增加而升高。經(jīng)過觀察分析,當(dāng)摩擦溫度大于一定值后,襯墊材料中的PTFE在熱和壓力共同作用下會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的塑性變形,結(jié)果引起大量的粘著,同時產(chǎn)生磨粒與磨屑,導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大。

        圖2 不同關(guān)節(jié)軸承的摩擦系數(shù)隨載荷的變化

        圖3 不同關(guān)節(jié)軸承的摩擦溫度隨載荷的變化

        2.2 磨損

        由圖4可知,4種關(guān)節(jié)軸承的磨損量隨載荷增加而增大。載荷大于9 kN后,軸承Ⅰ的磨損量增加趨于平緩,Ⅲ的磨損量則略有降低。載荷為12 kN時,軸承Ⅱ和Ⅳ的磨損最為嚴(yán)重,自潤滑襯墊材料的破壞程度也較嚴(yán)重,幾乎已經(jīng)磨穿。由圖3可知,關(guān)節(jié)軸承Ⅲ的摩擦溫度在9 kN和12 kN時基本沒有變化。經(jīng)分析,此時在配副摩擦面上形成了一層較致密的PTFE轉(zhuǎn)移潤滑膜,有效減少了摩擦熱的生成,其磨損狀態(tài)也得到了顯著改善。同時,該摩擦溫度已處于動態(tài)平衡狀態(tài),摩擦產(chǎn)生熱量的速率等于熱量消耗的速率[8]。然而,關(guān)節(jié)軸承Ⅳ在12 kN時的摩擦溫度卻異常地高(大于90 ℃),導(dǎo)致摩擦表面不能有效地形成一層均勻而連續(xù)的潤滑膜。同時大量的摩擦熱致使關(guān)節(jié)軸承材料變軟,耐磨性能越來越差。

        圖4 不同關(guān)節(jié)軸承的磨損量隨載荷的變化

        2.3 三維形貌分析

        圖5所示為載荷3 kN條件下4種關(guān)節(jié)軸承襯墊材料磨損表面的三維輪廓形貌。由圖5可知,試驗后的關(guān)節(jié)軸承Ⅰ,Ⅱ的摩擦面較為平整、光滑,襯墊材料表面的樹脂層保存完好,襯墊基體材料尚未顯露出來,此時以其表層材料形成的PTFE膜潤滑為主。而Ⅲ襯墊材料的摩擦面比較粗糙,編織襯墊的紋路清晰可見,此時該襯墊材料表面浸漬的樹脂層已被磨完;同時襯墊基體材料PTFE纖維織物已顯露出來,并且其表面也受到了輕度的磨損。軸承Ⅳ的磨損情況最為嚴(yán)重,其摩擦面有較為明顯的犁溝,襯墊材料受到不同程度的破壞,甚至部分脫落。這時,襯墊基體材料在潤滑過程中起主要作用。大量的脫落物在連續(xù)摩擦作用下變成磨屑、磨粒,一部分粘附到配副面上,一部分被排擠出來。隨著自潤滑材料逐漸被排擠出來,導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承的自潤滑性能下降,磨損嚴(yán)重,摩擦溫度升高。同時,摩擦溫度的升高也會加劇磨損。經(jīng)過形貌分析得到的三維粗糙度值見表2。

        圖5 載荷為3 kN時4種關(guān)節(jié)軸承襯墊磨損表面三維輪廓形貌

        由表2可知,關(guān)節(jié)軸承Ⅰ的摩擦面最為光滑,而軸承Ⅲ因襯墊表面的浸漬層被磨完,纖維織物顯露出來,所以粗糙度最大,關(guān)節(jié)軸承Ⅱ和Ⅳ的Sa和Sq值雖然相差不大,但其磨損機制卻完全不同。Ⅱ的襯墊材料壓實后主要是襯墊表層材料形成的潤滑膜起決定因素;而Ⅳ的磨損以消耗襯墊基體材料為主。試驗過程中也發(fā)現(xiàn),A類膠的粘結(jié)效果差(軸承Ⅱ和Ⅳ),其性能對環(huán)境變化較為敏感,并且外圈基體材料對A類膠的粘結(jié)效果也有很大影響。擺動頻率一定時,載荷和溫度的上升都會顯著弱化A類膠粘結(jié)性能,特別是載荷的影響比較大。當(dāng)載荷、溫度升高到一定值時,部分A類膠襯墊就會從外圈內(nèi)球面上脫離,從而加速襯墊材料的磨損。而B類膠襯墊(軸承Ⅲ)盡管磨損后露出的纖維使表面粗糙度增大,但磨損程度輕于A類膠襯墊,且發(fā)現(xiàn)B類膠襯墊在整個磨損過程中粘結(jié)牢固,未出現(xiàn)A類膠襯墊剝落的現(xiàn)象。因此,B類膠的粘結(jié)效果優(yōu)于A類膠。

        表2 載荷為3 kN時4種關(guān)節(jié)軸承磨損表面的三維粗糙度值 μm

        3 結(jié)論

        在試驗條件下,有以下結(jié)論:

        (1)載荷小于9 kN時,軸承Ⅰ的摩擦學(xué)性能較好;當(dāng)載荷大于9 kN后,軸承Ⅲ則表現(xiàn)最好;而軸承Ⅳ在整個試驗過程中表現(xiàn)最差。

        (2)軸承Ⅰ較適合在輕載、較低擺動頻率的條件下工作;而軸承Ⅲ適宜工作在重載、較高擺動頻率的環(huán)境中。

        (3)B類膠的粘結(jié)效果比A類膠更加優(yōu)良。

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