邱月平，沈雪瑾

(上海大學 機械自動化系，上海 200072)

關節(jié)軸承作為通用機械零件, 能滿足重載荷、長壽命要求，且具有轉動靈活、少維護、結構緊湊、易于裝拆，在工作過程中可以免維修和無需添加潤滑劑等優(yōu)異特性，廣泛應用于工程機械、載重汽車、水利設施、軍工機械等方面[1-3]。關節(jié)軸承的主要失效形式是磨損，磨損使軸承內部的游隙明顯增大，從而引起軸承支承部位的振動和噪聲增加，使機械的運行狀態(tài)變差，導致軸承不能正常工作。因此研究關節(jié)軸承的摩擦磨損壽命性能是一項基礎而又重要的工作[4]。

1 關節(jié)軸承試驗機的研究進展

關節(jié)軸承的旋轉擺動因幅度大而不同于微動，也不同于普通的單向直線和旋轉運動，因此關節(jié)軸承在擺動運動下的摩擦磨損性能研究逐漸受到人們的關注。目前評價關節(jié)軸承摩擦學性能的試驗機主要有2種：一種是以軸承為試驗對象，把主軸設計成圓周方向旋轉擺動，進行軸承旋轉摩擦試驗;另一種則是以軸承材料的標準試塊為試驗對象的直線往復式摩擦磨損試驗機[5]。

文獻[4，6-8]研制了關節(jié)軸承隨主軸做圓周方向旋轉擺動的試驗機，并能對一定尺寸的關節(jié)軸承做磨損試驗。

文獻[4]研制了大中型關節(jié)軸承磨損壽命試驗機，該試驗機加載系統(tǒng)采用液壓加載；擺動系統(tǒng)采用液壓推動齒條，帶動主軸齒輪擺動；測量系統(tǒng)采用測長傳感器測量徑向磨損位移量，采用鉑電阻通過顯示儀表監(jiān)測軸承外圈端面溫度。該試驗機的參數(shù)為：被試關節(jié)軸承內徑50～150 mm，擺動角度+40°～-40°，擺動頻率0～15 次/min，最大加載值1 000 kN。

向心關節(jié)軸承的運動形式一般是擺動，所受的載荷主要是徑向載荷。文獻[6]按關節(jié)軸承在徑向載荷作用下做擺動運動來設計，研制了新型關節(jié)軸承壽命試驗機，如圖1所示。該試驗機以整個關節(jié)軸承為試驗對象，把關節(jié)軸承安裝在主軸上，電動機通過皮帶帶動減速器，再由曲柄、連桿和搖桿機構實現(xiàn)主軸的擺動運動，并利用螺紋的自鎖性實現(xiàn)無級加載。通過測量軸承外圈的徑向位移和摩擦系數(shù)判斷軸承是否失效，并監(jiān)測軸承外圈的溫度以了解軸承內部摩擦力的變化情況。該試驗機的技術參數(shù)為：被試關節(jié)軸承內徑為15～50 mm，徑向載荷為0～98 kN，擺動頻率為0～2.5 Hz，擺動角度為20°～100°。

圖1 新型關節(jié)軸承壽命試驗機工作原理圖

文獻[7]研制了E06-12型自潤滑桿端關節(jié)軸承試驗機，該試驗機采用曲柄搖桿機構驅動主軸擺動，主軸帶動裝配在主軸一側的2個試驗頭在一定的空間范圍內同步擺動。試驗軸承采用懸掛式，杠桿加載裝置施加的力通過軸承殼體螺紋部分傳遞到軸承內圈，以使軸承試驗條件與實際使用狀況相吻合的方法進行磨損試驗。該試驗機的技術參數(shù)為：試驗軸承的內徑尺寸為6～12 mm，單套試驗軸承的最大載荷為9.8 kN，擺頻20～40 次/min，擺幅0°～±40°。

文獻[8]研制了可滿足各種載荷的大、中、小關節(jié)軸承測試需求的磨損試驗機。該軸承磨損試驗機主要由主機、液壓源、測量控制系統(tǒng)3部分組成，軸承徑向載荷采用伺服油缸加載。利用電液伺服閉環(huán)控制原理，進行載荷和位移控制，扭轉部分通過伺服電動機帶動擺線針輪減速機輸出扭矩，由扭矩傳感器、光電編碼器分別測量扭矩、扭角，并組成閉環(huán)系統(tǒng)進行控制。磨損測量采用差動變壓器式位移傳感器，測量試驗過程中外圈相對于內圈的徑向位移。計算機可實時采集試驗數(shù)據(jù)繪制曲線，并可存儲試驗數(shù)據(jù)進行后處理。該試驗機的參數(shù)為：徑向載荷最大試驗力分別為700，300和100 kN，擺動角度±25°，擺動頻率為1～15 次/min。

與關節(jié)軸承繞單軸做圓周方向旋轉擺動不同，文獻[9]研制了直升機自動傾斜器球鉸自潤滑關節(jié)軸承試驗機，該試驗機采用2套空間四桿機構實現(xiàn)了關節(jié)軸承在2個坐標軸方向的任意擺動；通過1套凸輪機構實現(xiàn)主軸的上、下往復運動。以運動分解的方式獲得了關節(jié)軸承3個自由度的運動目標，采用可編程控制器及觸摸屏實時控制關節(jié)軸承在試驗過程中的擺動速度、頻率和載荷的大小，可以監(jiān)測、顯示襯墊磨損量、摩擦力、溫度和振動信號。該試驗機的參數(shù)為：最大載荷8 kN，最大頻率3 Hz，擺動角度±9°。

此外，還有學者通過研制直線往復式摩擦磨損試驗機來研究自潤滑材料的性能，如文獻[10]中的試驗機能夠通過六桿機構實現(xiàn)直線往復運動，并用液壓機實現(xiàn)加載對自潤滑材料進行試驗，從而得出其摩擦、磨損性能。這為研制關節(jié)軸承試驗機提供了參考。

2 關節(jié)軸承磨損性能的影響因素

關節(jié)軸承磨損性能受到載荷、溫度、軸承摩擦副材料及自潤滑材料等因素的影響。

2.1 載荷

文獻[11-13]研究了關節(jié)軸承受重載情況下的磨損性能，為研究關節(jié)軸承磨損性能提供了重要參考。

文獻[11]采用上海市軸承技術研究所研制的ZMS1500磨損試驗機對織物類襯墊鋁合金自潤滑關節(jié)軸承進行磨損試驗，該試驗對內徑尺寸為110和130 mm的關節(jié)軸承進行了擺角為25°、擺頻為10次/min、載荷為200～600 kN的擺動磨損試驗。試驗中采用測長法測量磨損量, 即在試件內、外套圈相對擺動后, 以徑向尺寸發(fā)生的變化測定磨損量, 并采用徑向位移量與電測量相互轉換的方法, 對磨損量進行連續(xù)測量。試驗結果表明：凡是內、外球面滾道接觸良好者, 其磨損性能優(yōu)良；若磨痕區(qū)域呈黑褐色狹長形狀, 則其磨損性能較差。所謂內、外球面滾道接觸良好, 即吻合度好, 接觸面積相對較大,因此,在相同載荷條件下單位面積上的壓強小, 磨損均勻, 故其磨損性能較好, 反之磨損性能則差。

文獻[12]研究了PTFE編織復合材料重載關節(jié)軸承的旋轉摩擦特性，采用自制的重載摩擦試驗機,在轉速為2.5 r/min時測試了PTFE編織復合材料關節(jié)軸承承載能力與摩擦系數(shù)的關系,以及摩擦的時間效應。在承載為135 MPa時,測試了軸承的磨損曲線、軸承的溫升以及摩擦系數(shù)隨連續(xù)擺動時間變化的關系曲線。試驗結果表明,隨著承載由25 MPa增加到135 MPa，干摩擦系數(shù)由0.061降低到0.038。通過掃描電鏡分析了軸承失效機理,在擺動的過程中PTFE不斷被擠出,軸承自潤滑功能下降,導致編織基體材料發(fā)生磨損。

文獻[13]利用自制的高頻重載關節(jié)軸承摩擦磨損試驗機，研究了不同擺動頻率和接觸壓強條件下PTFE/銅網(wǎng)復合材料襯墊關節(jié)軸承摩擦系數(shù)、線磨損量和摩擦溫度的變化規(guī)律。借助掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)分析了關節(jié)軸承襯墊的磨損表面并探討了其磨損機理。結果表明：在接觸應力≤47.6 MPa時，擺動頻率的升高對軸承的摩擦系數(shù)、磨損量和摩擦溫度影響較小；在接觸應力>47.6 MPa時，隨著擺動頻率的變化，軸承的摩擦系數(shù)、磨損量波動范圍較大，摩擦溫度上升較快。由圖2a可以看出，襯墊表層保存完好，基體材料銅尚未顯露出，襯墊材料幾乎沒有遭到破壞，自潤滑性能依然良好；隨著擺動頻率升高到4.8 Hz,摩擦過程產(chǎn)生的熱應力以及摩擦面上的剪切拉伸引起聚合物表面龜裂，并且發(fā)生塑性變形，甚至出現(xiàn)了剝落，說明此狀態(tài)下襯墊材料發(fā)生剝落磨損(圖2b)。當接觸應力為95.2 MPa，擺動頻率為1.2 Hz時，軸承襯墊表層材料磨損較為嚴重，襯墊表層材料已幾乎被磨完，襯墊基體材料也遭到了破壞,剝落面積增大(圖2c)；當擺動頻率為4.8 Hz時，襯墊表層材料已經(jīng)磨完，表面有大量的附著顆粒(圖2d)。載荷發(fā)生變化時會影響自潤滑關節(jié)軸承的力學性能。在重載條件下，軸承內、外圈擺動將在內、外圈接觸面產(chǎn)生摩擦熱，襯墊材料發(fā)生塑性變形、擠壓變形和剝落，導致關節(jié)軸承自潤滑能力下降，進而發(fā)生粘著磨損和磨粒磨損，導致軸承失效。

2.2 溫度

當關節(jié)軸承應用于航空航天等領域時，溫度對自潤滑材料摩擦磨損特性的影響尤為明顯，因而溫度對關節(jié)軸承性能的影響也受到了廣泛的關注。

文獻[14]為研究低溫環(huán)境下PTFE的摩擦磨損屬性，進行了環(huán)境溫度為8～77 K熱力學溫度下的盤銷磨損試驗，結果表明，PTFE在低溫環(huán)境下的摩擦性能提高。這是由于在低溫環(huán)境下PTFE的硬度和機械強度提高。

文獻[15]研究了速度、載荷、溫度對35%碳填充PTFE復合材料摩擦磨損特性的影響。試驗結果表明，通過使軸承冷卻，載荷和速度對磨損的影響減少。因此，可以通過降低關節(jié)軸承的工作溫度來提高PTFE的磨損性能，進而提高關節(jié)軸承的磨損性能。

2.3 軸承材料和自潤滑材料

軸承材料的選擇直接影響著關節(jié)軸承的使用性能和壽命，因此，為了得到關節(jié)軸承優(yōu)良的使用性能，選擇合理的軸承材料非常重要。

文獻[16]為了避免軸承鋼關節(jié)軸承發(fā)生銹蝕卡死，采用洛陽軸承研究所研制的能同時監(jiān)視軸承的摩擦、溫度以及磨損情況的SPBTM-Ⅱ型關節(jié)軸承試驗機對UG20和UC20X進行了摩擦性能試驗對比分析。試驗結果表明：不銹鋼關節(jié)軸承UC20X的壽命高于軸承鋼關節(jié)軸承UG20，這是因為不銹鋼材料的自適應性和耐磨性優(yōu)于軸承鋼的緣故。

自潤滑材料的性能直接影響關節(jié)軸承的磨損性能和使用壽命。陶瓷基復合材料是以陶瓷作為黏接劑的自潤滑材料，這類材料具有高硬度、高強度、高剛度、低密度和優(yōu)異的化學穩(wěn)定特性， 也具有良好的減摩耐磨特性。

文獻[17]指出，CaF2在高溫下由脆性向塑性轉變而具有潤滑性。在摩擦過程中，CaF2中的氟與磨損表面所起的化學作用也是具有潤滑性的重要原因。但是材料的力學、摩擦學性能并不一定隨固體潤滑劑含量的增加呈線性變化。

文獻[18]研究了通過熱壓成形工藝制備的Al2O3/TiC/CaF2自潤滑陶瓷材料在室溫下的摩擦磨損性能，結果表明：當CaF2含量為10%時，該材料具有較好的力學性能，其摩擦系數(shù)隨CaF2含量、載荷和速度的增加而降低。Al2O3/TiC/CaF2材料在高速摩擦條件下能夠在磨損表面形成一層固體潤滑膜，正是由于這層膜的存在使得其在高速、高載荷下具有較低的摩擦系數(shù)；而低速下其磨損機理主要是磨粒磨損，很難形成較完整的潤滑膜，由于機械應力和熱應力的共同作用，自潤滑膜在反復摩擦下產(chǎn)生裂紋，導致失效。

文獻[19]研究了采用熱壓工藝制備的石墨/ZTA自潤滑陶瓷基復合材料下的摩擦磨損特性。結果表明：加入適量的石墨將顯著降低陶瓷的摩擦系數(shù)，自潤滑性好。石墨含量過高，不但加劇材料的磨損，且使材料的摩擦系數(shù)提高，復合材料的磨損過程中會產(chǎn)生剝落、犁溝。

PTFE是摩擦系數(shù)最低的固體潤滑材料之一，具有抗老化、抗輻射、化學惰性、耐高溫等優(yōu)異性能。但PTFE也存在一些不足之處，如強度較小、硬度低、磨損率高、在外力作用下有較大的粘彈性變形和導熱性差等，所以限制了PTFE在軸承中的應用。為了使其能應用在要求較高的場合，須對PTFE進行適當改性。添加填料就是一種簡單有效的方法。

文獻[20]研究了7種PTFE及其改性材料的磨損率(A—純PTFE；B—75%PTFE+18%碳+7%石墨；C—85%PTFE+15%玻璃纖維；D—75%PTFE+25%玻璃纖維；E—75%PTFE+20%玻璃纖維+5%二硫化鉬；F—97.5%PTFE+2.5%PPDT纖維；G—90%PTFE+10%PPDT纖維)，進行了載荷為5 N，滑動速度為0.1 m/s，滑動距離為5 km的磨損試驗，試驗結果如圖3所示。其中，B材料的耐磨性最好，原因是碳顆粒的硬度改進了B材料的耐磨性；對比圖中的C材料和D材料，隨著玻璃纖維含量的提高，耐磨性能變好；添加MoS2也可提高耐磨性，同樣，PPDT也可改善材料的耐磨性，耐磨性隨著PPDT在PTFE中的含量提高而改善。

圖3 各種材料的磨損率

文獻[21]通過盤銷磨損試驗，研究了在接觸應力為6.4 MPa、滑動速度為0.05 m/s時，具有填充納米氧化鋁顆粒的填充PTFE復合材料的摩擦系數(shù),從未填充的0.15增加到了0.2，填充20%的納米氧化鋁顆粒后抗磨能力提高了600倍。

文獻[22]進行了純PTFE、玻璃纖維、青銅、碳填充PTFE復合材料與AISI 440C不銹鋼的磨損試驗。結果表明隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)減小。磨損率和摩擦系數(shù)減小最大的是PTFE+17%玻璃纖維復合材料。

文獻[23]研究了單向碳/環(huán)氧復合材料所含PTFE條紋的寬度對關節(jié)軸承磨損系數(shù)的影響，進行了滑動速度為0.016 m/s、載荷為30 kN的盤銷磨損試驗。試驗結果說明：摩擦系數(shù)隨著PTFE條紋的寬度而改變，不含PTFE條紋的碳/環(huán)氧復合材料的摩擦系數(shù)為0.24，然而加入PTFE條紋后的碳/環(huán)氧復合材料的摩擦系數(shù)變成0.15～0.18。

文獻[24]為了研究各種襯墊材料(表1)對關節(jié)軸承磨損的影響進行了磨損試驗，試驗結果如圖4所示。各種襯墊材料的摩擦系數(shù)在初始階段均快速上升，隨后降低到一定值后并保持穩(wěn)定，且在45 min后摩擦系數(shù)保持在0.1～0.16。由圖5可知，在PTFE中加入填充物可以顯著改善PTFE的耐磨性，其中F試樣的耐磨性最好，磨損率為2.6×10-5mm3/(N·m)。

表1 各種潤滑層材料所含成分wt%(vol%)

圖4 摩擦系數(shù)隨試驗時間的改變

圖5 各種材料的磨損率

襯墊中PTFE的含量、填充物的選擇以及含量將影響關節(jié)軸承的耐磨性、磨損率。因此，正確選擇襯墊材料是提高關節(jié)軸承使用壽命的關鍵。

3 結束語

對關節(jié)軸承的研究，在襯墊材料、摩擦磨損試驗、磨損試驗機方面都已取得較大的成果。但是還存在一些問題，需要進一步的研究和解決。

(1)關節(jié)軸承自潤滑襯墊材料的摩擦學性能研究還存在諸多問題，如高溫、高頻、重載等混合復雜工況下的自潤滑軸承材料的失效問題等。

(2)目前關節(jié)軸承磨損性能試驗多以關節(jié)軸承在單軸圓周方向做旋轉擺動，或是以軸承材料的標準試塊為試驗對象進行直線往復運動，這與關節(jié)軸承多軸擺動的實際工況尚有差別，因此，研究模擬關節(jié)軸承真實工況的磨損試驗機對關節(jié)軸承的發(fā)展有重大意義。

(3)關節(jié)軸承磨損性能試驗主要集中在關節(jié)軸承的個性試驗，對通用的基礎試驗研究較少。