柏耀星，周宇，邱明，李迎春，陳龍

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100055)

關(guān)節(jié)軸承屬于滑動(dòng)軸承的一種，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要由一個(gè)帶內(nèi)球面的外圈以及一個(gè)帶外球面的內(nèi)圈組成[1]。自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承則是在內(nèi)、外圈之間鑲嵌或粘結(jié)一層自潤(rùn)滑襯墊層，用襯墊層表面PTFE與內(nèi)圈鋼的摩擦來代替內(nèi)外圈直接的鋼與鋼摩擦，從而可滿足航空、航天、鐵路、機(jī)械等領(lǐng)域高承載能力、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)、易拆卸及自潤(rùn)滑等方面的要求[2-3]。關(guān)節(jié)軸承的主要失效形式是磨損，磨損使關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈配合間隙增大[4]；甚至出現(xiàn)襯墊粘結(jié)脫落，導(dǎo)致摩擦因數(shù)升高，襯墊失去自潤(rùn)滑功能；而當(dāng)關(guān)節(jié)軸承套圈承受重載時(shí)，套圈會(huì)產(chǎn)生較大變形，甚至產(chǎn)生套圈破裂的現(xiàn)象。因此，開展關(guān)節(jié)軸承粘結(jié)質(zhì)量、摩擦學(xué)性能及其承載性能的研究，對(duì)提高關(guān)節(jié)軸承的使用性能，延長(zhǎng)使用壽命有著十分重要的意義。文中通過對(duì)比研究同型號(hào)國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口PTFE/芳綸織物襯墊自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的粘結(jié)質(zhì)量、摩擦學(xué)性能以及承載性能，期望對(duì)國(guó)產(chǎn)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承質(zhì)量的提高有所幫助。

1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品選用同型號(hào)的國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口PTFE/芳綸織物襯墊自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承(以下分別簡(jiǎn)稱國(guó)產(chǎn)軸承、進(jìn)口軸承)，結(jié)構(gòu)見圖1。軸承基本參數(shù)為：外圈外徑35 mm，外圈寬度12 mm，內(nèi)圈內(nèi)徑20 mm，內(nèi)圈寬度16 mm，球面直徑29 mm。軸承內(nèi)、外圈材料為GCrl5軸承鋼，襯墊層為PTFE/芳綸織物。

圖1 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)圖

2 試驗(yàn)

將國(guó)產(chǎn)軸承與進(jìn)口軸承進(jìn)行了一系列的剝離強(qiáng)度試驗(yàn)、摩擦磨損試驗(yàn)以及承載性能試驗(yàn)，借此對(duì)比考核國(guó)產(chǎn)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的襯墊粘結(jié)質(zhì)量、使用性能及可靠性。

2.1 剝離強(qiáng)度試驗(yàn)

剝離強(qiáng)度試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)襯墊的粘結(jié)質(zhì)量、工藝及其牢靠性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。圖2為測(cè)試剝離強(qiáng)度示意圖，利用自制的剝離夾具將試樣夾持在電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，兩夾具以一定的速度遠(yuǎn)離，將襯墊從軸承外圈內(nèi)表面上剝離下來。試驗(yàn)通過傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集剝離過程中的力及位移等信息并存儲(chǔ)起來。利用數(shù)據(jù)處理軟件將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并求出剝離強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，只有在適宜的粘結(jié)工藝下才能保證PTFE纖維織物襯墊與基體的結(jié)合強(qiáng)度[5]。

圖2 剝離強(qiáng)度測(cè)試示意圖

參照美國(guó)航空標(biāo)準(zhǔn)SAE-AS81820中自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承剝離試驗(yàn)的規(guī)定，制定本試驗(yàn)的剝離角度為140°±40°；剝離速度為19 mm/min；采集間隔為2 ms，剝離長(zhǎng)度為40 mm。剝離前進(jìn)行襯墊粘附度檢驗(yàn)，保證其90%緊緊粘附；剝離后進(jìn)行牢靠性檢驗(yàn)，不允許有外接圓直徑相當(dāng)于外圈寬度25%或6.35 mm(兩者中取小值)的未粘區(qū)域。按關(guān)節(jié)軸承粘結(jié)質(zhì)量試驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩類軸承隨機(jī)各抽取3個(gè)試樣，剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可以看出，國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口試驗(yàn)軸承的剝離強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值0.357 N/mm，表明試驗(yàn)軸承都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。但是，從表中可以明顯看出，國(guó)產(chǎn)軸承剝離強(qiáng)度均小于進(jìn)口軸承的剝離強(qiáng)度，表明進(jìn)口軸承的粘結(jié)質(zhì)量?jī)?yōu)于國(guó)產(chǎn)軸承。 圖3為剝離曲線圖，從中可以看出，國(guó)產(chǎn)軸承的剝離曲線起伏較大，出現(xiàn)襯墊與外圈內(nèi)球面粘結(jié)不均勻現(xiàn)象，表明其粘結(jié)質(zhì)量較差。而進(jìn)口軸承的剝離曲線較為平穩(wěn)，說明粘結(jié)較均勻，粘結(jié)質(zhì)量較好。故進(jìn)口軸承的粘結(jié)質(zhì)量?jī)?yōu)于國(guó)產(chǎn)軸承。

表1 剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 剝離曲線圖

2.2 摩擦磨損試驗(yàn)

關(guān)節(jié)軸承的主要失效形式是磨損失效，其摩擦副材料是影響摩擦、磨損性能的關(guān)鍵因素[6]，而摩擦磨損試驗(yàn)主要考核關(guān)節(jié)軸承摩擦副材料在使用過程中的摩擦學(xué)性能。基于此，本試驗(yàn)采用自制的高頻重載關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

1—齒輪箱；2—搖桿；3，4—主軸；5—熱電偶；6—軸承；7—百分表

試驗(yàn)方案：試驗(yàn)前對(duì)關(guān)節(jié)軸承加載至試驗(yàn)所需載荷18 kN(即接觸應(yīng)力52 MPa)，并靜壓保持15 min，然后再進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件為常溫，擺動(dòng)角度±10°(實(shí)現(xiàn)高頻擺動(dòng)的角度，符合SAE-AS 81819標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)擺動(dòng)角度)，接觸應(yīng)力為52 MPa，擺動(dòng)頻率為2 Hz，每次試驗(yàn)連續(xù)的擺動(dòng)次數(shù)為2.5×104次，利用扭矩傳感器、杠桿百分表和熱電偶對(duì)試驗(yàn)過程中的摩擦力矩、磨損量以及溫升的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，盡管國(guó)產(chǎn)軸承的摩擦因數(shù)、接觸表面溫度以及磨損量都略高于進(jìn)口軸承，但摩擦因數(shù)都小于JB/T 10860—2008規(guī)定的0.15，同時(shí)在試驗(yàn)過程中試樣均沒有發(fā)生異常聲或卡死現(xiàn)象；軸承接觸表面溫度也都小于JB/T 10860—2008規(guī)定的150 ℃ ；25 000次常溫?cái)[動(dòng)的磨損量也都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于JB/T 10860—2008規(guī)定的0.30 mm。這表明國(guó)產(chǎn)軸承的摩擦磨損性能與進(jìn)口軸承相當(dāng)，且均遠(yuǎn)好于國(guó)標(biāo)要求。

表2 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

2.3 承載性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)的主要目的是考核關(guān)節(jié)軸承的承載能力[7]，因向心自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承主要承受徑向載荷，故試驗(yàn)中僅對(duì)軸承施加徑向載荷，以考核其徑向承載能力。

關(guān)節(jié)軸承承載性能試驗(yàn)裝置如圖5所示，參照SAE-AS 81820標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行承載性能試驗(yàn)，表3是國(guó)產(chǎn)軸承與進(jìn)口軸承承載性能試驗(yàn)結(jié)果。

1—支撐軸；2—支撐夾具；3—加載夾具；4—關(guān)節(jié)軸承；5—千分表

表3 承載性能試驗(yàn)結(jié)果

在承載性能試驗(yàn)過程中，兩類關(guān)節(jié)軸承的套圈均沒有損壞，且其襯墊也沒有擠出現(xiàn)象。從表3知，兩類關(guān)節(jié)軸承的承載性能都滿足SAE-AS 81820標(biāo)準(zhǔn)要求。盡管國(guó)產(chǎn)軸承在達(dá)到極限載荷時(shí)的總變形量和永久變形量均大于進(jìn)口軸承，但從數(shù)值上看兩類軸承處在同一數(shù)量級(jí)，這說明國(guó)產(chǎn)軸承的承載性能已與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)。

3 結(jié)論

(1)進(jìn)口關(guān)節(jié)軸承的剝離強(qiáng)度、摩擦磨損性能以及承載性能三項(xiàng)指標(biāo)都略優(yōu)于國(guó)產(chǎn)關(guān)節(jié)軸承。

(2)國(guó)產(chǎn)關(guān)節(jié)軸承的襯墊粘結(jié)質(zhì)量、摩擦學(xué)性能以及承載性能還有待于進(jìn)一步提高。