林晶，張令，李彥偉，趙穎春，焦志強(qiáng)

(中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028)

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、重量輕、承載大和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)工作壽命期間因不需要另外提供潤(rùn)滑介質(zhì)，可大幅度減少附加潤(rùn)滑裝置和維護(hù)費(fèi)用，因此廣泛應(yīng)用于飛機(jī)(包括直升機(jī))、發(fā)動(dòng)機(jī)等重要裝備。目前國(guó)內(nèi)、外對(duì)此已經(jīng)形成較為成熟的通用規(guī)范和技術(shù)體系。但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，一些軸承在濕熱環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)卡滯，甚至抱死的現(xiàn)象。因此，采用不同型號(hào)的國(guó)內(nèi)、外軸承進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以分析濕熱環(huán)境對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩的影響。

1 試驗(yàn)方案

選用結(jié)構(gòu)尺寸相同的國(guó)內(nèi)、外自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承各6套，型號(hào)分別為GE8DEMIT(國(guó)產(chǎn))和XRE8(國(guó)外)。結(jié)合軸承具體使用工況，參照GJB150A.9—2009設(shè)計(jì)的濕熱性能試驗(yàn)方案如下：

(1)將試驗(yàn)軸承在(45±5) ℃條件下干燥2 h以上，然后在(25±5) ℃、相對(duì)濕度50%的條件下放置24 h，進(jìn)行預(yù)處理；

(2)進(jìn)行每次24 h共5次的循環(huán)試驗(yàn)。60 ℃下16 h和30 ℃下8 h(包括轉(zhuǎn)換時(shí)間)，2種溫度條件下相對(duì)濕度均保持95%或稍大些，每次30 ℃和60 ℃之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)1.5 h；

(3)將試樣置于(25±5) ℃、相對(duì)濕度50%環(huán)境下恢復(fù)24 h。濕熱控制方案如圖1所示。

圖1 濕熱控制圖

2 旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩的影響因素

2.1 濕熱環(huán)境

在濕熱環(huán)境下采用力矩測(cè)量?jī)x對(duì)國(guó)內(nèi)、外2個(gè)規(guī)格的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩進(jìn)行了測(cè)量，其實(shí)測(cè)平均值如圖2所示。

圖2 國(guó)內(nèi)、外軸承無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩變化對(duì)比

由圖2可以看出，經(jīng)預(yù)處理后，國(guó)內(nèi)、外軸承的無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩基本接近；但隨著在濕熱環(huán)境中時(shí)間的延長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)軸承的啟動(dòng)力矩逐漸增大，且增加的幅度較大；而國(guó)外軸承的啟動(dòng)力矩則增加較小。國(guó)產(chǎn)軸承的最大值為0.097 N·m，與預(yù)處理后的啟動(dòng)力矩相比增加了308%，而國(guó)外軸承的最大值為0.033 N·m，只增加了60%。

無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩的增大，將會(huì)降低軸承的靈活性，使軸承內(nèi)圈的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響其正常的功能。

2.2 襯墊尺寸及其質(zhì)量

由于測(cè)量襯墊的尺寸變化十分困難，因此通過(guò)測(cè)量濕熱環(huán)境下軸承質(zhì)量的改變，來(lái)間接地研究襯墊的吸濕性對(duì)軸承無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩的影響。國(guó)內(nèi)、外軸承在不同時(shí)間質(zhì)量增加量平均值的比較如圖3所示。

圖3 國(guó)內(nèi)、外軸承質(zhì)量變化對(duì)比

從圖3中可以看出，國(guó)內(nèi)、外軸承在濕熱環(huán)境下的質(zhì)量都隨著時(shí)間的增加而增加，其中國(guó)產(chǎn)軸承增加的絕對(duì)量比國(guó)外軸承略大。這說(shuō)明在濕熱環(huán)境下軸承具有一定的吸濕性，且隨著時(shí)間的增加，其吸水量也在增加。

為了更直觀地分析襯墊的吸水量與無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩的關(guān)系，將2組數(shù)據(jù)放在一起，結(jié)果如圖4所示。

圖4 軸承襯墊吸水性與啟動(dòng)力矩關(guān)系

從圖中可以看出，國(guó)內(nèi)、外軸承的無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩均隨著吸水量的增加而增大。一般情況下，金屬材料的吸水量可以忽略不計(jì)，軸承質(zhì)量的增加絕大部分來(lái)自于襯墊的吸水。襯墊吸水后，其尺寸會(huì)發(fā)生變化，從而改變了自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承摩擦副之間的接觸力，進(jìn)而增加了自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩。

3 機(jī)理分析

該軸承的無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩是由自潤(rùn)滑襯墊與內(nèi)圈外球面形成的摩擦副之間的摩擦力矩形成的，其無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩的計(jì)算式為

(1)

式中：T為無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩；μ為摩擦因數(shù)；r為旋轉(zhuǎn)半徑；p為接觸應(yīng)力；s為有效接觸面積。由此可知，無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩同自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊與內(nèi)球的外表面所形成的摩擦副之間的摩擦因數(shù)、接觸應(yīng)力以及有效接觸面積成正比。

3.1 無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩改變的原因

自潤(rùn)滑襯墊由芳綸纖維和PTFE纖維編制而成[1-4]，然后浸潤(rùn)了酚醛樹(shù)脂或聚酰亞胺樹(shù)脂，國(guó)內(nèi)、外襯墊橫截面的掃描電鏡圖如圖5所示，從圖中可以看出，襯墊中樹(shù)脂含量較高。在濕熱環(huán)境下，襯墊中的纖維和樹(shù)脂，尤其是樹(shù)脂吸收了水分使尺寸發(fā)生改變，從而改變了摩擦副間的接觸力和有效接觸面積，導(dǎo)致無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩改變。

圖5 襯墊橫截面掃描電鏡圖

3.2 國(guó)內(nèi)、外軸承性能差異分析

由上述試驗(yàn)可知，國(guó)內(nèi)、外軸承襯墊的吸濕性相差不大，但襯墊吸濕后，國(guó)產(chǎn)軸承的啟動(dòng)力矩顯著增大，而國(guó)外軸承的變化較小。

由(1)式可知，啟動(dòng)力矩與摩擦副之間的有效接觸面積成正比，如果摩擦副之間的接觸壓力變化相同，但由于有效接觸面積不同，那么有可能使啟動(dòng)力矩出現(xiàn)較大的差異。有效接觸面積大時(shí)對(duì)襯墊尺寸的改變更加敏感，而有效接觸面積小時(shí)對(duì)尺寸的改變相對(duì)不敏感。

鑒于自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了方便裝配，軸承外圈最初的形狀為一個(gè)圓柱筒，即其內(nèi)表面為圓柱面。首先將襯墊粘結(jié)和固化在圓柱面上，然后裝入內(nèi)球并進(jìn)行合套擠壓，完成后外圈的圓柱面被擠壓成內(nèi)球面。因此合套擠壓過(guò)程直接影響著關(guān)節(jié)軸承的性能，控制不好就會(huì)改變襯墊與外圈間的接觸力、接觸面積和接觸位置，對(duì)軸承無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩產(chǎn)生重大影響。

國(guó)內(nèi)、外自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承橫截面如圖6所示。由圖可知：國(guó)外軸承外圈弧度大，球面的形狀規(guī)則，外圈與內(nèi)球之間的徑向間隙呈中間小兩側(cè)大，而國(guó)產(chǎn)軸承外圈弧度小，且球面形狀也不規(guī)則；國(guó)外軸承的有效接觸面積并不是整個(gè)外圈球面，只有一部分完全有效接觸，而國(guó)產(chǎn)軸承在整個(gè)外圈球面上都與內(nèi)球接觸。這使得國(guó)產(chǎn)軸承的有效接觸面積過(guò)大，導(dǎo)致啟動(dòng)力矩對(duì)襯墊的尺寸改變敏感，這就是國(guó)內(nèi)軸承較國(guó)外軸承對(duì)濕熱環(huán)境更敏感的原因。

圖6 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承橫截面圖

綜上所述，國(guó)產(chǎn)軸承在濕熱環(huán)境下無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩變化較大的主要原因，除與襯墊吸濕后尺寸改變有關(guān)外，還與襯墊與外圈間的有效接觸面積有關(guān)，國(guó)產(chǎn)軸承有效接觸面積較國(guó)外軸承大，因此對(duì)濕熱環(huán)境更加敏感。自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)球面由合套擠壓形成，內(nèi)球面的最終形狀與擠壓工藝、擠壓參數(shù)等密切相關(guān)，說(shuō)明目前我國(guó)該類(lèi)軸承的合套擠壓技術(shù)與國(guó)外相比還有較大差距。

4 結(jié)論

(1)濕熱環(huán)境對(duì)國(guó)產(chǎn)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩影響較大。隨著在濕熱環(huán)境中保持時(shí)間的延長(zhǎng)，無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩也隨之增加；而國(guó)外軸承在濕熱條件下無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩的變化相對(duì)較小。

(2)自潤(rùn)滑襯墊吸濕后尺寸改變、襯墊與外圈間的有效接觸面積是國(guó)產(chǎn)軸承濕熱條件下無(wú)載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩增大的重要因素。

(3)提高自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的合套擠壓技術(shù)和工藝水平，有效控制接觸面積，可改善軸承濕熱環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)性能。