楊育林，房興明，吳峰

(燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承(以下簡(jiǎn)稱軸承)由金屬內(nèi)、外圈以及聚四氟乙烯(PTFE)/芳綸織物自潤(rùn)滑襯墊組成，因具有摩擦因數(shù)小、無需補(bǔ)充潤(rùn)滑劑等特點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用[1-2]。該類軸承的磨損主要是自潤(rùn)滑襯墊的磨損，在低頻重載工況下，襯墊摩擦表面形成PTFE自潤(rùn)滑膜，降低摩擦因數(shù)，減少磨損。襯墊磨損使軸承內(nèi)部游隙變大，導(dǎo)致軸承在工作過程中出現(xiàn)振動(dòng)，工作精度降低，最終導(dǎo)致軸承失效，因此，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的壽命與磨損性能直接相關(guān)[3-4]。下文采用高精度的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了載荷、擺角及溫度對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件

試件選用16套XRA12型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，外圈材料為硬化沉淀不銹鋼17-4 PH(硬度28～37 HRC)，內(nèi)圈材料為9Cr18(硬度55～62 HRC)，內(nèi)圈外表面進(jìn)行鍍鉻和鈍化處理，襯墊為芳綸與PTFE纖維混合編織而成，軸承內(nèi)圈內(nèi)徑12 mm、內(nèi)圈寬度10 mm、外圈外徑22 mm、外圈寬度9.2 mm、球徑18 mm。

1.2 磨損試驗(yàn)

采用自制的航空自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承服役性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，軸承擺動(dòng)形式如圖1所示，外圈固定，內(nèi)圈繞軸連續(xù)往復(fù)擺動(dòng)。

圖1 軸承擺動(dòng)示意圖

為研究不同工況下的軸承磨損性能，設(shè)計(jì)2組試驗(yàn)工況，分別見表1與表2。

表1 常溫下自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損試驗(yàn)條件

表2 不同環(huán)境溫度下自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前將試件加載到試驗(yàn)載荷并保持20 min，以消除襯墊在試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的塑性變形干擾。通過安裝在軸承下方的位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)磨損量，并記錄磨損曲線直至軸承失效。在進(jìn)行高、低溫環(huán)境下的磨損試驗(yàn)時(shí)，為了使織物襯墊完全達(dá)到試驗(yàn)溫度，需要使環(huán)境箱溫度達(dá)到設(shè)定值并保持2 h，開啟主軸擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)后，利用共聚焦顯微鏡觀察自潤(rùn)滑襯墊表面，分析其各階段磨損形式。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 載荷、擺角對(duì)軸承磨損性能的影響

在常溫(25±5)℃下對(duì)軸承進(jìn)行載荷與擺角的磨損試驗(yàn)，磨損量曲線如圖2所示。由圖可知，當(dāng)試驗(yàn)載荷與擺動(dòng)角度均較小時(shí)，軸承的磨損量很小，此時(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)的誤差對(duì)磨損量的變化影響較大，因此各階段磨損量的變化趨勢(shì)不明顯。

為方便觀察磨損試驗(yàn)各階段損量的變化曲線，將圖2曲線的前10%部分磨放大，如圖3所示。由圖可知，軸承在磨損過程中達(dá)到失效磨損量0.11 mm之前分為2個(gè)階段：磨損初期的短時(shí)間內(nèi)，軸承磨損嚴(yán)重，該階段為磨合磨損期；經(jīng)過一段時(shí)間以后，自潤(rùn)滑膜形成，磨損率下降，磨損曲線平緩，該階段為穩(wěn)定磨損期，穩(wěn)定磨損期磨損率是評(píng)價(jià)軸承磨損壽命的主要參數(shù)。

圖2 不同載荷、擺角下的磨損曲線

圖3 不同載荷、擺角下磨損曲線的局部放大圖

不同載荷和擺角下穩(wěn)定磨損率(千次磨損量)如圖4所示。由圖可知，當(dāng)載荷從10 kN增加到25 kN時(shí)(250%)，3種擺角下穩(wěn)定磨損期磨損率分別增長(zhǎng)37.29%，263.68%和79.85%；當(dāng)載荷增加到40 kN時(shí)(400%)，增長(zhǎng)率分別為457.70%，1 184.78%和1 677.31%；而當(dāng)載荷增加到50 kN(500%)時(shí)，增長(zhǎng)率分別為381.98%，11 446.06%和5 200.00%。在0.2 Hz的擺動(dòng)頻率下，隨著載荷和擺角的增大，軸承磨損率隨其變化的敏感程度增加。

圖4 載荷、擺角對(duì)穩(wěn)定磨損率的影響

由圖4還可看出，載荷、擺角β對(duì)軸承磨損性能的影響分為以下3個(gè)階段：

1)當(dāng)β=5°時(shí)，穩(wěn)定期磨損率隨著載荷的增大穩(wěn)定增長(zhǎng)，磨損率與載荷大致呈線性關(guān)系。

2)當(dāng)β=50°時(shí)，磨損率對(duì)載荷和擺角變化的敏感度增加，載荷小于40 kN時(shí)，磨損率與載荷仍大致呈線性關(guān)系；載荷大于40 kN后，磨損率迅速增長(zhǎng)，軸承磨損明顯加快。

3)當(dāng)β=90°時(shí)，載荷小于25 kN時(shí)，磨損率隨載荷的增長(zhǎng)比較穩(wěn)定，磨損率與載荷大致呈線性關(guān)系；載荷大于25 kN后，磨損率迅速增大，載荷增至40 kN時(shí)，千次磨損量為46.21×10-3μm，載荷增大至50 kN時(shí)，千次磨損量為137.82×10-3μm，軸承失去自潤(rùn)滑功能。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)軸承磨損性能的影響

不同環(huán)境溫度下軸承的磨損曲線如圖5所示。由圖可知，當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，軸承的耐磨性最好，25 000次擺動(dòng)的磨損量為0.063 mm；在-54 ℃下軸承的耐磨性最差，25 000次擺動(dòng)的磨損量為0.148 mm。在高溫163 ℃和低溫-25 ℃的環(huán)境下軸承25 000次磨損量均大于常溫25 ℃環(huán)境，但高溫比極端低溫的磨損量略小。

圖5 不同環(huán)境溫度下的磨損曲線

高、低溫均會(huì)對(duì)軸承磨損壽命產(chǎn)生影響，加劇軸承的磨損。不同環(huán)境溫度對(duì)軸承穩(wěn)定磨損期磨損率的影響如圖6所示。由圖可知，-54 ℃時(shí)穩(wěn)定磨損率為常溫(25 ℃)時(shí)的255.68%，163 ℃時(shí)的穩(wěn)定磨損率為常溫下的202.77%。

圖6 溫度對(duì)穩(wěn)定磨損率的影響

2.3 不同工況下軸承的磨損形式分析

磨損前襯墊表面形貌如圖7所示，在常溫、載荷25 kN、擺角50°工況下擺動(dòng)25 000次后襯墊的表面形貌如圖8所示。由圖7可知，磨損前襯墊表面光滑，有一層透明的薄膜狀樹脂，樹脂層上呈現(xiàn)出在襯墊粘接固化時(shí)留下的壓痕；由圖8可知，襯墊表面樹脂層已被磨損，襯墊的編織紋路尚可分辨，表面大部分區(qū)域被黑色PTFE覆蓋。由此可知，在載荷Fr≤25 kN的工況條件下，襯墊表面耐磨性差的PTFE纖維在摩擦力的作用下磨損形成磨屑，其被擠壓填充至摩擦表面凹陷處，由于PTFE材料具有優(yōu)良的摩擦性能，隨著表層的PTFE不斷增多，逐漸形成PTFE潤(rùn)滑膜，阻止了內(nèi)圈與襯墊的直接接觸，磨損過程緩慢且平穩(wěn)，磨損形式主要為粘著磨損。

圖7 未磨損襯墊表面形貌

圖8 25 kN，50°擺角工況下襯墊磨損表面形貌

在常溫、載荷40 kN、擺角50°工況下擺動(dòng)25 000次后的襯墊磨損表面形貌如圖9所示。由圖可以看出，磨損表面有明顯的犁溝，局部露出了外圈的金屬基體，發(fā)生了磨粒磨損。在重載和較高的摩擦速度下，過大的壓力使襯墊表面產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致摩擦表面的自潤(rùn)滑膜破裂，粘著磨損加劇，磨損形式為磨粒磨損和粘著磨損共同作用。

圖9 40 kN，50°擺角工況下襯墊磨損表面形貌圖

在常溫、載荷50 kN、擺角90°工況條件下失效后的軸承如圖10所示。由圖可知，襯墊在極端工況下被摩擦力撕裂成絮狀和塊狀并被大量擠出，隨著磨損時(shí)間的增長(zhǎng)，襯墊材料完全消耗，導(dǎo)致內(nèi)、外圈基體金屬接觸摩擦，內(nèi)圈卡死，無法正常工作。

圖10 極端工況下軸承形貌

溫度對(duì)軸承磨損的影響主要發(fā)生在織物襯墊。低溫環(huán)境下，織物纖維及滲膠構(gòu)成的表面凸起與內(nèi)圈摩擦?xí)r，容易發(fā)生粘著轉(zhuǎn)移或犁削剝離，襯墊表面自潤(rùn)滑膜難以形成，磨損較大；高溫環(huán)境下，襯墊物理性狀發(fā)生變化，表層出現(xiàn)軟化[5]，織物纖維更容易撕裂形成磨屑，磨損情況嚴(yán)重，高溫下粘接劑的粘接強(qiáng)度降低也是軸承磨損的原因之一。

3 結(jié)論

1)低載荷、小擺角的工況下，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損形式為粘著磨損，穩(wěn)定磨損率與載荷、擺角成正比。

2)高載荷、大擺角的工況下，軸承磨損形式為粘著磨損和磨粒磨損共同作用，穩(wěn)定磨損率對(duì)載荷和擺角的敏感程度增大，工況極端惡劣時(shí)，襯墊大量擠出，軸承失去自潤(rùn)滑功能。

3)在低溫和高溫環(huán)境里，軸承穩(wěn)定磨損率為常溫環(huán)境的2倍以上，磨損性能大大降低。