(1.上海市軸承技術研究所, 上海201801； 2.陸軍裝備部駐上海地區(qū)航空軍事代表室, 上海 200233)

圖1 自潤滑關節(jié)軸承示意圖Fig.1 Schematic diagram of self-lubricating joint bearing

自潤滑關節(jié)軸承具有結構簡單、承載能力大、可靠性高、免維護等優(yōu)點，其自潤滑的特點突破了傳統(tǒng)關節(jié)軸承的使用條件，能在不易維護的封閉部件內使用，可以承受較大的軸向和徑向載荷。試驗選擇EN3048S20型自潤滑關節(jié)軸承，軸承由內圈、外圈和自潤滑材料組成，內圈材料為G102Cr18Mo馬氏體不銹鋼，外圈材料為05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不銹鋼，如圖1所示。軸承的選材、結構設計等均滿足EN 3048：2001AerospaceSeries-Bearings,SphericalPlaininCorrosionResistingSteelwithSelf-LubricatingLiner-LightSeries;ElevatedLoadatAmbientTemperature;DimensionsandLoads的技術要求，但在EN 2755:2009AerospaceSeries-Bearings,SphericalPlaininCorrosionResistingSteelwithSelf-LubricatingLiner-ElevatedLoadatAmbientTemperature-TechnicalSpecification規(guī)定的軸向試驗載荷下進行軸向額定靜載荷試驗時，軸承永久變形量為0.15 mm，超出標準要求的0.12 mm,說明軸承承載能力未達到標準的要求。為找到軸承在進行軸向靜載荷試驗時變形量超過標準值的原因，筆者對其進行了分析[1-4]。

1 試驗方法

將自潤滑關節(jié)軸承根據(jù)圖2所示安裝在試驗機上，首先按其規(guī)定的軸向額定靜載荷17 kN的5%(約為0.85 kN)施加預加載荷，保持3 min，將測量指示表調整為零。以0.17 kN·s-1的速率逐步加載至17 kN，保持2 min,然后以相同的速率逐步減載直至預加載荷，記錄所產生的永久變形量。由試驗結果可知，自潤滑關節(jié)軸承EN3048S20的永久變形量為0.15 mm，遠遠大于標準允許值0.12 mm。

2 分析與討論

2.1 材料分析

根據(jù)軸承內、外圈材料的冷、熱加工規(guī)范，其顯微組織、硬度和尺寸均達到了設計要求。對承載的試驗過程及試驗工裝進行了復查，結果也完全滿足EN 2755:2009的設計的要求。進行了兩批次軸承的軸向靜載荷重復試驗，結果均超過標準值,因此對軸承的試驗過程進行有限元分析。

圖2 軸向靜載荷試驗安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of axial static load test

2.2 有限元分析

2.2.1 前處理

自潤滑關節(jié)軸承的前處理如圖3所示，首先建立自潤滑關節(jié)軸承的三維幾何模型，然后對該幾何模型劃分網(wǎng)格。有限元計算時采用20節(jié)點的Solid186六面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為0.8 mm，節(jié)點數(shù)為197 457，單元數(shù)為56 874。

圖3 自潤滑關節(jié)軸承有限元模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of finite element model of self-lubricating joint bearing:a) geometric model; b) mesh model

2.2.2 材料屬性

材料的力學性能參數(shù)是計算結構強度的必要條件，參數(shù)的合理性直接影響計算結果的準確性，因此對熱處理之后的關節(jié)軸承內、外圈材料進行單向靜載荷拉伸試驗，得到材料力學性能的測試結果如表1所示[5]。

表1 自潤滑關節(jié)軸承力學性能測試結果Tab.1 Test results of mechanical properties of self-lubricating joint bearing

2.2.3 約束及載荷條件

有限元分析的主要目的是模擬自潤滑關節(jié)軸承軸向靜載荷試驗，因此計算模型中的約束條件及載荷條件應與物理試驗保持一致。由圖2可知，軸承安裝在試驗機座孔中，因此軸承的約束及載荷條件如圖4所示。外圈外徑與試驗座接觸存在徑向約束，軸向位移自由,如圖4中A；軸向載荷作用在內圈頂部端面，如圖4中B；軸承外圈底部端面與試驗座接觸，軸向存在軸向位移約束,如圖4中C。

2.2.4 有限元模擬計算結果

有限元模擬計算結果如圖5所示?？芍S承內圈最大等效應力為992.78 MPa,小于其屈服強度1 500 MPa，受試驗座的反作用力，外圈的最大應力發(fā)生在底部與試驗座接觸的平面及倒角位置，軸承外圈最大等效應力為987.31 MPa,大于其屈服強度700 MPa，因此在試驗過程中軸承外圈會產生較明顯塑性變形，內圈基本不發(fā)生塑性變形，主要是由于外圈變形會帶來軸向位移。受軸向載荷作用，軸承內圈沿載荷方向的變形量最大為0.198 mm，而當軸承內圈發(fā)生總體變形時，對軸承外圈倒角部分造成擠壓，因此外圈的最大變形量發(fā)生在倒角處,即在17 kN的軸向載荷條件下的變形量為0.23 mm，大于標準對永久變形量0.12 mm的要求，可見軸向載荷下的永久變形主要是由于外圈變形引起的。

圖4 有限元分析的約束條件及載荷條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of constraint conditions and load conditions for finite element analysis:a) outer diameter constraint and axial load; b) end support constraint

圖5 自潤滑關節(jié)軸承有限元模擬計算結果Fig.5 Finite element simulation results of self-lubricating joint bearing：a) total deformation of assembly; b) equivalent stress of assembly; c) total deformation of inner ring;d) equivalent stress of inner ring; e) total deformation of outer ring; f) equivalent stress of outer ring

由此判斷，軸承軸向永久變形量大于標準值是因為外圈在試驗載荷下發(fā)生了較大的塑性變形，且受結構限制外圈承載能力不足，因此后續(xù)改進工作以提升外圈材料的強度為主要方向。

3 改進試驗與驗證

3.1 改進試驗

經(jīng)分析，軸向載荷試驗中軸承軸向平均壓力為192 MPa，外圈局部發(fā)生的最大應力為992.78 MPa，此軸承工況屬于軸向載荷偏大。熱處理是改善材料力學性能的一種方式，該EN3048S20軸承的外圈材料05Cr17Ni4Cu4Nb為沉淀硬化型不銹鋼，因此，熱處理采用固溶處理+620 ℃時效處理，通過降低外圈材料的時效溫度來提升外圈的承載能力。選擇480，550，580，620 ℃等4種時效溫度進行試驗來研究材料力學性能的變化，結果如表2所示。

表2 經(jīng)過不同時效處理后的外圈材料力學性能測試結果Tab.2 Test results of mechanical properties of outer ringmaterial after different aging treatment

可見，隨著時效溫度的降低，外圈材料的屈服強度和硬度顯著提高，480 ℃時效溫度下達到最高值，并超過了標準設計要求的28～37 HRC；在550，580，620 ℃時效溫度下，材料的斷后伸長率無明顯變化，為17%～18%，在480 ℃時效溫度時下降至13%，斷面收縮率降低，材料的韌性下降。

對4個時效溫度下的外圈材料進行金相檢驗，如圖6所示，可知480，550，580，620 ℃的顯微組織分別為回火馬氏體+彌散分布析出相+粒狀碳化物、回火索氏體+彌散分布析出相+粒狀碳化物、回火索氏體+彌散分布析出相+粒狀碳化物、回火索氏體+彌散分布析出相+粒狀碳化物。550，580，620 ℃ 3個時效溫度下的顯微組織差別不大，時效溫度為550 ℃時的顯微組織晶粒略細一些[6-10]。

綜上可見，550 ℃時效下獲得的材料，硬度和強度明顯提升，且滿足標準EN 2755：2009的要求，同時材料韌性下降不明顯，顯微組織變化不大，因此選用550 ℃時效工藝對軸承外圈材料進行優(yōu)化改進，加工成軸承進行軸向靜載荷試驗驗證。

3.2 試驗驗證

根據(jù)EN 2755：2009的要求對調整熱處理工藝后的軸承試樣進行軸向靜載荷試驗，結果表明軸承的外圈在相同載荷(17 kN)下，變形量從0.15 mm減少到0.08～0.09 mm，說明外圈的承載能力有了顯著提高，且能滿足標準和用戶的要求。

圖6 不同時效溫度下外圈材料的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of outer ring material at different aging temperatures

4 結論

外圈材料05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的綜合力學性能對窄外圈、承受較大軸向力的自潤滑關節(jié)軸承的影響較大。在EN 2755：2009要求的產品硬度范圍內，調整05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的時效溫度，為550 ℃時，有效提高了軸承外圈材料的硬度和強度，顯著提升了外圈材料在軸向靜載荷下抵抗變形的能力，使其符合EN 2755：2009的技術要求。