關(guān)節(jié)軸承磨損性能試驗(yàn)研究進(jìn)展

邱月平，沈雪瑾

(上海大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化系，上海 200072)

關(guān)節(jié)軸承作為通用機(jī)械零件, 能滿足重載荷、長壽命要求，且具有轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、少維護(hù)、結(jié)構(gòu)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(yīng)用于工程機(jī)械、載重汽車、水利設(shè)施、軍工機(jī)械等方面[1-3]。關(guān)節(jié)軸承的主要失效形式是磨損，磨損使軸承內(nèi)部的游隙明顯增大，從而引起軸承支承部位的振動(dòng)和噪聲增加，使機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)變差，導(dǎo)致軸承不能正常工作。因此研究關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損壽命性能是一項(xiàng)基礎(chǔ)而又重要的工作[4]。

1 關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)的研究進(jìn)展

關(guān)節(jié)軸承的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)因幅度大而不同于微動(dòng)，也不同于普通的單向直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此關(guān)節(jié)軸承在擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)下的摩擦磨損性能研究逐漸受到人們的關(guān)注。目前評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)性能的試驗(yàn)機(jī)主要有2種：一種是以軸承為試驗(yàn)對(duì)象，把主軸設(shè)計(jì)成圓周方向旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，進(jìn)行軸承旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn);另一種則是以軸承材料的標(biāo)準(zhǔn)試塊為試驗(yàn)對(duì)象的直線往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[5]。

文獻(xiàn)[4，6-8]研制了關(guān)節(jié)軸承隨主軸做圓周方向旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的試驗(yàn)機(jī)，并能對(duì)一定尺寸的關(guān)節(jié)軸承做磨損試驗(yàn)。

文獻(xiàn)[4]研制了大中型關(guān)節(jié)軸承磨損壽命試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)采用液壓加載；擺動(dòng)系統(tǒng)采用液壓推動(dòng)齒條，帶動(dòng)主軸齒輪擺動(dòng)；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(yàn)機(jī)的參數(shù)為：被試關(guān)節(jié)軸承內(nèi)徑50～150 mm，擺動(dòng)角度+40°～-40°，擺動(dòng)頻率0～15 次/min，最大加載值1 000 kN。

向心關(guān)節(jié)軸承的運(yùn)動(dòng)形式一般是擺動(dòng)，所受的載荷主要是徑向載荷。文獻(xiàn)[6]按關(guān)節(jié)軸承在徑向載荷作用下做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)來設(shè)計(jì)，研制了新型關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。該試驗(yàn)機(jī)以整個(gè)關(guān)節(jié)軸承為試驗(yàn)對(duì)象，把關(guān)節(jié)軸承安裝在主軸上，電動(dòng)機(jī)通過皮帶帶動(dòng)減速器，再由曲柄、連桿和搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并利用螺紋的自鎖性實(shí)現(xiàn)無級(jí)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(nèi)部摩擦力的變化情況。該試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)參數(shù)為：被試關(guān)節(jié)軸承內(nèi)徑為15～50 mm，徑向載荷為0～98 kN，擺動(dòng)頻率為0～2.5 Hz，擺動(dòng)角度為20°～100°。

圖1 新型關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)工作原理圖

文獻(xiàn)[7]研制了E06-12型自潤滑桿端關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主軸擺動(dòng)，主軸帶動(dòng)裝配在主軸一側(cè)的2個(gè)試驗(yàn)頭在一定的空間范圍內(nèi)同步擺動(dòng)。試驗(yàn)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(nèi)圈，以使軸承試驗(yàn)條件與實(shí)際使用狀況相吻合的方法進(jìn)行磨損試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)參數(shù)為：試驗(yàn)軸承的內(nèi)徑尺寸為6～12 mm，單套試驗(yàn)軸承的最大載荷為9.8 kN，擺頻20～40 次/min，擺幅0°～±40°。

文獻(xiàn)[8]研制了可滿足各種載荷的大、中、小關(guān)節(jié)軸承測試需求的磨損試驗(yàn)機(jī)。該軸承磨損試驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)、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(jìn)行載荷和位移控制，扭轉(zhuǎn)部分通過伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)擺線針輪減速機(jī)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(jìn)行控制。磨損測量采用差動(dòng)變壓器式位移傳感器，測量試驗(yàn)過程中外圈相對(duì)于內(nèi)圈的徑向位移。計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線，并可存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。該試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)為：徑向載荷最大試驗(yàn)力分別為700，300和100 kN，擺動(dòng)角度±25°，擺動(dòng)頻率為1～15 次/min。

與關(guān)節(jié)軸承繞單軸做圓周方向旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)不同，文獻(xiàn)[9]研制了直升機(jī)自動(dòng)傾斜器球鉸自潤滑關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)采用2套空間四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)軸承在2個(gè)坐標(biāo)軸方向的任意擺動(dòng)；通過1套凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸的上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。以運(yùn)動(dòng)分解的方式獲得了關(guān)節(jié)軸承3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，采用可編程控制器及觸摸屏實(shí)時(shí)控制關(guān)節(jié)軸承在試驗(yàn)過程中的擺動(dòng)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(dòng)信號(hào)。該試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)為：最大載荷8 kN，最大頻率3 Hz，擺動(dòng)角度±9°。

此外，還有學(xué)者通過研制直線往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來研究自潤滑材料的性能，如文獻(xiàn)[10]中的試驗(yàn)機(jī)能夠通過六桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并用液壓機(jī)實(shí)現(xiàn)加載對(duì)自潤滑材料進(jìn)行試驗(yàn)，從而得出其摩擦、磨損性能。這為研制關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)提供了參考。

2 關(guān)節(jié)軸承磨損性能的影響因素

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

文獻(xiàn)[11]采用上海市軸承技術(shù)研究所研制的ZMS1500磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)織物類襯墊鋁合金自潤滑關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行磨損試驗(yàn)，該試驗(yàn)對(duì)內(nèi)徑尺寸為110和130 mm的關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行了擺角為25°、擺頻為10次/min、載荷為200～600 kN的擺動(dòng)磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用測長法測量磨損量, 即在試件內(nèi)、外套圈相對(duì)擺動(dòng)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(zhuǎn)換的方法, 對(duì)磨損量進(jìn)行連續(xù)測量。試驗(yàn)結(jié)果表明：凡是內(nèi)、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(nèi)、外球面滾道接觸良好, 即吻合度好, 接觸面積相對(duì)較大,因此,在相同載荷條件下單位面積上的壓強(qiáng)小, 磨損均勻, 故其磨損性能較好, 反之磨損性能則差。

文獻(xiàn)[12]研究了PTFE編織復(fù)合材料重載關(guān)節(jié)軸承的旋轉(zhuǎn)摩擦特性，采用自制的重載摩擦試驗(yàn)機(jī),在轉(zhuǎn)速為2.5 r/min時(shí)測試了PTFE編織復(fù)合材料關(guān)節(jié)軸承承載能力與摩擦系數(shù)的關(guān)系,以及摩擦的時(shí)間效應(yīng)。在承載為135 MPa時(shí),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(dòng)時(shí)間變化的關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)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(jī)理,在擺動(dòng)的過程中PTFE不斷被擠出,軸承自潤滑功能下降,導(dǎo)致編織基體材料發(fā)生磨損。

文獻(xiàn)[13]利用自制的高頻重載關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究了不同擺動(dòng)頻率和接觸壓強(qiáng)條件下PTFE/銅網(wǎng)復(fù)合材料襯墊關(guān)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(guān)節(jié)軸承襯墊的磨損表面并探討了其磨損機(jī)理。結(jié)果表明：在接觸應(yīng)力≤47.6 MPa時(shí)，擺動(dòng)頻率的升高對(duì)軸承的摩擦系數(shù)、磨損量和摩擦溫度影響較小；在接觸應(yīng)力>47.6 MPa時(shí)，隨著擺動(dòng)頻率的變化，軸承的摩擦系數(shù)、磨損量波動(dòng)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(dòng)頻率升高到4.8 Hz,摩擦過程產(chǎn)生的熱應(yīng)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(dāng)接觸應(yīng)力為95.2 MPa，擺動(dòng)頻率為1.2 Hz時(shí)，軸承襯墊表層材料磨損較為嚴(yán)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(dāng)擺動(dòng)頻率為4.8 Hz時(shí)，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(shí)會(huì)影響自潤滑關(guān)節(jié)軸承的力學(xué)性能。在重載條件下，軸承內(nèi)、外圈擺動(dòng)將在內(nèi)、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(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承自潤滑能力下降，進(jìn)而發(fā)生粘著磨損和磨粒磨損，導(dǎo)致軸承失效。

2.2 溫度

當(dāng)關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域時(shí)，溫度對(duì)自潤滑材料摩擦磨損特性的影響尤為明顯，因而溫度對(duì)關(guān)節(jié)軸承性能的影響也受到了廣泛的關(guān)注。

文獻(xiàn)[14]為研究低溫環(huán)境下PTFE的摩擦磨損屬性，進(jìn)行了環(huán)境溫度為8～77 K熱力學(xué)溫度下的盤銷磨損試驗(yàn)，結(jié)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(jī)械強(qiáng)度提高。

文獻(xiàn)[15]研究了速度、載荷、溫度對(duì)35%碳填充PTFE復(fù)合材料摩擦磨損特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過使軸承冷卻，載荷和速度對(duì)磨損的影響減少。因此，可以通過降低關(guān)節(jié)軸承的工作溫度來提高PTFE的磨損性能，進(jìn)而提高關(guān)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(guān)節(jié)軸承的使用性能和壽命，因此，為了得到關(guān)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(xiàn)[16]為了避免軸承鋼關(guān)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(shí)監(jiān)視軸承的摩擦、溫度以及磨損情況的SPBTM-Ⅱ型關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)對(duì)UG20和UC20X進(jìn)行了摩擦性能試驗(yàn)對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：不銹鋼關(guān)節(jié)軸承UC20X的壽命高于軸承鋼關(guān)節(jié)軸承UG20，這是因?yàn)椴讳P鋼材料的自適應(yīng)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(guān)節(jié)軸承的磨損性能和使用壽命。陶瓷基復(fù)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(qiáng)度、高剛度、低密度和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定特性， 也具有良好的減摩耐磨特性。

文獻(xiàn)[17]指出，CaF2在高溫下由脆性向塑性轉(zhuǎn)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(xué)作用也是具有潤滑性的重要原因。但是材料的力學(xué)、摩擦學(xué)性能并不一定隨固體潤滑劑含量的增加呈線性變化。

文獻(xiàn)[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(jié)果表明：當(dāng)CaF2含量為10%時(shí)，該材料具有較好的力學(xué)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(jī)理主要是磨粒磨損，很難形成較完整的潤滑膜，由于機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用，自潤滑膜在反復(fù)摩擦下產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致失效。

文獻(xiàn)[19]研究了采用熱壓工藝制備的石墨/ZTA自潤滑陶瓷基復(fù)合材料下的摩擦磨損特性。結(jié)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(fù)合材料的磨損過程中會(huì)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(xué)惰性、耐高溫等優(yōu)異性能。但PTFE也存在一些不足之處，如強(qiáng)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(dǎo)熱性差等，所以限制了PTFE在軸承中的應(yīng)用。為了使其能應(yīng)用在要求較高的場合，須對(duì)PTFE進(jìn)行適當(dāng)改性。添加填料就是一種簡單有效的方法。

文獻(xiàn)[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(jìn)行了載荷為5 N，滑動(dòng)速度為0.1 m/s，滑動(dòng)距離為5 km的磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(jìn)了B材料的耐磨性；對(duì)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(xiàn)[21]通過盤銷磨損試驗(yàn)，研究了在接觸應(yīng)力為6.4 MPa、滑動(dòng)速度為0.05 m/s時(shí)，具有填充納米氧化鋁顆粒的填充PTFE復(fù)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(xiàn)[22]進(jìn)行了純PTFE、玻璃纖維、青銅、碳填充PTFE復(fù)合材料與AISI 440C不銹鋼的磨損試驗(yàn)。結(jié)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(fù)合材料。

文獻(xiàn)[23]研究了單向碳/環(huán)氧復(fù)合材料所含PTFE條紋的寬度對(duì)關(guān)節(jié)軸承磨損系數(shù)的影響，進(jìn)行了滑動(dòng)速度為0.016 m/s、載荷為30 kN的盤銷磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(fù)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(fù)合材料的摩擦系數(shù)變成0.15～0.18。

文獻(xiàn)[24]為了研究各種襯墊材料(表1)對(duì)關(guān)節(jié)軸承磨損的影響進(jìn)行了磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(yàn)時(shí)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(guān)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(guān)節(jié)軸承使用壽命的關(guān)鍵。

3 結(jié)束語

對(duì)關(guān)節(jié)軸承的研究，在襯墊材料、摩擦磨損試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)機(jī)方面都已取得較大的成果。但是還存在一些問題，需要進(jìn)一步的研究和解決。

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

(2)目前關(guān)節(jié)軸承磨損性能試驗(yàn)多以關(guān)節(jié)軸承在單軸圓周方向做旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，或是以軸承材料的標(biāo)準(zhǔn)試塊為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這與關(guān)節(jié)軸承多軸擺動(dòng)的實(shí)際工況尚有差別，因此，研究模擬關(guān)節(jié)軸承真實(shí)工況的磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)關(guān)節(jié)軸承的發(fā)展有重大意義。

(3)關(guān)節(jié)軸承磨損性能試驗(yàn)主要集中在關(guān)節(jié)軸承的個(gè)性試驗(yàn)，對(duì)通用的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究較少。