濕熱對自潤滑關(guān)節(jié)軸承無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩的影響

林晶，張令，李彥偉，趙穎春，焦志強

(中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028)

自潤滑關(guān)節(jié)軸承具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、重量輕、承載大和免維護等優(yōu)點，在整個工作壽命期間因不需要另外提供潤滑介質(zhì)，可大幅度減少附加潤滑裝置和維護費用，因此廣泛應(yīng)用于飛機(包括直升機)、發(fā)動機等重要裝備。目前國內(nèi)、外對此已經(jīng)形成較為成熟的通用規(guī)范和技術(shù)體系。但實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，一些軸承在濕熱環(huán)境下會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)卡滯，甚至抱死的現(xiàn)象。因此，采用不同型號的國內(nèi)、外軸承進行了試驗研究，以分析濕熱環(huán)境對自潤滑關(guān)節(jié)軸承無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩的影響。

1 試驗方案

選用結(jié)構(gòu)尺寸相同的國內(nèi)、外自潤滑關(guān)節(jié)軸承各6套，型號分別為GE8DEMIT(國產(chǎn))和XRE8(國外)。結(jié)合軸承具體使用工況，參照GJB150A.9—2009設(shè)計的濕熱性能試驗方案如下：

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

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

(3)將試樣置于(25±5) ℃、相對濕度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)境下采用力矩測量儀對國內(nèi)、外2個規(guī)格的自潤滑關(guān)節(jié)軸承無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩進行了測量，其實測平均值如圖2所示。

圖2 國內(nèi)、外軸承無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩變化對比

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

無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩的增大，將會降低軸承的靈活性，使軸承內(nèi)圈的運動受到阻礙，嚴(yán)重時可能會影響其正常的功能。

2.2 襯墊尺寸及其質(zhì)量

由于測量襯墊的尺寸變化十分困難，因此通過測量濕熱環(huán)境下軸承質(zhì)量的改變，來間接地研究襯墊的吸濕性對軸承無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩的影響。國內(nèi)、外軸承在不同時間質(zhì)量增加量平均值的比較如圖3所示。

圖3 國內(nèi)、外軸承質(zhì)量變化對比

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

為了更直觀地分析襯墊的吸水量與無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩的關(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力矩關(guān)系

從圖中可以看出，國內(nèi)、外軸承的無載旋轉(zhuǎn)啟動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，軸承質(zhì)量的增加絕大部分來自于襯墊的吸水。襯墊吸水后，其尺寸會發(fā)生變化，從而改變了自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦副之間的接觸力，進而增加了自潤滑關(guān)節(jié)軸承的無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩。

3 機理分析

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

(1)

式中：T為無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩；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，無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩同自潤滑關(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 無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩改變的原因

自潤滑襯墊由芳綸纖維和PTFE纖維編制而成[1-4]，然后浸潤了酚醛樹脂或聚酰亞胺樹脂，國內(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，襯墊中樹脂含量較高。在濕熱環(huán)境下，襯墊中的纖維和樹脂，尤其是樹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)致無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩改變。

圖5 襯墊橫截面掃描電鏡圖

3.2 國內(nèi)、外軸承性能差異分析

由上述試驗可知，國內(nèi)、外軸承襯墊的吸濕性相差不大，但襯墊吸濕后，國產(chǎn)軸承的啟動力矩顯著增大，而國外軸承的變化較小。

由(1)式可知，啟動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，那么有可能使啟動力矩出現(xiàn)較大的差異。有效接觸面積大時對襯墊尺寸的改變更加敏感，而有效接觸面積小時對尺寸的改變相對不敏感。

鑒于自潤滑關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)特點，為了方便裝配，軸承外圈最初的形狀為一個圓柱筒，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。因此合套擠壓過程直接影響著關(guān)節(jié)軸承的性能，控制不好就會改變襯墊與外圈間的接觸力、接觸面積和接觸位置，對軸承無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩產(chǎn)生重大影響。

國內(nèi)、外自潤滑關(guān)節(jié)軸承橫截面如圖6所示。由圖可知：國外軸承外圈弧度大，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，而國產(chǎn)軸承外圈弧度小，且球面形狀也不規(guī)則；國外軸承的有效接觸面積并不是整個外圈球面，只有一部分完全有效接觸，而國產(chǎn)軸承在整個外圈球面上都與內(nèi)球接觸。這使得國產(chǎn)軸承的有效接觸面積過大，導(dǎo)致啟動力矩對襯墊的尺寸改變敏感，這就是國內(nèi)軸承較國外軸承對濕熱環(huán)境更敏感的原因。

圖6 自潤滑關(guān)節(jié)軸承橫截面圖

綜上所述，國產(chǎn)軸承在濕熱環(huán)境下無載旋轉(zhuǎn)啟動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)，國產(chǎn)軸承有效接觸面積較國外軸承大，因此對濕熱環(huán)境更加敏感。自潤滑關(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)，說明目前我國該類軸承的合套擠壓技術(shù)與國外相比還有較大差距。

4 結(jié)論

(1)濕熱環(huán)境對國產(chǎn)自潤滑關(guān)節(jié)軸承的無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩影響較大。隨著在濕熱環(huán)境中保持時間的延長，無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩也隨之增加；而國外軸承在濕熱條件下無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩的變化相對較小。

(2)自潤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產(chǎn)軸承濕熱條件下無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩增大的重要因素。

(3)提高自潤滑關(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。