粉末冶金含油軸套在裝載機(jī)上的應(yīng)用研究

侯國清，馬蓉

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

裝載機(jī)工作裝置各鉸接點(diǎn)一般采用銷軸和軸套配合結(jié)構(gòu)形式，二者材料均為合金鋼，表面熱處理硬度為55～60HRC。工作裝置作業(yè)時(shí)，銷軸是重要的承載件，銷軸、軸套相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使其接觸部位存在很大的摩擦力。由于高載荷下反復(fù)運(yùn)行，潤滑脂的內(nèi)部骨架易被壓潰失去潤滑作用，一旦潤滑脂加注不及時(shí)，接觸部位會(huì)出現(xiàn)異常磨損或異響情況，尤其在中、大型裝載機(jī)更為突出[1]。同行業(yè)中，采用一些自潤滑軸套例如銅套、鋼基石墨軸套、鋅鋁合金軸套能很好地解決異響問題，因成本太高，很難在裝載機(jī)上廣泛應(yīng)用。近年來，粉末冶金含油軸套因耐磨性、抗沖擊、抗咬合以及強(qiáng)度等各方面性能優(yōu)良[2]，再加上性價(jià)比高，在中、小型挖掘機(jī)動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸部位和部分鉸接部位廣泛應(yīng)用并代替銅套，而粉末冶金含油軸套在重載工況下的服役性能研究較少。探討粉末冶金含油軸套的承載能力、耐磨性、可靠性以及耐久性是否可應(yīng)用到中大型裝載機(jī)上，解決中、大型裝載機(jī)工作裝置鉸接點(diǎn)銷軸與軸套異常磨損和異響問題。

1 粉末冶金含油軸套的組織和力學(xué)性能

粉末冶金含油軸套的主要加工工藝為：粉末混合，壓型，高溫?zé)Y(jié)，熱處理，真空浸油，機(jī)加工。粉末冶金含油軸套的主要成分：Cu：13%～18%，Cr+Ni+Mo≤2，C：1%左右，其余為Fe和微量添加劑。

用4%硝酸酒精溶液腐蝕，粉末冶金含油軸套的金相組織如圖1所示?；w為回火馬氏體，白色組織為游離態(tài)的銅，灰黑色部位為孔隙儲(chǔ)存了潤滑脂，孔隙大小幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米。粉末冶金含油軸套的基體組織為回火馬氏體，確保了軸套的強(qiáng)度和耐磨性。軸套內(nèi)的存在若干微米級(jí)孔隙用于儲(chǔ)存潤滑油，當(dāng)摩擦副溫度升高，軸套內(nèi)表面滲油有利于潤滑。游離態(tài)的銅具有良好的自潤滑效果。

圖1 金相組織

按照國標(biāo)《GB/T 6804燒結(jié)金屬襯套 徑向壓潰強(qiáng)度的測(cè)定》《GB/T 5163含油密度和含油重量》《GB/T 6525燒結(jié)金屬材料室溫壓縮強(qiáng)度的測(cè)定》《GB/T 5163燒結(jié)金屬材料（不包括硬質(zhì)合金）可滲性燒結(jié)金屬材料密度、含油率和開孔率的測(cè)定》等要求檢測(cè)粉末冶金含油軸套的相關(guān)性能參數(shù)見表1。

表1 粉末冶金含油軸套性能參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

為了加快驗(yàn)證軸套的耐磨性能，按照銷軸、軸套實(shí)際服役過程，設(shè)計(jì)了一套銷軸、軸套摩擦磨損試驗(yàn)裝置?；舅悸窞椋狠S套壓入軸座里，銷軸穿入軸套并固定在軸座上，設(shè)定載荷施加在軸套上進(jìn)而傳遞到銷軸上，試驗(yàn)臺(tái)帶動(dòng)軸套反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度：±55°。試驗(yàn)臺(tái)加載載荷譜如圖2，即運(yùn)行高載荷3次，運(yùn)行低載荷3次為試驗(yàn)臺(tái)一次工作循環(huán)，相當(dāng)于裝載機(jī)工作裝置完成3次鏟裝作業(yè)。

圖2 載荷譜

銷軸尺寸：直徑90 mm，長度210 mm。銷軸材料為40Cr，調(diào)質(zhì)+表面感應(yīng)淬火，表面硬度為56HRC左右。軸套尺寸：外徑104 mm，內(nèi)徑90 mm，長度110 mm。鋼套材料為20CrMnTi，滲碳淬火表面硬度59HRC左右。為對(duì)比粉末冶金含油軸套與鋼套在早期服役過程中的性能差異，開展了四組臺(tái)架試驗(yàn)，具體方案見表2。四組試驗(yàn)均在試驗(yàn)前充分加注潤滑脂，過程中不再加注。試驗(yàn)運(yùn)行12萬次，相當(dāng)于整機(jī)工作500 h。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

四組試驗(yàn)的前12萬次加載運(yùn)行總次數(shù)、異響情況、摩擦系數(shù)見表3。根據(jù)試驗(yàn)運(yùn)行情況，裝鋼套的第二、四組大致可分為四個(gè)階段：磨合期、平穩(wěn)期、間歇性異響期和持續(xù)異響期。裝粉末冶金含油軸套第一組僅經(jīng)歷了磨合期和平穩(wěn)期。第三組僅經(jīng)歷了磨合期和持續(xù)異響期。由于銷軸、軸套表面均存在加工刀痕留下凸起部分，因此四組試驗(yàn)初期都經(jīng)歷了磨合期。

表3 12萬次試驗(yàn)運(yùn)行情況

第一組試驗(yàn)在前12萬次試驗(yàn)和后續(xù)的14000次載荷逐級(jí)增加的試驗(yàn)中均未出現(xiàn)異響，前12萬次經(jīng)歷了磨合期和平穩(wěn)期，磨合期摩擦系數(shù)從0.12逐步下降到0.1進(jìn)入平穩(wěn)期。12萬次的增加載荷試驗(yàn)中，摩擦系數(shù)與載荷關(guān)系如圖3所示。載荷為65 MPa時(shí)，摩擦系數(shù)出現(xiàn)最小值，判斷此時(shí)進(jìn)入平穩(wěn)期，摩擦系數(shù)下降。載荷為70 MPa時(shí)，摩擦系數(shù)上升到0.12，再次進(jìn)入平穩(wěn)期，摩擦系數(shù)保持不變。載荷為80 MPa～90 MPa時(shí)，進(jìn)入磨合期摩擦系數(shù)與載荷呈線性關(guān)系。載荷為95 MPa第三次進(jìn)入平穩(wěn)期，摩擦系數(shù)略有下降。粉末冶金含油軸套經(jīng)過12萬次50 MPa載荷運(yùn)行，從60 MPa逐級(jí)遞增到95 MPa下運(yùn)行各2000次均無異響，表明粉末能短時(shí)間承受較高的載荷而不出現(xiàn)異響。

圖3 第一組增加載荷試驗(yàn)

第二組試驗(yàn)，磨合期運(yùn)行第10次出現(xiàn)異響，繼續(xù)運(yùn)行摩擦系數(shù)由0.1上升到0.15，然后下降到0.09進(jìn)入平穩(wěn)期，平穩(wěn)期無異響。平穩(wěn)期潤滑脂能夠形成有效油膜，對(duì)銷軸、軸套其到良好的潤滑作用。當(dāng)隨著運(yùn)行次數(shù)增加潤滑脂逐漸被破壞，銷軸、軸套出現(xiàn)干磨，運(yùn)行到63724次時(shí)開始出現(xiàn)間隙性的異響，摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，最大值達(dá)到0.22。該階段以粘著磨損為主，銷軸和軸套接觸表面出現(xiàn)一些突起硬質(zhì)物，摩擦系數(shù)增加[3]，出現(xiàn)銷軸異響。持續(xù)運(yùn)行銷軸、表面突起硬質(zhì)物被磨損，摩擦系數(shù)變小，異響消失。由于過程中不加注潤滑脂，銷軸、軸套干磨，摩擦系數(shù)反復(fù)波動(dòng)，整體呈上升的趨勢(shì)。當(dāng)運(yùn)行到102587次時(shí)，摩擦系數(shù)上升到0.23，出現(xiàn)持續(xù)異響。

第三組試驗(yàn)，高載荷和低載荷均比第一組大，僅運(yùn)行5004次時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重異響，其摩擦系數(shù)與運(yùn)行次數(shù)的關(guān)系如圖4。運(yùn)行次數(shù)2469次之前摩擦系數(shù)穩(wěn)定，2469次以后摩擦系數(shù)呈線性增加趨勢(shì)。當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到0.39時(shí)，銷軸嚴(yán)重異響。

圖4 第三組粉末冶金含油軸套試驗(yàn)

第四組試驗(yàn)，高載荷和低載荷均比第二組大，整體運(yùn)行的情況與第二組相似，載荷加大，使平穩(wěn)期相對(duì)縮短，運(yùn)行次數(shù)減少。

四組試驗(yàn)銷軸、軸套的平均磨損量、最大磨損量如圖5。試驗(yàn)后銷軸、軸套照片如圖6所示。第一組銷軸表面光滑，第二組銷軸表面磨損嚴(yán)重，兩組試驗(yàn)銷軸平均磨損量、軸套平均磨損量、軸套的最大磨損量相差不大，但第一組的銷軸的最大磨損量比第二組小很多。即50 MPa服役載荷下粉末冶金含油軸套表現(xiàn)的性能明顯優(yōu)于鋼套。第三組試驗(yàn)軸套平均磨損以及最大磨損均比第四組大，說明粉末冶金含油軸套初始載荷75 MPa，粉末冶金含油軸套表面材料容易脫落粘附到銷軸表面上而導(dǎo)致銷軸異響[3]，從圖6（d）可看出銷軸表面上粘附粉末冶金含油軸套脫離的顆粒物。對(duì)比第一組12萬次的載荷增加試驗(yàn)以及第四組的試驗(yàn)可以看出，初始載荷的大小對(duì)早期的磨合階段至關(guān)重要。初始載荷過大，容易導(dǎo)致粉末冶金含油軸套表面脫落而出現(xiàn)異響。

圖5 磨損量對(duì)比（mm）

圖6 試驗(yàn)結(jié)束銷軸、軸套照片

4 裝機(jī)驗(yàn)證

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合裝載機(jī)工作載荷，在額定載荷為5 t、6 t的裝載機(jī)工裝裝置所有鉸接點(diǎn)部位應(yīng)用粉末冶金含油軸套試裝100臺(tái)套。試裝機(jī)分別在采石場(chǎng)、水泥攪拌站、沙場(chǎng)、港口等常用工作場(chǎng)合進(jìn)行鏟裝作業(yè)。跟蹤最長工作時(shí)間達(dá)5000多小時(shí)，平均工作時(shí)間達(dá)1500 h，未出現(xiàn)銷軸異常磨損和異響的情況。其中，對(duì)一臺(tái)額定載荷5 t的裝載機(jī)工作3464 h拆檢，銷軸和軸套表面光滑如圖7，銷軸外徑基本不變，軸套內(nèi)表面磨損0.15 mm左右。裝機(jī)驗(yàn)證結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合性。

圖7 粉末冶金含油軸套工作3646h拆檢

5 結(jié)論

綜上分析，得出以下結(jié)論：

（1）粉末冶金含油軸套在50 MPa載荷下具有良好的可靠性和耐久性，粉末冶金含油軸套含油能承受短時(shí)間的超負(fù)荷載荷，很好地解決了銷軸異響問題。

（2）初始載荷對(duì)粉末冶金含油軸套性能影響很大，持續(xù)在初始載荷75 MPa下運(yùn)行，軸套表面金屬脫落并粘附在銷軸表面上，進(jìn)而導(dǎo)致銷軸異響。

（3）選用時(shí)粉末冶金含油軸套應(yīng)充分考慮實(shí)際工況的載荷大小。