PTFE／銅網襯墊關節軸承的摩擦學性能研究

王國鋒，邱 明，郜志倫

（河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003）

自潤滑關節軸承作為一種球面滑動軸承，在旋轉擺動和傾斜擺動的機構中起著重要的作用，已廣泛應用于航空、航天、礦山和紡織等各類機械設備中［1-2］。自潤滑關節軸承的失效主要是因自潤滑材料的不斷磨損而失去自潤滑功能所致，故自潤滑材料的摩擦學性能是目前國內、外學者研究關節軸承的熱點。但是，目前所開展試驗的頻率普遍較低，一般不超過1 Hz，因而有必要在更高擺動頻率下對自潤滑關節軸承的摩擦學性能進行深入研究［3］。下文在擺動頻率為1.2，1.9，2.9，4.8 Hz；壓力為23.8，47.6，71.4，95.2 MPa和擺角±10°條件下測試了PTFE／銅網復合材料襯墊關節軸承的摩擦磨損性能，以期為高頻重載擺動條件下自潤滑關節軸承的研制提供試驗依據。

1 試驗材料

試驗所用關節軸承基本結構如圖1所示，基本尺寸為：內徑12 mm，外徑22 mm，內圈寬度10 mm，外圈寬度7 mm。軸承內圈材料為GCr15軸承鋼，外圈材料為20號鋼，襯墊為PTFE／銅網復合材料。

圖1 自潤滑關節軸承結構圖

2 試驗設備及試驗方法

試驗采用如圖2所示的自制關節軸承摩擦磨損試驗機。試驗方案參照SAE AS81819和SAE AS81820標準制定［4］，所有試驗均在室溫下進行，試驗前對關節軸承靜壓15 min，然后開機試驗，每次試驗軸承的擺動次數為25 000次。定義接觸壓力P為正壓力N除以摩擦副沿直徑軸截面上的投影面積S，即P＝N／S［5］。試驗采用扭矩傳感器、杠桿百分表和熱電偶實時記錄試驗過程中的扭矩值、線磨損量和摩擦溫度。具體試驗參數如表1所示。

圖2 關節軸承試驗機總體示意圖

表1 試驗參數

3 試驗分析

3.1 摩擦磨損分析

圖3a為試驗軸承在不同壓力條件下摩擦系數隨擺動頻率的變化規律?？梢钥闯觯诘徒佑|壓力（≤47.6 MPa）下，摩擦系數和磨損量較小且隨擺動頻率的升高出現小幅波動，說明擺動頻率對該軸承的摩擦、磨損影響較??；經過25 000次擺動，軸承摩擦面溫度上升幅度較小并保持在47℃左右，說明在此條件下軸承散熱較好。而在較高接觸壓力（＞47.6 MPa）下的摩擦系數和磨損量變化比較劇烈，且在2.9 Hz處出現拐點，磨損量達到最大，擺動過程中有大量黑色絮狀磨屑排出，此時襯墊表面PTFE和鉛粉混合物層剝落，在內圈和襯墊基體銅網之間發生嚴重的磨粒磨損，軸承進入磨損加劇階段［6］，磨損襯墊的三維表面粗糙度值也最大（表2）；同時，軸承溫升也加?。▓D4），當擺動頻率達到4.8 Hz時，積聚的熱量使將要脫落或者已脫落的襯墊磨屑發生了塑性變形，又由于銅本身具有良好的延展性，磨屑很容易嵌入并穩定在摩擦所產生的凹谷中［7］，從而使摩擦表面相對光滑，三維粗糙度值變小。

表2 不同條件下三維粗糙度參數算術平均偏差值（S a）與均方根偏差（S q）值（95.2 MPa）

圖3 摩擦系數和線磨損量隨擺動頻率變化的關系曲線

圖4 軸承溫升隨擺動頻率的變化曲線

3.2 磨損機理的探討

圖5為關節軸承在23.8 MPa-1.2 Hz，23.8 MPa-4.8 Hz，95.2 MPa-1.2 Hz和95.2 MPa-4.8 Hz時襯墊材料的掃描電鏡形貌。由圖5a可以看出，襯墊表層保存完好，基體材料銅尚未顯露出來，襯墊材料幾乎沒有遭到破壞，自潤滑性能依然良好；隨著擺動頻率升高到4.8 Hz，摩擦過程產生的熱應力以及摩擦面上的剪切拉伸引起聚合物表面龜裂［8］，并且發生塑性變形，甚至出現了剝落，說明此狀態下襯墊材料發生剝落磨損（圖5b）。當接觸壓力為95.2 MPa，擺動頻率為1.2 Hz時，軸承襯墊表層材料磨損較為嚴重，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；當擺動頻率為4.8 Hz時，襯墊表層材料已經磨完，表面有大量的附著顆粒。

圖5 PTFE編織物磨損表面形貌SEM照片

對接觸壓力23.8 MPa、擺動頻率1.2 Hz條件下試驗后的軸承襯墊材料進行能譜分析，如圖6所示。襯墊中含有大量的Fe，由于襯墊為PTFE／銅網復合材料，故這些鐵只可能由內圈轉移過來，襯墊發生粘著磨損，這也是襯墊潤滑失效的原因之一。

圖6 關節軸承的襯墊材料磨損表面SEM照片和EDS（1.2 Hz，23.8 MPa）

4 結論

（1）由摩擦磨損分析可知，該軸承適合在低接觸壓力（≤47.6 MPa）下工作，此時的摩擦系數、磨損量小且穩定。

（2）通過對襯墊摩擦面的SEM和EDS分析可知，摩擦磨損過程中襯墊材料發生了粘著磨損、磨粒磨損和剝落。