濕熱對自潤滑關節軸承無載旋轉啟動力矩的影響

林晶，張令，李彥偉，趙穎春，焦志強

(中國航空綜合技術研究所，北京 100028)

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

1 試驗方案

選用結構尺寸相同的國內、外自潤滑關節軸承各6套，型號分別為GE8DEMIT(國產)和XRE8(國外)。結合軸承具體使用工況，參照GJB150A.9—2009設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，進行預處理；

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

(3)將試樣置于(25±5) ℃、相對濕度50%環境下恢復24 h。濕熱控制方案如圖1所示。

圖1 濕熱控制圖

2 旋轉啟動力矩的影響因素

2.1 濕熱環境

在濕熱環境下采用力矩測量儀對國內、外2個規格的自潤滑關節軸承無載旋轉啟動力矩進行了測量，其實測平均值如圖2所示。

圖2 國內、外軸承無載旋轉啟動力矩變化對比

由圖2可以看出，經預處理后，國內、外軸承的無載旋轉啟動力矩基本接近；但隨著在濕熱環境中時間的延長，國產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。國產軸承的最大值為0.097 N·m，與預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%。

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

2.2 襯墊尺寸及其質量

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

圖3 國內、外軸承質量變化對比

從圖3中可以看出，國內、外軸承在濕熱環境下的質量都隨著時間的增加而增加，其中國產軸承增加的絕對量比國外軸承略大。這說明在濕熱環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啟動力矩的關系，將2組數據放在一起，結果如圖4所示。

圖4 軸承襯墊吸水性與啟動力矩關系

從圖中可以看出，國內、外軸承的無載旋轉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，其尺寸會發生變化，從而改變了自潤滑關節軸承摩擦副之間的接觸力，進而增加了自潤滑關節軸承的無載旋轉啟動力矩。

3 機理分析

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

(1)

式中：T為無載旋轉啟動力矩；μ為摩擦因數；r為旋轉半徑；p為接觸應力；s為有效接觸面積。由此可知，無載旋轉啟動力矩同自潤滑關節軸承襯墊與內球的外表面所形成的摩擦副之間的摩擦因數、接觸應力以及有效接觸面積成正比。

3.1 無載旋轉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、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生改變，從而改變了摩擦副間的接觸力和有效接觸面積，導致無載旋轉啟動力矩改變。

圖5 襯墊橫截面掃描電鏡圖

3.2 國內、外軸承性能差異分析

由上述試驗可知，國內、外軸承襯墊的吸濕性相差不大，但襯墊吸濕后，國產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。

鑒于自潤滑關節軸承的結構特點，為了方便裝配，軸承外圈最初的形狀為一個圓柱筒，即其內表面為圓柱面。首先將襯墊粘結和固化在圓柱面上，然后裝入內球并進行合套擠壓，完成后外圈的圓柱面被擠壓成內球面。因此合套擠壓過程直接影響著關節軸承的性能，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，對軸承無載旋轉啟動力矩產生重大影響。

國內、外自潤滑關節軸承橫截面如圖6所示。由圖可知：國外軸承外圈弧度大，球面的形狀規則，外圈與內球之間的徑向間隙呈中間小兩側大，而國產軸承外圈弧度小，且球面形狀也不規則；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，而國產軸承在整個外圈球面上都與內球接觸。這使得國產軸承的有效接觸面積過大，導致啟動力矩對襯墊的尺寸改變敏感，這就是國內軸承較國外軸承對濕熱環境更敏感的原因。

圖6 自潤滑關節軸承橫截面圖

綜上所述，國產軸承在濕熱環境下無載旋轉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外，還與襯墊與外圈間的有效接觸面積有關，國產軸承有效接觸面積較國外軸承大，因此對濕熱環境更加敏感。自潤滑關節軸承的內球面由合套擠壓形成，內球面的最終形狀與擠壓工藝、擠壓參數等密切相關，說明目前我國該類軸承的合套擠壓技術與國外相比還有較大差距。

4 結論

(1)濕熱環境對國產自潤滑關節軸承的無載旋轉啟動力矩影響較大。隨著在濕熱環境中保持時間的延長，無載旋轉啟動力矩也隨之增加；而國外軸承在濕熱條件下無載旋轉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軸承濕熱條件下無載旋轉啟動力矩增大的重要因素。

(3)提高自潤滑關節軸承的合套擠壓技術和工藝水平，有效控制接觸面積，可改善軸承濕熱環境下的旋轉性能。