銅基粉末冶金和青銅襯墊桿端關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)性能對(duì)比

占松華，呂桂森，邱明

(1.臺(tái)州科錦軸承有限公司，浙江 臺(tái)州 318050； 2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471003)

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承因其承載大、結(jié)構(gòu)緊湊，具有耐腐蝕、耐沖擊以及摩擦因數(shù)小的特點(diǎn)，在載重汽車、軍工機(jī)械及工程機(jī)械等領(lǐng)域[1-3]得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)的一些連接操縱系統(tǒng)、調(diào)節(jié)裝置以及耐高低溫的機(jī)械設(shè)備中，70%以上使用了自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承。在美國(guó)波音飛機(jī)的操縱傳動(dòng)系統(tǒng)中，其使用率幾乎達(dá)到了100%[4]。自潤(rùn)滑材料是影響自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承壽命的重要因素，因此，國(guó)內(nèi)、外學(xué)者[5-8]研究關(guān)節(jié)軸承的一個(gè)重要方面就是自潤(rùn)滑材料的摩擦學(xué)性能，但針對(duì)桿端關(guān)節(jié)軸承襯墊材料的摩擦學(xué)試驗(yàn)研究開(kāi)展的較少。

銅基粉末冶金襯墊是由銅粉、錫粉、鋅粉和鐵粉等經(jīng)混合、壓坯、燒結(jié)、精整和浸油處理制成，其主要優(yōu)點(diǎn)是自潤(rùn)滑性能良好、摩擦因數(shù)小，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成本低，便于制造和裝配，廣泛應(yīng)用在一些不方便添加潤(rùn)滑劑的工程機(jī)械中。青銅襯墊是錫磷青銅，由銅、錫、磷和鉛等化學(xué)成分組成，具有較高的強(qiáng)度和良好的耐腐蝕及耐磨性，其應(yīng)用同樣非常廣泛。下文利用自制的高頻重載桿端關(guān)節(jié)軸承擺動(dòng)摩擦、磨損試驗(yàn)機(jī)，在3 Hz和8 MPa條件下，試驗(yàn)對(duì)比襯墊材料的摩擦學(xué)性能及其微觀磨損機(jī)理，期望能為2種桿端關(guān)節(jié)軸承品質(zhì)的提高提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

圖1所示為試驗(yàn)選用的桿端關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)圖。基本尺寸為：內(nèi)徑16 mm，內(nèi)圈寬度21 mm，球徑28.575 mm，外徑40 mm，外圈寬度15 mm，M16的內(nèi)螺紋桿，深度28 mm，桿端長(zhǎng)度44 mm。

圖1 自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)在自制的桿端關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。參照J(rèn)B/T 10860—2008[9]確定試驗(yàn)方案和方法。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)被試軸承靜壓加載8 MPa(或3.4 kN)，15 min后再開(kāi)機(jī)進(jìn)行25 000次的擺動(dòng)試驗(yàn)。因?yàn)橐簤杭虞d系統(tǒng)比較穩(wěn)定，并且調(diào)壓方便，故試驗(yàn)選擇液壓系統(tǒng)加載方式。試驗(yàn)軸承的擺動(dòng)頻率為3 Hz，擺動(dòng)角度為±6°。采用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸擺動(dòng)頻率的無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)；通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)主軸擺動(dòng)，調(diào)節(jié)主軸的擺動(dòng)角度。利用扭矩傳感器和位移傳感器實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)軸承扭矩值和磨損量的在線檢測(cè)，采用無(wú)紙測(cè)溫儀實(shí)時(shí)記錄被試軸承的摩擦溫升。

1—減速電動(dòng)機(jī)；2—搖桿；3—主軸；4—扭矩傳感器；5—熱電偶；6—軸承；7—位移傳感器

1.3 結(jié)果與分析

桿端關(guān)節(jié)軸承的失效形式大部分是磨損失效，影響其摩擦磨損性能的關(guān)鍵因素是桿端關(guān)節(jié)軸承的襯墊材料。因此，分別進(jìn)行3組摩擦磨損試驗(yàn)，取其平均值來(lái)對(duì)比2種襯墊材料的摩擦學(xué)性能。圖3所示為關(guān)節(jié)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)25 000次后的摩擦因數(shù)、摩擦溫升和磨損量的柱狀圖。

圖3 2種襯墊軸承的摩擦因數(shù)、溫升和磨損量的柱狀圖

由圖3可以看出，青銅襯墊軸承運(yùn)轉(zhuǎn)25 000次后的摩擦因數(shù)、溫升和磨損量都高于銅基粉末冶金襯墊軸承，說(shuō)明銅基粉末冶金襯墊軸承的摩擦學(xué)性能優(yōu)于青銅襯墊軸承。根據(jù)JB/T 10860—2008要求可知：當(dāng)關(guān)節(jié)軸承摩擦副材料的摩擦因數(shù)大于0.25，關(guān)節(jié)軸承表面溫度大于150 ℃以及磨損量大于0.114 mm時(shí)，表明關(guān)節(jié)軸承已經(jīng)失效。由圖3可知，2種桿端關(guān)節(jié)軸承摩擦副材料的摩擦因數(shù)、摩擦溫升和磨損量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，說(shuō)明摩擦、磨損性能都能滿足JB/T 10860—2008的要求。

2 磨損機(jī)理分析

圖4所示為2種桿端關(guān)節(jié)軸承襯墊材料在擺動(dòng)頻率3 Hz，接觸壓力8 MPa條件下經(jīng)過(guò)25 000次擺動(dòng)后的SEM照片。

圖4 2種桿端關(guān)節(jié)軸承襯墊材料磨損表面SEM照片

由圖4a可以看出，銅基粉末冶金襯墊軸承的摩擦表面條紋比較完整，襯墊表面局部產(chǎn)生了犁皺和槽狀磨痕，說(shuō)明軸承發(fā)生了輕微的磨粒磨損。由圖4b可知，青銅襯墊軸承磨損表面有明顯的犁溝和槽狀磨痕，由于被裂縫破壞，襯墊表面的條紋呈現(xiàn)不連續(xù)狀,說(shuō)明大量的脫落顆粒在連續(xù)摩擦的作用下變成磨粒或磨屑，導(dǎo)致磨損表面發(fā)生嚴(yán)重疲勞剝落和脆裂，軸承發(fā)生了嚴(yán)重的磨粒磨損。

3 結(jié)論

(1) 在相同試驗(yàn)條件下，銅基粉末冶金襯墊軸承的摩擦因數(shù)、溫升和磨損量都小于青銅襯墊軸承，說(shuō)明銅基粉末冶金襯墊軸承的摩擦學(xué)性能優(yōu)于青銅襯墊軸承。

(2) 2種襯墊軸承的摩擦、磨損性能指標(biāo)都能滿足JB/T 10860—2008的要求。

(3) 通過(guò)對(duì)2種桿端關(guān)節(jié)軸承襯墊磨損面的SEM對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在3 Hz，8 MPa條件下，銅基粉末冶金襯墊軸承表現(xiàn)為輕微磨粒磨損，青銅襯墊軸承為嚴(yán)重磨粒磨損。