自潤滑關節軸承磨損性能研究

楊育林，房興明，吳峰

(燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

自潤滑關節軸承(以下簡稱軸承)由金屬內、外圈以及聚四氟乙烯(PTFE)/芳綸織物自潤滑襯墊組成，因具有摩擦因數小、無需補充潤滑劑等特點得以廣泛應用[1-2]。該類軸承的磨損主要是自潤滑襯墊的磨損，在低頻重載工況下，襯墊摩擦表面形成PTFE自潤滑膜，降低摩擦因數，減少磨損。襯墊磨損使軸承內部游隙變大，導致軸承在工作過程中出現振動，工作精度降低，最終導致軸承失效，因此，自潤滑關節軸承的壽命與磨損性能直接相關[3-4]。下文采用高精度的摩擦磨損試驗機研究了載荷、擺角及溫度對自潤滑關節軸承磨損性能的影響。

1 試驗方案

1.1 試件

試件選用16套XRA12型自潤滑關節軸承，外圈材料為硬化沉淀不銹鋼17-4 PH(硬度28～37 HRC)，內圈材料為9Cr18(硬度55～62 HRC)，內圈外表面進行鍍鉻和鈍化處理，襯墊為芳綸與PTFE纖維混合編織而成，軸承內圈內徑12 mm、內圈寬度10 mm、外圈外徑22 mm、外圈寬度9.2 mm、球徑18 mm。

1.2 磨損試驗

采用自制的航空自潤滑關節軸承服役性能評價試驗機進行磨損試驗，軸承擺動形式如圖1所示，外圈固定，內圈繞軸連續往復擺動。

圖1 軸承擺動示意圖

為研究不同工況下的軸承磨損性能，設計2組試驗工況，分別見表1與表2。

表1 常溫下自潤滑關節軸承磨損試驗條件

表2 不同環境溫度下自潤滑關節軸承磨損試驗條件

試驗前將試件加載到試驗載荷并保持20 min，以消除襯墊在試驗過程中可能出現的塑性變形干擾。通過安裝在軸承下方的位移傳感器實時檢測磨損量，并記錄磨損曲線直至軸承失效。在進行高、低溫環境下的磨損試驗時，為了使織物襯墊完全達到試驗溫度，需要使環境箱溫度達到設定值并保持2 h，開啟主軸擺動電動機進行試驗。試驗后，利用共聚焦顯微鏡觀察自潤滑襯墊表面，分析其各階段磨損形式。

2 試驗結果與分析

2.1 載荷、擺角對軸承磨損性能的影響

在常溫(25±5)℃下對軸承進行載荷與擺角的磨損試驗，磨損量曲線如圖2所示。由圖可知，當試驗載荷與擺動角度均較小時，軸承的磨損量很小，此時試驗系統的誤差對磨損量的變化影響較大，因此各階段磨損量的變化趨勢不明顯。

為方便觀察磨損試驗各階段損量的變化曲線，將圖2曲線的前10%部分磨放大，如圖3所示。由圖可知，軸承在磨損過程中達到失效磨損量0.11 mm之前分為2個階段：磨損初期的短時間內，軸承磨損嚴重，該階段為磨合磨損期；經過一段時間以后，自潤滑膜形成，磨損率下降，磨損曲線平緩，該階段為穩定磨損期，穩定磨損期磨損率是評價軸承磨損壽命的主要參數。

圖2 不同載荷、擺角下的磨損曲線

圖3 不同載荷、擺角下磨損曲線的局部放大圖

不同載荷和擺角下穩定磨損率(千次磨損量)如圖4所示。由圖可知，當載荷從10 kN增加到25 kN時(250%)，3種擺角下穩定磨損期磨損率分別增長37.29%，263.68%和79.85%；當載荷增加到40 kN時(400%)，增長率分別為457.70%，1 184.78%和1 677.31%；而當載荷增加到50 kN(500%)時，增長率分別為381.98%，11 446.06%和5 200.00%。在0.2 Hz的擺動頻率下，隨著載荷和擺角的增大，軸承磨損率隨其變化的敏感程度增加。

圖4 載荷、擺角對穩定磨損率的影響

由圖4還可看出，載荷、擺角β對軸承磨損性能的影響分為以下3個階段：

1)當β=5°時，穩定期磨損率隨著載荷的增大穩定增長，磨損率與載荷大致呈線性關系。

2)當β=50°時，磨損率對載荷和擺角變化的敏感度增加，載荷小于40 kN時，磨損率與載荷仍大致呈線性關系；載荷大于40 kN后，磨損率迅速增長，軸承磨損明顯加快。

3)當β=90°時，載荷小于25 kN時，磨損率隨載荷的增長比較穩定，磨損率與載荷大致呈線性關系；載荷大于25 kN后，磨損率迅速增大，載荷增至40 kN時，千次磨損量為46.21×10-3μm，載荷增大至50 kN時，千次磨損量為137.82×10-3μm，軸承失去自潤滑功能。

2.2 環境溫度對軸承磨損性能的影響

不同環境溫度下軸承的磨損曲線如圖5所示。由圖可知，當環境溫度為25 ℃時，軸承的耐磨性最好，25 000次擺動的磨損量為0.063 mm；在-54 ℃下軸承的耐磨性最差，25 000次擺動的磨損量為0.148 mm。在高溫163 ℃和低溫-25 ℃的環境下軸承25 000次磨損量均大于常溫25 ℃環境，但高溫比極端低溫的磨損量略小。

圖5 不同環境溫度下的磨損曲線

高、低溫均會對軸承磨損壽命產生影響，加劇軸承的磨損。不同環境溫度對軸承穩定磨損期磨損率的影響如圖6所示。由圖可知，-54 ℃時穩定磨損率為常溫(25 ℃)時的255.68%，163 ℃時的穩定磨損率為常溫下的202.77%。

圖6 溫度對穩定磨損率的影響

2.3 不同工況下軸承的磨損形式分析

磨損前襯墊表面形貌如圖7所示，在常溫、載荷25 kN、擺角50°工況下擺動25 000次后襯墊的表面形貌如圖8所示。由圖7可知，磨損前襯墊表面光滑，有一層透明的薄膜狀樹脂，樹脂層上呈現出在襯墊粘接固化時留下的壓痕；由圖8可知，襯墊表面樹脂層已被磨損，襯墊的編織紋路尚可分辨，表面大部分區域被黑色PTFE覆蓋。由此可知，在載荷Fr≤25 kN的工況條件下，襯墊表面耐磨性差的PTFE纖維在摩擦力的作用下磨損形成磨屑，其被擠壓填充至摩擦表面凹陷處，由于PTFE材料具有優良的摩擦性能，隨著表層的PTFE不斷增多，逐漸形成PTFE潤滑膜，阻止了內圈與襯墊的直接接觸，磨損過程緩慢且平穩，磨損形式主要為粘著磨損。

圖7 未磨損襯墊表面形貌

圖8 25 kN，50°擺角工況下襯墊磨損表面形貌

在常溫、載荷40 kN、擺角50°工況下擺動25 000次后的襯墊磨損表面形貌如圖9所示。由圖可以看出，磨損表面有明顯的犁溝，局部露出了外圈的金屬基體，發生了磨粒磨損。在重載和較高的摩擦速度下，過大的壓力使襯墊表面產生塑性變形，導致摩擦表面的自潤滑膜破裂，粘著磨損加劇，磨損形式為磨粒磨損和粘著磨損共同作用。

圖9 40 kN，50°擺角工況下襯墊磨損表面形貌圖

在常溫、載荷50 kN、擺角90°工況條件下失效后的軸承如圖10所示。由圖可知，襯墊在極端工況下被摩擦力撕裂成絮狀和塊狀并被大量擠出，隨著磨損時間的增長，襯墊材料完全消耗，導致內、外圈基體金屬接觸摩擦，內圈卡死，無法正常工作。

圖10 極端工況下軸承形貌

溫度對軸承磨損的影響主要發生在織物襯墊。低溫環境下，織物纖維及滲膠構成的表面凸起與內圈摩擦時，容易發生粘著轉移或犁削剝離，襯墊表面自潤滑膜難以形成，磨損較大；高溫環境下，襯墊物理性狀發生變化，表層出現軟化[5]，織物纖維更容易撕裂形成磨屑，磨損情況嚴重，高溫下粘接劑的粘接強度降低也是軸承磨損的原因之一。

3 結論

1)低載荷、小擺角的工況下，自潤滑關節軸承磨損形式為粘著磨損，穩定磨損率與載荷、擺角成正比。

2)高載荷、大擺角的工況下，軸承磨損形式為粘著磨損和磨粒磨損共同作用，穩定磨損率對載荷和擺角的敏感程度增大，工況極端惡劣時，襯墊大量擠出，軸承失去自潤滑功能。

3)在低溫和高溫環境里，軸承穩定磨損率為常溫環境的2倍以上，磨損性能大大降低。