剝離速度對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊剝離強(qiáng)度的影響

楊卓培，邱明，李迎春，胡仁松

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承以其長(zhǎng)壽命、高承載、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)在機(jī)械行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-4]，其實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑的主要途徑之一就是在外圈內(nèi)球面粘接一層自潤(rùn)滑襯墊。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的研究主要集中在如何提高軸承的摩擦磨損性能上[5-8]，而對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊粘接質(zhì)量的研究較少。自潤(rùn)滑襯墊的粘接質(zhì)量是評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)軸承性能的重要指標(biāo)，如果粘接質(zhì)量差，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中襯墊有可能脫落，使軸承喪失自潤(rùn)滑功能，甚至造成災(zāi)難性的后果。因此，有必要開(kāi)展自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊粘接性能的研究。剝離試驗(yàn)是檢測(cè)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊粘接質(zhì)量的重要方法，試驗(yàn)過(guò)程中表征粘接質(zhì)量的重要指標(biāo)是剝離強(qiáng)度，即襯墊剝離時(shí)單位寬度所能夠承受的最大載荷。實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同剝離速度下相同類型的試樣所測(cè)得的剝離強(qiáng)度有較大差別。鑒于此，分析了不同剝離速度對(duì)襯墊剝離強(qiáng)度的影響規(guī)律，為以后開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)提供借鑒。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)選用的試樣為GE40ET-2RS型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，結(jié)構(gòu)如圖1所示。自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈的材料為GCr15軸承鋼。先利用專用的編織設(shè)備將PTFE纖維與芳綸纖維編織成大塊的復(fù)合材料編織布，再沿同一方向裁剪(保證所有襯墊材料的一致性)所需襯墊，以富含芳綸纖維的一面作為粘接面，將其粘接到軸承外圈內(nèi)表面，然后將軸承放入80～100 ℃的恒溫箱中，保溫3～4 h，進(jìn)行固化處理。

圖1 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用INSTRON5944型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)以及自制的剝離夾具對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行剝離測(cè)試。自制的剝離夾具分為上、下2個(gè)部分，上夾具用來(lái)夾持軸承試樣的外圈，下夾具用來(lái)夾持襯墊。通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)自帶的力傳感器和光電位移傳感器記錄剝離過(guò)程的剝離載荷和剝離長(zhǎng)度，利用與試驗(yàn)機(jī)配套的Bluehill軟件對(duì)關(guān)節(jié)軸承剝離試驗(yàn)過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。

1.3 試驗(yàn)方法

剝離強(qiáng)度測(cè)試示意圖如圖2所示。試驗(yàn)前先將自制的剝離夾具安裝在電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上，然后將試樣外圈和襯墊的可夾持部分分別夾持在上、下夾具上。啟動(dòng)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，上夾具以一定的速度向上移動(dòng)，而下夾具固定不動(dòng)，從而逐漸將自潤(rùn)滑襯墊從軸承試樣上剝離下來(lái)。

圖2 剝離強(qiáng)度測(cè)試示意圖

根據(jù)美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)航空標(biāo)準(zhǔn)81820確定試驗(yàn)方案，試驗(yàn)過(guò)程中剝離角度(圖2)要求保持在140°±40°范圍內(nèi)，可夾持的襯墊長(zhǎng)度為80 mm，剝離總長(zhǎng)度約75 mm，以12.7～25.4 mm/min的剝離速度進(jìn)行剝離，每隔2 ms采集1個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]。

在試驗(yàn)過(guò)程中選取48個(gè)試樣，平均分成6組，每組8個(gè)試樣，分別以13.0，15.4，17.8，20.2，22.6和25.0 mm/min的剝離速度進(jìn)行試驗(yàn)。取每組8個(gè)試樣的平均剝離強(qiáng)度作為該組的剝離強(qiáng)度。

為減小因試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，利用Origin軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到剝離載荷曲線，對(duì)其進(jìn)行求積處理可得剝離載荷強(qiáng)度為

(1)

式中：C為剝離載荷曲線上單位高度所代表的載荷值，N/mm；S為剝離載荷曲線求積后的面積，mm2；L為襯墊的剝離長(zhǎng)度，mm；B為襯墊的寬度，mm。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)測(cè)得的剝離強(qiáng)度變化如圖3所示，由圖3可知，隨著剝離速度的提高，剝離強(qiáng)度不斷降低。剝離速度在13.0～17.8 mm/min和22.6～25.0 mm/min內(nèi)，剝離強(qiáng)度變化較大；而剝離速度在17.8～22.6 mm/min內(nèi)，剝離強(qiáng)度雖然有所降低，但相對(duì)穩(wěn)定。剝離速度為13.0 mm/min時(shí)的剝離強(qiáng)度比剝離速度為25.0 mm/min時(shí)的剝離強(qiáng)度高69%，總體上看，剝離強(qiáng)度變化顯著。

圖3 剝離強(qiáng)度隨剝離速度變化圖

不同剝離速度下襯墊的剝離載荷曲線如圖4所示。從圖中可以看出，隨著剝離速度的變化，剝離載荷有明顯變化，剝離速度越低，剝離所需載荷越大。剝離速度為13.0和15.4 mm/min時(shí)剝離載荷較大，且曲線波動(dòng)較大，當(dāng)其達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，剝離載荷的波峰值是波谷值的2.5～3倍，而剝離載荷變化不平穩(wěn)，容易將襯墊拉斷；剝離速度為 17.8，20.2，22.6 和25.0 mm/min 時(shí)，剝離載荷曲線較為平滑，其波峰值是波谷值的1.5～2倍，試驗(yàn)時(shí)剝離過(guò)程較為平穩(wěn)。

圖4 不同剝離速度下襯墊剝離曲線變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

1)在美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)航空標(biāo)準(zhǔn)81820規(guī)定的剝離速度范圍內(nèi)，隨著剝離速度的增大，剝離強(qiáng)度逐漸減小。

2)剝離速度為17.8～22.6 mm/min時(shí)，剝離強(qiáng)度較為穩(wěn)定。當(dāng)剝離速度小于17.8 mm/min時(shí)，剝離載荷曲線波動(dòng)較大；而當(dāng)剝離速度大于22.6 mm/min時(shí)，剝離強(qiáng)度太小，對(duì)比試驗(yàn)中效果不明顯。因此，進(jìn)行剝離試驗(yàn)時(shí)采用17.8～22.6 mm/min的剝離速度較為合適。