擠壓型鋁合金自潤滑關節軸承性能研究

王兆昌

(福建龍溪軸承(集團)股份有限公司，福建 漳州 363000)

PTFE織物自潤滑向心關節軸承具有結構緊湊、承載能力高、壽命長和免維護等特點。因此，廣泛應用于重載下具有自調心、擺動和旋轉運動的航空航天領域[1-2]。

目前，航空領域主要應用的PTFE織物自潤滑向心關節軸承是不銹鋼擠壓型。一些國家對低速擺動不銹鋼自潤滑向心關節軸承技術性能指標都有所規定[3-4]。隨著飛機輕量化設計的發展，采用高比強度的鋁合金替代不銹鋼制造內外圈成為航空PTFE織物自潤滑向心關節軸承技術發展趨勢[5-6]。因此，下文設計了擠壓型鋁合金自潤滑關節軸承，進行了徑向額定靜載荷試驗、軸向額定靜載荷試驗和徑向額定動載荷下的擺動摩擦磨損試驗，并與擠壓型不銹鋼自潤滑關節軸承的性能進行了對比試驗研究。

1 試驗軸承

1.1 試驗軸承設計

按照EN3048—2001《航空航天系列 室溫條件下高負荷、輕系列、帶自潤滑襯套的耐腐蝕剛關節軸承 尺寸和負載》對內孔φ12 mm軸承的尺寸要求，設計了試驗軸承EN3048-12-AL，其外形尺寸如圖1所示。考慮軸承承受重載，內外圈材料采用強度較高的7075鋁合金(T6態：固溶熱處理+人工時效，屈服強度不低于480 MPa)，外圈內球面粘貼PTFE織物自潤滑襯墊，采用擠壓技術使外圈包壓內圈成形。

圖1 軸承結構和外形尺寸

對比軸承為自制的不銹鋼自潤滑關節軸承EN3048-12-ST，尺寸和公差與EN3048-12-AL一致，內、外圈材料分別采用G102Cr18Mo和0Cr17Ni4Cu4Nb，襯墊采用和EN3048-12-AL同批的PTFE織物自潤滑襯墊，同樣采用擠壓成形技術。EN3048-12-AL和EN3048-12-ST技術要求見表1。

表1 試驗軸承套圈技術要求

鋁合金的承載強度低于不銹鋼，其硬質陽極氧化的表面硬度為400～500 HV[7]，不銹鋼鍍硬鉻層表面硬度高于850 HV[8]，這對軸承承載性能和摩擦磨損性能都有較大影響，為此，需進行強度計算和有限元分析校核，并按照EN2755—2009《航空航天系列 具有自潤滑軸套的球面防腐鋼軸承 室溫環境下高負荷 技術規范》的要求開展相關性能試驗。

1.2 試驗軸承強度

參照標準EN2755—2009，軸承的徑向額定靜載荷、軸向額定靜載荷和徑向額定動載荷見表2，按照文獻[9]中自潤滑關節軸承徑向和軸向靜載荷計算公式，換算出名義應力。由表可知，EN3048-12-AL選用的7075鋁合金(T6態)拉伸屈服強度(大于480 MPa)高于軸承名義應力，理論上是可靠的。

表2 軸承額定載荷和名義應力

1.3 有限元分析校核

1.3.1 建模

利用有限元軟件ABAQUS建立徑向載荷試驗分析模型和軸向載荷試驗分析模型，如圖2所示，分析軸承在各額定載荷(表2)下的Von Mises等效應力和接觸應力。試驗工裝(加載軸、加載套)材料采用GCr15。各材料的特性參數見表3。由于PTFE織物自潤滑襯墊是一種纖維和樹脂的復合材料，真正定義其屬性需要采用不同的本構方程，但目前國內外缺乏相關研究，襯墊的彈性模量和泊松比取值參考文獻[10]。

圖2 靜載荷試驗模型

表3 材料特性參數

網格劃分：采用C3D8R六面體減縮積分單元。

載荷與邊界條件：參照徑向和軸向靜載荷試驗裝置，當承受徑向載荷時，將載荷施加在加載套的上端面；當承受軸向載荷時，將載荷施加在加載軸(工裝)的上端面，底座的底面全約束。

接觸方式：將襯墊與外圈內球面的接觸方式定義為固連接觸方式 (Tie)；將襯墊與內圈外球面的接觸方式定義為各向同性庫倫摩擦模型(Penalty)，摩擦因數為0.05。

1.3.2 校核結果

EN3048-12-AL和EN3048-12-ST在46.4 kN徑向額定靜載荷下的Von Mises等效應力分布圖如圖3所示。由圖可知，內圈最大等效應力出現在與芯軸接觸的中間部位，外圈的最大等效應力出現在與內圈接觸的中間部位。內、外圈最大Von Mises等效應力見表4。由表可知，EN3048-12-AL內、外圈Von Mises最大等效應力均超出材料的屈服應力，EN3048-12-ST內、外圈均在屈服強度范圍內，下文將結合額定徑向靜載荷試驗，對2種材料的永久變形量進行對比，以確定鋁合金軸承的抗變形能力是否滿足要求。

圖3 徑向額定載荷下軸承Von Mises等效應力分布圖

表4 套圈的最大Von Mises等效應力 MPa

EN3048-12-AL和EN3048-12-ST在3.7 kN軸向額定靜載荷下Von Mises等效應力分布圖如圖4所示。由圖可知，內圈的最大等效應力出現在沿加載方向內孔圓柱面的下部，外圈的最大等效應力出現在沿加載方向外圈內球面下部。內、外圈最大Von Mises等效應力見表4，由表可知，2種軸承的等效應力均在屈服強度范圍內。

額定動載荷下軸承的摩擦磨損性能主要受內圈與襯墊的接觸應力影響。EN3048-12-AL和EN3048-12-ST在25.5 kN的徑向額定動載荷下內圈和襯墊接觸應力分布圖如圖5所示，由圖可知，EN3048-12-AL和EN3048-12-ST的最大接觸應力分別為411.8 MPa和382.1 MPa。

圖4 軸向額定載荷下軸承Von Mises等效應力分布圖

圖5 徑向額定動載荷下襯墊應力分布圖

2 性能試驗方法

軸承性能試驗方案見表5。用于每組試驗的2種軸承各3套，分別取3組實測值的平均值作為試驗結果。

表5 軸承性能試驗方案

2.1 徑向靜載荷試驗

試驗裝置如圖6所示。對試驗軸承施加5%的徑向靜載荷，保持3 min；測量儀表調零，以每秒1%規定載荷的加載速率施加載荷，直到規定載荷值，保持3 min，測量包括試驗工裝在內的最大變形量；以同樣的速率卸載到預載值，測量永久變形量。

1—芯軸；2—試驗軸承；3—加載套；4—試驗座

2.2 軸向靜載荷試驗

試驗裝置如圖7所示。對試驗軸承施加5%軸向靜載荷，保持3 min；測量儀表調零，以每秒1%規定靜載荷的加載速率加載到規定靜載荷值，保持3 min；以同樣的速率卸載荷到預載值，測量永久變形量。

圖7 軸向靜載荷試驗

2.3 徑向載荷下擺動摩擦磨損試驗

軸承安裝在試驗裝置如圖8所示。對試驗軸承施加規定的徑向載荷，保持15 min，測量儀器歸零，開始擺動試驗。試驗時，內圈從原點在±25°之間擺動(每周期擺動100°)，每分鐘擺動12周期(cpm)，總擺動周期為25 000次。試驗前測量軸承徑向游隙并進行標記，試驗后再測量徑向游隙，試驗前后游隙值之差為磨損量[11]。

1—試驗軸承；2—軸承座；3—支座；4—陪試軸承；5—頂塊；6—芯軸；7—位移傳感器

3 結果與分析

3.1 徑向靜載荷試驗結果

軸承徑向靜載試驗結果見表6。由表可知，在徑向額定靜載荷46.4 kN下，EN3048-12-AL在承載下最大變形量和卸載后永久變形量的平均值分別比EN3048-12-ST的大0.023 mm和0.010 mm，但均在EN2755標準要求的范圍內。

表6 徑向額定靜載荷試驗結果 mm

試驗中的最大變形量包括軸承變形量和工裝變形量。工裝強度較高，主要發生彈性變形；軸承在徑向承載下除了彈性變形還有永久變形。由表4可知，在46.4 kN的徑向額定靜載荷下，EN3048-12-ST內、外圈都不發生屈服，因此，在此載荷下軸承的永久變形主要是由PTFE織物自潤滑襯墊的變形所致；EN3048-12-AL內、外圈都發生塑性變形，此時軸承的永久變形量不僅包括PTFE織物自潤滑襯墊的變形量，也包括內、外圈的塑性變形量，因此，EN3048-12-AL的永久變形量大于EN3048-12-ST。

3.2 軸向靜載荷試驗結果

軸承軸向靜載試驗結果見表7。由表可知，在3.7 kN的軸向額定靜載荷下， EN3048-12-AL永久變形量平均值比EN3048-12-ST大0.019 mm，但仍滿足EN2755標準的要求。

表7 軸向額定靜載荷試驗結果 mm

由表4可知，在3.7 kN軸向載荷下，2種軸承的內外圈均不發生屈服，因此，軸承永久變形均由PTFE織物自潤滑襯墊的變形所致，EN3048-12-AL和EN3048-12-ST的永久變形量不同的原因可能是PTFE織物自潤滑襯墊的變形除了取決于襯墊材料的力學本構關系，與襯墊和金屬的接觸屬性也有很大關系，針對該變形機理后續還要進行深入研究。

3.3 徑向載荷下擺動摩擦磨損試驗結果

軸承在徑向載荷下的擺動摩擦磨損結果見表8。由表可知，在25.5 kN的徑向額定動載荷下，EN3048-12-AL的磨損量比EN3048-12-ST大0.011 mm，但仍在EN2755標準的要求內。

表8 徑向額定動載荷下擺動磨損量 mm

常溫下，PTFE織物自潤滑襯墊的減摩和耐磨性能與承載P(MPa)和平均滑動線速度V(mm/s)有關，通過計算PV值可評估PTFE織物自潤滑襯墊的適用性。在航空(低速重載)工況下，襯墊合理的PV值不超過2 500 MPa·mm/s[12-13]，PV值越小襯墊磨損率越小。參考徑向載荷下的最大接觸應力值，計算出軸承試驗PV值見表9。由表可知，EN3048-12-AL的PV值略大，磨損量也相對較大，這主要由于其硬質氧化膜表面硬度比EN3048-12-ST硬鉻層表面硬度低，導致徑向載荷下接觸變形不同。

表9 徑向載荷下擺動摩擦磨損試驗PV值

4 結論

1)在46.4 kN的徑向額定靜載荷下，EN3048-12-AL的最大變形量和永久變形量都比EN3048-12-ST的大，但仍能滿足EN2755標準要求。

2)在3.7 kN的軸向額定靜載荷下，EN3048-12-AL的永久變形量比EN3048-12-ST大，但仍能滿足EN2755標準要求。

3)PTFE織物自潤滑襯墊的摩擦磨損性能和PV值有關，線速度相同時，接觸應力越小，磨損率越小，耐磨性能越好。在25.5 kN徑向額定動載荷下，EN3048-12-AL擺動磨損量比EN3048-12-ST大，但仍能滿足EN2755標準要求。

由此可知，擠壓型鋁合金自潤滑關節軸承在常溫低速擺動工況下，完全可以替代擠壓型不銹鋼自潤滑關節軸承。