自潤滑關節軸承磨損壽命影響因素分析

李彥偉，林晶，趙穎春，宋超

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

自潤滑關節軸承是在關節軸承的內、外圈相對運動接觸表面覆蓋一層聚四氟乙烯（PTFE）等低摩擦因數的自潤滑材料，具有低摩擦、長壽命的特點［1-2］。

自潤滑關節軸承的壽命通常指磨損壽命，在壽命計算中，滑動表面的磨損是失效的基本判別依據。目前，國內外關于自潤滑關節軸承磨損壽命影響因素具有一些研究成果。文獻［3］研究了滑動距離、承受壓力、介質等對PTFE復合材料摩擦磨損特性的影響，但未開展裝在自潤滑關節軸承上的PTFE復合材料摩擦磨損特性影響因素研究；文獻［4］對自潤滑關節軸承的襯墊材料、擺動頻率和前處理方法等磨損壽命影響因素進行了研究，但未綜合考慮壓力、溫度等工作條件因素。為此，重點研究接觸應力、滑動速度、溫度等單因素對自潤滑關節軸承磨損壽命的影響規律及機理。

1 影響因素

目前國內普遍采用JB/T 8565—2010《關節軸承 額定動載荷與壽命》中的公式計算自潤滑關節軸承壽命

式中：ak為載荷特性壽命系數；aT為溫度壽命系數；ap為載荷壽命系數（主要與接觸應力有關）；av為滑動速度壽命系數；az為軸承質量與潤滑壽命系數；KM為與摩擦副材料有關的系數；Cd為額定動載荷；v為滑動速度；P為當量動載荷。

由（1）式可知，對于相同型號的自潤滑關節軸承，其磨損壽命的影響因素主要包括接觸應力、滑動速度和溫度。

2 試驗

2.1 試樣及試驗設備

將每個影響因素根據工作條件分為不同水平，在每種水平下分別對3套自潤滑關節軸承進行磨損壽命試驗，取其平均值作為試驗結果。試樣為XRA12自潤滑關節軸承（圖1），內徑為12 mm，外徑為22 mm；內圈材料為9Cr18不銹鋼，外圈材料為17-4PH不銹鋼。試驗設備采用自潤滑關節軸承低速擺動磨損壽命試驗機（圖2）。

圖1 自潤滑關節軸承Fig.1 Self-lubricating spherical plain bearing

圖2 自潤滑關節軸承低速擺動磨損壽命試驗機Fig.2 Low speed oscillation wear life tester for self-lubricating spherical plain bearing

2.2 試驗方法

按照ARP5448/3《Plain Bearing Low Speed Oscillation Test》進行試驗，試樣安裝在軸承座中，外圈與軸承座、內圈與芯軸之間的配合均為0～0.025 mm的間隙配合。將軸承座、試樣和芯軸安裝在試驗機上，夾緊內圈兩側面，通過徑向位移測量系統測量軸承襯墊磨損量。試驗環境溫度在規定溫度的±3℃范圍內。將接觸應力施加到軸承上，至少保持15 min，再將徑向位移測量系統清零。驅動內圈使其繞0°位置擺動至少±25°，直至25000個周期擺動結束，獲取最終的軸承襯墊磨損量。襯墊磨損量決定自潤滑軸承的壽命，磨損量越小，壽命越長。JB/T 8565—2010提出關節軸承滑動速度的計算公式為

式中：f為擺動頻率；β為擺角；dm為滑動球面公稱直徑。由此可知，當β和dm固定不變時，f和v成正比。擺動頻率對自潤滑關節軸承磨損壽命的影響反映了滑動速度對自潤滑關節軸承磨損壽命的影響，因此用擺動頻率代替滑動速度進行試驗。

3 結果與分析

3.1 接觸應力的影響

在擺動頻率1 Hz，溫度25℃，接觸應力分別為100，150，250 MPa下進行磨損壽命試驗。接觸應力對襯墊磨損量的影響曲線如圖3所示。由圖可知，自潤滑關節軸承的磨損量隨接觸應力的增大而增大，且接觸應力越大，磨損量越大，250 MPa下自潤滑關節軸承襯墊的磨損量約為100 MPa下的3倍。相應得到，自潤滑關節軸承磨損壽命隨接觸應力的增大而減小，接觸應力越大，壽命減小的速率越大。

圖3 接觸應力對襯墊磨損量的影響曲線Fig.3 Influencing curve of contact stress on wear extent of liner

接觸應力變化會影響自潤滑關節軸承的力學性能。接觸應力越大，內、外圈擺動將在接觸面產生更多的摩擦熱，使襯墊的變形和剝落更大，導致關節軸承自潤滑能力下降，進而發生，更嚴重的粘著磨損和磨粒磨損，導致軸承磨損嚴重，壽命減小。

3.2 擺動頻率的影響

在接觸應力150 MPa，溫度25℃，擺動頻率分別為0.2，1，2 Hz下進行磨損壽命試驗。擺動頻率對襯墊磨損量的影響曲線如圖4所示。由圖可知，自潤滑關節軸承襯墊的磨損量隨擺動頻率的增大而增大，且擺動頻率越大，磨損率越大，2 Hz擺動頻率時襯墊的磨損量為0.2 Hz擺動頻率的4.4倍。相應得到，自潤滑關節軸承磨損壽命隨擺動頻率的增大而減小，擺動頻率越大，壽命減小的速率越大。

圖4 擺動頻率對襯墊磨損量的影響曲線Fig.4 Influencing curve of oscillation frequency on wear extent of liner

在擺動過程中，擺動頻率增大，摩擦副滑動速度增大，使對偶面無法形成連續均勻的潤滑轉移膜，軸承的自潤滑效果差。隨著擺動頻率增大，摩擦副滑動速度增大，摩擦副接觸面的剪切應力增大，磨損過程中產生更大的熱應力且加重摩擦副對偶面上的剪切拉伸，加劇了摩擦副對偶面上潤滑轉移膜的脫落，形成大量的磨屑，從而引起自潤滑層表面龜裂，且發生塑性變形，甚至出現剝落，此狀態下襯墊材料發生更嚴重的粘著磨損，故加重了自潤滑關節軸承的磨損，導致軸承壽命減小。

3.3 溫度的影響

由于自潤滑關節軸承的使用溫度范圍為-54～163℃，所以取2個極限溫度進行試驗。分析試驗結果發現，高、低溫下自潤滑關節軸承的壽命均小于常溫下的磨損壽命，為此，增加0，100℃這2個溫度。

在接觸應力150 MPa，擺動頻率1 Hz，溫度分別為-54，0，25，100，163℃下進行磨損壽命試驗，溫度對襯墊磨損量的影響曲線如圖5所示。

圖5 溫度對襯墊磨損量的影響曲線Fig.5 Influencing curve of temperature on wear extent of liner

由圖可知，在低于常溫的范圍內，自潤滑關節軸承襯墊的磨損量隨溫度的升高而減小，且溫度越高，磨損率也越大，-54℃時的襯墊磨損量約為25℃的3倍。相應得到低于常溫的范圍內，自潤滑關節軸承磨損壽命隨溫度的升高而增大，溫度越高，壽命增大的速率越大。在高于常溫的范圍內，自潤滑關節軸承襯墊的磨損量隨溫度的升高而增大，但隨著溫度的升高，磨損率變化并不明顯，163℃時的襯墊磨損量約為25℃的1.5倍。相應得到高于常溫的范圍內，自潤滑關節軸承磨損壽命隨溫度的升高而減小，隨溫度的升高，軸承壽命減小的速率變化不明顯。

PTFE轉移膜屬于邊界潤滑模型，在低溫范圍內，隨著溫度的降低，PTFE轉移膜介質的運動黏度增大，磨損過程中在內、外圈接觸面間不易形成PTFE轉移膜，導致潤滑效果變差，所以在低于常溫的范圍內，自潤滑關節軸承磨損壽命隨溫度的增大而增大，溫度越大，壽命增大的速率越大。在高溫范圍內，隨著溫度的增加，PTFE轉移膜介質的密度減小，PTFE轉移膜的潤滑性能降低，自潤滑關節軸承的潤滑效果變差，并且隨著溫度的增加，襯墊厚度增大，在摩擦副對偶面上產生更大的剪切應力和熱應力，形成了較大的粘著磨損。

4 結論

1）自潤滑關節軸承磨損壽命隨接觸應力的增大而減小，接觸應力越大，壽命減小的速率越大。

2）自潤滑關節軸承磨損壽命隨擺動頻率的增大而減小，擺動頻率越大，壽命減小的速率越大。

3）在低于常溫的范圍內，自潤滑關節軸承磨損壽命隨溫度的增大而增大，溫度越大，壽命增大的速率越大；在高于常溫的范圍內，自潤滑關節軸承磨損壽命隨溫度的增大而減小，隨溫度的提高，軸承壽命減小的速率變化不明顯。

對于多個因素耦合條件下的自潤滑關節軸承磨損壽命情況有待進一步研究。