注塑改性尼龍桿端關節軸承的摩擦學性能

邱明， 梁霞, 李迎春

(1.河南科技大學 機電工程學院， 河南 洛陽 471003；2.機械裝備先進制造河南省協同創新中心， 河南 洛陽 471003)

注塑改性尼龍桿端關節軸承的摩擦學性能

邱明1,2， 梁霞1, 李迎春1

(1.河南科技大學 機電工程學院， 河南 洛陽 471003；2.機械裝備先進制造河南省協同創新中心， 河南 洛陽 471003)

利用自制的桿端關節軸承摩擦磨損試驗機，分別對碳纖維改性尼龍襯墊軸承以及聚四氟烯(PTFE)和碳纖維混合改性尼龍襯墊桿端關節軸承的摩擦因數、磨損量隨接觸應力的變化規律進行了分析，并采用掃描電子顯微鏡、能譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀對兩種軸承襯墊材料的磨損形貌和磨損機理進行了研究。結果表明：PTFE和碳纖維混合改性尼龍襯墊軸承的摩擦學性能較好，耐磨性得到顯著提高；PTFE和碳纖維混合改性尼龍的軸承襯墊發生了輕微的磨粒磨損和粘著磨損，而碳纖維改性尼龍軸承的襯墊則發生了較為嚴重的粘著磨損和磨粒磨損。

機械學； 桿端關節軸承； 尼龍； 摩擦； 磨損； 襯墊

0 引言

自潤滑桿端關節軸承是球面滑動軸承的一種，在旋轉和擺動機構中具有重要的作用，它通常由帶螺紋桿的軸承殼體、外球面的內圈及鑲嵌于外表面的自潤滑襯墊層組成，廣泛應用于航天、農業機械、鐵路和礦山冶金等領域[1]。注塑改性尼龍襯墊桿端關節軸承是一種自潤滑關節軸承，通過桿端關節軸承外圈上設置的注塑孔，利用注塑機可完成一次性注塑成型。尼龍的摩擦因數較低、力學性能穩定[2-4]，比其他塑料的結晶性高、自潤滑性好，是一種較理想的耐磨材料，常用于齒輪、軸承等傳動部件[5-7]。但是，普通尼龍的吸水性強、尺寸穩定性較差、韌性不高，通常通過添加纖維來改善尼龍的強度和耐磨性[8]。碳纖維和玻璃纖維是常用的兩種用于尼龍的改性劑[9-11]；而聚四氟乙烯(PTFE)具有韌性好、強度高、低摩擦等優點，是關節軸承潤滑層的理想材料[12-13], 因此，利用碳纖維、玻璃纖維和PTFE改性尼龍可以改善其摩學性能[14]。自潤滑桿端關節軸承的失效原因主要是自潤滑材料磨損加劇、導致失去自潤滑功能，因此自潤滑材料的摩擦學性能是近幾年國內外學者研究的熱點[15-17]。然而，針對桿端關節軸承尼龍襯墊材料的摩擦學性能試驗研究較少，本文針對兩種襯墊材料，利用自制的桿端關節軸承試驗機研究了7種接觸應力條件下襯墊材料的摩擦學性能和磨損機理，以期為提高桿端關節的軸承性能提供參考。

1 桿端軸承摩擦學性能試驗

1.1 試驗材料

試驗所用桿端關節軸承基本結構如圖1所示，基本尺寸為：內圈內徑8 mm，內圈寬12 mm，球徑15.875 mm，外圈外徑22 mm，外圈寬9 mm，桿端體為帶有左旋的M8 mm外螺紋，深25 mm，桿端長42 mm.

圖1 桿端關節軸承結構圖Fig.1 Structure diagram of rod end spherical plain bearing

每種類型桿端關節軸承在7種接觸應力下分別進行4次試驗，兩種類型桿端關節軸承的材料屬性如表1所示。

1.2 試驗設備

表1 不同注塑桿端關節軸承材料屬性

桿端關節軸承的摩擦學性能在自制的桿端關節軸承性能試驗機上進行，其結構如圖2所示。試驗時桿端關節軸承上所加的載荷通過液壓加載系統得到，施加在桿端關節軸承上的接觸應力通過計算得到，利用扭矩傳感器檢測摩擦力矩，摩擦因數μ根據換算公式由扭矩傳感器測得的扭矩值得到，換算公式如(1)式所示：

(1)

圖2 桿端關節軸承試驗機結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of rod end spherical plain bearing tester

式中：T為扭矩傳感器測得的扭矩值(N·mm)；N為正壓力(kN)；dk為桿端關節軸承的球徑(mm)。磨損量是桿端關節軸承磨損后的徑向線位移量，利用位移傳感器在線實時檢測。根據美國航空標準SAE-AS81820和SAE-AS81819制定的桿端關節軸承摩擦磨損性能試驗方案如下：1)試驗接觸應力：24.4 MPa(3 kN)、28 MPa(3.6 kN)、30.6 MPa(3.9 kN)、33.6 MPa(4.3 kN)、36.3 MPa(4.6 kN)、38.5 MPa(4.9 kN)、42 MPa(5.4 kN)；2)擺動方式為旋轉擺動；3)擺角±6°；4)擺動頻率2 Hz(試驗過程中擺動頻率恒定不變)。根據機械行業標準JB/T 8565—2010[18],施加在軸承上的接觸應力p由(2)式可以得到，

(2)

式中：P為當量動載荷；k為耐壓模數；Cr為徑向額定動載荷。

試驗前先將軸承裝入試驗機靜壓15 min，待襯墊變形量穩定后進行試驗，將扭矩傳感器和位移傳感器調整到工作狀態開機，檢測試驗過程并定時記錄摩擦力矩、磨損量參數，軸承擺動25 000次停機，每個試驗點重復測4次，取其平均值。

1.3 微觀分析

利用日本電子株式會社產JSM-5610LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析儀(EDS)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析自潤滑桿端關節軸承磨損后襯墊的微觀形貌和磨損機理，以及磨損襯墊表面的化學元素含量隨接觸應力的變化。

2 試驗結果與分析

2.1 摩擦因數與磨損量

通過分析試驗數據可知：隨著接觸應力的增加，桿端關節軸承的磨損逐漸惡化，兩種襯墊材料的軸承表現出不同的摩擦學性能，當擺動頻率為2 Hz時，摩擦因數、磨損量隨接觸應力的變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3 摩擦因數隨接觸應力的變化曲線Fig.3 Friction coefficient vs. load

圖4 磨損量隨接觸應力的變化曲線Fig.4 Wear loss vs. load

從圖3中可以看出，1號軸承的摩擦因數大于2號軸承，在接觸應力為38.5 MPa之后，1號軸承的摩擦因數增大的速率明顯高于2號軸承，說明2號軸承襯墊材料中PTFE的加入增加了軸承的自潤滑性。隨著接觸應力的增加，兩種軸承的摩擦因數先降低，當接觸應力增加到一定的值后，摩擦因數又隨之上升，這是因為碳纖維具有較好的減摩性能，利用碳纖維改性尼龍襯墊時軸承的摩擦因數隨接觸應力的增大而下降，當接觸應力繼續增大時，摩擦產生的熱量增多，使襯墊材料發生塑性變形、摩擦因數增大。

從圖4中可看出，在相同的接觸應力下，1號軸承的磨損量明顯高于2號軸承，隨著接觸應力的增大， 1號軸承的磨損量隨接觸應力的增大而增大，2號軸承的磨損量隨接觸應力的增大先減小、后增大。在接觸應力最大處，2號軸承的磨損量僅為26 μm，1號軸承為33 μm，說明PTFE的加入顯著提高了2號軸承的耐磨性。

2.2 磨損機理分析

圖5為兩種襯墊材料的桿端關節軸承在不同接觸應力下的磨損形貌。圖5(a)為接觸應力24.4 MPa時1號軸承襯墊磨損表面的SEM圖，從圖中可以看出，襯墊磨損表面出現了不連續的轉移膜，部分尼龍基體出現剝落現象、形成剝落坑，碳纖維與基體間出現較細的裂紋。當接觸應力增大到38.5 MPa時，如圖5(b)所示，部分碳纖維的末端暴露在基體表面，碳纖維與尼龍基體結合處出現了較大的裂紋，磨損表面的犁溝隨接觸應力的增大而變寬變大，在纖維周圍出現剝落坑，在剝落坑中部分纖維與基體已經脫落。從圖5(c)和圖5(d)可看出：2號軸承的磨損表面較光滑致密，纖維與基體之間結合較好，沒有出現裂紋或者脫落，如圖5(c)所示，部分纖維的末端受到輕微破壞，磨損表面有少量的磨痕和擦傷；當接觸應力增大到38.5 MPa時，如圖5(d)所示，磨損表面較粗糙，雖然纖維已遭到破壞，但纖維與基體之間仍結合較好。1號軸承襯墊材料在摩擦過程中，襯墊磨損表面的碳纖維發生松動，與尼龍基體的結合強度降低，因此1號軸承襯墊的磨損表面較粗糙，而2號軸承襯墊材料中加入了PTFE，使其在磨損表面形成轉移膜，減弱了襯墊磨損表面摩擦副之間的作用，從而提高了尼龍襯墊的摩擦學性能。此外，2號軸承的襯墊表面纖維與基體之間形成了良好的嵌接，與1號軸承襯墊磨損形貌相比，其機械嚙合強度明顯較高，結合磨損量曲線可知，隨著接觸應力增大磨損量顯著增加，這是因為接觸應力對尼龍塑料磨損的影響通過摩擦表面的溫度實現，隨著接觸應力的增加，襯墊在摩擦過程中產生的熱量迅速積累、溫度升高，使軸承襯墊的黏彈性對摩擦磨損性能的影響增強，從而導致摩擦因數升高。根據摩擦轉移理論，軸承襯墊在摩擦過程中不斷被磨去，向襯墊對偶面轉移，最終造成磨損量增加[19]。

圖5 不同桿端關節軸承襯墊材料的磨損表面SEM照片(擺動頻率2 Hz，放大200倍)Fig.5 SEM micrographs of worn surfaces of liners of different rod end spherical plain bearings(f=2 Hz，200×)

圖6 兩種襯墊材料桿端關節軸承磨損表面能譜圖(擺動頻率2 Hz,接觸應力38.5 MPa)Fig.6 EDSs of worn surfaces of two kinds of liners(f=2 Hz, p=38.5 MPa)

為了進一步分析自潤滑桿端關節軸承在不同接觸應力下的磨損機理，對軸承襯墊表面進行了能譜分析，圖6為兩種襯墊材料的桿端關節軸承在接觸應力為38.5 MPa、擺動頻率為2 Hz條件下的能譜分析，表2為兩種襯墊磨損后的元素含量隨接觸應力的變化。從圖6(a)可以看出，1號軸承襯墊經過磨損后，磨損表面出現了Fe元素，軸承發生了磨粒磨損和粘著磨損；從圖6(b)可以看出，2號軸承襯墊磨損表面出現了F元素和少量Fe元素，說明軸承襯墊表面存在起潤滑作用的PTFE轉移膜。在同一工況條件下，1號軸承襯墊磨損表面的Fe含量明顯高于2號軸承，說明1號軸承磨損后襯墊上粘附了較多的從桿端關節軸承內圈外表面上轉移過來的Fe顆粒，表明1號軸承襯墊表面發生了較為嚴重的粘著磨損，Fe顆粒在摩擦剪切作用下轉移到襯墊磨損表面的纖維縫隙中，進而產生了磨粒磨損，導致1號軸承的摩擦學性能較差；而2號桿端關節軸承襯墊磨損表面Fe含量較低，表明2號軸承發生了輕微的粘著磨損和磨粒磨損，PTFE的存在形成了轉移膜，提高了軸承的耐磨性。從表2可以看出，隨著接觸應力的增大，襯墊磨損表面中Fe元素含量表現出增多的趨勢，而C、N和F元素含量減少，對于1號軸承，當接觸應力從24.4 MPa增大到38.5 MPa時，軸承襯墊磨損表面的Fe含量從0.25%增加到0.63%，升高了152%，而2號軸承襯墊磨損表面的Fe含量從0.22%增加到0.44%，升高了100%，襯墊表面的Fe含量反映了摩擦副之間發生磨粒磨損的程度，Fe含量越高，說明有越多的Fe作為硬質顆粒參與到襯墊與內圈的摩擦過程中，結合圖5軸承襯墊磨損表面的SEM照片可知，1號軸承磨損較嚴重，2號軸承襯墊磨損表面光滑平整。綜上所述可知，桿端關節軸承摩擦副之間的磨損包括粘著磨損和磨粒磨損，隨著接觸應力的增大，粘著磨損作用減小、磨粒磨損作用顯著。

表2 不同接觸應力下兩種桿端關節軸承襯墊磨損表面元素的變化(擺動頻率2 Hz)

圖7 不同軸承襯墊表面磨損前后的FTIR圖Fig.7 FTIR diagram of worn surfaces of liners of different rod end spherical plain bearings before and after wear

圖7(a)中表征CH2彎曲振動產生的1 455 cm-1峰與1 495 cm-1峰，二者的峰高比不同，1 455 cm-1與1 495 cm-1的峰高比分別是：未磨損時為0.982，磨損后為0.976. 在摩擦過程中，(CH2)n鏈部分斷裂，襯墊表面磨損后峰高比變化較大，說明襯墊磨損后(CH2)n的斷裂更多[21]，進而引起磨損加重。圖7(b)中3 304 cm-1代表N—H的伸縮振動峰，其對分子間的氫鍵反應敏感[22]，在此位置上，3 304 cm-1峰和3 434 cm-1峰兩位置的波形發生了變化，說明在摩擦作用下尼龍分子間的氫鍵減弱，導致磨損量增大。

3 結論

1)在試驗條件下，與碳纖維改性尼龍襯墊軸承相比，PTFE和碳纖維混合改性尼龍襯墊軸承的摩擦學性能得到了提高，尤其耐磨性的提高最為顯著。

2)由襯墊磨損表面的微觀分析可知，PTFE和碳纖維混合改性尼龍的軸承襯墊材料中，纖維與基體之間形成了良好的嵌接，機械嚙合強度較高，桿端關節軸承的摩擦學性能較好。

3)PTFE和碳纖維混合改性尼龍的軸承襯墊發生了輕微的磨粒磨損和粘著磨損，碳纖維改性尼龍軸承的襯墊則發生了較嚴重的粘著磨損和磨粒磨損。

4)在軸承的襯墊與軸承的內圈外表面的摩擦過程中，尼龍分子中(CH2)n骨架產生了部分斷裂，這也是磨損量增高的原因之一。

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TribologicalPropertiesofRodEndSphericalPlainBearingswithModifiedInjectionMoldingNylon

QIU Ming1，2, LIANG Xia1， LI Ying-chun1
(1.School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan, China;2.Collaborative Innovation Center of Machinery Equipment Advanced Manufacturing of Henan Province, Luoyang 471003, Henan, China)

Two kinds of rod end spherical plain bearings are tested on a tribo-tester, of which the nylon liners are reinforced by carbon fibers as well as by carbon fibers and PTFE, respectively, and their friction coefficients and wear depths at different contact pressures are investigated. With the help of a scanning electron microscope (SEM), an energy dispersive spectrometer (EDS) and a Fourier transform infrared spectrometer, the microstructures and wear mechanisms of two rod end spherical bearings are compared and analyzed. Experimental results show that the tribological properties of the bearings with the nylon liners reinforced by carbon fibers and PTFE are optimal, and their wear resistances are significantly improved. Slight adhesive wear and abrasive wear occurred on the worn surfaces of the liners reinforced by carbon fibers and PTFE, and severe adhesive wear and abrasive wear occurred on the worn surfaces of theliners reinforced by carbon fibers.

mechanics； rod end spherical plain bearing; nylon; friction; wear; liner

2017-01-19

國家自然科學基金項目(51275155)

邱明(1969—)，女，教授，博士生導師。E-mail: qiuming69@126.com

TH133.31+3

A

1000-1093(2017)10-2075-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.10.026