自润滑杆端关节轴承的摩擦性能研究

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自润滑关节轴承作为-种球面滑动轴承，在旋转摆动和倾斜摆动的机构中起着重要作用，已广泛收稿 日期 ：基金项 目：作者简介：应用于航天航空、工农业机械、矿山冶金 、纺织化工 、印刷、制药、铁路、汽车、船舶、军用机械等领域 。

自润滑杆端关节轴承通常是由-个带螺纹杆的轴承壳体、空心球状的内圈和-个镶嵌于外表面的自润2012 -O6-l9国家自然科学基金项 目(51275155)；河南受出青年基金项 目(114100510002)；河南省高衅技创新团队支持计划项 目(13IRTSTHN025)邱明(1969-)，女，教授，博士生导师。E-mail：qiuming69###126.tom第 6期 自润滑杆端关节轴承的摩擦性能研究 755滑衬垫层组成。据不完全统计，我国近年来引进的机械设备中，凡属连接操纵系统、调节装置及要求抗污染、耐高低温、在真空诚传递力或力矩的设备中，70%以上采用了自润滑杆端关节轴承。尤其值得-提 的是：美国波音公司制造 的波音 737型、747型、757型和法 国生产的海豚、超黄峰飞机的操纵传动系统，采用自润滑杆端关节轴承几乎达到了100% u4. 自润滑杆端关节轴承的失效多数是由于自润滑材料磨损加剧而失去自润滑功能所致，故自润滑材料的摩擦学性能是目前国内外学者研究关节轴承的热点 。 。然而，针对杆端关节轴承衬垫材料，尤其是尼龙衬垫材料的摩擦学试验研究国内外学者开展的较少。因此，本文针对 3种常用衬垫材料和 1种新型尼龙衬垫材料的杆端关节轴承 ，利用自制的高频重载杆端关节轴承摆动摩擦磨损试验机 ，研究了 4种摆动频率条件下衬垫材料 的摩擦学性能及其磨损机理，期望能为国内杆端关节轴承产品质量的提高提供参考。

1 试验部分1.1 试验材料试验所用杆端关节轴承基本结构如图 1所示，基本尺寸为：内圈内径 616 mm，内圈宽 21 mm，球径628.575 mm，夕 圈夕 径 4，4o mm，夕 圈宽 15 mm，M16的内螺纹杆，深 28 mm，杆端长44 mm。

外圈内圈衬垫图 1 杆端关节轴承结构示意图Fig.1 Structure diagram of rod end spherical plain bearing每种类型衬垫轴承在 4种摆动频率下分别做3次试验，取平均值，共计试验轴承48套。4种类型衬垫杆端关节轴承 由浙江台州科锦轴承有限公司提供 ，其材料属性如表 1所示。

1.2 试验设备及方法试验采用的自制杆端关节轴承摩擦磨损试验机如图2所示。利用扭矩传感器、杠杆百分表和热电表 1 不同杆端关节轴承材料属性Tab.1 Material properties of diferent rod endspherical plain bearings偶，对试验过程中摩擦力矩、磨损量以及摩擦温度的变化 进行 实 时 记 录。参 照 SAE AS81819和 SAEAS81820美国军用标准对试验方案制定如下：1)摆动频率分别为 1.5 Hz、2.0 Hz、2.5 Hz、3.0 Hz；2)摆动方式为旋转摆动；3)摆动角度 ±6。；3)轴承所受载荷压力 16 MPa。

试验过程如下：1)将轴承装入试验机静压 15 min；2)将扭矩传感器、杠杆百分表等测试部分调整到工作状态准备开机；3)检测整个试验过程并定时记录摩擦力矩、磨损量、摩擦温度参数 ；4)轴承摆动次数为25 000次。

图2 杆端关节轴承试验机总体示意图Fig.2 Schematic diagram of testing machine for rodend spherical plain bearing试验时 ，杆端关节轴承所承受的载荷是通过液压加载系统而得到，因为液压加载系统比较稳定，并且调压方便。由(1)式可得施加在杆端关节轴承上的接触压力P ， ㈩ - - L 1式中：p 为液压加载系统压力；S为杆端关节轴承外圈宽度与球径的乘积；S 为液压缸加载端面的面积。

本试验利用机械式测微杠杆百分表全程在线测量轴承摆动过程中衬垫磨损后轴承径向的线位移量，在杆端关节轴承进行加载前，将杠杆百分表的指针放在杆端关节轴承底部的平面上。并通过 EN880型756 兵 工 学 报 第34卷数字无纸记录仪与热电偶-端连接，热电偶另-端放置于经过加工的关节轴承外圈端面的凶中，该孔位于杆端关节轴承内、外圈摩擦面的正下方，孔径1.2 mm，深 8 mm，试验轴承的加载及测量部位如图 3所示。

图 3 试验轴承 的加载及测量Fig.3 Load and measurement of test bearing2 试验结果分析通过分析试验数据可知：随着摆动频率的增加，杆端关节轴承的摩擦磨损状况逐渐恶化，但是 4种轴承所表现出来的摩擦学性能差异较大。4类轴承在载荷 为 16 MPa时，摩擦系数 、线磨损量及摩擦温度随摆动频率增加的变化曲线如图4～图6所示。

2.1 摆动频率对摩擦系数的影响图4为4种不同类型试验轴承在载荷为 16 MPa条件下摩擦系数随摆动频率的变化规律。

懈蜷雠图4 摩擦系数随频率的变化曲线Fig.4 Friction coeficient Vs oscilatingequency可看出，随着摆动频率的增加，4类轴承的摩擦系数都呈现减小的趋势。这主要是因为摩擦热所引起的高温造成材料软化，从而使摩擦系数减小 。

说明4类轴承均适合于高频条件下使用。从曲线的斜率上看，随摆动频率增加，摩擦系数减小的速率逐渐降低。在 1.5～2.5 Hz时，PTFE轴承的摩擦系数最小 ，并且其减小 的速率在 4类轴承 中也最小 ，其次是尼龙轴承，摩擦系数最大的为铜基粉末冶金轴承，当频率达到 3.0 Hz时 ，PTFE轴承 的摩擦 系数 出现了缓慢上升的趋势，因此，PTFE轴承与尼龙轴承的摩擦系数出现交点，此时尼龙轴承的摩擦系数最小，PTFE轴承次之，铜基粉末冶金轴承的摩擦系数仍为最大。总体上，PTFE轴承的摩擦系数在4类轴承中整体最小 ，尼龙轴承次之，铜基粉末冶金轴承的摩擦系数最大。

2.2 摆动频率对磨损量的影响图5为 4种不 同类型试验轴承在载荷为 16 MPa条件下磨损量随摆动频率的变化规律。

图5 磨损量随频率变化的关系曲线Fig.5 Wear depth vs oscillatingequency可看出，随着摆动频率的增加，尼龙轴承的磨损量呈现减小的趋势 ，在低于 2.0 Hz时的减小速率较大，随着摆动频率的继续增加，磨损量的减小速率趋于平缓，减小幅度约为 20%.与其他 3类轴承磨损量的变化趋势不同，并且当摆动频率达到 3.0 Hz时，尼龙轴承和 PTFE轴承的磨损量出现了交点，与摩擦系数的变化趋势相-致 ，这是 由于尼龙材料的热传导性和热稳定性较好，使得其抗磨性能有所提高，从而有利于磨损量的减校说 明尼龙轴承适合在高频重载的工况下使用。PTFE轴承磨损量升高的幅度约为 14%，为4类轴承中磨损量最小的。青铜轴承磨损量在 2.0 Hz处出现拐点，随着摆动频率的继续增加，其磨损量出现了-定幅度的下降，铜基粉末冶金轴承的磨损量最大，且在 1.5～2.0 Hz时，磨损量升高的速率较大，升高幅度约为 69%，并且试验过程中轴承出现了大量的磨屑，说明此类轴承的抗磨效果相对较差，其在 2.0 Hz处也出现了拐点，随着摆动频率的继续增加，其磨损量变化趋于平稳。总体上，在4类轴承中，PTFE轴承的磨损量整体趋势最小，其次是尼龙轴承，铜基粉末冶金轴承的758 兵 工 学 报 第34卷时青铜轴承的衬垫材料磨损较为严重，衬垫表面产生了犁皱和槽状磨痕，青铜轴承发生了磨粒磨损，随着摆动频率升高到3.0 Hz，衬垫表面磨屑多为扇形颗粒，凹坑为许多小而深的麻点，出现了点蚀现象，说明青铜轴承又发生了疲劳磨损如图 7(f)所示。

由图7(g)可看出，1.5 Hz时铜基粉末冶金轴承的磨损表面有明显犁沟，并且表面条纹被裂缝破坏呈不连续状，发生了严重的磨粒磨损，随着摆动频率升高到 3.0 Hz，衬垫材料磨损非常严重 ，甚至出现熔融和粘着现象，说明铜基粉末冶金轴承从磨粒磨损转化为粘着磨损如图7(h)所示。

3 结论1)在试验条件下 ，铜基粉末冶金轴承 的摩擦 系数、磨损量和摩擦温度都比较大，其摩擦学性能最差；其次是青铜轴承；PTFE轴承在 4类轴承中的摩擦学性能相对较优 ，并且散热性最好。

2)由摩擦磨损分析可知 ：尼龙轴承衬垫材料有较好的热传导性和热稳定性，使得其抗磨性能有所提高，此时的摩擦系数、磨损量和摩擦温度小且稳定，说明其适合在高频重载的工况下工作。

3)通过对衬垫摩擦面的 SEM对比分析发现 ：在16 MPa、3.0 Hz条件下，尼龙轴承为轻微磨损；PTFE轴承为轻微剥落磨损；青铜轴承为磨粒磨损和疲劳磨损；铜基粉末冶金轴承为粘着磨损。