湿热对自润滑关节轴承无载旋转启动力矩的影响

林晶，张令，李彦伟，赵颖春，焦志强

(中国航空综合技术研究所，北京 100028)

自润滑关节轴承具有结构简单紧凑、体积小、重量轻、承载大和免维护等优点，在整个工作寿命期间因不需要另外提供润滑介质，可大幅度减少附加润滑装置和维护费用，因此广泛应用于飞机(包括直升机)、发动机等重要装备。目前国内、外对此已经形成较为成熟的通用规范和技术体系。但实际应用中发现，一些轴承在湿热环境下会出现旋转卡滞，甚至抱死的现象。因此，采用不同型号的国内、外轴承进行了试验研究，以分析湿热环境对自润滑关节轴承无载旋转启动力矩的影响。

1 试验方案

选用结构尺寸相同的国内、外自润滑关节轴承各6套，型号分别为GE8DEMIT(国产)和XRE8(国外)。结合轴承具体使用工况，参照GJB150A.9—2009设计的湿热性能试验方案如下：

(1)将试验轴承在(45±5) ℃条件下干燥2 h以上，然后在(25±5) ℃、相对湿度50%的条件下放置24 h，进行预处理；

(2)进行每次24 h共5次的循环试验。60 ℃下16 h和30 ℃下8 h(包括转换时间)，2种温度条件下相对湿度均保持95%或稍大些，每次30 ℃和60 ℃之间的转换时间不超过1.5 h；

(3)将试样置于(25±5) ℃、相对湿度50%环境下恢复24 h。湿热控制方案如图1所示。

图1 湿热控制图

2 旋转启动力矩的影响因素

2.1 湿热环境

在湿热环境下采用力矩测量仪对国内、外2个规格的自润滑关节轴承无载旋转启动力矩进行了测量，其实测平均值如图2所示。

图2 国内、外轴承无载旋转启动力矩变化对比

由图2可以看出，经预处理后，国内、外轴承的无载旋转启动力矩基本接近；但随着在湿热环境中时间的延长，国产轴承的启动力矩逐渐增大，且增加的幅度较大；而国外轴承的启动力矩则增加较小。国产轴承的最大值为0.097 N·m，与预处理后的启动力矩相比增加了308%，而国外轴承的最大值为0.033 N·m，只增加了60%。

无载旋转启动力矩的增大，将会降低轴承的灵活性，使轴承内圈的运动受到阻碍，严重时可能会影响其正常的功能。

2.2 衬垫尺寸及其质量

由于测量衬垫的尺寸变化十分困难，因此通过测量湿热环境下轴承质量的改变，来间接地研究衬垫的吸湿性对轴承无载旋转启动力矩的影响。国内、外轴承在不同时间质量增加量平均值的比较如图3所示。

图3 国内、外轴承质量变化对比

从图3中可以看出，国内、外轴承在湿热环境下的质量都随着时间的增加而增加，其中国产轴承增加的绝对量比国外轴承略大。这说明在湿热环境下轴承具有一定的吸湿性，且随着时间的增加，其吸水量也在增加。

为了更直观地分析衬垫的吸水量与无载旋转启动力矩的关系，将2组数据放在一起，结果如图4所示。

图4 轴承衬垫吸水性与启动力矩关系

从图中可以看出，国内、外轴承的无载旋转启动力矩均随着吸水量的增加而增大。一般情况下，金属材料的吸水量可以忽略不计，轴承质量的增加绝大部分来自于衬垫的吸水。衬垫吸水后，其尺寸会发生变化，从而改变了自润滑关节轴承摩擦副之间的接触力，进而增加了自润滑关节轴承的无载旋转启动力矩。

3 机理分析

该轴承的无载旋转启动力矩是由自润滑衬垫与内圈外球面形成的摩擦副之间的摩擦力矩形成的，其无载旋转启动力矩的计算式为

(1)

式中：T为无载旋转启动力矩；μ为摩擦因数；r为旋转半径；p为接触应力；s为有效接触面积。由此可知，无载旋转启动力矩同自润滑关节轴承衬垫与内球的外表面所形成的摩擦副之间的摩擦因数、接触应力以及有效接触面积成正比。

3.1 无载旋转启动力矩改变的原因

自润滑衬垫由芳纶纤维和PTFE纤维编制而成[1-4]，然后浸润了酚醛树脂或聚酰亚胺树脂，国内、外衬垫横截面的扫描电镜图如图5所示，从图中可以看出，衬垫中树脂含量较高。在湿热环境下，衬垫中的纤维和树脂，尤其是树脂吸收了水分使尺寸发生改变，从而改变了摩擦副间的接触力和有效接触面积，导致无载旋转启动力矩改变。

图5 衬垫横截面扫描电镜图

3.2 国内、外轴承性能差异分析

由上述试验可知，国内、外轴承衬垫的吸湿性相差不大，但衬垫吸湿后，国产轴承的启动力矩显著增大，而国外轴承的变化较小。

由(1)式可知，启动力矩与摩擦副之间的有效接触面积成正比，如果摩擦副之间的接触压力变化相同，但由于有效接触面积不同，那么有可能使启动力矩出现较大的差异。有效接触面积大时对衬垫尺寸的改变更加敏感，而有效接触面积小时对尺寸的改变相对不敏感。

鉴于自润滑关节轴承的结构特点，为了方便装配，轴承外圈最初的形状为一个圆柱筒，即其内表面为圆柱面。首先将衬垫粘结和固化在圆柱面上，然后装入内球并进行合套挤压，完成后外圈的圆柱面被挤压成内球面。因此合套挤压过程直接影响着关节轴承的性能，控制不好就会改变衬垫与外圈间的接触力、接触面积和接触位置，对轴承无载旋转启动力矩产生重大影响。

国内、外自润滑关节轴承横截面如图6所示。由图可知：国外轴承外圈弧度大，球面的形状规则，外圈与内球之间的径向间隙呈中间小两侧大，而国产轴承外圈弧度小，且球面形状也不规则；国外轴承的有效接触面积并不是整个外圈球面，只有一部分完全有效接触，而国产轴承在整个外圈球面上都与内球接触。这使得国产轴承的有效接触面积过大，导致启动力矩对衬垫的尺寸改变敏感，这就是国内轴承较国外轴承对湿热环境更敏感的原因。

图6 自润滑关节轴承横截面图

综上所述，国产轴承在湿热环境下无载旋转启动力矩变化较大的主要原因，除与衬垫吸湿后尺寸改变有关外，还与衬垫与外圈间的有效接触面积有关，国产轴承有效接触面积较国外轴承大，因此对湿热环境更加敏感。自润滑关节轴承的内球面由合套挤压形成，内球面的最终形状与挤压工艺、挤压参数等密切相关，说明目前我国该类轴承的合套挤压技术与国外相比还有较大差距。

4 结论

(1)湿热环境对国产自润滑关节轴承的无载旋转启动力矩影响较大。随着在湿热环境中保持时间的延长，无载旋转启动力矩也随之增加；而国外轴承在湿热条件下无载旋转启动力矩的变化相对较小。

(2)自润滑衬垫吸湿后尺寸改变、衬垫与外圈间的有效接触面积是国产轴承湿热条件下无载旋转启动力矩增大的重要因素。

(3)提高自润滑关节轴承的合套挤压技术和工艺水平，有效控制接触面积，可改善轴承湿热环境下的旋转性能。