自润滑杆端关节轴承的摩擦性能探析

摘要：文章通过自制高频重载杆端关节轴承摩擦试验机，对尼龙、PTFE、铜基粉末冶金、青铜等垫层材料进行实验。实验表明，PTFE材料的摩擦性能最佳，尼龙其次，并且具有良好的热稳定性以及热传导性。

关键词：自润滑杆端关节轴承；摩擦性能；机械性能；PTFE材料；尼龙 文献标识码：A

中图分类号：TH117 文章编号：1009-2374（2015）31-0065-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.032

自润滑杆端关节轴承属于球面滑动轴承中的一种，在倾斜摆动、旋转摆动机构中发挥着重要的作用，已经广泛应用于航天、工业生产、冶金、机械等领域，并取得了显著的成果。据不完全统计结果显示，我国近几年引进的连接操纵、调节设备中，绝大多数属于自润滑杆端关节轴承设备。为了能够保证轴承垫层能够承受较大的摩擦力，需要选用抗摩擦性能强的材料垫层，因此本文中的实验就具有十分现实的意义。

1 摩擦性能实验

1.1 实验材料

本实验多用的材料为下图所示的杆端关节轴承。基本参数如下所示：材料内圈内径为Φ16毫米，宽21毫米；外圈外径Φ40毫米，宽15毫米。内螺纹杆长度为44毫米，深度为28毫米。

1.2 实验方法、设备

本实验采用自制实验机，具体的示意图如图2所示。

如图2所示，采用杠杆、扭矩传感器、热电偶等，对实验中材料的磨损量、摩擦力矩、温度等数据进行记录。具体的实验步骤包括以下四个方面：（1）首先将实验轴承装入试验机中，静压15分钟；（2）将杠杆百分表、扭矩传感器等测试仪器进行调整，将其调整到工作状态，然后做好开机准备；（3）对整个实验过程进行检测，并将材料摩擦温度、磨损量、摩擦力矩等参数进行记录；（4）轴承在一定频率下进行25000次摆动。

实验过程中，通过液压加载系统使杆端关节轴承承受得到荷载，这主要是由于液压加载系统具有调压方便、稳定等优点。实验中在线测量摆动参数测量仪器杠杆百分表，在进行杆端轴承加载前，将指针防御轴承平面，同时将热电偶一端与无纸记录仪进行连接，热电偶两一端放于轴承端面中的小孔中。小孔的具体位置如图3所示：

2 实验结果分析

2.1 摩擦系数与摆动频率的关系

四种材料在载荷为16MPa下，在一定摆动频率下，摩擦系数变化规律如图4所示。

由图4可以看出，随着摆动频率增加，四种材料的摩擦系数逐渐减小。造成这种现象的原因主要是由于摩擦生热，热量造成材料软化，降低了其摩擦系数。从摩擦系数变化曲线中可以看出，摩擦系数随着摆动频率增加而降低。在摆动频率为1.5～2.5Hz时，PTFE摩擦系数最小，并且其摩擦系数降低的速率也最小。尼龙位列第二位，铜基粉末冶金摩擦系数最大。当摆动频率为3.0Hz时，PTFE材料的摩擦系数又开始缓慢上升。总体上来说，PTFE材料摩擦系数最小、尼龙其次、铜基粉末冶金最大。

2.2 摆动频率与磨损量的关系

图5为四张材料在16MPa荷载下磨损量与摆动频率的关系。

由图5所示，在一定的载荷条件下，轴承摆动频率的增加，尼龙轴承磨损量逐渐减小，在2.0Hz下变化的速度较快，对着摆动频率的持续增加，其磨损量变化趋于平缓。另外三种轴承与尼龙轴承变化趋势不同。在3.0Hz下，PTFE轴承与尼龙轴承磨损量变化曲线存在交点，并且对摩擦系数变化曲线相似，这与尼龙材料的热稳定性以及热传导性有关，这两种性能提高了尼龙轴承的耐磨性。如图5可见，PTFE轴承磨损量在四种材料轴承中最小，变化趋势为14%左右；青铜轴承在摆动频率为2.0Hz时出现拐点，并且随着频率的持续增长，青铜轴承的磨损量呈现了下降的趋势；铜基粉末冶金轴承相对于其他三种轴承来说，磨损量最大，在1.5～2.5Hz之间，其磨损量增加速率逐渐增加，并且在实验过程中出现磨屑，说明铜基粉末冶金轴承耐磨性能很低，在2.0Hz出现拐点，磨损量变化逐渐趋于平缓。

总体来说，四种材料轴承的耐磨性能从高到低顺序为PTFE轴承、尼龙轴承、青铜轴承、铜基粉末冶金轴承。

2.3 摆动频率与摩擦温度的关系

在一定的载荷条件下，轴承转速提升，摩擦发热越来越严重，轴承的表面温度上升，降低了材料的强度。图6为四种材料的轴承在16MPa荷载下轴承摩擦温度变化趋势图。

由图6可以看出，轴承的摩擦温度随着摆动频率的上升而逐渐上升。在摆动频率为1.5Hz时，PTFE轴承摩擦温度最小，尼龙轴承其次，而铜基粉末冶金轴承温度最高。当摆动频率达到2.0Hz时，青铜轴承摩擦温度的上升趋势逐渐增加，并与铜基粉末冶金轴承温度变化曲线出现交点，青铜轴承的摩擦温度在这一摆动频率下最高。尼龙轴承与PTFE轴承，两者摩擦温度逐渐上升，但PTFE轴承的上升趋势更加平缓。总之，四种材料轴承散热性由好到坏依次为PTFE轴承、尼龙轴承、青铜轴承、铜基粉末冶金轴承。

2.4 摩擦机理分析

利用显微镜技术，将四种材料轴承在16MPa荷载以及不同摆动频率下拍摄，提供SEM照片。根据照片可以看出，在1.5Hz摆动频率下，尼龙轴承衬垫材料并没有遭到破坏，基体材料只是出现了一定的磨痕。这是由于其表面转移膜不连续且内圈材料对其产生一定的擦伤所致，随着摆动频率升高到3.0Hz，衬垫表层完好，由于摩擦温度升高，偶件表面聚合物及其复合材料更容易形成转移膜，才使得尼龙基体受到的微观切削和擦伤作用减轻，从而有利于降低其磨损量。在1.5Hz下，PTFE轴承材料出现轻微的磨损，当频率上升到3.0Hz后，垫层材料开始轻微剥落，基体材料逐渐显现出来；青铜轴承在1.5Hz下磨损最为严重，垫层表面也出现了槽型磨痕以及梨皱现象，随着摆动频率增加，3.0Hz下青铜轴承垫层材料磨损更加严重，出现了点浊情况；铜基粉末冶金轴承在1.5Hz频率下，材料表面出现犁沟，裂缝纹路并不连贯，并且随着摆动频率的升高，垫层磨损逐渐升高，甚至出现黏浊、熔融现象。

3 结语

在实验中，PTFE轴承在四种材料的轴承中摩擦性能最好，散热性极佳；尼龙轴承其次；铜基粉末冶金轴承最差。根据磨损量分析，尼龙轴承材料的热传导性、稳定性最好，因此其可以在高频重载条件下运行。

参考文献

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[3] 刘正军，李林.杆端关节轴承摩擦性能分析[J].机械工程，2013，26（1）.

作者简介：陈冠杰（1973-），男，广东大埔人，福建龙溪轴承（集团）股份有限公司工程师，研究方向：轴承冷加工工艺及设备。

（责任编辑：秦逊玉）endprint