回转支承不同材料隔离体使用性能对比分析

黄传辉，张 宁，刘 磊

（徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州221018）

隔离体是回转支承的重要基础件之一，用来分 隔、固定滚动体，减少滚动体之间的相互摩擦，其使用性能对回转支承的可靠性和使用寿命有重要影响［1-2］。目前，隔离体常用的主要结构形式有框式、花式、球式和异型等，常用材料为塑料、黄铜、青铜和钢材等，其中尼龙1010（PA1010）和HPb59-1 应用最为广泛［3-4］。PA1010 的耐压值波动小、密度小，能承受一定的塑性变形且顺应性好，在工程中广泛应用［5-6］，但它与其余工程塑料相比硬度偏高，在运转时可能会引起噪声［7］。PA1010 的磨损形式主要为塑性变形、犁沟和疲劳脱层［8］，其磨损量与载荷密切相关，这是由于受载荷影响，PA1010向偶件磨损表面发生转移及成膜［9］。在PA1010 中加入适当的填料，可以显著提高其机械强度、硬度及耐磨性［10-13］。HPb59-1的强度、硬度均较高，耐磨性良好，具有很好的切削加工特性和力学性能，能承受冷热压力加工，耐腐蚀性较好，广泛应用于高速精密圆柱滚子轴承和推力角接触球轴承［14］。在HPb59-1中加入Ni、Mn、Fe、Al等合金元素，可显著提高材料所允许的最高转速［15-16］。

在实际工作中，隔离体不但受到摩擦力、张力、离心力和惯性力等机械应力的作用，还要承受润滑剂及其添加剂或其老化产物、冷却剂产生的化学作用，因此隔离体的材料选择及结构设计对大型回转支承的设计和制造非常关键［17-19］。笔者将通过试验研究PA1010、HPb59-1 两种材料与轴承钢GCr15 配副时的摩擦学行为，讨论其摩擦磨损机制，并分析PA1010隔离体、HPb59-1隔离体的损伤机制和失效规律，旨在为回转支承隔离体的机械设计提供参考依据。

1 隔离体摩擦实验和磨损观察

隔离体摩擦实验在M-2000 试验机上进行。PA1010 隔离体、HPb59-1 隔离体试件均加工成20 mm×10 mm×8 mm的长方体，经800#砂纸打磨后隔离体试件试验表面的粗糙度约为Ra 0.8 μm，实验前试件经无水乙醇清洗干净后置于干燥箱内，在80 ℃温度下干燥1 h。GCr15钢试件加工成圆环状，其外径为40 mm，内径为16 mm，厚度为10 mm，整体淬火后其硬度等级为HRC63，外圆表面磨削后用砂纸打磨抛光，表面粗糙度为Ra 0.4 μm，实验前用丙酮清洗并干燥。

实验时钢环转速分别取200，400 r/min，载荷分别取200，400，600 N，实验时间为20 min，以常用润滑剂——2 号锂基润滑脂和20#机油，对回转支承进行润滑。实验时摩擦力由计算机数据系统采集，并按式（1）换算成摩擦系数k：

式中：F为摩擦力，N；P为接触载荷，N。

实验结束后将隔离体试件取下，测量试验表面的磨损宽度，用磨损宽度表示磨损量。相同实验重复2次，实验结果取2次实验的平均值。

采用INSPECTS50型扫描电镜观察PA1010隔离体、HPb59-1隔离体试件磨损表面的形貌，采用Keyence高速数码显微系统观察钢环试件的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 摩擦实验结果与分析

转速为400 r/min，润滑剂采用2 号锂基润滑脂时，PA1010和HPb59-1的摩擦系数、磨损量随载荷的变化情况如图1 所示。由图可以看出，PA1010 的摩擦系数小于HPb59-1，相同载荷下二者的平均比值为1∶1.27。随着载荷增大，2种材料的摩擦系数均略有减小，但基本维持不变。PA1010 的耐磨性不如HPb59-1，磨损量明显大于HPb59-1，相同载荷情况下二者的平均比值为1.51∶1。随着载荷增大，磨损量逐渐增大，当载荷从200 N 增大到600 N 时，PA1010的磨损量增大了25.8%，HPb59-1 的磨损量增大了37.3%，HPb59-1 磨损量的增大幅度比PA1010 高出44.6%，这表明HPb59-1的耐磨损性能受载荷的影响程度显著高于PA1010，即载荷越大，HPb59-1 和PA1010磨损量之间的差值越小。

图2 为载荷为400 N，润滑剂采用2 号锂基润滑脂时，不同转速下PA1010和HPb59-1的摩擦系数和磨损量。由图可见，随着转速的升高，2 种材料的摩擦系数均呈增大趋势，当转速从200 r/min 上升到400 r/min 时，HPb59-1 的摩擦系数增大了23.1%，PA1010 摩擦系数增大了8.3%，HPb59-1 摩擦系数的增大幅度几乎是PA1010 的3 倍。随着转速的升高，PA1010、HPb59-1 的磨损量分别增大了31.5%，96.3%，HPb59-1磨损量的增大幅度显著高于PA1010；转速为200 r/min时PA1010的磨损量比HPb59-1高出112%，转速为400 r/min时则仅高出42%。对比上述数据可知，与载荷的影响类似，转速对HPb59-1摩擦学性能的影响程度明显高于PA1010。

图3 为载荷为400 N，转速为400 r/min 时，润滑剂对PA1010和HPb59-1摩擦系数、磨损量的影响情况。当采用20#机油润滑时，2 种材料的摩擦系数和磨损量均低于采用2号锂基润滑脂的，其中：PA1010的摩擦系数减小了46.2%，磨损量降低了28.7%；HPb59-1 的摩擦系数减小了43.8%，磨损量降低了29.8%。采用20#机油润滑时，PA1010的摩擦系数比HPb59-1小28.6%，磨损量比HPb59-1高44.4%；采用2 号锂基润滑脂润滑时，PA1010 的摩擦系数比HPb59-1 小23.1%，磨损量比HPb59-1 高42.3%。由上述数据可知，不同润滑剂对PA1010和HPb59-1的摩擦系数、磨损量的影响程度大致相当。

图1 不同载荷下HPb59-1和PA1010的摩擦系数和磨损量（转速为400 r/min，润滑剂为2号锂基润滑脂）Fig. 1 Friction coefficient and wear amount of HPb59-1 and PA1010 with different loads (rotating speed of 400 r/min and No. 2 lithium grease)

图2 不同转速下HPb59-1和PA1010的摩擦系数和磨损量（载荷为400 N，润滑剂为2号锂基润滑脂）Fig. 2 Friction coefficient and wear amount of HPb59-1 and PA1010 with different rotating speeds (load of 400 N and No. 2 lithium grease)

图3 不同润滑条件下HPb59-1 和PA1010的摩擦系数和磨损量（载荷为400 N，转速为400 r/min）Fig. 3 Friction coefficient and wear amount of HPb59-1 and PA1010 with different lubrication conditions (load of 400 N and rotating speed of 400 r/min)

2.2 磨损观察结果与分析

不同条件下PA1010隔离体和HPb59-1隔离体磨损表面的典型微观形貌如图4所示。由图可以看出，这2种隔离体的磨损表面均表现为明显的磨料磨损，其中PA1010 隔离体的磨损表面还出现了显著的片状剥落。无论是HPb59-1 隔离体还是PA1010 隔离体，在其它参数相同时，采用20#机油润滑时的磨损程度比采用2号锂基润滑脂润滑时要低一些，这与图3中显示的采用20#机油润滑时材料的摩擦系数和磨损量更小相一致。在同样实验条件下，HPb59-1隔离体的磨损比PA1010 隔离体要轻微不少，这是因为HPb59-1 的强度、硬度远大于PA1010。相对于金属合金而言，PA1010是一种弹性模量低、黏弹性高的聚合物材料，对摩金属表层较大的微凸体会对PA1010隔离体表面进行切割，造成很强的犁削效应，表层PA1010很快被割离下来成为磨屑。在对摩偶件的持续碾压下，PA1010隔离体表面犁沟的边缘局部地区破裂形成片状剥落。而HPb59-1不但强度、硬度远大于PA1010，且材料的顺应性好，在发生塑性变形时基本不会破裂，其良好的嵌藏性又使犁削效应形成的磨屑碾压入磨损表层，因此HPb59-1隔离体磨损表面要比PA1010隔离体平整、光滑。

图4 PA1010隔离体和HPb59-1隔离体磨损表面的微观形貌Fig. 4 Worn surface micro-morphology of PA1010 isolator and HPb59-1 isolator

磨料磨损是试件表面与硬质颗粒或硬质凸出体相互摩擦引起的表面材料损失现象。对于PA1010、HPb59-1这些塑性较大的材料，GCr15钢环表面微凸体在压力作用下压入并犁耕试件表面形成沟槽，试件表面发生严重的塑性变形，压痕两侧的材料受到破坏后易脱落，从而造成磨损。随着转速的升高，单位时间内通过接触区的钢环表面微凸体数量增多，导致摩擦力增大，对试件表面造成更多的破坏，使得其摩擦系数，磨损量呈上升趋势。当载荷增大时，钢环表面微凸体压入PA1010隔离体和HPb59-1隔离体试件表层更深，导致犁耕效应更加明显，使得其摩擦力、磨损量都增大，但摩擦系数是摩擦力和载荷的比值，因此其变化并不大。

图5 所示为摩擦实验后GCr15 钢环磨损表面的形貌（放大倍数：800 倍）。由图可见，对磨后钢环表面基本没出现磨损痕迹，但试件打磨时形成的纹理仍清晰可辨，这是因为GCr15 钢环淬火后的硬度远大于PA1010和HPb59-1。钢环表面上仅在纹理波谷处偶尔存在HPb59-1的残存物，这是犁沟效应产生的个别磨屑没有从摩擦区域排出所导致的。HPb59-1在钢环表面的粘附现象比PA1010 严重得多，一些HPb59-1填充在钢环表面的纹理波谷处，使得钢环表面较粗糙，这是因为HPb59-1的嵌藏性优于PA1010，且HPb59-1与GCr15同为金属，相互间的范德华吸附力大于GCr15-PA1010 接触副。当转速、载荷增大时，不但犁耕效应更加突出，粘附现象也越来越显著，导致摩擦力和磨损量增大。由于HPb59-1同时受这2 种因素的影响，其摩擦和磨损性能对转速、载荷等试验条件的敏感程度要高于PA1010。

图5 GCr15钢环磨损表面的形貌（800×）Fig. 5 Worn surface morphology of GCr15 steel rings（800×）

3 结 论

1）PA1010 的摩擦系数小于HPb59-1，二者的平均比值为1∶1.27；PA1010的磨损量高于HPb59-1，二者的平均比值为1.51∶1。

2）当载荷从200 N 增大到600 N 时，PA1010、HPb59-1 的磨损量分别增大了25.8%，37.3%。当转速从200 r/min上升到400 r/min时，PA1010、HPb59-1的摩擦系数分别增大了8.3%，23.1%，磨损量分别增大了31.5%，96.3%。由此可知，载荷、转速对HPb59-1摩擦学性能的影响程度明显高于PA1010。

3）采用20#机油润滑时PA1010和HPb59-1的摩擦系数、磨损量均低于采用2 号锂基润滑脂，其中：PA1010 的摩擦系数减小了46.2%，磨损量降低了28.7%；HPb59-1的摩擦系数减小了43.8%，磨损量降低了29.8%。