铜基粉末冶金和青铜衬垫杆端关节轴承摩擦学性能对比

占松华，吕桂森，邱明

(1.台州科锦轴承有限公司，浙江 台州 318050； 2.河南科技大学，河南 洛阳 471003)

自润滑关节轴承因其承载大、结构紧凑，具有耐腐蚀、耐冲击以及摩擦因数小的特点，在载重汽车、军工机械及工程机械等领域[1-3]得到了广泛应用。近年来，我国引进的一些连接操纵系统、调节装置以及耐高低温的机械设备中，70%以上使用了自润滑杆端关节轴承。在美国波音飞机的操纵传动系统中，其使用率几乎达到了100%[4]。自润滑材料是影响自润滑杆端关节轴承寿命的重要因素，因此，国内、外学者[5-8]研究关节轴承的一个重要方面就是自润滑材料的摩擦学性能，但针对杆端关节轴承衬垫材料的摩擦学试验研究开展的较少。

铜基粉末冶金衬垫是由铜粉、锡粉、锌粉和铁粉等经混合、压坯、烧结、精整和浸油处理制成，其主要优点是自润滑性能良好、摩擦因数小，并且结构简单、加工成本低，便于制造和装配，广泛应用在一些不方便添加润滑剂的工程机械中。青铜衬垫是锡磷青铜，由铜、锡、磷和铅等化学成分组成，具有较高的强度和良好的耐腐蚀及耐磨性，其应用同样非常广泛。下文利用自制的高频重载杆端关节轴承摆动摩擦、磨损试验机，在3 Hz和8 MPa条件下，试验对比衬垫材料的摩擦学性能及其微观磨损机理，期望能为2种杆端关节轴承品质的提高提供参考。

1 试验

1.1 试验对象

图1所示为试验选用的杆端关节轴承结构图。基本尺寸为：内径16 mm，内圈宽度21 mm，球径28.575 mm，外径40 mm，外圈宽度15 mm，M16的内螺纹杆，深度28 mm，杆端长度44 mm。

图1 自润滑杆端关节轴承结构图

1.2 试验设备及方法

试验在自制的杆端关节轴承摩擦磨损试验机上进行，试验机结构原理如图2所示。参照JB/T 10860—2008[9]确定试验方案和方法。试验在室温下进行，试验开始前，对被试轴承静压加载8 MPa(或3.4 kN)，15 min后再开机进行25 000次的摆动试验。因为液压加载系统比较稳定，并且调压方便，故试验选择液压系统加载方式。试验轴承的摆动频率为3 Hz，摆动角度为±6°。采用变频器实现对主轴摆动频率的无级变速调节；通过曲柄摇杆机构带动主轴摆动，调节主轴的摆动角度。利用扭矩传感器和位移传感器实现试验轴承扭矩值和磨损量的在线检测，采用无纸测温仪实时记录被试轴承的摩擦温升。

1—减速电动机；2—摇杆；3—主轴；4—扭矩传感器；5—热电偶；6—轴承；7—位移传感器

1.3 结果与分析

杆端关节轴承的失效形式大部分是磨损失效，影响其摩擦磨损性能的关键因素是杆端关节轴承的衬垫材料。因此，分别进行3组摩擦磨损试验，取其平均值来对比2种衬垫材料的摩擦学性能。图3所示为关节轴承运转25 000次后的摩擦因数、摩擦温升和磨损量的柱状图。

图3 2种衬垫轴承的摩擦因数、温升和磨损量的柱状图

由图3可以看出，青铜衬垫轴承运转25 000次后的摩擦因数、温升和磨损量都高于铜基粉末冶金衬垫轴承，说明铜基粉末冶金衬垫轴承的摩擦学性能优于青铜衬垫轴承。根据JB/T 10860—2008要求可知：当关节轴承摩擦副材料的摩擦因数大于0.25，关节轴承表面温度大于150 ℃以及磨损量大于0.114 mm时，表明关节轴承已经失效。由图3可知，2种杆端关节轴承摩擦副材料的摩擦因数、摩擦温升和磨损量都远远小于标准规定值，说明摩擦、磨损性能都能满足JB/T 10860—2008的要求。

2 磨损机理分析

图4所示为2种杆端关节轴承衬垫材料在摆动频率3 Hz，接触压力8 MPa条件下经过25 000次摆动后的SEM照片。

图4 2种杆端关节轴承衬垫材料磨损表面SEM照片

由图4a可以看出，铜基粉末冶金衬垫轴承的摩擦表面条纹比较完整，衬垫表面局部产生了犁皱和槽状磨痕，说明轴承发生了轻微的磨粒磨损。由图4b可知，青铜衬垫轴承磨损表面有明显的犁沟和槽状磨痕，由于被裂缝破坏，衬垫表面的条纹呈现不连续状,说明大量的脱落颗粒在连续摩擦的作用下变成磨粒或磨屑，导致磨损表面发生严重疲劳剥落和脆裂，轴承发生了严重的磨粒磨损。

3 结论

(1) 在相同试验条件下，铜基粉末冶金衬垫轴承的摩擦因数、温升和磨损量都小于青铜衬垫轴承，说明铜基粉末冶金衬垫轴承的摩擦学性能优于青铜衬垫轴承。

(2) 2种衬垫轴承的摩擦、磨损性能指标都能满足JB/T 10860—2008的要求。

(3) 通过对2种杆端关节轴承衬垫磨损面的SEM对比分析发现，在3 Hz，8 MPa条件下，铜基粉末冶金衬垫轴承表现为轻微磨粒磨损，青铜衬垫轴承为严重磨粒磨损。