自润滑关节轴承磨损寿命影响因素分析

李彦伟，林晶，赵颖春，宋超

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

自润滑关节轴承是在关节轴承的内、外圈相对运动接触表面覆盖一层聚四氟乙烯（PTFE）等低摩擦因数的自润滑材料，具有低摩擦、长寿命的特点［1-2］。

自润滑关节轴承的寿命通常指磨损寿命，在寿命计算中，滑动表面的磨损是失效的基本判别依据。目前，国内外关于自润滑关节轴承磨损寿命影响因素具有一些研究成果。文献［3］研究了滑动距离、承受压力、介质等对PTFE复合材料摩擦磨损特性的影响，但未开展装在自润滑关节轴承上的PTFE复合材料摩擦磨损特性影响因素研究；文献［4］对自润滑关节轴承的衬垫材料、摆动频率和前处理方法等磨损寿命影响因素进行了研究，但未综合考虑压力、温度等工作条件因素。为此，重点研究接触应力、滑动速度、温度等单因素对自润滑关节轴承磨损寿命的影响规律及机理。

1 影响因素

目前国内普遍采用JB/T 8565—2010《关节轴承 额定动载荷与寿命》中的公式计算自润滑关节轴承寿命

式中：ak为载荷特性寿命系数；aT为温度寿命系数；ap为载荷寿命系数（主要与接触应力有关）；av为滑动速度寿命系数；az为轴承质量与润滑寿命系数；KM为与摩擦副材料有关的系数；Cd为额定动载荷；v为滑动速度；P为当量动载荷。

由（1）式可知，对于相同型号的自润滑关节轴承，其磨损寿命的影响因素主要包括接触应力、滑动速度和温度。

2 试验

2.1 试样及试验设备

将每个影响因素根据工作条件分为不同水平，在每种水平下分别对3套自润滑关节轴承进行磨损寿命试验，取其平均值作为试验结果。试样为XRA12自润滑关节轴承（图1），内径为12 mm，外径为22 mm；内圈材料为9Cr18不锈钢，外圈材料为17-4PH不锈钢。试验设备采用自润滑关节轴承低速摆动磨损寿命试验机（图2）。

图1 自润滑关节轴承Fig.1 Self-lubricating spherical plain bearing

图2 自润滑关节轴承低速摆动磨损寿命试验机Fig.2 Low speed oscillation wear life tester for self-lubricating spherical plain bearing

2.2 试验方法

按照ARP5448/3《Plain Bearing Low Speed Oscillation Test》进行试验，试样安装在轴承座中，外圈与轴承座、内圈与芯轴之间的配合均为0～0.025 mm的间隙配合。将轴承座、试样和芯轴安装在试验机上，夹紧内圈两侧面，通过径向位移测量系统测量轴承衬垫磨损量。试验环境温度在规定温度的±3℃范围内。将接触应力施加到轴承上，至少保持15 min，再将径向位移测量系统清零。驱动内圈使其绕0°位置摆动至少±25°，直至25000个周期摆动结束，获取最终的轴承衬垫磨损量。衬垫磨损量决定自润滑轴承的寿命，磨损量越小，寿命越长。JB/T 8565—2010提出关节轴承滑动速度的计算公式为

式中：f为摆动频率；β为摆角；dm为滑动球面公称直径。由此可知，当β和dm固定不变时，f和v成正比。摆动频率对自润滑关节轴承磨损寿命的影响反映了滑动速度对自润滑关节轴承磨损寿命的影响，因此用摆动频率代替滑动速度进行试验。

3 结果与分析

3.1 接触应力的影响

在摆动频率1 Hz，温度25℃，接触应力分别为100，150，250 MPa下进行磨损寿命试验。接触应力对衬垫磨损量的影响曲线如图3所示。由图可知，自润滑关节轴承的磨损量随接触应力的增大而增大，且接触应力越大，磨损量越大，250 MPa下自润滑关节轴承衬垫的磨损量约为100 MPa下的3倍。相应得到，自润滑关节轴承磨损寿命随接触应力的增大而减小，接触应力越大，寿命减小的速率越大。

图3 接触应力对衬垫磨损量的影响曲线Fig.3 Influencing curve of contact stress on wear extent of liner

接触应力变化会影响自润滑关节轴承的力学性能。接触应力越大，内、外圈摆动将在接触面产生更多的摩擦热，使衬垫的变形和剥落更大，导致关节轴承自润滑能力下降，进而发生，更严重的粘着磨损和磨粒磨损，导致轴承磨损严重，寿命减小。

3.2 摆动频率的影响

在接触应力150 MPa，温度25℃，摆动频率分别为0.2，1，2 Hz下进行磨损寿命试验。摆动频率对衬垫磨损量的影响曲线如图4所示。由图可知，自润滑关节轴承衬垫的磨损量随摆动频率的增大而增大，且摆动频率越大，磨损率越大，2 Hz摆动频率时衬垫的磨损量为0.2 Hz摆动频率的4.4倍。相应得到，自润滑关节轴承磨损寿命随摆动频率的增大而减小，摆动频率越大，寿命减小的速率越大。

图4 摆动频率对衬垫磨损量的影响曲线Fig.4 Influencing curve of oscillation frequency on wear extent of liner

在摆动过程中，摆动频率增大，摩擦副滑动速度增大，使对偶面无法形成连续均匀的润滑转移膜，轴承的自润滑效果差。随着摆动频率增大，摩擦副滑动速度增大，摩擦副接触面的剪切应力增大，磨损过程中产生更大的热应力且加重摩擦副对偶面上的剪切拉伸，加剧了摩擦副对偶面上润滑转移膜的脱落，形成大量的磨屑，从而引起自润滑层表面龟裂，且发生塑性变形，甚至出现剥落，此状态下衬垫材料发生更严重的粘着磨损，故加重了自润滑关节轴承的磨损，导致轴承寿命减小。

3.3 温度的影响

由于自润滑关节轴承的使用温度范围为-54～163℃，所以取2个极限温度进行试验。分析试验结果发现，高、低温下自润滑关节轴承的寿命均小于常温下的磨损寿命，为此，增加0，100℃这2个温度。

在接触应力150 MPa，摆动频率1 Hz，温度分别为-54，0，25，100，163℃下进行磨损寿命试验，温度对衬垫磨损量的影响曲线如图5所示。

图5 温度对衬垫磨损量的影响曲线Fig.5 Influencing curve of temperature on wear extent of liner

由图可知，在低于常温的范围内，自润滑关节轴承衬垫的磨损量随温度的升高而减小，且温度越高，磨损率也越大，-54℃时的衬垫磨损量约为25℃的3倍。相应得到低于常温的范围内，自润滑关节轴承磨损寿命随温度的升高而增大，温度越高，寿命增大的速率越大。在高于常温的范围内，自润滑关节轴承衬垫的磨损量随温度的升高而增大，但随着温度的升高，磨损率变化并不明显，163℃时的衬垫磨损量约为25℃的1.5倍。相应得到高于常温的范围内，自润滑关节轴承磨损寿命随温度的升高而减小，随温度的升高，轴承寿命减小的速率变化不明显。

PTFE转移膜属于边界润滑模型，在低温范围内，随着温度的降低，PTFE转移膜介质的运动黏度增大，磨损过程中在内、外圈接触面间不易形成PTFE转移膜，导致润滑效果变差，所以在低于常温的范围内，自润滑关节轴承磨损寿命随温度的增大而增大，温度越大，寿命增大的速率越大。在高温范围内，随着温度的增加，PTFE转移膜介质的密度减小，PTFE转移膜的润滑性能降低，自润滑关节轴承的润滑效果变差，并且随着温度的增加，衬垫厚度增大，在摩擦副对偶面上产生更大的剪切应力和热应力，形成了较大的粘着磨损。

4 结论

1）自润滑关节轴承磨损寿命随接触应力的增大而减小，接触应力越大，寿命减小的速率越大。

2）自润滑关节轴承磨损寿命随摆动频率的增大而减小，摆动频率越大，寿命减小的速率越大。

3）在低于常温的范围内，自润滑关节轴承磨损寿命随温度的增大而增大，温度越大，寿命增大的速率越大；在高于常温的范围内，自润滑关节轴承磨损寿命随温度的增大而减小，随温度的提高，轴承寿命减小的速率变化不明显。

对于多个因素耦合条件下的自润滑关节轴承磨损寿命情况有待进一步研究。