农业机械滑动轴承常见故障及其材料发展趋势*

寿德荣 ，邓正华 ，唐跃明 ，石宸毅

（重庆三峡学院机械工程学院，重庆 404100）

农机滑动轴承需在高转速情况下工作，是农业机械的重要设备之一。农机滑动轴承对现代农业的发展起着重要的作用，也是最常用的一种支撑轴类零件，具有较大的适用范围，适用于不同的农机设备。滑动轴承的损坏已成为农机设备的常见故障。主要是由以下原因造成的：农业机械工作环境往往较为恶劣[1]，特别是山区，一般环境较为潮湿，地形高低不平；连续工作时间长；使用过程中，经常会接触到石头、水、泥、农药残留物；使用过程中，加润滑油较难等。这些情况会导致滑动轴承容易出现开裂、腐蚀、烧瓦等故障。滑动轴承一旦出现问题，其农业机械设备将会受到直接的影响，可能会出现设备使用不稳定和精准度不够的情况，甚至会直接缩短农机设备的使用寿命[2]。因此，对农业机械滑动轴承常见故障进行分析，具有一定的研究价值。

1 农业机械滑动轴承常见故障

1.1 强度问题

农机设备滑动轴承在使用一段时间后，很容易出现裂纹。作业时滑动轴承时常会受到石头等硬物撞击，受到了冲击力而出现了裂纹；当农机载荷过大时，滑动轴承会变形甚至开裂[3]。这些情况都会极大地缩短农机的使用寿命，并且随着使用时间的增长，裂纹会越来越多，最终导致轴承断裂。因此，需进一步研发高性能的轴承材料，来弥补农机滑动轴承强度的缺陷，满足农机设备日常使用的需求，降低故障发生率，延长使用寿命。

1.2 摩擦问题

首先，使用农机设备的时候，大部分的使用者是将润滑油添加到农机设备滑动轴承和轴的接触面，但在使用过程中，如果润滑油消耗过度，就不能形成润滑膜，导致轴承和轴杆摩擦，使轴承磨损过度而损坏，容易出现烧瓦或过度磨损等情况[4]。其次，在工作过程中水分会进入农机的内部，从而接触到滑动轴承。这种现象会使润滑油油层结构遭到破坏，最终导致滑动轴承受到损害[5]。添加润滑油要将农机部分零件进行拆解，具有一定的难度。最后，在使用过程中，如果遇到高硬度的泥沙颗粒流入，会对滑动轴承造成磨损，造成区域性深度划痕，划痕增强磨粒的作用，进而加重损害进程，形成恶性循环。因此，需要提高农机设备滑动轴承摩擦性能和自润滑能力，保证农机设备在运行过程中最大限度地工作，实现高效率、高品质的农田耕作。

1.3 腐蚀问题

农机设备在耕作时会接触土壤，而土壤内有水、空气、农药残留物等介质，会腐蚀农机设备与内部零件[6]。腐蚀问题也是农机设备使用的常见问题之一，不仅会对机体造成损坏，还会侵入机器的内部，对内部轴承进行腐蚀。因为使用后很难对轴承进行清洗，存放条件也较为潮湿，加剧轴承的损坏，导致农机设备寿命缩短。根据腐蚀的不同程度，轻则使得轴承表面有破损，重则造成轴承的直接断裂。当腐蚀到一定程度时，则需更换轴承，此时会造成大量金属材料的浪费和经济损失。因此，为了适应恶劣的工作环境，要求滑动轴承材料具有更高的强度、自润滑性、耐腐蚀性等。

2 高性能轴承材料发展现状

国内外学者已经研发出多种不同的金属滑动轴承，如巴氏合金、铝基合金、TiAl基合金、铁基合金、铜基合金等。

2.1 巴氏合金

巴氏合金分为锡基、铅基、镉基三种类型[7]。巴氏合金拥有较强的嵌入性和顺应性，具有较高的强度和良好的耐腐蚀性。巴氏合金的软基体会形成内凹的结构，而硬质点向外突出，从而形成许多细小空隙。这些空隙可以较好地储存润滑油，使巴氏合金轴承在农业使用中具有较好的摩擦性能，硬质点外突不仅仅能带来储存油量的好处，还能增强其承载方面的性能[7]。在巴氏合金轴承的制造中，有时还会加入少量的砷元素，从而减少成分偏析的情况。但巴氏合金所制造的轴承在使用温度上需要严格把控，不能高于100 ℃，因为当温度高于150 ℃时，巴氏合金轴承的硬度和疲劳强度较常温会减少三分之二的性能强度[8]。虽然锡基的强度和抗腐蚀性能比铅基强，但是由于锡元素的经济成本较高，应用较少。

巴氏合金的优点是具有较好的嵌入性和顺应性，缺点是承载能力不强、耐热性能差、抗疲劳能力低。

2.2 铝基合金

铝基合金轴承的重量比较轻，强度较高，并且具有很好的承载能力，尤其在温度较高的情况下，其承载力更为突出，铝基合金轴承主要分为Al-Sn、Al-Zn、Al-Pb三种[8-9]。其中，Al-Sn合金轴承中锡含量的多少对合金的性能起着至关重要的作用，根据锡含量的不同可以分为低锡合金、中锡合金和高锡合金。在低锡的情况下，具有较高的抗压能力和较强的防腐蚀能力，随着锡含量的不断增加，铝锡合金的硬度、强度和承载能力与其成反比例关系，但在高温下的抗咬合性能更好，嵌入性也更好。Al-Zn合金中锌含量的多少也有着至关重要的作用，如果锌的含量过少，则其软质相很难起到作用；如果锌的含量过多，则硬度会过大[8-9]。因此，需要严格控制锌的含量。Al-Pb合金具有较好的自润滑作用，在使用过程中可以减少摩擦，防止抱死的现象，但是由于铅具有毒性，在使用过程中需要尤为注意。

铝基合金的优点是具有较好的耐磨性和防腐蚀性，缺点是干摩擦性不强、自润滑能力弱。

2.3 TiAl基合金

TiAl基合金拥有较好的高温性能和较低的密度，是目前世界上研究最热门的高温结构材料之一。因为TiAl基合金的晶体中同时拥有金属键和共价键，所以TiAl基合金不仅拥有金属韧性的特征还拥有陶瓷耐高温的特性[8,10]。在500 ℃～1000 ℃之间，使用的TiAl基合金主要包括Ti3Al（α2）、TiAl（γ）和TiAl3三种类型，Ti3Al（α2）的使用环境一般不能高于650 ℃，因为Ti3Al（α2）在较差环境中的结构较为不稳定。TiAl(γ)的综合性能较好，相对质量较低，并且具有耐高温的特性。TiAl3固溶的范围过于狭小，在室温中的延展性较差，对制作环境的温度要求较为苛刻，室温下难以进行加工[8,10]。

TiAl基合金的优点是质量轻、强度高，并且在高温中仍能保持较好的强度以及抗蠕变和抗氧化等优良的性能；其缺点是TiAl基滑动轴承合金本身具有脆性，并且在室温中延展性较差，不易进行机械加工。

2.4 铁基合金

铁基合金材料是农业机械设备中较为常见的一种合金材料，其综合性能较强，价格相对廉价，适用于农业机械轴承的生产制造。铁基合金材料分为Fe-C系轴承材料、Fe-Cu-C系轴承材料、Fe-Mo-C系轴承材料等[8]。

由于铁基材料的硬度较强，在长时间的摩擦下很容易造成轴承的损坏。而石墨的化学性质本身就不活泼，还具有抗腐蚀的性能，可以作为一种润滑材料添加到铁基合金中。石墨在空气中燃烧会形成二氧化碳，从而形成有机酸，不容易与水、农药残留物等发生化学反应，可以较好地适用于农田耕作的恶劣环境。

在Fe-C合金中添加Cu元素，这种合金不仅保留了Fe-C的优良特性，还具有Cu基材料的优点，Fe-Cu-C材料抗拉强度最高可达400 MPa，并且Cu还可以有效地抑制晶粒的生长，从而将晶粒分散，提升其耐磨性和自润滑的功能[8,11-12]。

Mo元素在高温中具有较好的强度、较强的硬度和一定的抗腐蚀性，因此Fe-Mo基轴承材料具有良好的摩擦性能[8]。

铁基合金材料的优点是抗压能力强、硬度高、经济成本低，其缺点是噪声大、防腐蚀性能差、减摩效果不明显、嵌入性和顺应性都不强、在低速的环境下工作适应性较差。

2.5 铜基合金

铜基合金是以黄铜为基体，再加入别的微量元素组成的合金。由于铜基合金具有优异的疲劳强度和承载力，另外具有良好的导电能力和抗腐蚀能力，摩擦系数也很小。因此，铜基合金已被普遍应用于农业机械设备滑动轴承的制造工艺上。铜基合金中应用范围最大的滑动轴承材料为青铜，主要分为铅青铜、锡青铜、铝青铜等[8]。但因为Pb的较强毒性，所以铅青铜滑动轴承材料受到限制。而锡铜合金由于本身就具备较好的导热性和耐磨性，经常被用于制作车辆以及其他工业部门中接触摩擦的部位，但我国锡的储量日益减少，品位降低，价格昂贵[13]。铝青铜以其良好的性能，如高强度、耐磨、耐热和耐腐蚀等，被广泛应用于轴承、轴套、齿轮等零部件；通过粉末冶金法制备的铝青铜基轴承材料，不仅具有强度高、耐腐蚀性好等优质性能，而且由于其内部存在一定量的空隙，该空隙可以用来储存润滑油，在服役过程中能起到自润滑的作用。为了降低铜基滑动轴承材料的摩擦磨损系数，通常会加入一定量的润滑脂，如石墨和二硫化钼等，增强抗摩擦磨损能力，从而增强滑动轴承材料的工作稳定性和耐磨性，使得轴承在服役过程中只添加一次或不添加润滑油，轴承依然能正常工作。

结合农业机械工作环境对轴承材料性能的要求，以及铜基滑动轴承材料高强度、自润滑性、耐腐蚀性、耐热等优点，铜基滑动轴承在农业机械中应用广泛。但是随着农业机械的快速发展，对轴承材料提出了更高要求，比如重载、低速、难维护等情况，这就需要铜基滑动轴承材料具有更高的强度和摩擦性能。

3 结束语

农业机械的发展对乡村振兴战略的实施有着重要的作用。滑动轴承作为农机的核心部件，会直接影响农机寿命，因此，滑动轴承性能的好坏对农业机械化发展起着至关重要的作用。随着农业机械的快速发展，对滑动轴承材料的性能要求也越来越高，并且由于农业机械工作环境较为复杂，尤其是农业设备在山区作业时，往往会加剧滑动轴承断裂、摩擦磨损、腐蚀等问题。因此，需要滑动轴承材质具备更高的硬度、自润滑能力、抗腐蚀性等。铜基合金由于具备较高的疲劳强度和承载能力、较强的抗摩擦性和抗腐蚀能力、优良的导热性、较低的摩擦系数、较好的自润滑性和可维修等优势，在农业机械领域有着非常好的应用发展前景。