关节轴承

PTFE纺织复合材料自润滑关节轴承

1.引言

自润滑关节轴承具有无须定期换油、承载能力高、热传导性能好，不吸水、结构紧凑、重量轻、耐冲击、自润滑使用及安全可靠性强、寿命长等优点，近年来被广泛应用于航空航天、国防工业，以及汽车、化工、食品机械等方面。PTFE纺织复合材料自润滑关节轴承是利用PTFE作为润滑剂的关节轴承，目前国内使用的该种轴承主要依靠从俄罗斯进口。根据PTFE的实际使用要求，自行设计了PTFE纺织复合材料自润滑关节轴承,各项试验结果表明其能够满足使用要求。

2 工作原理

自润滑关节轴承是关节轴承的一种，在轴承外圈内球面粘贴一层自润滑垫层，用垫层滑动表面对内圈外球面的滑动摩擦来代替对钢表面的滑动摩擦。PTFE纺织复合材料自润滑关节轴承, 是利用PTFE 作为润滑剂，轴承内球表面与衬垫相对运动时，衬垫中的PTFE就会在没有润滑膜的地方形成润滑膜。在一定的压力和运动下，磨损的PTFE使金属和衬垫表面光滑，摩擦系数降低。当摩擦系数足够低时，PTFE就不再从衬垫上剪切下来，也就没有PTFE的沉积，轴承进一步使用，衬垫中PTFE又继续脱落，这时摩擦系数会升高，PTFE会再从衬垫上机械剪切下来。

3.设计

3.1轴承设计

轴承的设计需要根据不同使用要求选用不同材料：A）外圈选择要考虑耐蚀性（盐雾、湿热）、强度、可塑性（对挤压工艺适应性）和耐冲击等要求。选用硬化沉淀不锈钢17-4PH或奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti。B）内圈材料要有可加工性，与PTFE衬垫对偶材料的耐磨性，内圈外球面与衬垫形成对偶摩擦副，该摩擦副决定了轴承的各项性能和寿命。选用9Cr18，硬度在HRC55～60。C）在航天、航空、汽车、火车等场合，该类轴承受高振动、冲击负荷及高频交变负荷都会使PTFE固体润滑材料疲劳、破裂。因此对衬垫材料重点要求静负荷与动负荷容量高，允许滑动速度高、磨损率低、摩擦系数小而且稳定、导热性好、尺寸公差小、吸水率低、抗腐蚀能力强、耐污染、生产成本低。选用聚四氟乙烯织物（PTFE fabric）。它是聚四氟乙烯纤维与其它纤维交织而成的双层织物，静负荷容量最高，承载量可达300N/mm2。

3.2 PTFE fabric织物与树脂基的体系设计

PTFE复合材料由增强相和基体复合而成，并可形成界面或界面相。通过分析对比，选用PTFE+Nomex（芳纶纤维）增强相主要起承载作用。

基体相用热固性酚醛树脂，主要起连接支撑和保护作用。界面的主要作用是传递载荷。这样的纺织复合材料具有高的比强度、比模量以及高的疲劳寿命和损伤容限，并可在高温（163℃）、低温（-25℃）高压和高腐蚀等严酷条件下工作。

4关键工艺

4.1 轴承内环残余应力控制

9Cr18不锈钢是老钢种，以前在做冲击试验时经常发生断裂，通过金相显微镜Mef317671电子探针显微分析仪JCXA-733 1423分析，材料无明显缺陷，主要是由于残余应力分布不均引起的。在车削后，采用真空热处理600℃和800℃等温处理，经冰冷处理，调高了补充回火温度，同时延长了时间可以消除车削残余应力。磨加工从砂轮、磨削液、工艺参数三方面解决了磨削残余应力分布。

4.2 粘接工艺

根据工艺要求，在衬垫与外圈粘接中，必须经过二次固化处理。通过对二次固化处理中的温度、时间的控制，提高了处理质量，保证后续挤压工艺能顺利进行。

为了保证粘接质量的高可靠性，关节轴承外圈粘接表面均进行喷砂处理。在进行表面喷砂处理中，注意了砂粒的材质、砂粒的大小和喷砂时间的长短、流速等因素，提高了粘接强度。采用了特殊的表面清洁技术，提高了聚四氟乙烯编织纤维衬垫的表面清洁处理效果，改善了粘接完善性等技术指标。

4.3挤压工艺

在关节轴承挤压工艺中，挤压质量的好坏，首先取决于挤压模具的设计研制。根据各种规格轴承的不同要求，高质量高效率地设计制造出了与之相配套的挤压模具。并根据“0Cr17Ni4Cu4Nb”牌号的沉淀硬化不锈钢弹性模量大，原有1Cr18Ni9Ti挤压工艺参数不适用的情况，重新设计了挤压工艺参数，经各种径、轴向极限载荷试验和各类摆动磨损试验的考核，证明新的设计能够满足技术指标要求。

5. 性能分析

5.1 结构强度

5.1.1径向极限静载荷试验

轴承按图1所示装置安装，首先按其规定径向极限载荷的4%～6%施加预加载荷，保持3分钟，将测量指示表调整为零。然后以每秒1%的速率逐步加载，达到极限负荷，保持2分钟，总变形量小于0.25mm。以相同的速率逐步减载直至预加载荷值，所产生的永久变形量小于0.076mm。

再用同样的方法加载直至达到其径向极限负荷值的1.5倍，套圈未被破坏。其结果如表1所示。

5.1.2 轴向极限静载荷试验

轴承安装方法如图所示，加载方向为轴向，其余试验方法、程序与径向加载试验相同，试验后永久变形量小于0.127mm。

再用同样的方法加载直至达到其轴向极限负荷值的1.5倍，内圈未被挤出。其结果如表2所示

表1 径向极限静载荷试验

表2 轴向极限静载荷试验

上述结果表明新研轴承：

1）径向、轴向极限静载荷试验均达到标准，也达到了1.5倍的安全可靠性标准。

2）永久变形量和总变形量优于俄制轴承。

5.2各种工作条件下抗磨损性能

磨损决定无润滑轴承的使用寿命，磨损率取决于材料的机械性能和摩擦特性，并随载荷和速度的增加而加大。对轴承在各种工作条件下的摩擦性能进行了试验，原理如图3所示，安装如图4所示，结果如图5~7、表3~4所示。

图4

图5新研轴承常温试验磨损曲线 图6 新研轴承高温试验磨损曲线

图7 新研轴承低温试验磨损曲线 表3 低温摩擦磨损试验结果

表4 试液浸泡后摩擦磨损试验结果

试验结果表明新研关节轴承各种温度条件下磨损量很小，且随着循环次数的增加其磨损量变化也很小。在低温状态下俄罗斯轴承在1156次摆动后垫层磨漏，新研轴承未见异常，新研轴承抗低温摩擦性能比俄罗斯轴承好。新研轴承的多种液体浸泡后磨损量符合要求，证明衬垫的基体树脂和粘结剂符合要求，没发生衬垫脱落、磨损量大、越抱越紧以至“咬死”等现象。 5.3 衬垫剥离强度试验及粘接牢靠性检查

通过衬垫剥离强度试验检查垫层的粘接工艺是否符合标准要求。 按图8进行剥离试验，平均剥离强度超过了0.357N/mm ，并对已剥离的试件进行了粘结牢靠性检查，符合要求。留在金属上的胶粘剂没有外圈宽度的25%或6.35mm （取其小者）的外接圆直径未粘接区域存在。 6 结论

PTFE 纺织复合材料自润滑关节轴承在各项性能上满足了SEA-B-81820的指标。在径向静极限载荷轴向静极限载荷，负载下的摆动磨损性能指标均优于俄制轴承，达到了国际先进水平。

参考文献：[1]陶肖明，冼杏娟，《纺织结构复合材料》，科技出版社，2001年. [2]董元，张廷森，《现代表面工程技术》，机械工业出版社，2001年8月. [3]王善元，张汝光，《纤维增强复合材料》，东华大学出版社，1998年5月. [4]SAEAS-81820，美国《低速摆动自动调心自润滑关节轴承》标准. [5]法国ARD 公司SKF Ampep 公司样本

[6] 任敬心，康仁科，史兴宽，《难加工材料的磨削》，国防工业出版社,1999年2月. [7][美]S ²马尔金《磨削技术理论与应用》，东北大学出版社，2002年8月. [8][德]T ²曼格，W ²德雷泽尔，《润滑剂与润滑》，化学工业出版社，2001年11月.