張小軍

(福建龍溪軸承(集團(tuán))股份有限公司 航空事業(yè)部研發(fā)部，福建 漳州 363005)

關(guān)節(jié)軸承摩擦副是由帶內(nèi)球面的外圈和帶外球面的內(nèi)圈構(gòu)成的球面滑動(dòng)副，潤(rùn)滑方式主要有三種：油脂潤(rùn)滑、帶PTFE復(fù)合材料襯墊潤(rùn)滑和帶PTFE織物襯墊潤(rùn)滑。油脂潤(rùn)滑是在關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈和外圈間隙注入油脂，一般是在關(guān)節(jié)軸承的外圈或內(nèi)圈設(shè)計(jì)有油孔和油槽；帶PTFE復(fù)合材料襯墊潤(rùn)滑也叫金屬背襯層狀復(fù)合材料潤(rùn)滑[1]，在內(nèi)球面鑲嵌表面燒結(jié)有PTFE復(fù)合材料的金屬片，采用該類潤(rùn)滑的關(guān)節(jié)軸承又稱為C型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承；而帶PTFE織物襯墊潤(rùn)滑是在內(nèi)球面粘貼具有PTFE纖維的織物襯墊，采用織物襯墊潤(rùn)滑的關(guān)節(jié)軸承又稱為T型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，在單一潤(rùn)滑的條件下，T型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承是摩擦因數(shù)最低、動(dòng)載能力最高、壽命最長(zhǎng)的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承之一，因此被廣泛應(yīng)用于重載下具有調(diào)心、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，特別是航空航天領(lǐng)域[2]。

T型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承通過形成轉(zhuǎn)移膜實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，織物襯墊在不斷摩擦過程中會(huì)不斷損耗，軸承游隙會(huì)不斷變大[3]。鋼潤(rùn)滑型關(guān)節(jié)軸承在油液充分的情況下，摩擦因數(shù)更低，盡管如此，為保證潤(rùn)滑的充分性，潤(rùn)滑型軸承的單位承載不超過85 MPa，顯然該承載水平無法滿足航空中高承載且需要潤(rùn)滑的工況。

1 設(shè)計(jì)背景

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上連接飛控系統(tǒng)作動(dòng)筒與舵面的關(guān)節(jié)軸承選用帶裝配缺口型鋼對(duì)鋼關(guān)節(jié)軸承(以下簡(jiǎn)稱“問題軸承”)，內(nèi)孔直徑為50 mm，內(nèi)外圈材料均為G95Cr18，裝配使用時(shí)通過芯軸從內(nèi)圈潤(rùn)滑孔定期加注油脂，在飛機(jī)外場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)個(gè)別軸承使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)內(nèi)、外圈抱死的現(xiàn)象，拆卸后觀察，外圈內(nèi)球面和內(nèi)圈外球面均出現(xiàn)犁溝狀粘著磨損(見圖1)。

對(duì)問題軸承進(jìn)行測(cè)繪分析，產(chǎn)品外形尺寸、熱處理硬度均符合圖樣的設(shè)計(jì)要求，抽檢其他同批次產(chǎn)品，表面粗糙度也符合圖樣要求，因此可以排除產(chǎn)品質(zhì)量方面的問題。

進(jìn)一步深入了解分析，軸承工況為重載且動(dòng)載荷隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度增加而增加，最大動(dòng)載荷114 MPa，最大pv值可達(dá)到722 N·mm-2·mm·s-1，均比JB/T 8565規(guī)定值大(動(dòng)載荷≤100 MPa且pv值≤400 N·mm-2·mm·s-1)[4]，判定問題軸承磨損抱死的原因是動(dòng)載荷承載能力不夠，在過載條件下軸承副處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦因數(shù)急劇增大而引起粘著磨損[5]。

針對(duì)上述情況，為了使關(guān)節(jié)軸承在重載工況下的摩擦因數(shù)更低，利用PTFE復(fù)合材料改性后具有耐油特性的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種擠壓C型向心關(guān)節(jié)軸承，是帶PTFE復(fù)合材料潤(rùn)滑疊加油脂潤(rùn)滑的復(fù)合潤(rùn)滑型。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合潤(rùn)滑型工作機(jī)理：金屬片深燒結(jié)改性復(fù)合材料可長(zhǎng)時(shí)間在油液環(huán)境中正常工作，相對(duì)于光滑的金屬表面，燒結(jié)表面有微觀凹坑結(jié)構(gòu)可以更好駐油，更容易形成油膜[6]，從而有效降低摩擦因數(shù)，大大提高摩擦副的耐磨能力。

產(chǎn)品由外圈、內(nèi)圈和背襯組成，在內(nèi)圈或外圈設(shè)計(jì)潤(rùn)滑油槽油孔，以內(nèi)圈帶潤(rùn)滑油槽油孔為例(見圖2)，內(nèi)球面的背襯分別裝在2個(gè)外圈的容納槽，內(nèi)圈、外圈中間處形成一定的型腔，可用于容納油脂，與內(nèi)圈油槽、油孔組成潤(rùn)滑系統(tǒng)，軸承工作時(shí)可通過軸承座或者芯軸注油孔定期注油。

參考GB/T 9163標(biāo)準(zhǔn)E系列[7]設(shè)計(jì)復(fù)合潤(rùn)滑型關(guān)節(jié)軸承，以內(nèi)孔φ50規(guī)格作為典型型號(hào)開展承載能力計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，為適應(yīng)航空關(guān)節(jié)軸承高耐蝕要求，材料均選用不銹鋼材料，內(nèi)圈選用PH13-8Mo[8]，外圈選用17-4PH，背襯金屬板可以選用青銅CuSn6.5-0.1，內(nèi)、外圈材料均為航空關(guān)節(jié)軸承常用材料，內(nèi)圈外球面表面鍍鉻處理，型號(hào)定為GE50DE1C，結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，可滿足GJB 150標(biāo)準(zhǔn)的鹽霧試驗(yàn)(中性鹽霧196 h)、霉菌試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)等環(huán)境適應(yīng)性考核。

GE50DE1C采用擠壓工藝將金屬背襯鑲嵌在外圈內(nèi)球面的容納槽，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：金屬背襯分成兩部分，對(duì)稱鑲嵌在外圈內(nèi)球面；內(nèi)、外圈中間處設(shè)計(jì)有型腔結(jié)構(gòu)可以駐油儲(chǔ)油，與油孔油槽組成軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)。

3 動(dòng)載荷能力的計(jì)算與修正

3.1 額定動(dòng)載荷計(jì)算

參考JB/T 8565標(biāo)準(zhǔn)，以產(chǎn)品的承載面積乘以動(dòng)載荷模量的方式計(jì)算GE50DE1C軸承的徑向額定動(dòng)載荷，單位面積的額定靜載荷模量fsr取90 N/mm2，徑向額定動(dòng)載荷：

Cdr=fr×C×dk

=90×(28-3-5)×66=118.8(kN)

(1)

式中，Cdr是徑向額定動(dòng)載荷，單位為N；fr是徑向動(dòng)載荷模量，單位為N/mm2；C是軸承外圈承載寬度，單位為mm；dk是軸承球徑，單位為mm。

3.2 載荷模量評(píng)估修正

當(dāng)今高分子技術(shù)有了很大的發(fā)展，金屬背襯的承載能力已經(jīng)有很大提高，JB/T 8565標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)間為2010年，已經(jīng)過去10年，標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于鋼/PTFE復(fù)合材料的動(dòng)載荷模量偏低，因此，為了更好地評(píng)估GE50DE1C的承載能力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)動(dòng)載荷模量進(jìn)行修正，修正后動(dòng)載荷模量為160 N/mm2，修正后按式1計(jì)算，相應(yīng)的載荷值見表1。

表1 載荷模量修正前后GE50DE1C載荷表

4 試驗(yàn)評(píng)估

4.1 試驗(yàn)方法

按GJB 5502標(biāo)準(zhǔn)[9]中常溫磨損載荷的試驗(yàn)方法及合格判定要求開展試驗(yàn)[10]，驗(yàn)證是否可滿足修正后載荷設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)合格判據(jù)見表2。

表2 合格判據(jù)表

常溫磨損試驗(yàn)(動(dòng)載荷)驗(yàn)證GE50DE1C關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損性能，試驗(yàn)件安裝方式如圖4所示，其中芯軸帶有注油孔，試驗(yàn)過程中可在線加注油脂，本試驗(yàn)每擺動(dòng)5 000次加注1次油脂(MIL-PRF-81322)，擺動(dòng)頻率為12次/min，擺動(dòng)角度為±25°共擺動(dòng)25 000周，試驗(yàn)pv值為1 462 N·mm-2·mm·s-1，是JB/T 8565標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值300 N·mm-2·mm·s-1的4.8倍。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)載荷試驗(yàn)結(jié)果見表3。表3中，試驗(yàn)項(xiàng)目分別做3套GE50DE1C軸承試驗(yàn)。

表3 動(dòng)載荷試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)載荷試驗(yàn)后樣件狀態(tài)良好，內(nèi)圈球面表面質(zhì)量如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，GE50DE1C承載能力可以達(dá)到修正后的載荷模量，試驗(yàn)單位動(dòng)載荷和pv值均大于問題軸承的工況條件，因此，復(fù)合潤(rùn)滑擠壓C型關(guān)節(jié)軸承可以解決問題軸承因粘著磨損內(nèi)外圈抱死的問題。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)將油脂潤(rùn)滑和帶PTFE復(fù)合材料固體潤(rùn)滑結(jié)合起來，可以使摩擦副具有良好的潤(rùn)滑條件。

2)GE50DE1C動(dòng)載荷能力可以達(dá)到160 N/mm2，超過JB/T 8565關(guān)節(jié)軸承額定動(dòng)載荷的規(guī)定。

3)GE50DE1C的pv值可以達(dá)到JB/T 8565規(guī)定值的4.8倍。

4)復(fù)合潤(rùn)滑的C型關(guān)節(jié)軸承可以解決問題軸承內(nèi)、外圈抱死的問題。