自润滑关节轴承发展历程及试验
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摘要：关节轴承作为一种特殊的滑动轴承, 分为润滑型和自润滑型。本文作者就自润滑关节轴承的国内、外发展历程和性能试验进行分析探讨。
关键词：自润滑关节轴承；发展历程；自润滑材料；性能试验
关节轴承又称为球面滑动轴承, 最典型的结构是由一个带球面的外圈和一个带外球面的内圈组成的向心关节轴承,具有结构简单、体积小、承载力大的特点。自润滑关节轴承是一种带有自润滑材料的的关节轴承，具有摩擦系数小、寿命长、耐冲击、耐腐蚀、工作过程中无需添加润滑剂等优异特性, 广泛应用于工程机械、载重汽车、水利设施、航空航天、军工机械等领域。因此,在美、法、德、英等一些航空工业发达国家,自润滑关节轴承的研究工作起步很早,经过多年的系统研究和试验, 现已形成适应多种工况的多品种系列产品。我国关于自润滑关节轴承的研究起步晚,基础研究薄弱,虽然在一些领域部分国内产品能够替代国外产品,但是总体上,从产品质量、性能以及产品系列化上与国外同类产品还存在较大差距, 尤其是在航空航天等一些尖端领域应用的自润滑关节轴承技术接近于空白,这已成为影响我国在这些领域获取突破的一个重要瓶颈 。
1自润滑关节轴承的发展历程
自润滑关节轴承在国外已有近百年的应用历史, 我国仅从20世纪70年代才开始这方面的研究, 现在与先进工业国家有着很大的差距。自润滑关节轴承的性能取决于自润滑材料、对偶面的处理及轴承的制造工艺。国外在相关方面远远走在前面，技术非常成熟。
1. 1自润滑材料的发展
自润滑材料在自润滑关节轴承技术中占有重要的地位,自润滑材料的性能直接影响了自润滑关节轴承的工作性能和工作寿命 。
早期的自润滑关节轴承是在滑动面上制备润滑膜以达到减摩效果,如ELGES、NTN公司最早在这方面进行过研究，他们在外圈内球面或内圈外球面上涂覆PTFE的涂层,制备摩擦系数小,抗磨性较高的关节轴承。
SKF公司则开发出一种在外圈内表面镶嵌固体润滑材料的镶嵌自润滑关节轴承, 这类关节轴承摩擦系数小,现在这种自润滑关节轴承在一些领域仍然得到应用。
1955年美国的White Charles S等发明了一种织物型自润滑材料, 这种复合的编织材料是由具有低摩擦系数的纤维与其他纤维构成的, 用合适的材料把编织材料黏结成一体,由于要求基体材料在较高的工作温度下具有抗变形的能力, 所以选用了热固型树脂。由于低摩擦的纤维材料的黏结性一般都很差,所以采用编织的方式,使得大部分减摩纤维处在衬垫的工作面, 同时使得黏结性较好的纤维处于黏结面, 这种润滑材料同时具有很好的减摩性和承载能力。另外, 这种编织型润滑材料具有很强的可设计性, 可以根据具体的工作条件采用合适的编织方式, 选用合适编织材料和基体材料。此设计思想仍然是现在自润滑关节轴承自润滑衬垫最基本的设计思想之一。
1956年White. Charles S用四氟乙烯纤维和可黏性纤维编织成轴承润滑材料, 用可黏性树脂源填充做成织物型复合材料。
1958年Richard等也提出了一种编织型润滑材料。编织型自润滑衬垫是目前自润滑轴承的主要的自润滑材料,特别是在航天航空等尖端领域更是得到广泛的应用,西方工业发达国家经过多年的研究,自润滑衬垫技术已经成熟和完善,形成了可以适应多种工况的系列产品, SKF公司在其新推出的TX自润滑关节轴承所用的新型自润滑衬垫,通过改进织物结构和基体材料提高了自润滑衬垫的性能。此自润滑衬垫在承载、抗磨、减摩和抗潮湿性能以及衬垫的工作寿命都有很大的提高,这使得TX自润滑关节轴承的性能与以前同类产品和其他公司产品相比有了很大提高。RBC公司新推出的多种性能优异的自润滑衬垫，适应高速轻载、低速重载、高温、低摩擦等不同的工况要求,同时还适合与钢、铝、钛等组成摩擦面。总体上,国外的编织结构自润滑衬垫已经系列化,适合于不同工况(低速重载、高速高温等)等下的应用。
由于织物结构自润滑衬垫的制作工艺复杂,价格昂贵,这也就促进了对非织物自润滑材料尤其是注塑型自润滑材料的研究。1978年McClos2key Albert R发明了一种PTFE纤维和酚醛树脂非织物型自润滑衬垫。2005 年Ampuero Auza.Jamime A等发明了一种用氟聚物纤维和其他可润湿有机结构纤维组成的非编织自润滑衬垫,其制作工艺简单,价格便宜,与传统的编织结构衬垫相比,能够适应更高的速度,工作寿命更长。
目前,关节轴承批量生产中常用的自润滑衬垫除了织物型自润滑衬垫和注塑高分子减摩抗磨材料外, 还有烧结多孔材料(如烧结青铜, 孔内存储润滑油或脂) 、铜网- 塑料复合材料等。这两种自润滑衬垫主要应用于载荷不大, 传动要求不高的民用机械设备上。
在国内，相关大学、研究院所和企业也做了一些编织结构自润滑衬垫的研究工作,福建龙溪轴承（集团）股份有限公司从八十年代未开始研制PTFE织物型自润滑材料，静载能力超过450MPa以上，运载能力超过200MPa，在重载低速下摩擦系数最低的达到0.03，性能指标处于国内领先水平。
近年来国内一些学者在非织物自润滑材料及其在轴承的应用研究中,取得了一定的成果, 使得轴承的承载能力、摩擦系数的降低、PV 值极限、使用寿命等性能有不同程度的提高。但应用在尖端领域的自润滑衬垫的研究工作还很薄弱。
1. 2表面处理技术的发展
自润滑衬垫一般粘贴在关节轴承外圈的内球面,内圈的外球面一般采用特殊工艺处理,如镀铬、离子注入、陶瓷化等,使得自润滑衬垫与内圈的外球面形成摩擦副时,能够获得更加优异的工作性能。自润滑关节轴承的内圈的材料可以采用不锈钢、铝合金、和钛合金等。自润滑关节轴承内圈采用钛合金可以减轻重量,由于钛合金比不锈钢和铜合金硬度低,内圈的外球面在工作过程中更容易划伤, 破坏的外球面也加速自润滑衬垫的损伤和磨损。为此, 2005年Smith等提出了对钛合金内圈的外球面进行表面处理,形成一层氮化物渗透层,通过加工使表面粗糙度低于18 nm; 2006年Lopes等通过PVD的方法使钛合金内圈外球面表面形成一层TiN处理层。为了提高自润滑关节轴承的性能,有学者提出内圈用陶瓷材料, 使其与自润滑衬垫形成的工作副有更优异的性能。
SKF公司的航空用自润滑关节轴承内、外圈的材料是不锈钢,外圈冷挤成形,在外圈的内球面粘有PTFE织物衬垫, 内圈外球面采用陶瓷涂层处理, 这种自润滑关节轴承承载力更大、寿命更长。
2 自润滑关节轴承试验
自润滑关节轴承的主要失效形式是磨损，因此开展关节轴承性能试验，研究关节轴承的摩擦磨损性能是一项基础性的工作，可以提高对自润滑关节轴承的认识，为改进与提高积累基础，也可以对使用起指导作用。 国内在试验方法、试验设备研究及试验方面做了大量工作，但与国外还有一定的差距，还缺少组合加载组合运动的试验机，试验工作，试验开展不够充分，理论研究不够深入。
2．1试验方法
关节轴承的试验主要有静载荷试验、动载荷试验、高温试验、低温试验、耐介质试验等，在国内，由福建龙溪轴承（集团）股份有限公司为主起草的国家行业标准，关节轴承静载荷试验规程和关节轴承动动载与寿命试验规程；国外美航标、欧盟航标的技术规范，均对关节轴承的静载荷与动载荷的试验做规定。
2．2试验设备
关节轴承的试验设备主要有静载荷与动载荷试验设备，静载荷试验设备一般由万能材料试验机改造而成，而动载荷试验设备则需专门研制，目前有恒定载荷试验机、交变载荷试验机、组合运动与加载试验机以及可以模拟高低温、粉尘、水汽等环境的试验机。福建龙溪轴承（集团）股份有限公司在试验设备方面投入很大，建有通过CNAS认可的实验室，拥有恒定载荷、交变载荷、高低温、粉尘、水汽模拟环境的各类关节轴承寿命性能试验设备，可以在线测量摩擦系数、磨损量、温度等性能指标，自动绘制摩擦磨损性能指标与运动时间的曲线，是国内最齐全、规模最大的关节轴承性能试验室，开展了大量的关节轴承寿命一性能试验试验。
2.3自润滑关节轴承摩擦磨损表面分析技术
自润滑关节轴承摩擦磨损分析技术主要有表面与结构分析和表面与原子状态分析。表面与结构分析主要是利用透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜观察摩擦面的形貌及其破坏特性；利用电子衍射技术、X射线衍射技术，测定表面结构和成分。表面与原子状态分析主要是俄歇电子能谱技术、光电能谱技术、扫描探针显微技术、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等对摩擦面的组分和分布等进行分析。
3 结束语
3.1自润滑关节轴承以其承载大、重量轻、不需要人工润滑及具有优良的磨损性能和摩擦力矩等特点，已在许多领域开始应用。由于国内对它的研究水平还不高，相信伴随着该产品的逐步成熟，研究工作也会越来越深入，自润滑关节轴承也会被广泛的应用。
3.2关节轴承试验研究非常重要，可以提示关节轴承的摩擦磨损机理，分析摩擦磨损形式，为关节轴承的性能改进与提高积累基础，为关节轴承的应用起指导作用，必须加大试验设备的研制与投入，深入开展试验。
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