自润滑关节轴承摩擦性能试验研究

　　关节轴承是一种球面滑动轴承，宜于做倾斜或旋转的摆动，具有自调心的作用。自润滑关节轴承是在轴承外圈内球面粘贴一层自润滑衬垫材料，用衬垫滑动表面对内圈外球面的滑动摩擦代替钢表面的滑动摩擦。自润滑关节轴承具有结构紧凑、重量轻、耐冲击、耐腐蚀、承载大、使用寿命长等特点，在使用过程中可以免维护和无需添加润滑剂等优异特性，广泛运用于航空航天领域。本文涉及的低速重载自润滑关节轴承应用于飞机起落架收放系统，对于航空轴承而言，其运转的灵活性直接影响起落架收放系统工作时的稳定性与可靠性。
　　摩擦性能是影响轴承寿命、噪声、振动及温度变化的重要因素，是衡量关节轴承使用性能的重要指标。自润滑关节轴承径的摩擦性能不仅与轴承自身的机构尺寸、几何精度、材料及热处理性能等内部条件有关，且与负载大小、装配精度以及使用环境等外部条件有关，受诸多因素影响，无法推导出较为精确的摩擦力矩计算公式，且由于轴承个体差异，无法使用传统的统计理论进行分析。
　　国外对关节轴承的试验研究起步较早，制定了严格的关节轴承标准和试验规范。国内外一些轴承研究单位相继研制和开发了SPBTM-Ⅰ和SPBTM-Ⅱ型关节轴承寿命试验机、E06-12型自润滑杆端关节轴承试验机、ZML2000单向回转式大中型关节轴承摩擦力矩试验机、ZMS1500大中型关节轴承摆动磨损寿命试验机、摆动式轴承摩擦磨损试验机、高低温环境轴承试验器等一系列的关节轴承试验机。
　　1　航空低速重载自润滑关节轴承摩擦性能测试
　　1.1 自润滑关节轴承结构形式
　　自润滑关节轴承由轴承外圈、粘贴于轴承外圈内球面的自润滑衬垫层、轴承内圈组成，其结构如图1所示。 　　在起落架收放系统中，低速重载自润滑关节轴承应用于收放作动筒，其结构状态为杆端关节轴承，其结构如图2所示。 　　1.2 自润滑关节轴承摩擦性能
　　轴承的摩擦性能主要表现为摩擦力矩。摩擦力矩是指滚动摩擦、滑动摩擦和润滑摩擦的总和产生的阻碍轴承运转的阻力矩。
　　本文要测试的自润滑关节轴承摩擦性能主要分为两个方面：无负载状态下的启动力矩和径向负载下的转动摩擦力矩，均为静态力矩。
　　无负载状态下的启动力矩是指轴承在不承受负载的自然状态下轴承内圈和外圈发生相对运动的瞬间所需克服的摩擦阻力矩，分为旋转力矩和摆动力矩。
　　径向负载下自润滑关节轴承的转动摩擦力矩指的是在自润滑关节轴承径向方向加载一定载荷，轴承内圈与外圈从静止状态到开始相对转动的瞬间所需克服的摩擦阻力矩。
　　1.2.1 启动力矩测试试验设计
　　整套测试系统包括杆端轴承支承平台、测力计支承平台以及滑轮砝码加载装置。图3为旋转力矩测试示意图，图4为摆动力矩测试示意图，图5为旋转力矩测试装夹示意图，图6为摆动力矩测试装夹示意图。 　　测试时，将杆端关节轴承和测力计均放置在支承平台上，调整好位置，保证测力计一端与加载点之间的细钢丝绳水平，钢丝绳连接于U形力臂或芯轴上，缓慢增加砝码的质量，直至芯轴带动轴承内圈与外圈发生相对转动或侧向摆动，此时测力计记录载荷峰值，此峰值与实际力臂大小乘积即为启动力矩大小。
　　1.2.2 径向负载下转动摩擦力矩测试试验设计
　　整套测试系统包括径向负载加载系统、轴承装夹装置、试验测量与数据采集系统。载荷加载系统包括固定加载作动筒的台架、加载作动筒；轴承装夹装置包括带有滚子轴承的支座及固定此支座的台架;试验测量与数据采集系统包括载荷传感器、连接载荷传感器的动态应变仪和一套砝码滑轮加载装置。图7为径向负载下摩擦力矩测试示意图。图8为测试系统装夹示意图。 　　试验时，先通过加载作动筒对自润滑关节轴承径向施加一定载荷，通过增加滑轮一端砝码的质量，使得摇臂带动芯轴转动，从而使自润滑关节轴承瞬间启动，动态应变仪在线纪录绕过滑轮的钢丝绳上的载荷。
　　载荷传感器测量到的载荷为径向负载下芯轴两端的滚子轴承和自润滑关节轴承摩擦力矩之和。因此，合力矩与滚子轴承上的摩擦力矩之差为自润滑关节轴承在此径向负载下的摩擦力矩。根据计算出来的摩擦力矩，可以推算出自润滑关节轴承在此径向负载下的静摩擦系数 　　式中：μ为自润滑关节轴承在径向负载下的摩擦系数；M_总为测试系统在径向负载下自润滑关节轴承与支承滚子轴承启动摩擦力矩之和；M_滚子轴承为径向负载下芯轴两端支承的滚子轴承启动摩擦力矩；P为径向负载；r为自润滑关节轴承内圈外球面半径。
　　2　测试数据及分析
　　启动力矩测试数据如表1所示，分别做了10组测试。
　　从表1测试结果来看，测试数据分布集中，摆动力矩相比于旋转力矩要小很多。但是，旋转力矩与摆动力矩都很小，说明该自润滑关节轴承启动性能较为优异。 　　在测试径向负载下的旋转力矩时，根据实际使用情况，给定自润滑关节轴承径向负载大小范围为10～70kN。测试得出的结果如表2所示。 　　从表2中可看出，径向负载下自润滑关节轴承的摩擦力矩随着径向负载的增大而增大，而在此径向负载变化范围内摩擦系数变化并不是很大，小载荷情况下摩擦系数几乎保持不变。当载荷增加到30kN后，摩擦系数出现明显变化，并且随着载荷的增大而增大。
　　3　结束语
　　本文设计的测试系统相对于现有的轴承试验机结构较为简单，经济实用，能够提供较大的径向载荷，更换相应的工装夹具以及测试装置，即可测试轴承无负载下的启动力矩以及径向衬垫材料的磨损量。
　　利用设计的测试系统，较为精确地测量了该型自润滑关节轴承的启动力矩以及在不同径向负载下的摩擦力矩，并得出相应的摩擦系数。测试结果表明，该轴承启动灵活，摩擦性能优良。径向负载下的摩擦系数随着径向载荷的增大而缓慢增大，在实际载荷状态下，摩擦系数适中，能够在起落架收放系统中正常工作。