引言
軸承作為裝備制造業(yè)的“關(guān)節(jié)”，是航空航天、高速鐵路、新能源汽車等戰(zhàn)略性及新興產(chǎn)業(yè)的核心基礎(chǔ)件。隨著相關(guān)行業(yè)對(duì)國產(chǎn)軸承的需求從“量”向“質(zhì)”躍升，我國軸承行業(yè)對(duì)高端軸承的性能測試提出了更高的要求。
上期文章分享了中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司面向軸承性能測試需求研發(fā)的多款關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)系列產(chǎn)品（中機(jī)試驗(yàn)高端軸承試驗(yàn)機(jī)系列產(chǎn)品助力軸承產(chǎn)業(yè)從“量”向“質(zhì)”躍升），本篇文章為大家繼續(xù)分享該系列產(chǎn)品性能測試原理。
一、影響關(guān)節(jié)軸承性能及壽命的因素
想要準(zhǔn)確測量關(guān)節(jié)軸承性能，就必須了解關(guān)節(jié)軸承在實(shí)際工況下承受的載荷情況以及擺動(dòng)方式。按照潤滑方式，關(guān)節(jié)軸承可分為自潤滑型和非自潤滑型兩種。其中，自潤滑型關(guān)節(jié)軸承因?yàn)槠涓叱休d密度，維護(hù)簡單的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空航天、軍工裝備等領(lǐng)域。
本期文章將以“自潤滑型”關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)與載荷方式為例進(jìn)行分析。自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承由①外圈、②密封墊、③自潤滑襯墊和④內(nèi)圈四部分組成，一般襯墊粘貼在外圈內(nèi)球面上，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1：自潤滑關(guān)節(jié)軸承模型實(shí)物圖
（一）擺動(dòng)情況
關(guān)節(jié)軸承磨損壽命的因素也包括擺動(dòng)方式、擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)幅度。關(guān)節(jié)軸承在工作中的主要擺動(dòng)方式包括旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)、傾斜擺動(dòng)以及二者復(fù)合擺動(dòng)。
旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)
傾斜擺動(dòng)
圖2：關(guān)節(jié)軸承擺動(dòng)方式
實(shí)際工況中，擺動(dòng)方式和外加載荷的特性及大小對(duì)關(guān)節(jié)軸承的工作性能的影響如下：
①軸承的傾斜和復(fù)合擺動(dòng)容易引起襯墊的脫落；
②高頻重載產(chǎn)生的高pv值會(huì)引起關(guān)節(jié)軸承摩擦溫度升高；
③重載荷還能引起關(guān)節(jié)軸承剛性材料的過度變形以及失效。
（二）載荷情況
該類軸承內(nèi)外圈緊密貼合（協(xié)調(diào)接觸），在擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)下主要承受徑向和軸向載荷。
自潤滑襯墊一般由非金屬材料制成，在實(shí)際工作環(huán)境中容易在交變載荷和沖擊載荷等多種不同的載荷方式下下產(chǎn)生不同形態(tài)的破壞和變形，因此自潤滑型關(guān)節(jié)軸承對(duì)交變載荷以及沖擊載荷的承載能力與使用壽命是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)。
二、實(shí)際工況中關(guān)節(jié)軸承受力情況
了解關(guān)節(jié)軸承的擺動(dòng)方式以及載荷情況后，我們可通過以自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈球心建立坐標(biāo)系O-XYZ，對(duì)實(shí)際工況下的關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行受力分析。
圖3：運(yùn)動(dòng)方式以及負(fù)荷加載方向示意圖
以軸承外圈（或內(nèi)圈）固定作為基準(zhǔn)，內(nèi)外圈相對(duì)可以分別繞X 軸、Y 軸、Z 軸三個(gè)坐標(biāo)軸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在自潤滑關(guān)節(jié)軸承實(shí)際工作過程中，其實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可由這三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。如圖3，將軸承內(nèi)圈固定，外圈相對(duì)內(nèi)圈可以沿X 軸、Y 軸、Z 軸三個(gè)方向施加載力FX、FY、FZ，在實(shí)際工作過程中，自潤滑關(guān)節(jié)軸承所受的加載力可由這三個(gè)方向的加載力復(fù)合得出。
三、關(guān)節(jié)軸承測試負(fù)荷加載方式
通過上述對(duì)自潤滑關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動(dòng)形式及加載方向分析可知,自潤滑關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)外圈相對(duì)可繞三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸X、Y、Z 做往復(fù)擺動(dòng)、沿X、Y、Z 方向施加載荷。所以加載方式可分為單向加載、雙向加載、多方向加載等。
中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司結(jié)合自潤滑關(guān)節(jié)軸承實(shí)際工況下的載荷狀態(tài)，在關(guān)節(jié)軸承性能測試時(shí)受到的載荷分成幾個(gè)模塊，分別為徑向加載模塊、軸向加載模塊、傾斜擺動(dòng)模塊以及旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)模塊。
圖4：各個(gè)模塊加載示意圖
其中，徑向、軸向加載模塊模擬自潤滑關(guān)節(jié)軸承實(shí)際工況下所受到的載荷，傾斜、旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)模塊模擬自潤滑關(guān)節(jié)軸承實(shí)際工況下的運(yùn)動(dòng)方式，完全還原自潤滑關(guān)節(jié)軸承的受力方式，從而對(duì)自潤滑關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的性能測試。
在實(shí)際測試案例中，運(yùn)用上述方法研制的復(fù)合擺動(dòng)式關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，多次測試不同擺動(dòng)方式的自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能，試驗(yàn)條件為：室溫；試驗(yàn)時(shí)間約為18小時(shí)（擺次約130000 次）；徑向負(fù)荷10 kN；擺動(dòng)角度±5°；擺動(dòng)頻率2Hz。圖5為試驗(yàn)過程中關(guān)節(jié)軸承擺動(dòng)次數(shù)與其磨損量關(guān)系曲線。
圖5：擺動(dòng)次數(shù)與磨損量關(guān)系曲線
從圖5中可以看出，關(guān)節(jié)軸承的磨損量隨連續(xù)旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)次數(shù)的增加可大致分為三個(gè)階段：初始階段，自潤滑關(guān)節(jié)軸承處于磨合過程，軸承的磨損量快速升高；穩(wěn)定階段，關(guān)節(jié)軸承摩擦副表面以轉(zhuǎn)移膜的磨損為主，磨損量平穩(wěn)增加；快速磨損階段，襯墊被磨穿，磨損量急劇升高，與自潤滑關(guān)節(jié)軸承實(shí)際工況下磨損情況基本一致。
四、相關(guān)產(chǎn)品
以本文所述方法為基本原理研制的關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)系列產(chǎn)品，在高度還原樣品實(shí)際工況的前提下，采用專用于關(guān)節(jié)軸承測試的采集控制系統(tǒng)以及一體化加載系統(tǒng)，大幅縮短載荷鏈，具有高剛度、高頻響等特點(diǎn)。
該系列試驗(yàn)機(jī)可按照標(biāo)準(zhǔn)波形加載，也可按照一定波譜加載，既可實(shí)現(xiàn)交變載荷測試，又能進(jìn)行疲勞測試，測試工況基本可以覆蓋現(xiàn)有市面上所有關(guān)節(jié)類產(chǎn)品。
圖6：試驗(yàn)機(jī)三維模型
五、結(jié)語
站在新質(zhì)生產(chǎn)力的潮頭，中國高端軸承產(chǎn)業(yè)正以自主創(chuàng)新為引擎，駛向全球價(jià)值鏈的更高處。隨著材料科學(xué)、智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，一個(gè)萬億級(jí)市場藍(lán)海正在打開。當(dāng)“中國軸承”的精度與可靠性贏得國際認(rèn)可，中國制造的“關(guān)節(jié)”將更加靈活有力，支撐起從大國重器到新興科技的每一次精密運(yùn)轉(zhuǎn)。
來源：中機(jī)試驗(yàn)
（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）
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