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)對國產(chǎn)軸承的需求從“量”向“質(zhì)”躍升，我國軸承行業(yè)對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試驗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)軸承試驗機系列產(chǎn)品（中機試驗高端軸承試驗機系列產(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)軸承在實際工況下承受的載荷情況以及擺動方式。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)軸承因為其高承載密度，維護(hù)簡單的特點，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)軸承模型實物圖
（一）擺動情況
關(guān)節(jié)軸承磨損壽命的因素也包括擺動方式、擺動頻率、擺動幅度。關(guān)節(jié)軸承在工作中的主要擺動方式包括旋轉(zhuǎn)擺動、傾斜擺動以及二者復(fù)合擺動。
旋轉(zhuǎn)擺動
傾斜擺動
圖2：關(guān)節(jié)軸承擺動方式
實際工況中，擺動方式和外加載荷的特性及大小對關(guān)節(jié)軸承的工作性能的影響如下：
①軸承的傾斜和復(fù)合擺動容易引起襯墊的脫落；
②高頻重載產(chǎn)生的高pv值會引起關(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），在擺動運動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)軸承對交變載荷以及沖擊載荷的承載能力與使用壽命是評價其性能的重要指標(biāo)。
二、實際工況中關(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，對實際工況下的關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行受力分析。
圖3：運動方式以及負(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)外圈相對可以分別繞X 軸、Y 軸、Z 軸三個坐標(biāo)軸往復(fù)轉(zhuǎn)動，在自潤滑關(guān)節(jié)軸承實際工作過程中，其實際運動狀態(tài)可由這三個方向的轉(zhuǎn)動復(fù)合而成。如圖3，將軸承內(nèi)圈固定，外圈相對內(nèi)圈可以沿X 軸、Y 軸、Z 軸三個方向施加載力FX、FY、FZ，在實際工作過程中，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
通過上述對自潤滑關(guān)節(jié)軸承運動形式及加載方向分析可知,自潤滑關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)外圈相對可繞三個轉(zhuǎn)動軸X、Y、Z 做往復(fù)擺動、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。
中機試驗裝備股份有限公司結(jié)合自潤滑關(guān)節(jié)軸承實際工況下的載荷狀態(tài)，在關(guān)節(jié)軸承性能測試時受到的載荷分成幾個模塊，分別為徑向加載模塊、軸向加載模塊、傾斜擺動模塊以及旋轉(zhuǎn)擺動模塊。
圖4：各個模塊加載示意圖
其中，徑向、軸向加載模塊模擬自潤滑關(guān)節(jié)軸承實際工況下所受到的載荷，傾斜、旋轉(zhuǎn)擺動模塊模擬自潤滑關(guān)節(jié)軸承實際工況下的運動方式，完全還原自潤滑關(guān)節(jié)軸承的受力方式，從而對自潤滑關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的性能測試。
在實際測試案例中，運用上述方法研制的復(fù)合擺動式關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機，多次測試不同擺動方式的自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能，試驗條件為：室溫；試驗時間約為18小時（擺次約130000 次）；徑向負(fù)荷10 kN；擺動角度±5°；擺動頻率2Hz。圖5為試驗過程中關(guān)節(jié)軸承擺動次數(shù)與其磨損量關(guān)系曲線。
圖5：擺動次數(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)擺動次數(shù)的增加可大致分為三個階段：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)軸承試驗機系列產(chǎn)品，在高度還原樣品實際工況的前提下，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。
該系列試驗機可按照標(biāo)準(zhǔn)波形加載，也可按照一定波譜加載，既可實現(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：試驗機三維模型
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，一個萬億級市場藍(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轉(zhuǎn)。
來源：中機試驗
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