中機試驗關節軸承性能測試原理

引言

軸承作為裝備制造業的“關節”，是航空航天、高速鐵路、新能源汽車等戰略性及新興產業的核心基礎件。隨著相關行業對國產軸承的需求從“量”向“質”躍升，我國軸承行業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的多款關節軸承試驗機系列產品（中機試驗高端軸承試驗機系列產品助力軸承產業從“量”向“質”躍升），本篇文章為大家繼續分享該系列產品性能測試原理。

一、影響關節軸承性能及壽命的因素

想要準確測量關節軸承性能，就必須了解關節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，關節軸承可分為自潤滑型和非自潤滑型兩種。其中，自潤滑型關節軸承因為其高承載密度，維護簡單的特點，廣泛應用在航空航天、軍工裝備等領域。

本期文章將以“自潤滑型”關節軸承的結構與載荷方式為例進行分析。自潤滑向心關節軸承由①外圈、②密封墊、③自潤滑襯墊和④內圈四部分組成，一般襯墊粘貼在外圈內球面上，其基本結構如圖1所示。

圖1：自潤滑關節軸承模型實物圖

（一）擺動情況

關節軸承磨損壽命的因素也包括擺動方式、擺動頻率、擺動幅度。關節軸承在工作中的主要擺動方式包括旋轉擺動、傾斜擺動以及二者復合擺動。

旋轉擺動

傾斜擺動

圖2：關節軸承擺動方式

實際工況中，擺動方式和外加載荷的特性及大小對關節軸承的工作性能的影響如下：

①軸承的傾斜和復合擺動容易引起襯墊的脫落；

②高頻重載產生的高pv值會引起關節軸承摩擦溫度升高；

③重載荷還能引起關節軸承剛性材料的過度變形以及失效。

（二）載荷情況

該類軸承內外圈緊密貼合（協調接觸），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生不同形態的破壞和變形，因此自潤滑型關節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。

二、實際工況中關節軸承受力情況

了解關節軸承的擺動方式以及載荷情況后，我們可通過以自潤滑關節軸承內外圈球心建立坐標系O-XYZ，對實際工況下的關節軸承進行受力分析。

圖3：運動方式以及負荷加載方向示意圖

以軸承外圈（或內圈）固定作為基準，內外圈相對可以分別繞X 軸、Y 軸、Z 軸三個坐標軸往復轉動，在自潤滑關節軸承實際工作過程中，其實際運動狀態可由這三個方向的轉動復合而成。如圖3，將軸承內圈固定，外圈相對內圈可以沿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，自潤滑關節軸承所受的加載力可由這三個方向的加載力復合得出。

三、關節軸承測試負荷加載方式

通過上述對自潤滑關節軸承運動形式及加載方向分析可知,自潤滑關節軸承的內外圈相對可繞三個轉動軸X、Y、Z 做往復擺動、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合自潤滑關節軸承實際工況下的載荷狀態，在關節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節軸承實際工況下所受到的載荷，傾斜、旋轉擺動模塊模擬自潤滑關節軸承實際工況下的運動方式，完全還原自潤滑關節軸承的受力方式，從而對自潤滑關節軸承進行全面、準確的性能測試。

在實際測試案例中，運用上述方法研制的復合擺動式關節軸承壽命試驗機，多次測試不同擺動方式的自潤滑向心關節軸承的摩擦學性能，試驗條件為：室溫；試驗時間約為18小時（擺次約130000 次）；徑向負荷10 kN；擺動角度±5°；擺動頻率2Hz。圖5為試驗過程中關節軸承擺動次數與其磨損量關系曲線。

圖5：擺動次數與磨損量關系曲線

從圖5中可以看出，關節軸承的磨損量隨連續旋轉擺動次數的增加可大致分為三個階段：初始階段，自潤滑關節軸承處于磨合過程，軸承的磨損量快速升高；穩定階段，關節軸承摩擦副表面以轉移膜的磨損為主，磨損量平穩增加；快速磨損階段，襯墊被磨穿，磨損量急劇升高，與自潤滑關節軸承實際工況下磨損情況基本一致。

四、相關產品

以本文所述方法為基本原理研制的關節軸承試驗機系列產品，在高度還原樣品實際工況的前提下，采用專用于關節軸承測試的采集控制系統以及一體化加載系統，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準波形加載，也可按照一定波譜加載，既可實現交變載荷測試，又能進行疲勞測試，測試工況基本可以覆蓋現有市面上所有關節類產品。

圖6：試驗機三維模型

五、結語

站在新質生產力的潮頭，中國高端軸承產業正以自主創新為引擎，駛向全球價值鏈的更高處。隨著材料科學、智能制造與工業互聯網的深度融合，一個萬億級市場藍海正在打開。當“中國軸承”的精度與可靠性贏得國際認可，中國制造的“關節”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。

來源：中機試驗

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