自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承壽命估算方法

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1、自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承壽命估算方法 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承壽命估算方法 馬國(guó)清，龐 煜，黃 濤 （北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072） 摘 要：減振器 關(guān)節(jié)軸承在發(fā)生大負(fù)荷、低速和潤(rùn)滑不充分的情況下，很容 易產(chǎn)生高摩擦和嚴(yán)重磨損，所以關(guān)節(jié)軸承的壽命主要是其摩 擦與磨損壽命。而摩擦、磨損現(xiàn)象是十分復(fù)雜的，要準(zhǔn)確計(jì) 算這種壽命是十分困難的。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式、試驗(yàn)結(jié)果和對(duì)車 輛使用的關(guān)節(jié)軸承磨損情況，對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的壽命估算 法進(jìn)行了研究，得到關(guān)節(jié)軸承壽命的計(jì)算方法，可以有效地 對(duì)軸承壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。 關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)軸承； 磨損；自潤(rùn)滑 減 振器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，一方面沿活塞桿方向收縮，另一方面隨 平衡肘發(fā)生擺

2、動(dòng)，受力復(fù)雜；因此，在研究過(guò)程中，為簡(jiǎn)化 問(wèn)題分析，力值方面主要考慮來(lái)自桿方向的沖擊。減振器運(yùn) 行工況惡劣，在外密封不良的情況下，需要面對(duì)泥水、沙塵 和冰雪，且如果外密封結(jié)構(gòu)發(fā)生問(wèn)題時(shí)，此類雜質(zhì)更難以排 出，使得關(guān)節(jié)軸承在雜質(zhì)混合下繼續(xù)磨損；因此，對(duì)于自潤(rùn) 滑關(guān)節(jié)軸承壽命的估算，要考慮此類不良因素，并結(jié)合國(guó)內(nèi) 外的經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而得出有效的壽命估算 方法。本文主要針對(duì) GE35ES-2RS（以下簡(jiǎn)稱ES）這種鋼對(duì)鋼 的非自潤(rùn)滑的軸承和 GE35ET-2RS（以下簡(jiǎn)稱ET）自潤(rùn)滑類型 的軸承進(jìn)行研究。 1 影響軸承壽命的主要因素 關(guān)節(jié)軸承壽 命影響因素見(jiàn)表 1。從工作狀態(tài)來(lái)看，關(guān)

3、節(jié)軸承的壽命主要 受到負(fù)荷、擺頻、擺幅、軸承尺寸、材料與制造質(zhì)量、環(huán)境 與潤(rùn)滑等影響。從軸承制造的角度來(lái)看，在軸承安裝中，其 游隙的大小會(huì)對(duì)軸承壽命有較大的影響 [1] 。本文中，軸承初 始狀態(tài)的游隙按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)考慮；當(dāng)軸承內(nèi)外圈磨損量大時(shí)， 按大間隙考慮。此外，由于在對(duì)軸承壽命的影響因素中，有 些因素互相關(guān)聯(lián)，因此在分析時(shí)應(yīng)綜合考慮。 表 1 關(guān)節(jié)軸 承壽命影響因素影響因素使用情況對(duì)摩擦磨損的影響結(jié)果 負(fù)荷/N隨路況隨機(jī)變化減振器沖擊力為漸變應(yīng)力， 可緩解磨 損擺頻/Hz復(fù)雜情況呈上升趨勢(shì)與力值構(gòu)成綜合因素，加劇 溫升和磨損軸承尺寸 /mm35 大尺寸會(huì)加劇磨損軸承材料鋼 / 鋼+鋼 /PT

4、FE 鋼與鋼磨損量小， PTFE 軟材料磨損量大環(huán)境溫 度/C 80高溫會(huì)加劇材料磨損潤(rùn)滑少量黃油前期減少磨損， 與污泥混合后加劇磨損雜質(zhì)入侵泥土、沙石加劇磨損，增加 轉(zhuǎn)動(dòng)阻力銹蝕無(wú)防銹措施加劇磨損 在減振器關(guān)節(jié)軸承的分 解試驗(yàn)中，在鋼對(duì)鋼軸承拆解完畢后發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)的主要問(wèn)題 是軸承困死，內(nèi)外圈之間夾滿泥土；自潤(rùn)滑軸承則相反，軸 承之間間隙很大， 泥土無(wú)法在間隙之間停留， 其晃動(dòng)量很大。 而在采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的壽命又明 顯高于非自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承。因此，在對(duì)關(guān)節(jié)軸承的壽命進(jìn)行 考量時(shí)，應(yīng)綜合考慮此類復(fù)雜情況。 2 國(guó)外關(guān)節(jié)軸承壽命 計(jì)算方法及其比較 國(guó)外廠家對(duì)關(guān)節(jié)軸承壽命的計(jì)算

5、主要分 為初潤(rùn)滑和重潤(rùn)滑。目前，國(guó)外關(guān)節(jié)軸承廠家對(duì)其產(chǎn)品均給 出了壽命計(jì)算方法。 1)SKF 軸承。初潤(rùn)滑公式為： 式中， G 是初潤(rùn)滑壽命； b1 是負(fù)荷方向系數(shù)； b2 是負(fù)荷大小系數(shù)； b3 是溫度系數(shù)； b4 是滑動(dòng)影響系數(shù)； b5 是速度影響系數(shù)； b6是擺角系數(shù)；Cs是關(guān)節(jié)軸承額定動(dòng)負(fù)荷；dm是關(guān)節(jié)軸承 滑動(dòng)球面直徑；B是擺角；P是軸承當(dāng)量負(fù)荷。重潤(rùn)滑公式 為：GN=f B fHG式中，GN是重潤(rùn)滑壽命；f B是重潤(rùn)滑擺 角系數(shù)，取決于B ； fH是重潤(rùn)滑間隔系數(shù)，取決于擺動(dòng)頻率 [2]。 2)FAG 軸承。初潤(rùn)滑公式為： 式中， L 是初潤(rùn)滑壽 命； b 是負(fù)荷方向系數(shù)； v 是

6、負(fù)荷大小系數(shù)； f1 是交變載荷 因子； f2 是溫度系數(shù)； f3 是載荷大小系數(shù)； f4 是軸承設(shè)計(jì)系 數(shù)； dk 是球面公稱直徑； Cr 是額定動(dòng)載荷。重潤(rùn)滑公式為： LN=Lf B fH 式中， LN 是重潤(rùn)滑條件下軸承壽命 (擺動(dòng)次數(shù) ) 3)INA 軸承。該軸承對(duì) PTFE 復(fù)合物在恒定載荷下壽命公式 為： 式中，L是恒定載荷壽命；f2是溫度因子；fv是速度 因子；s是滑動(dòng)距離；f是擺動(dòng)頻率；v為速度。在交變載荷 下壽命公式為： LW=f5fHzL 式中， LW 是交變載荷下壽命； f5 是載荷類型因子； fHz 是負(fù)載因子。 4)FLURO 軸承。該 軸承對(duì)關(guān)節(jié)軸承的公式為： 式中

7、， Gh 是潤(rùn)滑壽命； fL 是 載荷方向因子； fT 是溫度因子； fG 是滑動(dòng)因子； fN 是重潤(rùn) 滑因子； Vm 是平均滑動(dòng)速度； C/F 是載荷比例 [3]。 通過(guò)對(duì) 國(guó)外關(guān)節(jié)軸承的計(jì)算公式進(jìn)行分析可以看出，軸承的壽命計(jì) 算主要考慮的是軸承的球面直徑、擺角、負(fù)荷大小及溫度。 通過(guò)類比后發(fā)現(xiàn)， SKF 軸承與 FLURO 軸承的結(jié)果相近，計(jì) 算壽命較長(zhǎng)，而 FAG 軸承的結(jié)果最短。 通過(guò)比較后發(fā)現(xiàn)， FAG 軸承的計(jì)算結(jié)果最嚴(yán)格，在實(shí)際使用中，軸承壽命都在 FAG 軸承計(jì)算結(jié)果之上； 而 SKF 軸承的計(jì)算公式較為寬松， 在實(shí) 際使用中， 軸承往往無(wú)法達(dá)到 SKF 軸承壽命值。 因此，

8、 可以 結(jié)合 SKF 軸承和 FAG 軸承公式對(duì)關(guān)節(jié)軸承壽命進(jìn)行估算。 3 關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn) 3.1 ES 軸承臺(tái)架壽命試驗(yàn) 關(guān)節(jié)軸承壽命 試驗(yàn)在國(guó)外已經(jīng)有一定的研究，國(guó)內(nèi)大部分采用結(jié)果對(duì)比的 方法。國(guó)內(nèi)目前采用的壽命試驗(yàn)機(jī)器為 SPBTM-1 ，其檢測(cè)的 具體能力如下：檢測(cè)關(guān)節(jié)軸承直徑為 20?60 mm，擺動(dòng)頻率 為0?2.5 Hz，擺角為20°?100°；沿關(guān)節(jié)軸承徑向負(fù)荷可 以達(dá)到 100 kN ；試驗(yàn)機(jī)可以在線測(cè)量關(guān)節(jié)軸承中的摩擦、 磨 損以及軸承表面溫升，可以自動(dòng)記錄擺動(dòng)的次數(shù)。 試驗(yàn)軸 承選用 GE30ES和GE40ES。試驗(yàn)條件為： P=18.6 kN , B =30 , f

9、=40次/min。采用的失效標(biāo)準(zhǔn)如下：1）軸承中的摩 擦因數(shù)達(dá)到 0.25； 2 ）軸承徑向磨損達(dá)到 0.004 dm； 3）軸承表 面溫升達(dá)到100 C。在對(duì)軸承壽命進(jìn)行判定時(shí)， 認(rèn)為只要達(dá) 到其中的一項(xiàng)，軸承壽命即已結(jié)束。 GE30ES軸承試驗(yàn)結(jié)果 見(jiàn)表 2。 表 2 對(duì)比試驗(yàn)壽命結(jié)果編號(hào)壽命 /h 最大摩擦因數(shù) 徑向磨損/卩m徑向游隙變化/卩m質(zhì)量磨損/mg表面溫升/C 生產(chǎn)廠家 145． 670．246640-32 龍溪 22．330．375427-37SKF384．850．31123414936 龍溪 465．070．2661211631SKF 在對(duì) GE40ES 進(jìn)行測(cè)試的

10、過(guò)程中， 其摩擦因數(shù)在開始時(shí)有些波動(dòng)，摩擦因數(shù)大，可以理解為這 是軸承的磨合階段，這個(gè)階段很短，大概占軸承壽命的 1% ； 在接下來(lái)的平穩(wěn)時(shí)間內(nèi)，摩擦因數(shù)較穩(wěn)定，為軸承的磨損時(shí) 期；最后摩擦因數(shù)會(huì)急劇上升，磨損與溫升都很快增大，此 時(shí)會(huì)出現(xiàn)膠合、剝落等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)卡死，此時(shí)可以理 解為軸承達(dá)到了壽命，這個(gè)時(shí)間大約占整個(gè)壽命的不到 0.5%[4] 。 上述臺(tái)架壽命試驗(yàn)較好地表示了關(guān)節(jié)軸承在理想 環(huán)境下的壽命情況。 結(jié)合 ES 型號(hào)的關(guān)節(jié)軸承， 對(duì) ET 軸承的 實(shí)車壽命進(jìn)行試驗(yàn)研究。 3.2 ET 軸承實(shí)車壽命試驗(yàn) 試 驗(yàn)內(nèi)容和方法 關(guān)節(jié)軸承位于減振器吊耳內(nèi)，由卡簧固定的 部分。原有的關(guān)節(jié)軸

11、承為 ES 軸承，內(nèi)外圈均為軸承鋼，內(nèi) 圈有油槽油孔，靠黃油進(jìn)行潤(rùn)滑；在可靠性的方案中，選用 了 ET 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，內(nèi)外圈均為軸承鋼，內(nèi)層襯有聚四 氟乙烯織物，可進(jìn)行自潤(rùn)滑；同時(shí)，通過(guò)和廠家聯(lián)系，測(cè)試 了另一種自潤(rùn)滑軸承，其自潤(rùn)滑層為銅基高分子，內(nèi)外圈為 鋼制。通過(guò)實(shí)際跑車和試驗(yàn)臺(tái)架重點(diǎn)對(duì) ET 自潤(rùn)滑軸承進(jìn)行 了測(cè)試。 試驗(yàn)采用 ES 軸承資料作為參考判定本次試驗(yàn)軸承 是否符合條件，具體如下： 1）合格判定依據(jù)為軸承徑向晃動(dòng) 量w 0.4 mm; 2）測(cè)量工具為游標(biāo)卡尺（精度為0.02 mm）; 3） 測(cè)量方法采用檢測(cè)軸承的軸向晃動(dòng)量，由圖形推測(cè)出軸承的 徑向磨損量，同時(shí)使用塞尺檢測(cè)

12、能塞入的縫隙大小 （能塞入 1/2 即可），間接推測(cè)關(guān)節(jié)軸承是否符合標(biāo)準(zhǔn)； 4）測(cè)量假設(shè)為 關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈可視為平均磨損，且發(fā)生軸向晃動(dòng)時(shí)，在原 基礎(chǔ)上兩側(cè)晃動(dòng)量對(duì)稱。 試驗(yàn)結(jié)果 軸承硬度 情況ET軸承外圈采用軸承鋼，硬度約為 50 HRC，內(nèi)圈外 表面鍍鉻，硬度約為 50 H RC ；廠家定制的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承 外圈硬度W 220 HB，內(nèi)圈外表面鍍鉻，硬度約為 50 HRC。2 種軸承在未安裝時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，根據(jù)廠家反饋，其摩擦因數(shù) 約為 0.05，原 ES 軸承摩擦因數(shù)為 0.2。 軸承安裝情 況 關(guān)節(jié)軸承在安裝時(shí)，需要使用錘子和工裝將軸承砸入吊 耳之內(nèi)，在砸入 ET 軸承的過(guò)程中，未

13、出現(xiàn)問(wèn)題；砸入后， 關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，自帶的密封圈固定牢固。 軸承 試驗(yàn)情況 在關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)中，根據(jù)關(guān)節(jié)軸承磨損 情況觀察可知，關(guān)節(jié)軸承在自潤(rùn)滑層混入雜質(zhì)之后，會(huì)出現(xiàn) 比較明顯的磨損；關(guān)節(jié)軸承在自潤(rùn)滑層磨損之后，內(nèi)外圈之 間開始出現(xiàn)磨損，其內(nèi)圈由于硬度略高，鍍層磨損不明顯； 外圈內(nèi)層為主要磨損部分。另外，關(guān)節(jié)軸承的軸向出現(xiàn)W 5 mm 的晃動(dòng)， 其可能帶來(lái)的情況就是車輛與側(cè)板接觸的情況， 因此，在試驗(yàn)里程以內(nèi)，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承出現(xiàn)晃圈、軸向移 動(dòng)情況，為其帶來(lái)了不良狀況；但從另一方面講，關(guān)節(jié)軸承 能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，使得減振器的活塞桿處不受到過(guò)大側(cè)向力的 影響，對(duì)密封組件是一種保護(hù)。 從試

14、驗(yàn)里程內(nèi)關(guān)節(jié)軸承的 表現(xiàn)來(lái)看，該關(guān)節(jié)軸承在較長(zhǎng)距離內(nèi)可以保證減振器的固定 可靠 （可以不掉，但是軸向移動(dòng)無(wú)法避免 ）。實(shí)際在底盤上對(duì) 減振器進(jìn)行推、轉(zhuǎn)時(shí)，減振器向甲板內(nèi)側(cè)的軸向移動(dòng)用手推 可感覺(jué)出晃動(dòng)。 對(duì)減振器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)， 減振器可以輕易地轉(zhuǎn)動(dòng)。 4 關(guān)節(jié)軸承壽命計(jì)算方法 通過(guò)對(duì)實(shí)車的分解試驗(yàn)和對(duì)國(guó)外 軸承壽命計(jì)算法的分析，總結(jié)出關(guān)節(jié)軸承的磨損規(guī)律。對(duì)于 鋼對(duì)鋼的滑動(dòng)磨損，其線磨損率滿足如下規(guī)律： 式中，是 線磨損速度；p是解除壓應(yīng)力；v是滑動(dòng)線速度；□是材料 耐磨性系數(shù)，與工作環(huán)境有關(guān)。 對(duì)于擺動(dòng)的關(guān)節(jié)軸承，壽 命計(jì)算公式為： 式中， N 是擺動(dòng)次數(shù) （壽命）； UM 是限定 的最大

15、線磨損量 [5] 。 由 pv 計(jì)算公式 （鋼 /鋼接觸耐壓系數(shù)為 100）： 得： 式中， a 是與軸承質(zhì)量及工況有關(guān)的系數(shù)， 需要大量的試驗(yàn)得出。根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)和結(jié)果，將 a分解為 如下關(guān)系： a =7.63 X 106 a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 式中，a 1 是負(fù)荷方向系數(shù)； a 2 是溫度系數(shù)； a 3 是軸承設(shè)計(jì)制造質(zhì) 量系數(shù)； a 4 是負(fù)荷大小系數(shù)； a 5 是擺幅影響系數(shù)； a 6 是 滑動(dòng)速度影響系數(shù)； a 7 是軸承尺寸影響系數(shù)。 以此，獲得 了國(guó)產(chǎn)關(guān)節(jié)軸承 ET 類的壽命計(jì)算公式。它適合軸承在各種 工況條件下的壽命計(jì)算。這一公式

16、是建立在目前的軸承壽命 試驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。由于目前的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)還不完善，有些 工況還沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，本公式為今后的軸承研究指明 了方向。 5 結(jié)語(yǔ) 通過(guò)上述試驗(yàn)分解鑒定和運(yùn)用國(guó)外的公式 進(jìn)行推斷， 不難發(fā)現(xiàn)， 關(guān)節(jié)軸承的壽命受到多種因素的影響。 而通過(guò)新的公式進(jìn)行壽命的預(yù)測(cè)，可以有效地對(duì)軸承壽命進(jìn) 行預(yù)測(cè)。 參考文獻(xiàn)： [1] 曲慶文，劉源勇，鐘振遠(yuǎn)，等 .關(guān) 節(jié)軸承的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及分析[J].潤(rùn)滑與密封，2004⑷:102-103. [2] 牛勁草 .向心關(guān)節(jié)軸承應(yīng)力場(chǎng)分析及壽命預(yù)測(cè)方法研究 [D]. 洛陽(yáng)：河南科技大學(xué)， 2013. [3] 張?jiān)斊?，尚建忠，陳循，?. 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承

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18、er the conditions of heavy load, low speed and lacking of lubrication, the joint bearing of absorber can easily bring about high friction and badly worn. Therefore friction loss is the primary reason of the lifespan of joint bearing. The friction loss is complicated, and it is difficult to work out

19、accurately lifespan of joint bearing. By collection the service condition of joint bearing and outcome of the experiment, combining with the empirical formulation and experiment results, the estimation method of self-lubricating joint bearing is analyzed. Key words ： joint bearing, abrasion, self-lubrication 中圖分類號(hào)： TH 133.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 作者 簡(jiǎn)介：馬國(guó)清 (1965-) ，男，高級(jí)技師，兵器工業(yè)集團(tuán)技能帶 頭人，主要從事裝甲車輛液壓系統(tǒng)等方面的研究。 收稿日 期： 2017-04-24