李寶福，劉亮，張鐵軍，劉紅宇

(1．上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072；2．陸航駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 200233；3．上海市軸承技術(shù)研究所，上海 200031)

自潤滑關(guān)節(jié)軸承是在內(nèi)圈和外圈之間應(yīng)用聚四氟乙烯等低摩擦因數(shù)材料的一類關(guān)節(jié)軸承。與普通關(guān)節(jié)軸承相比，這類軸承在使用中不需要定期加注或更換潤滑脂，可降低維護成本[1]。

無載啟動摩擦力矩是指軸承不承受載荷時，軸承內(nèi)、外圈從靜止?fàn)顟B(tài)到開始相對轉(zhuǎn)動的瞬間所需要克服的摩擦阻力矩。它綜合反映了軸承內(nèi)、外圈球面的貼合度、預(yù)緊狀況以及自潤滑襯墊的摩擦性能，是自潤滑關(guān)節(jié)軸承的一項重要技術(shù)參數(shù)。由于自潤滑材料的摩擦機理比較復(fù)雜，摩擦性能易受到環(huán)境溫度和空氣濕度等因素的影響，摩擦因數(shù)的離散性比較大。無載啟動力矩值本身較小，很難做到在絕對“無載”狀態(tài)下測量。另外，自潤滑關(guān)節(jié)軸承的外圈一般比較薄，當(dāng)軸承安裝不當(dāng)時，容易使軸承外圈變形，顯著地影響無載啟動摩擦力矩的大小。所以這一技術(shù)指標(biāo)的測量一直是世界軸承行業(yè)的難題，到目前為止，還沒有頒布具體的測量方法和規(guī)范[2-5]。例如GJB 5502—2005《低速擺動自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范》僅簡單地要求“軸承安裝應(yīng)盡可能減小對測量的影響”，沒有具體規(guī)定測量時應(yīng)如何安裝軸承。

根據(jù)外圈結(jié)構(gòu)，自潤滑關(guān)節(jié)軸承分為可分離的雙半外圈式和整體外圈式。整體外圈式軸承采用擠壓成形工藝裝配軸承的內(nèi)、外圈，結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用較廣泛。在此以整體外圈式自潤滑關(guān)節(jié)軸承為研究對象，分析被測軸承在各種測量裝置中的受載和變形狀況，探討自潤滑關(guān)節(jié)軸承無載啟動摩擦力矩的測量方法。

1 無載啟動力矩的測量

目前，實際生產(chǎn)中測量自潤滑關(guān)節(jié)軸承無載啟動摩擦力矩的常用方法主要為：砝碼法和基于扭矩傳感器的測量方法。

1.1 砝碼法

砝碼法測試無載啟動力矩原理如圖1所示。測試時，先用手動方式將軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動2～3圈，然后將軸承安裝在測量裝置的水平心軸上，用心軸固定軸承內(nèi)圈，將扁平柔帶一端粘連并纏繞在被測軸承的外圓周，另一端掛砝碼。不斷加砝碼，直至外圈開始轉(zhuǎn)動，此時所加砝碼的重力mg(m為砝碼質(zhì)量，g為重力加速度)產(chǎn)生的力矩即作為軸承的無載啟動力矩。

圖1 砝碼法測量原理圖

砝碼法測試裝置十分簡單，但測量精度低。加載砝碼時也同時在軸承上施加了徑向載荷mg，改變了軸承的“無載”狀態(tài)。設(shè)軸承內(nèi)、外圈之間的摩擦因數(shù)為μb，內(nèi)、外圈半徑分別為r和R，軸承的無載啟動力矩為Ms0，不考慮其他影響因素，則利用砝碼法測得的啟動力矩為

Ms1=mgR=Ms0+μbmgr。

(1)

相對系統(tǒng)誤差

(2)

由(2)式可知，系統(tǒng)誤差始終為正值，測試值偏大。另外，加載砝碼的次序、放置時的平穩(wěn)程度、最后一次的加載量對測試結(jié)果均有很大的影響，會帶來較大的隨機誤差。

1.2 基于扭矩傳感器的測量方法

使用扭矩傳感器測量，可以杜絕因測試而引入的附加徑向載荷和操作者的人為影響因素。具體檢測方案如圖2所示，被測軸承外圈用夾持裝置固定，軸承內(nèi)圈通過扭矩傳感器與電動機連接。扭矩傳感器可檢測電動機啟動過程中的力矩，從而測得被測軸承的無載啟動力矩。

圖2 基于扭矩傳感器的測試儀示意圖

由于軸承外圈較薄，容易變形，在固定外圈時，不可避免地改變了軸承的預(yù)緊狀態(tài)，進而改變了軸承的無載啟動力矩。

兩類動詞中，前者比重更高，說明美方更注重刻畫IDC入侵的過程，將中國妖魔化，這給公眾帶來更直觀的感受，易于煽動他們對中負(fù)面情緒。作為攻擊方的特朗普尤其需要這樣的語言策略來謀取其政策的合法性。此外，美方語料中對“戰(zhàn)爭”的使用僅有2次，而中方出現(xiàn)66次，這反映了強烈的立場對比。美國作為攻擊方，為尋求合法性，盡量避諱使用“戰(zhàn)爭”；中國作為被攻方，對“戰(zhàn)爭”的大量使用可消解美方合法性。

設(shè)軸承內(nèi)、外圈之間，夾持機構(gòu)與軸承外圈之間的摩擦因數(shù)分別為μb，μf，在自由狀態(tài)下內(nèi)、外圈徑向預(yù)緊正壓力總和為Fc0，外圈夾持力為Ff，因夾持力Ff引起的內(nèi)外圈接觸壓力為ΔFc，則軸承的無載啟動力矩真值為

Ms0=μbrFc0，

(3)

在裝配狀態(tài)下的無載啟動力矩為

Ms2=μbr(Fc0+ΔFc)。

(4)

(5)

由(5)式可見，扭矩傳感器法的測量誤差主要取決于外圈的夾持方式。降低夾持力傳遞系數(shù)λ，提高夾持裝置的摩擦因數(shù)μf，將有利于提高無載啟動力矩的測量精度。

2 試件夾持方式及其對測量的影響

軸承外圈的夾持方式包括：端面固定和外圓柱面徑向固定。根據(jù)夾持力分布情況，后者又有兩點夾持、三點夾持、彈性抱箍式的均勻夾持等。

下面以GE15關(guān)節(jié)軸承為例分析各種夾持方式的夾持力傳遞系數(shù)。該軸承外圈和內(nèi)圈材料分別為0Cr17Ni4Cu4Nb和9Cr18，外圈半徑14 mm、寬8 mm；內(nèi)圈球面半徑11.5 mm、寬12 mm，外圈內(nèi)表面貼有PTFE織物襯墊。用ANSYS分析在各種夾持方式下內(nèi)、外圈的接觸壓力[6-8]。分析時假設(shè)自由狀態(tài)下的軸承無間隙、無預(yù)緊壓力。根據(jù)有限元分析結(jié)果，幾種常見夾持方式下內(nèi)、外圈之間的附加接觸壓力典型分布如圖3所示，夾持力和夾持力傳遞系數(shù)的關(guān)系如圖4所示，相同夾持力下不同夾持方式所產(chǎn)生的附加接觸壓力對比見表1。

表1 不同夾持方式下夾持力-內(nèi)、外圈處接觸力

圖3 軸承內(nèi)、外圈接觸壓力分布圖

圖4 軸向夾持力-傳遞系數(shù)關(guān)系曲線

分析結(jié)果表明，各種夾持方式的夾持力傳遞系數(shù)可近似認(rèn)為是一個常數(shù)，即內(nèi)、外圈之間的附加接觸壓力近似正比于夾持力。采用徑向二點、三點夾持方式，外圈變形比較嚴(yán)重，接觸壓力集中在作用點附近；均勻夾持方式的接觸壓力沿周向均勻分布。另外，徑向夾持力分布越均勻，內(nèi)、外圈之間承受的接觸壓力越均勻，傳遞系數(shù)也越小。采用軸向端面夾持時，內(nèi)、外圈的接觸壓力在軸向集中在球面兩側(cè)，其傳遞系數(shù)遠低于徑向夾持方式。

對于上述型號軸承，無載啟動力矩不大于0.4 N·m，當(dāng)夾持部分和外圈的摩擦因數(shù)不小于0.2，夾持力達到180 N時，可以可靠地固定軸承外圈(安全系數(shù)C=1.26)。PTFE織物襯墊是低摩擦材料，與鋼構(gòu)成的接觸副的摩擦因數(shù)很低。內(nèi)圈和外圈的摩擦因數(shù)按0.1計算，180 N夾持力引起的啟動力矩測量誤差見表1。

從表1可知，徑向夾持對測量誤差有顯著的影響，測量誤差和夾持力分布均勻程度有關(guān)，夾持力分布越均勻，測量誤差越?。惠S向端面夾持對測量影響比較小，本例中的測量誤差可控制在0.5%以內(nèi)。如果夾持部分采用高摩擦因數(shù)材料，還可以降低夾持力，測量精度可相應(yīng)提高。因此，優(yōu)先采用軸向夾持方式。

3 實測數(shù)據(jù)分析

為進一步分析，在砝碼法測試裝置和自制的扭矩測試儀上進行了大量的自潤滑關(guān)節(jié)軸承無載啟動力矩的測量。測試在恒定的室溫和濕度條件下進行。在每個軸承圓周上相隔120°處選取3個點進行3次測量，取其平均值作為該軸承的無載啟動力矩。下述為部分實測過程和分析結(jié)果。

(1)取8個同型號樣品，由3位操作者分別用砝碼法和扭矩測試儀(軸向夾持)測量產(chǎn)品的無載啟動力矩，測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 軸承無載啟動力矩測 量結(jié)果

(2)取60個同型號樣品，由同一位操作者操作，測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同測試方法下的測量值

從圖5可以看出，不同操作者測出數(shù)據(jù)有明顯的離散性。其中，砝碼法和扭矩測試儀的平均方差分別為0.000 607和0.000 092，砝碼法的離散性明顯高于扭矩測試儀的測量值。這說明，人為因素對砝碼法的影響更大。另外，砝碼法的測量值普遍大于扭矩儀的測量值。在圖6中60套軸承的無載啟動力矩平均值分別為0.122 1和0.083 3 N·m。造成這一現(xiàn)象的原因，一是砝碼法在測量時帶入了徑向載荷，二是砝碼加載是有級加載，操作人員很難精確確定最后一步的加載量。而扭矩測試儀沒有上述弊端，且軸向夾持近似于“無載”狀態(tài)，對測量結(jié)果影響比較小。因此，扭矩測試儀測量方法更合理。

4 結(jié)束語

測量關(guān)節(jié)軸承的無載啟動力矩時，容易因改變被測軸承的“無載”狀態(tài)或改變軸承內(nèi)、外圈的預(yù)緊狀態(tài)使軸承的無載啟動力矩產(chǎn)生偏移，而帶來顯著的系統(tǒng)誤差。在企業(yè)常用的測量方法中，砝碼法測試裝置簡單，但會引入軸承載荷，砝碼的有級加載方式也會造成較大的隨機誤差。應(yīng)用扭矩測試儀法可避免改變軸承的無載狀態(tài)，但被測軸承的夾持方式對測量精度影響較大。外圈軸向夾持優(yōu)于外圈徑向夾持，應(yīng)優(yōu)先采用軸向夾持方式。在必須采用徑向夾持方式時，應(yīng)盡可能使夾持力沿周向均勻分布，并采用高摩擦因數(shù)材料來降低夾持力大小。