节轴承摩擦系数很小的原因 [2 ] 。随着关节轴承转 速的增加 ,轴承的磨损量也在持续不断的增加 。同时 , 转 移膜也会不断地被挤向两边 , PTFE自润滑层不断 地减少 ,因此在磨损过程中轴承摩擦系数也在缓 慢增加 ,直到 PTFE自润滑层被消耗完毕 、轴承失 效为止 。

  2000年前后 , 国外学者就曾对纤维织物进行 过一些力学建模 、有限元分析及实验研究 , 以探求 织物的性能参数 [17 - 18 ] , 但对于将纤维织物和树脂 基体整体考虑 , 分析各向异性织物衬垫的力学性 能却鲜见报道 。

  在重载荷磨损过程中 , 这种织物复合材料将 会在轴承内 、外圈接触面之间形成 PTFE转移膜 , 减少了接触面的剪切应力 , 使关节轴承内圈外球 面的微凸体对 PTFE复合层的擦伤作用明显得到 抑制和减轻 。此时摩擦副之间的接触表现为转移 膜与轴承内圈外表面之间的接触 , 这种接触会大 大减轻轴承转动时的摩擦阻力 , 明显降低轴承内 、 外圈之间的摩擦系数 , 这就是织物衬垫自润滑关

  纤维织物衬垫自润滑轴承在 20 世纪 60, 70 年代得到加快速度进行发展 ,主要是引入了新的人造纤维 、 纺织方法 ,在纤维增强树脂中填充颗粒状的聚四 氟乙烯树脂 ,以及先进的树脂涂覆技术 。

  这种自润滑织物衬垫有 3个特性 : ( 1)复合材 料衬垫的厚度严控得较薄 , 因而承载 要由轴承基体材料来承担 ; ( 2)衬垫的聚四氟乙烯 润滑成分以纤维的形式而不是颗粒的形式引入衬 垫 ,因为前者的强度和刚度均比后者大 ; ( 3 )交织 的纤维正好可以设计成由 PTFE纤维为主要成分 的接触面和由其他纤维组成的背面 , 这样衬垫的 背面就容易粘接在轴承的金属基体材料上 。这种 织物衬垫的自润滑及耐磨损性能好 , 力学性能 优异 ,承载能力高 , 耐腐蚀 , 置室外 15年无老化现 象 [9]。

  摘要 :针对飞行器等高端设备中普遍的使用的免维护织物衬垫自润滑关节轴承 ,从其基体与自润滑织物衬垫材 料 、力学仿真与结构分析 、性能测试 、磨损与寿命分析诸方面介绍了国内 、外的研究动态和发展的新趋势 ,并在总结 现有研究工作的基础上 ,对织物衬垫自润滑关节轴承的未来发展的新趋势提出了一些看法 。 关键词 :关节轴承 ;固体润滑 ;织物衬垫 中图分类号 : TH133. 31文献标志码 : A 文章编号 : 1000 - 3762 (2009) 03 - 0057 - 05

  文献 [ 18 ]对 GIXS系列的杆端关节轴承进行 了三维有限元仿真分析和结构优化 , 得出了杆端 关节轴承的应力分布和最大 M ises应力 。作者在 施加约束时 ,将两个柱窝球面进行了全约束 , 这样 尽管有利于接触问题的收敛 , 但因为限制了轴承 自身的变形 ,可能会引入较大的误差 。

  自润滑关节轴承结构特殊且内 、外圈间为球 面接触 ,目前利用解析方法求解其内 、外圈应力分 布和变形情况仍很困难 [17 ] 。然而随着计算机数值 模拟技术和有限元方法的发展 , 利用数值方法求 解以上问题已成为可能 。

  随着固体力学和有限元仿真技术的发展 , 利 用 ABAQUS, ANSYS等软件对关节轴承进行结构 分析不 仅 可 以 将 产 品 的 安 全 隐 患 消 除 在 设 计 阶 段 ,还能够缩短产品的设计周期 , 并且在保证设 计要求的前提下提升产品的设计水平 [18 ] 。

  为了满足较高的承载能力 , 织物衬垫自润滑 关节轴承的内 、外圈材料一般会用轴承钢 、不锈 钢 、高强度合金等材料制作 。

  织物衬垫则作为自润滑关节轴承的重要组成 部分 ,通常粘接在关节轴承外圈内表面 , 因为其性

  磨损 [2 - 3 ]和轴承断裂 , 磨损使内 、外圈间隙过大 , 衬垫失去正常润滑能力 , 严重时会造成相关机构 咬合卡死 。在诸如飞机起落架系统等场合 , 这种 失效常导致灾难性后果 。

  因此 ,开展织物衬垫自润滑关节轴承的摩擦 学性能研究对其性能指标的改善和常规使用的寿命的提 高具有十分重要的意义 。目前国内 、外虽然在织 物衬垫自润滑关节轴承的摩擦 、磨损 、寿命计算和 试验方法等方面取得一些研究结果 , 但较之不断 提高指标的实际使用上的要求仍不够完善 [2 - 8 ] 。

  关节轴承又称球面滑动轴承 ( Spherical Plain Bearings) ,主要由一个带外球面的内圈和一个带 内球面的外圈组成 。根据其工作时要不要补充 润滑剂 ,关节轴承可分为非自润滑关节轴承和自 润滑关节轴承 。织物衬垫自润滑关节轴承则是指 内 、外圈间含有织物衬垫形式自润滑材料的关节 轴承 ,其通常具有结构相对比较简单紧凑 , 易于装拆 , 承载 能力高 ,寿命长 ,转动灵活 , 免维护等特点 [1 ] , 因此 在航空 、航天 、电力 、交通 、生物医药和纺织等装备 中获得了愈来愈广泛的应用 , 慢慢的变成了这些装备 中不可或缺的关键零部件 。

  近几年 ,国内学者也开始关注应用于轴承的 纤维织物自润滑材料 。文献 [ 14 ]通过对磨损表面 形貌分析发现 PTFE纤维含量为 80%的织物在常 温及所用几种介质浸泡后 , 其摩擦系数低于 PTFE 纤维含量为 50%的织物 ; 磨损量与载荷 、介质 、温 度以及纤维织物中的 PTFE 纤维含量有关 , PTFE 纤维含量越高 , 磨损量越小 。文献 [ 10 ]研制了由 PTFE纤维与 Nomex纤维 、玻璃纤维等材料采取使用特 定方法纺织 , 并经特殊浸渍处理后制成的复合织 物 ,该织物强度高 ,摩擦系数小 。将这种纤维织物 应用于关节轴承时 ,可使关节轴承既保持高承载 、 自动调心的特性 , 又兼有自润滑 、耐冲击 、长寿命 等特点 。文献 [ 15 ]对碳纤维织物与 Nomex纤维织 物复合材料的摩擦磨损性能进行了研究 , 指出 No2 m ex纤维织物复合材料的耐磨性能优于碳纤维织 物复合材料 , 而碳纤维织物复合材料的减摩性能 优于 Nomex纤维织物复合材料 , 而且载荷和环境 温度对碳纤维织物和 Nomex纤维织物复合材料的 影响很明显 。文献 [ 16 ]则讨论了载荷 、速度及 热处理等对芳纶织物摩擦磨损性能的影响 , 并探 讨了其作用机理 。

  能直接决定着自润滑关节轴承的寿命 , 且在工业 实践中往往由于衬垫材料的过度磨损可导致整个 轴承失效而受到了国内 、外学者的广泛关注 。目 前 ,自润滑衬垫复合材料大概能分为 3 类 [1, 9 ] : (1)金属背衬的层状复合材料 , 如 3层复合材料 (DU、DX材料 ) , 它以刚性金属背衬为基体 , 烧结 青铜粉或铜网为中间层 , 表面层则为填充聚四氟 乙烯 ( PTFE)和减磨添加剂的多孔材料 , 通过工艺 手段可使之牢固结合成一体 ; ( 2)聚合物及其填充 复合材料 ,填充剂可以是石墨 、二硫化钼 、聚四氟 乙烯等润滑性填料 , 也可以是具有增强作用的玻 璃纤维或石棉纤维等 ; ( 3) PTFE纤维织物 , 由聚四 氟乙烯等几种性质不同的长纤维混织而成 , 并在 表面涂覆高强度的树脂 , 其性能卓越 , 气温变化时 尺寸稳定 ,抗磨减摩效果优异 [2, 6, 10 ] 。

  PTFE纤维织物衬垫早在 20 世纪 50 年代中 期即因关节轴承自润滑功能的需求应运而生 [11 ] , 而在此之前所有的飞机运动控制管理系统中均采用需 要定时进行脂润滑的镀青铜钢制轴承 , 随着飞机 结构越来越复杂 , 这种定期维护的成本变得越来 越高 ,从而促成了这种免维护的新型自润滑织物 衬垫的产生与发展 。

  结构分析 ,国内 、外学者进行了较多的研究 。 在轴承无间隙 , 并且不考虑润滑的条件下 , 文

  献 [ 19 ] 利用二维有限元模型计算了大型推力关 节轴承轴向 、径向以及轴 、径向复合加载时的变形 和受力分布 。发现在轴 、径向复合加载时球面最 大接触应力和球体最大轴向位移量与纯轴向和纯 径向加载相比 ,随载荷的增大有一定的下降 , 原因 是由于径向载荷的作用 , 使得轴承球体相对外圈 的轴向位移困难 , 轴向变形减小 。另外还发现轴 承内圈球体的内孔径向最大变形对轴承与轴的配 合状况产生重要的影响 。通过 ANSYS分析可为 合理确定该配合间隙提供理论依照 。