第1章 衬垫型自润关节轴承国内外发展现状
1.1 自润滑关节轴承结构类型及应用领域
关节轴承按照功能的不同，可分为杆端关节轴承、推力关节轴承、向心关节轴承和角接触关节轴承四种，如图1-1所示；按照摩擦副材料又可分为钢/钢（Steel-on-steel）、钢/青铜（Steel-on-bronze）、钢/烧结青铜复合物（Steel/sinter bronze composite）、钢/PTFE织物（Steel/PTFE fabric）、钢/PTFE复合物（Steel/PTFE composite）五种；按照润滑方式分为自润滑型和非自润滑型两种。非自润滑型关节轴承摩擦副包括钢/钢、钢/青铜，主要应用于起重机、叉式装卸车、液压缸和气缸、平衡器、选矿设备、辊轧机等方面；自润滑型关节轴承通常是含油的或工作面上有自润滑材料，工作时无须再润滑，摩擦副包括钢/烧结青铜复合物、钢/PTFE织物和钢/PTFE复合物。自润滑型关节轴承主要应用在航空航天、军工装备、高速运输、工业机器人、纺织机械、印刷机械等领域。自润滑关节轴承的自润滑材料在强度方面不如钢，在载荷作用下更容易产生变形，因此这类轴承对交变载荷和冲击载荷更加敏感，其设计是为了满足以下三种工况要求：重载且载荷方向不变；摩擦力小且恒定；再润滑不可能实现或实现效果不理想。
图1-1 关节轴承种类
本书主要研究钢/PTFE织物自润滑向心关节轴承，该类轴承内、外圈多以轴承钢为制造材料，工作时球面滑动表面直接接触，不存在流体动力润滑，属于干滑动类轴承。相对于一般关节轴承，该类轴承在运动时固态自润滑材料与内圈或外圈相对滑动下产生摩擦，而且摩擦因数较小。由于摩擦力的存在，工作时，自润滑材料与其对偶面间发生的相对滑动会导致磨损，尤其在高pv值（名义接触应力p和平均滑动速度v的乘积）运行工况下会产生高摩擦热和严重磨损，从而导致内、外圈之间的间隙不断增大，达到一定程度时会导致轴承失效。因此，在自润滑向心关节轴承的寿命计算中，通常将球面滑动摩擦副表面的磨损特别是自润滑材料的磨损情况作为判定轴承失效的基本准则。
研究自润滑关节轴承的磨损寿命要从研究轴承摩擦副材料的摩擦磨损性能入手。材料的摩擦磨损已经得到广泛的研究，特别是近几十年来，针对各种磨损的数百个计算公式得到发表，然而关于关节轴承磨损寿命模型的研究文献却较少见。目前，关节轴承磨损寿命的计算主要根据关节轴承生产厂家给出的计算公式，如著名的SKF、INA、NTN以及ELEGES等关节轴承生产公司都提出了适合本公司生产的关节轴承的额定寿命计算公式；在我国，基于对国内生产的关节轴承的研究，杨咸启等也提出了针对国内生产的关节轴承的磨损寿命计算公式。
向心关节轴承的寿命通常用轴承的总运行时间或总摆动次数表示，有多种定义方式。例如，将某关节轴承在实际使用条件下达到规定失效标准时的寿命称为该轴承的实际使用寿命；将同型号关节轴承在相同工况下大多数能达到或者超过的寿命估计值称为该型号轴承的基本额定寿命；也可根据轴承寿命可靠度要求定义轴承的可靠度寿命。基于轴承现有寿命计算公式，在较低滑动速度和承载载荷工况下会计算出较高的基本额定寿命计算值，然而，由于现有寿命计算公式的缺陷，轴承实际使用寿命与基本额定寿命之间往往差别较大。
影响向心关节轴承磨损寿命的因素包括轴承的摆动方式（图1-2）、摆动频率、摆动幅度、承受载荷、物理尺寸、制造材料、产品质量、加工工艺、工作环境、润滑情况等。其中，轴承的摆动方式、摆动速度和外加载荷的特性和大小对轴承的工作性能有重大影响。此外，自润滑向心关节轴承的摩擦学性能也与自润滑衬垫的材料组成、力学性能、编织方式、粘接质量等因素有重要关系。轴承的倾斜和复合摆动容易引起衬垫的脱落；高频重载产生的高pv值会引起关节轴承摩擦温度升高，重载荷还能引起关节轴承刚性材料的过度变形；高温、高湿等恶劣环境下环境介质与摩擦副表面间产生的物理、化学反应也会引起摩擦副材料性能的恶化，这些因素都会加速关节轴承的失效。由于摩擦、磨损的过程复杂多变，要建立针对磨损的统一的量化关系非常困难，有些影响因素很难甚至不可能量化，无法参与关节轴承寿命的计算。
在航天航空、高速运输、军工装备等高精尖领域，自润滑向心关节轴承越来越多地工作在复合摆动（图1-2）、高摆频、重载荷等超常工况下，揭示轴承失效机理、延长轴承工作寿命对提高整体装备寿命具有关键意义，也对轴承在工作性能、安全可靠性以及工作寿命等方面提出了更加严格的要求。同时，为保证设备的运行安全和最大限度降低设备安全事故，对关节轴承工作寿命进行更加准确的预测同样具有重大的意义。
图1-2 向心关节轴承摆动方式
自润滑向心关节轴承在复杂、超常工况下暴露的复杂失效机理和磨损寿命问题制约着诸如航空航天、高速运输、军事装备等重要领域的发展，迫切需要结合多学科进行交叉研究。为提高自润滑向心关节轴承的工作性能，需要解决许多关键科学问题，其中，从提高关节轴承工作寿命的角度，轴承在复合摆动下的球面摩擦副的界面效应、失效机理以及工作寿命与影响因素之间的量化关系是目前亟待解决的问题。