恒剥离角自润滑关节轴承衬垫粘结质量检测装置

丁红汉，杭鲁滨，陈有光，陆九如

(1.上海工程技术大学 机械工程学院，上海 201620；2.上海市轴承技术研究所，上海 200031)

自润滑关节轴承由内圈、外圈和粘结于外圈内表面的衬垫(或金属镀层)构成。以衬垫与内圈摩擦代替内外圈直接摩擦，从而满足航空、航天、铁路等应用领域的使用要求。自润滑关节轴承的主要失效形式之一是衬垫因粘结失效而松动或脱落[1-7]。衬垫松动会使关节轴承内外圈配合间隙增大，加剧衬垫磨损，导致摩擦因数升高，失去自润滑功能。 因此，开展关节轴承衬垫粘结质量研究，对提高关节轴承的使用性能，延长使用寿命有着十分重要的现实意义。

1 现有衬垫粘结质量检测方法

目前的衬垫粘结质量检测方法[8]如图1所示。在现有剥离试验过程中，剥离线上不同位置的衬垫所受剥离力不同，剥离过程中剥离角持续变化，衬垫易出现粘滑现象，所测得剥离载荷波动较大(图2)，难以精确评价自润滑关节轴承衬垫粘结质量。

图1 原有衬垫粘结质量检测方法示意图

图2 剥离载荷随剥离长度的变化

另外，夹持衬垫自由端的夹具夹头为直线型，而衬垫的剥离线为圆弧型，剥离线上不同点距夹持端对应点处的距离不等(即S1≠S2)，会引起剥离线上衬垫不同点处受力不均，易产生粘滑效应，影响衬垫剥离的真实性。

2 新型衬垫粘结质量检测装置

2.1 检测原理

在原有衬垫粘结质量检测模型的基础上提出的新型衬垫剥离模型如图3所示。采用外径与衬垫内径相等的导轮，夹头夹持处与剥离线为完全相同的圆弧，剥离线上各点与其对应的夹持端点处距离相等(即L1=L2)，满足同一剥离线上各点所受剥离力相同，从而可以实现衬垫真实剥离。此外，新型衬垫剥离模型可以通过调节导轮和试样轮驱动速度实现衬垫以恒定剥离角剥离，剥离载荷波动相对较小，剥离稳定性较高。

图3 新型衬垫剥离模型原理

2.2 检测装置

以上述模型为基础设计的新型衬垫粘结质量检测装置如图4所示，由自润滑关节轴承外圈试样、试样夹具、导轮、导轮夹具、伺服电动机、联轴器和底座等组成。绕线端电动机通过固定在底座上的联轴器连接到传动轴上驱动导轮，电动机及导轮借助联轴器底座在滑槽内滑动以实现剥离角的调节。剥离端电动机驱动由夹具固定于试样轮上的试样。通过导轮与试样轮协调转动即可实现同一剥离过程中剥离角恒定。此外通过调节定位滑块在滑槽内的位置可实现不同尺寸试样和导轮的装夹而不需要更换夹具。

1—试样轮下滑槽；2—试样轮下定位滑块；3—定位板锁紧螺栓；4—定位板；5—V形块；6—试样；7—试样轮上锁紧螺栓；8—试样轮上定位滑块；9—试样轮上滑槽；10—试样轮；11—剥离长度传感器；12—剥离端电动机；13—衬垫；14—定位板；15—定位块锁紧螺钉；16—导轮定位滑块；17—剥离力传感器；18—绕线端电动机；19—轴承架；20—轴承架移动滑槽；21—绕线端电动机移动滑槽；22—底座

检测装置中的剥离长度和剥离力传感器可以实时准确地记录剥离过程中的数据，并分别将伺服电动机的转动情况及衬垫所受剥离力传送给控制器，经控制器的处理后以电信号的形式传送给显示器，从而实现衬垫粘结质量检测数字化。

3 衬垫粘结力与剥离力映射关系

自润滑关节轴承的外圈内表面为球面，衬垫粘结到外圈内表面时为球面接触[9-17]，衬垫从球形粘结面剥落时与普通平面形胶层[18]剥离时所受剥离力不同。

在任一时刻衬垫剥离线上各点所受粘结力的方向由球心指向该点，衬垫剥离过程某时刻(剥离角为90°)剥离线上所受粘结力如图5所示。对应的剥离力(与粘结力大小相等、方向相反)共面[6-7]且指向球心O(图6左)。剥离线上各点所受剥离力分别指向球心，在衬垫剥离过程中，无法通过已剥离衬垫自由端对当前剥离线上不同位置点施加同时指向球心的剥离力。为实现衬垫的等效剥离，建立等效剥离力数学模型(图6右)，即

图5 剥离线衬垫粘结力示意图

图6 剥离截面衬垫所受线剥离力

f=q/cosθ，

(1)

(2)

式中：f为等效后单位剥离线上所受剥离力,N/mm；q为单位剥离线上所受剥离力,N/mm;θ为剥离线上不同位置点所受剥离力与水平方向(衬垫剥离过程中为衬垫自由端受拉的方向)的夹角，(°)；F为所需等效总剥离力，N;R1为衬垫内球面半径，mm；α为在剥离截面剥离线所对应中心角，(°)，由外圈的宽度决定。

根据平面剥离检测可得单位剥离线上衬垫所受的线剥离力q，从而获得关节轴承曲面等效总剥离力F，用以确定衬垫粘结质量。

4 衬垫弹性变形补偿分析

在衬垫剥离过程中，编织衬垫受到剥离力的作用会有一定的弹性伸长，如图7所示，需要调整导轮和试样轮的驱动速度以补偿衬垫弹性变形，实现衬垫的稳定剥离。

设衬垫试样半径为R1，角速度为ω1，导轮外半径为R2，导轮协同角速度为ω2，试样衬垫剥离长度为L(包含衬垫已剥离长度l1、剥离前自由端长度l2和衬垫弹性伸长长度Δl)，衬垫弹性系数为K,则在剥离时刻t有以下关系

ω2R2t=ω1R1t+K(l1+l2+Δl)。

(3)

由剥离模型建立原理可知R1=R2，则

(4)

通过ω1与ω2的关系即可调整导轮及试样轮的速度，从而实现衬垫的恒定角剥离。

5 结束语

根据自润滑关节轴承衬垫粘结面的几何形状，提出了衬垫恒剥离角剥离方式，设计了一种新型自润滑关节轴承衬垫粘结质量检测装置，可准确评价衬垫粘结质量。然后，针对新型衬垫粘结质量检测模型，给出了衬垫粘结力与衬垫剥离力映射关系，并分析了剥离过程中绕线端电动机补偿衬垫弹性变形的机理，保证剥离角恒定。