引言

轴承作为装备制造业的“关节”，是航空航天、高速铁路、新能源汽车等战略性及新兴产业的核心基础件。随着相关行业对国产轴承的需求从“量”向“质”跃升，我国轴承行业对轴承的性能测试提出了更高的要求。

上期文章分享了中机试验装备股份有限公司面向轴承性能测试需求研发的多款关节轴承试验机系列产品，本篇文章为大家继续分享该系列产品性能测试原理。

一、影响关节轴承性能及寿命的因素

想要准确测量关节轴承性能，就必须了解关节轴承在实际工况下承受的载荷情况以及摆动方式。按照润滑方式，关节轴承可分为自润滑型和非自润滑型两种。其中，自润滑型关节轴承因为其高承载密度，维护简单的特点，广泛应用在航空航天、装备等领域。

本期文章将以“自润滑型”关节轴承的结构与载荷方式为例进行分析。自润滑向心关节轴承由①外圈、②密封垫、③自润滑衬垫和④内圈四部分组成，一般衬垫粘贴在外圈内球面上，其基本结构如图1所示。

图1：自润滑关节轴承模型实物图

摆动情况

关节轴承磨损寿命的因素也包括摆动方式、摆动频率、摆动幅度。关节轴承在工作中的主要摆动方式包括旋转摆动、倾斜摆动以及二者复合摆动。

旋转摆动

倾斜摆动

图2：关节轴承摆动方式

实际工况中，摆动方式和外加载荷的特性及大小对关节轴承的工作性能的影响如下：

①轴承的倾斜和复合摆动容易引起衬垫的脱落；

②高频重载产生的高pv值会引起关节轴承摩擦温度升高；

③重载荷还能引起关节轴承刚性材料的过度变形以及失效。

载荷情况

该类轴承内外圈紧密贴合，在摆动运动下主要承受径向和轴向载荷。

自润滑衬垫一般由非金属材料制成，在实际工作环境中容易在交变载荷和冲击载荷等多种不同的载荷方式下下产生不同形态的破坏和变形，因此自润滑型关节轴承对交变载荷以及冲击载荷的承载能力与使用寿命是评价其性能的重要指标。

二、实际工况中关节轴承受力情况

了解关节轴承的摆动方式以及载荷情况后，我们可通过以自润滑关节轴承内外圈球心建立坐标系O-XYZ，对实际工况下的关节轴承进行受力分析。

图3：运动方式以及负荷加载方向示意图

以轴承外圈固定作为基准，内外圈相对可以分别绕X 轴、Y 轴、Z 轴三个坐标轴往复转动，在自润滑关节轴承实际工作过程中，其实际运动状态可由这三个方向的转动复合而成。如图3，将轴承内圈固定，外圈相对内圈可以沿X 轴、Y 轴、Z 轴三个方向施加载力FX、FY、FZ，在实际工作过程中，自润滑关节轴承所受的加载力可由这三个方向的加载力复合得出。

三、关节轴承测试负荷加载方式

通过上述对自润滑关节轴承运动形式及加载方向分析可知,自润滑关节轴承的内外圈相对可绕三个转动轴X、Y、Z 做往复摆动、沿X、Y、Z 方向施加载荷。所以加载方式可分为单向加载、双向加载、多方向加载等。

中机试验装备股份有限公司结合自润滑关节轴承实际工况下的载荷状态，在关节轴承性能测试时受到的载荷分成几个模块，分别为径向加载模块、轴向加载模块、倾斜摆动模块以及旋转摆动模块。

图4：各个模块加载示意图

其中，径向、轴向加载模块模拟自润滑关节轴承实际工况下所受到的载荷，倾斜、旋转摆动模块模拟自润滑关节轴承实际工况下的运动方式，还原自润滑关节轴承的受力方式，从而对自润滑关节轴承进行全面、准确的性能测试。

在实际测试案例中，运用上述方法研制的复合摆动式关节轴承寿命试验机，多次测试不同摆动方式的自润滑向心关节轴承的摩擦学性能，试验条件为：室温；试验时间约为18小时；径向负荷10 kN；摆动角度±5°；摆动频率2Hz。图5为试验过程中关节轴承摆动次数与其磨损量关系曲线。

图5：摆动次数与磨损量关系曲线

从图5中可以看出，关节轴承的磨损量随连续旋转摆动次数的增加可大致分为三个阶段：初始阶段，自润滑关节轴承处于磨合过程，轴承的磨损量快速升高；稳定阶段，关节轴承摩擦副表面以转移膜的磨损为主，磨损量平稳增加；快速磨损阶段，衬垫被磨穿，磨损量急剧升高，与自润滑关节轴承实际工况下磨损情况基本一致。

四、相关产品

以本文所述方法为基本原理研制的关节轴承试验机系列产品，在高度还原样品实际工况的前提下，采用专用于关节轴承测试的采集控制系统以及一体化加载系统，大幅缩短载荷链，具有高刚度、高频响等特点。

该系列试验机可按照标准波形加载，也可按照一定波谱加载，既可实现交变载荷测试，又能进行疲劳测试，测试工况基本可以覆盖现有市面上所有关节类产品。

图6：试验机三维模型

五、结语

站在新质生产力的潮头，中国轴承产业正以自主创新为引擎，驶向价值链的更高处。随着材料科学、智能制造与工业互联网的深度融合，一个万亿级市场蓝海正在打开。当“中国轴承”的精度与可靠性赢得国际认可，中国制造的“关节”将更加灵活有力，支撑起从大国重器到新兴科技的每一次精密运转。

来源：中机试验