謝 心 郭智威 蔣劭力 袁成清

(1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 湖北武漢 430063；2.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所 湖北武漢 430063)

在船舶軸系結(jié)構(gòu)中，用水作潤(rùn)滑介質(zhì)不僅具有無(wú)污染、來(lái)源廣泛、節(jié)省能源、難燃和安全等特點(diǎn)，而且還能減少因摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損、沖擊、振動(dòng)和噪聲，解決可靠性差和壽命較短等問(wèn)題[1]。因此，研究水潤(rùn)滑軸承對(duì)于提高機(jī)械的效率、減少摩擦和磨損等有著重要的意義。隨著水潤(rùn)滑軸承的推廣與應(yīng)用，改變了長(zhǎng)期以來(lái)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中都是以金屬構(gòu)件組成摩擦副的傳統(tǒng)觀念，不僅節(jié)省了大量油料和貴重有色金屬，并且簡(jiǎn)化了軸系結(jié)構(gòu)。近些年來(lái)，國(guó)外設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了許多新型水潤(rùn)滑軸承材料[2]，如增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂、陶瓷、新型尼龍、飛龍、賽龍和聚四氟乙烯等材料[3-6]。我國(guó)對(duì)水潤(rùn)滑尾軸承的研究起步比較晚，很多材料都是通過(guò)進(jìn)口得到，比如英國(guó)的ACM和飛龍、加拿大的賽龍等。因此，研究新型的水潤(rùn)滑軸承材料迫在眉睫。

目前國(guó)內(nèi)使用的水潤(rùn)滑軸承主要以橡膠材料為主，但橡膠材料的彈性模量低，承載能力差，大大限制了其在水潤(rùn)滑軸承領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。聚氨酯(PU)以其優(yōu)異的耐磨性，很寬的硬度范圍，高彈性，耐疲勞性和減震能力，良好的耐油和耐多種溶劑性等特性，成為水潤(rùn)滑軸承的首選材料[7]。特別是聚氨酯彈性體材料是一種高性能“人造橡膠”，是被認(rèn)為最接近“賽龍”的材料。近年來(lái)，聚氨酯用于水潤(rùn)滑軸承材料的研究也越來(lái)越受到人們的關(guān)注[8]，但是PU自身承載能力低、干摩擦因數(shù)高和抗干摩擦學(xué)性能差，這些缺陷極大地限制了它在水潤(rùn)滑軸承中的應(yīng)用。為提高聚氨酯的性能，可采用物理或者化學(xué)的方法對(duì)聚氨酯進(jìn)行改性，從而制備成摩擦學(xué)性能優(yōu)越的復(fù)合材料。通常采用的物理改性法是通過(guò)添加纖維或者無(wú)機(jī)填料進(jìn)行共混改性，而化學(xué)改性法則是指通過(guò)化學(xué)接枝、嵌段或者添加有機(jī)聚合物進(jìn)行高分子共混。李方等人[9]用聚氨酯與硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)，采用溶膠-凝膠方法制備了耐高溫的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化聚氨酯復(fù)合材料。李裕琪等[10]以環(huán)氧樹(shù)脂(EP)和短切碳纖維(SCF)為改性劑對(duì)聚氨酯(PU)進(jìn)行了改性。WANG等[11]用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)共混改性聚氨酯彈性體，制備出新型抗磨損復(fù)合材料。

本文作者通過(guò)在聚氨酯預(yù)聚體中加入不同含量的潤(rùn)滑脂、合成蠟和消泡劑，再和固化劑混合澆注成型，然后在不同的工況下對(duì)制備的幾種材料進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試，探究添加劑對(duì)聚氨酯材料摩擦性能的影響，并探討材料在水潤(rùn)滑條件下的磨損機(jī)制。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣的制備

聚氨酯材料制造工藝如下：以科聚亞公司生產(chǎn)的甲苯二異氰酸酯(TDI)為預(yù)聚體，將其加熱到80 ℃，在恒溫下真空脫泡，與在110 ℃下經(jīng)過(guò)4 h烘干后的粉料混合制成A料；將固化劑的4,4′-亞甲基雙(3-氯-2,6-二乙基苯胺)在95 ℃恒溫下熔融得到B料；將A、B料混合后澆注到恒溫110 ℃的模具內(nèi)，在10～30 MPa的模壓下制成聚氨酯材料。為探討添加劑對(duì)聚氨酯材料性能的影響，在制備A料時(shí)分別添加不同成分的添加劑，其中第一組材料添加了0.2%的潤(rùn)滑脂和0.5%的消泡劑，以PU-1表示；第二組材料在第一組材料的基礎(chǔ)上又加入5%的合成蠟，以PU-2表示，第三組材料為不添加潤(rùn)滑脂、合成蠟和消泡劑的空白對(duì)照組，以PU-3表示。

通過(guò)精加工將制備的聚氨酯復(fù)合材料制成銷試樣，銷試樣為圓柱體，其直徑和高度分別為10 mm和20 mm。對(duì)摩圓盤為鑄銅盤，其材料為ZCuSn10Zn2(9%～11% Sn，1%～3% Zn，Pb不大于1.5%，Ni不大于2%，F(xiàn)e不大于0.25%，Mn不大于0.2%，S不大于0.1%)，外徑為60 mm，高度為10 mm，中心開(kāi)一個(gè)內(nèi)徑為8 mm的圓孔。材料表面粗糙度Ra不高于3.2，硬度約為HB785。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)CBZ-1型船舶軸系摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，所有參數(shù)均為在線測(cè)量，每隔1 s采集一次摩擦因數(shù)、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率和載荷等，速度測(cè)試精度為±1%，載荷測(cè)試精度為±5%，扭矩測(cè)試精度為±0.2%。摩擦機(jī)試驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)原理圖

在盤-銷摩擦副對(duì)摩試驗(yàn)時(shí)，摩擦力對(duì)主軸產(chǎn)生扭矩，根據(jù)摩擦學(xué)庫(kù)侖定律，摩擦因數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中：T表示試驗(yàn)機(jī)摩擦力矩，N·m；R表示滑動(dòng)半徑，mm；F表示試驗(yàn)機(jī)軸的試驗(yàn)力，N。

1.3 試驗(yàn)方案

參照美國(guó)軍標(biāo)MIL-DTL-17901C(SH)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了銷的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，即同一轉(zhuǎn)速下進(jìn)行4種不同載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為250 r/min；試驗(yàn)銷在銅盤上的平均滑動(dòng)半徑為23 mm，其相應(yīng)的滑動(dòng)速度為0.55 m/s；銷試樣與銅盤接觸面直徑為10 mm，摩擦副接觸面面積為78.54 mm2。為探究聚氨酯材料的可靠性，設(shè)定4種載荷，分別為1.1、1.5、1.9、2.3 MPa，其相對(duì)應(yīng)的壓力分別為88、120、152、184 N。所有試驗(yàn)均在室溫狀態(tài)下進(jìn)行，試驗(yàn)潤(rùn)滑介質(zhì)為蒸餾水。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 添加劑對(duì)聚氨酯材料摩擦因數(shù)的影響

靜態(tài)試驗(yàn)中每個(gè)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為7 800 s，圖2給出了在載荷1.1、1.5、1.9、2.3 MPa下3種試樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖2 不同載荷下3組試樣摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)

從圖2(a)、(b)可以看出，在1.1和1.5 MPa工況下，隨時(shí)間的增加3組試樣的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)出逐漸減小并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，這是因?yàn)閯傞_(kāi)始接觸時(shí)摩擦副表面直接接觸還未形成水膜，此時(shí)處于干摩擦狀態(tài)下，所以摩擦因數(shù)較大；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，銷試樣和鑄銅盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)形成了流體潤(rùn)滑膜，避免了摩擦副界面之間的直接接觸，因而摩擦因數(shù)降低并逐漸趨于穩(wěn)定。如圖2(c)、(d)所示，隨著比壓的增大，水膜產(chǎn)生過(guò)大的潤(rùn)滑壓力導(dǎo)致潤(rùn)滑表面發(fā)生變形，局部壓力過(guò)大導(dǎo)致水膜的黏度發(fā)生變化，反過(guò)來(lái)會(huì)影響水膜的厚度，也會(huì)影響動(dòng)壓潤(rùn)滑的形成，由此造成3組聚氨酯材料的摩擦因數(shù)普遍升高，比壓越大摩擦因數(shù)越高[12]。

在低壓工況下，未加入添加劑的PU-3試樣的摩擦因數(shù)降低的趨勢(shì)明顯快于其他2組試樣，這是因?yàn)樵谒疂?rùn)滑條件下，聚氨酯含有大量的極性羥基和氨基酸，水分子很容易與羥基、氨基酸通過(guò)氫鍵結(jié)合形成水分子吸附膜；另一方面復(fù)合材料與金屬表面都有粗糙度及微觀孔穴等，這些都有利于水的存留與滲透，從而改善了摩擦副表面的潤(rùn)滑狀態(tài)[13]。這說(shuō)明在低壓工況下添加劑對(duì)降低聚氨酯的摩擦因數(shù)并沒(méi)有很好的效果。而在2.3 MPa高壓工況下PU-2試樣的摩擦因數(shù)遠(yuǎn)低于其他2組試樣，這是因?yàn)橄輨┰诰郯滨ピ嚇訚沧⑦^(guò)程中能有效地抑制或消除試樣內(nèi)部的微小氣孔，改善了化學(xué)穩(wěn)定性，提高了承載能力；同時(shí)潤(rùn)滑脂和合成蠟的添加提升了試樣本身的自潤(rùn)滑性能，因此能更好地適應(yīng)在高壓工況下的摩擦。

綜上，潤(rùn)滑脂、消泡劑、合成蠟3種添加劑可以改善聚氨酯的潤(rùn)滑狀態(tài)，提高其承載能力。

2.2 添加劑對(duì)聚氨酯材料穩(wěn)定性的影響

為探討添加劑對(duì)聚氨酯材料穩(wěn)定性的影響，表1給出了3組聚氨酯試樣的平均摩擦因數(shù)以及方差分析結(jié)果。

方差的大小是反映隨機(jī)變量和其數(shù)學(xué)期望之間的偏離程度，表1中的方差分析則是衡量摩擦因數(shù)的全部數(shù)值的波動(dòng)程度，方差大則波動(dòng)大，方差小則偏離平均值的程度小。結(jié)合4種工況下的數(shù)據(jù)得出結(jié)論：潤(rùn)滑脂和消泡劑能改善聚氨酯的穩(wěn)定性，添加合成蠟后效果更加明顯。

磨損量也能反映材料在摩擦過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性，圖3所示為3組聚氨酯試樣在4種載荷下的磨損量。在載荷1.1、1.5、1.9 MPa下，3組試樣的磨損各有高低，顯然每種試樣在不同比壓下的適應(yīng)能力以及潤(rùn)滑狀態(tài)不盡相同，而在載荷2.3 MPa下PU-2試樣的磨損量極低，說(shuō)明潤(rùn)滑脂、合成蠟和消泡劑能顯著提高聚氨酯材料的耐磨性以及穩(wěn)定性。

表1 3組聚氨酯試樣的平均摩擦因數(shù)及方差分析

圖3 不同載荷下3組聚氨酯試樣的磨損量

2.3 磨損表面分析

為了探究聚氨酯用作水潤(rùn)滑軸承的安全性可靠性，下面以2.3 MPa高壓工況為例，通過(guò)激光干涉位移表面輪廓儀以及超景深顯微鏡2種3-D測(cè)量系統(tǒng)，觀察摩擦副的表面形貌并分析聚氨酯復(fù)合材料的磨損機(jī)制。

由圖4可見(jiàn)：PU-1的對(duì)摩銅盤表面上分布著較為均勻但深淺不一的溝槽，PU-2的對(duì)摩銅盤表面有密布的凸峰，但高度相差不大，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的犁溝形磨損，而PU-3的對(duì)摩銅盤表面微凸峰和凹谷比較明顯，犁溝現(xiàn)象十分突出，磨損較為嚴(yán)重。

如圖5所示，通過(guò)超景深顯微鏡可以看到，與PU-1試樣對(duì)摩的銅盤表面呈現(xiàn)密布均勻的劃痕，粗糙度較大，可能是在重載工況下無(wú)法形成水膜或者水膜厚度不夠，材料和銅盤表面尖峰接觸；與PU-2試樣對(duì)摩的銅盤表面有部分的輕微劃痕，可以看出溝槽較淺也較小，且粗糙度很小，說(shuō)明潤(rùn)滑狀態(tài)處于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，有良好的潤(rùn)滑效果；與PU-3試樣對(duì)摩的銅盤表面顯而易見(jiàn)有較深的犁溝，表面擦傷現(xiàn)象嚴(yán)重，而且鑄銅盤的磨損量較大，可能為磨粒磨損。由此可見(jiàn)，潤(rùn)滑脂、消泡劑和合成蠟?zāi)苡行У馗纳凭郯滨ゲ牧显诟邏合碌臐?rùn)滑狀態(tài)，減輕對(duì)摩擦副的磨損情況。

圖4 激光干涉位移表面輪廓儀下的鑄銅盤表面形貌

圖5 超景深顯微鏡下的鑄銅盤表面形貌

同樣，也可以從磨損量的角度來(lái)驗(yàn)證材料的磨損狀況，如表2所示，在載荷2.3 MPa下，PU-2試樣與之對(duì)摩的鑄銅盤的磨損量都極低，表明潤(rùn)滑脂、消泡劑和合成蠟?zāi)苡行岣呔郯滨ゲ牧系哪湍バ砸约敖档团涓蹦Σ凌T銅盤的損耗，避免摩擦副磨損嚴(yán)重導(dǎo)致一些危害的發(fā)生，由此提高了聚氨酯材料作為水潤(rùn)滑軸承的安全性和可靠性。

表2 在2.3 MPa下3組試樣及對(duì)摩銅盤的磨損量

3 結(jié)論

(1)在低壓工況下，不加添加劑的聚氨酯材料的平均摩擦因數(shù)較小但數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，添加0.2%潤(rùn)滑脂和0.5%的消泡劑后聚氨酯材料的摩擦因數(shù)略大但穩(wěn)定性更好，進(jìn)一步添加5%的合成蠟后對(duì)材料穩(wěn)定性能的改善效果更加明顯。

(2)在高壓工況下，潤(rùn)滑脂、消泡劑和合成蠟的添加能有效地改善聚氨酯材料的承載能力，減小了摩擦因數(shù)和材料的磨損量，對(duì)聚氨酯材料的耐磨性有較大的提升。

(3)在2.3 MPa下，不加添加劑的聚氨酯材料出現(xiàn)了劇烈磨損，對(duì)摩銅盤表面出現(xiàn)大量深而密集的溝槽，而加入0.2%潤(rùn)滑脂、0.5%消泡劑以及5%合成蠟后明顯地改善了聚氨酯材料在水潤(rùn)滑條件下的潤(rùn)滑性能，使得對(duì)摩銅盤表面較為光滑，劃痕較淺也較少。因此，潤(rùn)滑脂、消泡劑和合成蠟添加劑提高了聚氨酯材料作為水潤(rùn)滑軸承的安全性和可靠性。