董炳武 鄧四二 張文虎

摘要：為了研究自潤(rùn)滑襯墊材料PTFE織物復(fù)合材料在高頻輕載條件下的磨損性能，本文以高頻輕載自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承關(guān)鍵部件自潤(rùn)滑襯墊為研究對(duì)象，深入研究了自潤(rùn)滑材料的失效模式，結(jié)合高速壓擺軸承試驗(yàn)機(jī)對(duì)自潤(rùn)滑襯墊材料磨損性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在相同條件下，外加載荷越大，材料溫度上升越高，磨損量也越大；在相同條件下，擺動(dòng)頻率越大，材料溫度上升越高，磨損量也越大。

關(guān)鍵詞：自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承；襯墊材料；磨損機(jī)理

1 引言

在自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承中，失效模式主要為自潤(rùn)滑襯墊材料的磨損失效，劉建等[1]研究了PTFE編織復(fù)合材料在不同擺動(dòng)頻率、載荷下對(duì)摩擦因數(shù)的影響規(guī)律，表明材料的摩擦因數(shù)隨載荷增大呈穩(wěn)定降低趨勢(shì)，最后趨于平穩(wěn)且載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響大于頻率的影響，對(duì)不同載荷頻率下產(chǎn)生的PTFE編織復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜的分析，從微觀上解釋了擺動(dòng)頻率、載荷對(duì)PTFE編織復(fù)合材料摩擦因數(shù)的作用機(jī)理。張智源等[2，3]研究了循環(huán)次數(shù)和循環(huán)溫度對(duì)PTFE編織復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響，表明隨著循環(huán)次數(shù)的增加PTFE編織復(fù)合材料的摩擦因數(shù)先升高后趨于平穩(wěn)，在達(dá)到極限磨損量后，摩擦因數(shù)急劇上升，材料發(fā)生失效；同時(shí)摩擦溫度的升高會(huì)導(dǎo)致PTFE編織復(fù)合材料進(jìn)入非正常磨損狀態(tài)。King R.B[4]研究了自潤(rùn)滑襯墊在常溫和高溫下的磨損特性，表明在高溫條件下自潤(rùn)滑襯墊更容易發(fā)生失效。王徹[5]制備TiC/Y2O3/TiAl基自潤(rùn)滑材料制備的關(guān)節(jié)軸承并在高溫條件下進(jìn)行試驗(yàn)，表明該基體磨損率遠(yuǎn)低于普通的關(guān)節(jié)軸承。綜上所述，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊材料的磨損性能進(jìn)行了大量研究，但是缺乏對(duì)于該材料在高頻輕載工況下的磨損機(jī)理研究。鑒于此，本文研究了自潤(rùn)滑襯墊材料PTFE織物復(fù)合材料在高頻輕載條件下的磨損性能，為高頻輕載自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命模型提供了理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)方法

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承一般運(yùn)動(dòng)模式為繞內(nèi)圈外球面進(jìn)行擺動(dòng)，是一種簡(jiǎn)單的滑動(dòng)摩擦，參考ISO-7148-1999[6]。通過加載油缸對(duì)摩擦副進(jìn)行加載，試樣運(yùn)動(dòng)方式為對(duì)偶環(huán)與動(dòng)力軸相連接，做左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模擬關(guān)節(jié)軸承擺動(dòng)過程，試驗(yàn)所用襯墊和下方試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行貼合處理，運(yùn)動(dòng)過程中保持靜止。加載方式為油缸輸出一定載荷對(duì)材料進(jìn)行施壓，摩擦副結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)中關(guān)于材料的摩擦磨損試驗(yàn)有多種，一般有銷盤接觸形式、環(huán)塊接觸形式、軸瓦接觸等形式。自潤(rùn)滑材料用于關(guān)節(jié)軸承鉸接處，為往復(fù)的擺動(dòng)磨損形式，結(jié)合自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的實(shí)際情況，選用軸瓦擺動(dòng)接觸形式。為了更好地對(duì)摩擦副進(jìn)行觀察與數(shù)據(jù)的采集，將自潤(rùn)滑材料粘結(jié)在關(guān)節(jié)軸承的支撐座上。本研究采用軸瓦式結(jié)構(gòu)的支撐方式模擬徑向自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)工況與徑向自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承工況條件基本相同，此摩擦副主要由三個(gè)部件組成：芯軸、襯墊、支撐座，支撐座加載系統(tǒng)相連，施加并保持一定的壓力，隨著芯軸的往復(fù)擺動(dòng)，自潤(rùn)滑材料襯墊出現(xiàn)磨損。

在對(duì)高頻輕載自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊材料進(jìn)行試驗(yàn)前，對(duì)偶環(huán)化學(xué)成分如表1所示。試樣托過度夾具化學(xué)成分如表2所示。

3 參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)之前使用砂紙將試樣進(jìn)行打磨，然后用特殊溶液對(duì)材料進(jìn)行清洗。安裝完成后，用溫度控制箱控制外界環(huán)境因素保持不變，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境為室溫25℃，相對(duì)濕度60%，保持試件初始溫度恒定，對(duì)試樣進(jìn)行35 min靜態(tài)加載。針對(duì)特定的工況條件下，在六個(gè)不同試驗(yàn)載荷和頻率條件下測(cè)量自潤(rùn)滑材料的摩擦溫度和磨損量的變化規(guī)律。試驗(yàn)參數(shù)如下：液壓缸加載載荷分別為2.5 MPa、5 MPa、7.5 MPa、10 MPa、12.5 MPa和15 MPa；擺頻分別5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、22 Hz和25 Hz；摩擦循環(huán)為120 000次，初始條件保持?jǐn)[角3°不變，試驗(yàn)參數(shù)取值如表3所示。

試驗(yàn)前需要靜止加載額定載荷15 min，保持自潤(rùn)滑材料處于穩(wěn)定的壓力狀態(tài)，試驗(yàn)過程中，觀測(cè)試件在不同載荷和頻率下的磨損特性。在整個(gè)試驗(yàn)中，安裝在托件下方的溫度檢測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化，位移傳感器來監(jiān)控磨損量變化。每組試驗(yàn)完成后對(duì)摩擦配副材料進(jìn)行自然冷卻降至室溫。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

編織材料存在高頻輕載的使用工況，為分析其在該工況條件下的摩擦磨損性能，對(duì)材料在高頻輕載下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行探究。

襯墊材料在高速壓擺試驗(yàn)機(jī)作用下磨損性能會(huì)發(fā)生一部分改變，摩擦副在高速擺動(dòng)下劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，由摩擦做功變?yōu)闊崮?。此時(shí)，摩擦副溫度升高，材料耐磨損性能降低，由溫度監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)記錄溫度的變化。

對(duì)全壽命擺動(dòng)周期的溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，如圖3所示為摩擦溫度隨擺動(dòng)次數(shù)的變化關(guān)系，在摩擦初期，摩擦溫度急劇上升，經(jīng)過2 500次擺動(dòng)摩擦溫度上升到51℃，此時(shí)的溫度變化的斜率最大。由2 500至12 000的擺動(dòng)次數(shù)情況分析，這一階段的摩擦溫度上升趨勢(shì)處于穩(wěn)定階段，襯墊在這一范圍內(nèi)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)和具有良好的熱穩(wěn)定狀態(tài)。

由式（1）可知，在摩擦過程中，增加接觸壓力或摩擦速度都會(huì)增加摩擦副產(chǎn)生的熱量。由熱力學(xué)第二定律可知，擺動(dòng)頻率越快，摩擦熱散熱越快，所以最后溫度趨于穩(wěn)定。

圖3（a）為保持頻率和擺角一定，在不同載荷條件下溫度隨擺動(dòng)次數(shù)的變化曲線，在不同載荷條件下，摩擦溫度均在摩擦初期急劇升高，且隨著摩擦?xí)r間的增加，該變化減緩。這是由于摩擦發(fā)熱階段一般有三個(gè)，第一階段屬于上升期，第二階段屬于平穩(wěn)期，第三階段屬于劇烈上升失效階段，由于設(shè)計(jì)時(shí)間不足以達(dá)到襯墊劇烈磨損階段，只能從圖中反映出第一、二階段。圖中各條曲線表明，頻率和擺動(dòng)角度保持不變，摩擦熱隨載荷的增加而升高，且載荷越大溫度達(dá)到平穩(wěn)期所需時(shí)間更長(zhǎng)，載荷為2.5 MPa、擺次為2 500次左右時(shí)摩擦溫度在50℃左右穩(wěn)定（在一定范圍內(nèi)波動(dòng)）；載荷為15 MPa、擺次為4 000次左右時(shí)摩擦溫度穩(wěn)定在80℃左右（在一定范圍內(nèi)波動(dòng)）。

圖3（b）為保持載荷和擺角一定，在不同頻率條件下溫度隨擺動(dòng)次數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，摩擦溫度隨著擺動(dòng)次數(shù)的增加而升高，且前期循環(huán)過程中溫度劇烈升高，在擺動(dòng)中期，溫度上升趨勢(shì)逐漸變小，在擺動(dòng)后期，溫度達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)，摩擦副材料進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。對(duì)比圖中不同頻率下的曲線可以看出，在循環(huán)前期，頻率越低溫度上升越快，頻率越高溫度上升得越慢，這是由于擺動(dòng)頻率越快，摩擦熱散熱越快，所以最后溫度趨于穩(wěn)定。同時(shí)，低頻條件下溫度達(dá)到平衡狀態(tài)的溫度大約為55℃，而在高頻條件下溫度還未達(dá)到平衡狀態(tài)，說明此時(shí)材料還未進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，同時(shí)也說明高頻比低頻達(dá)到溫度穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)如公式（2）所示，解釋了這一現(xiàn)象。襯墊材料在高速壓擺試驗(yàn)機(jī)作用下磨損性能會(huì)發(fā)生一部分改變，摩擦副在高速擺動(dòng)下劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，由摩擦做功變?yōu)闊崮堋４藭r(shí)，摩擦副溫度升高，材料耐磨損性能降低。在摩擦副中，根據(jù)熱力學(xué)定律，摩擦產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)先向受熱能力強(qiáng)的材料中轉(zhuǎn)移，在此過程中，慢慢向受熱能力弱的材料中轉(zhuǎn)移。

自潤(rùn)滑襯墊和襯墊的失效主要由于摩擦副之間的相互對(duì)磨產(chǎn)生的磨損，即磨損失效。一般自潤(rùn)滑材料的整個(gè)磨損由三階段，其中磨合階段，屬于跑和階段，襯墊和襯墊會(huì)產(chǎn)生輕微的磨損，導(dǎo)致此時(shí)的摩擦系數(shù)偏大，而穩(wěn)定磨損階段，自潤(rùn)滑襯墊的磨損率最小且最為穩(wěn)定。由圖4、圖5可知，在達(dá)到12 000次左右，自潤(rùn)滑襯墊開始發(fā)生劇烈的磨損，摩擦系數(shù)開始增大，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，表明襯墊即將失效。在擺動(dòng)過程中，隨著擺動(dòng)次數(shù)的增加，使得自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊形成連續(xù)的潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜的摩擦系數(shù)逐漸形成穩(wěn)定狀態(tài)，由于在摩擦的初始狀態(tài)下，襯墊的表面留有一層自潤(rùn)滑層，導(dǎo)致起始階段襯墊的摩擦系數(shù)隨著擺動(dòng)次數(shù)的增加涂層表面波峰平穩(wěn)而摩擦系數(shù)略微減小，當(dāng)達(dá)到平穩(wěn)磨損階段后次后，襯墊的摩擦系數(shù)不再發(fā)生劇烈的變化。此時(shí)說明制備的自潤(rùn)滑襯墊在摩擦磨損過程中，內(nèi)部材料具有均勻性、一致性和穩(wěn)定性，達(dá)到磨損后期，摩擦系數(shù)出現(xiàn)急劇上升，自潤(rùn)滑襯墊出現(xiàn)劇烈磨損階段，即磨損失效階段。綜上所述，此自潤(rùn)滑材料的摩擦磨損總體比較平穩(wěn)，摩擦系數(shù)較小。

從圖4、圖5中可以看出載荷P或頻率一定時(shí)，襯墊磨損量隨著循環(huán)時(shí)間的增加而增加，且磨損初期襯墊的磨損量變化率較大，此時(shí)襯墊材料磨損過程處于磨合階段；在磨損中期襯墊的磨損量變化率減小，此時(shí)是襯墊材料磨損過程處于正常磨損狀態(tài)；在磨損后期，襯墊材料經(jīng)由劇烈磨損進(jìn)入異常磨合階段，此時(shí)的關(guān)節(jié)軸承磨損機(jī)理發(fā)生變化，軸承很快進(jìn)入失效狀態(tài)。襯墊材料經(jīng)由磨損后狀態(tài)如圖6所示。

從圖6中可以看出，自潤(rùn)滑襯墊存在磨損不均勻的現(xiàn)象，且磨損嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在支撐座粘結(jié)的自潤(rùn)滑襯墊的兩端，有比較嚴(yán)重的磨粒磨損和粘著磨損情況，而根據(jù)摩擦磨損的基本規(guī)律試樣的磨穿現(xiàn)象應(yīng)該發(fā)生在中間溫度較高的區(qū)域，由此可見，試樣的摩擦嚴(yán)重磨損過程可能并非出現(xiàn)在中間較高的區(qū)域。從圖中，選取A點(diǎn)局部進(jìn)行觀察襯墊的磨損情況，此處A點(diǎn)表面涂層磨痕存在剝落、磨屑，磨痕區(qū)域凹凸不平，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠致密使得在摩擦磨損過程中出現(xiàn)裂紋，在循環(huán)載荷的作用下，裂紋不斷地?cái)U(kuò)大，使得磨損表面部分區(qū)域出現(xiàn)剝落現(xiàn)象和剝落坑等情況，一部分在循環(huán)載荷的作用下，對(duì)彌散在周圍摩擦表面受到接觸壓力起到壓實(shí)的作用，防止裂紋的擴(kuò)展。襯墊局部剝落放大圖如圖7所示。

5 結(jié)語

在高頻輕載工況下，保持頻率不變，襯墊表面溫度隨載荷增加而增加，當(dāng)擺次較大時(shí)，摩擦溫度隨頻率和應(yīng)力增加有較大幅度的提升，當(dāng)擺次一定時(shí)，摩擦溫度隨頻率的增加而升高，相較于載荷的增加，頻率的提高對(duì)摩擦溫度有較大的影響。

載荷P或頻率一定時(shí)，襯墊磨損量隨著循環(huán)時(shí)間的增加而增加，且磨損初期襯墊的磨損量變化率較大，此時(shí)襯墊材料磨損過程處于磨合階段；在磨損中期襯墊的磨損量變化率減小，此時(shí)是襯墊材料磨損過程處于正常磨損狀態(tài)；在磨損后期，襯墊材料經(jīng)由劇烈磨損進(jìn)入異常磨合階段，此時(shí)的關(guān)節(jié)軸承磨損機(jī)理發(fā)生變化，軸承將快速進(jìn)入失效狀態(tài)。

自潤(rùn)滑襯墊存在磨損不均勻的現(xiàn)象，且磨損嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在支撐座粘結(jié)的自潤(rùn)滑襯墊的兩端，有比較嚴(yán)重的磨粒磨損和粘著磨損情況，根據(jù)摩擦磨損的基本規(guī)律試樣的磨穿現(xiàn)象應(yīng)該發(fā)生在中間溫度較高的區(qū)域。

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