劉吟松，帥長(zhǎng)庚，陸 剛，楊 雪，汪 鑫

（1.海軍工程大學(xué)振動(dòng)與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2.船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033）

隨著水潤(rùn)滑軸承技術(shù)的發(fā)展，水潤(rùn)滑軸承材料被大量應(yīng)用于各類船舶，這不僅節(jié)省了大量的石油和貴有色金屬，而且避免了對(duì)水環(huán)境的污染。然而，在低速重載等情況下，軸與軸承之間的潤(rùn)滑處于邊界潤(rùn)滑甚至是干摩擦狀態(tài)，造成嚴(yán)重磨損和異常噪聲，降低了船舶軸系的安全性和壽命。尤其是摩擦振動(dòng)噪聲對(duì)潛艇等武器平臺(tái)航行和戰(zhàn)術(shù)中的隱身性能帶來(lái)隱患[1,2]。

已有的研究表明，材料的表面潤(rùn)濕性對(duì)其水潤(rùn)滑摩擦學(xué)性能有一定影響。Borruto 等[3]研究了水潤(rùn)滑條件下具有不同水接觸角的材料表面潤(rùn)濕性對(duì)銷盤滑動(dòng)摩擦磨損行為的影響，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)帶有疏水盤和親水銷的摩擦副中，銷和盤之間形成了一層連續(xù)的水，潤(rùn)滑效果良好；Pawlak 等[4]基于上述方法和結(jié)論，研究了表面潤(rùn)濕性和界面能對(duì)水環(huán)境中摩擦副表面摩擦系數(shù)的影響，結(jié)果表明，摩擦副在水環(huán)境中，摩擦系數(shù)與材料潤(rùn)濕性有關(guān)，其摩擦系數(shù)的變化順序?yàn)镠L-HL（親水-親水）>HB-HB（疏水-疏水）>HB-HL（疏水-親水）；焦云龍等[5]針對(duì)橡膠滑動(dòng)接觸界面，對(duì)不同潤(rùn)濕性液體潤(rùn)滑條件下的橡膠滑動(dòng)摩擦過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)性探究，認(rèn)為固-液接觸角與穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)摩擦因數(shù)具有一定的線性相關(guān)性（R20.92），摩擦因數(shù)隨著接觸角的增大而增大。一般來(lái)說(shuō)，親水性較強(qiáng)的材料有利于水膜的形成，從而具有較好的水潤(rùn)滑特性，很可能具有較低的振動(dòng)噪聲[6～7]。目前的研究多集中在摩擦系數(shù)與材料表面潤(rùn)濕性的關(guān)系，對(duì)摩擦振動(dòng)少有涉及，為了驗(yàn)證上述推斷，本文選擇擁有較為優(yōu)異摩擦學(xué)性能且表面潤(rùn)濕性不同的2 種塑料基體材料——聚四氟乙烯（PTFE）和聚甲醛（POM），對(duì)比分析其在水環(huán)境中的摩擦特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

PTFE（密 度 為2.16 g/cm3、硬 度 為3.73 HB）、POM（密度為1.41 g/cm3、硬度為21.75 HB）：武漢啟順科技有限公司；去離子水：電導(dǎo)率0.1μs/cm：東莞市佰純水處理設(shè)備有限公司；無(wú)水乙醇：優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試樣制備

將粗加工后的樣塊放置并固定在合肥廣龍數(shù)控設(shè)備制造有限公司的SX2016B 小型數(shù)控鉆銑床工

作臺(tái)上，設(shè)置X方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度為600 mm/min，Z方向每次切削量控制在0.5 mm 以內(nèi)，分別對(duì)樣塊6 個(gè)表面進(jìn)行切削（摩擦測(cè)試時(shí)的對(duì)磨表面最后切削），直至獲得尺寸為16.5 mm×6.5 mm×10 mm的試樣。在氮?dú)夥諊?，使用無(wú)水乙醇將試樣擦洗，最后放入無(wú)菌培養(yǎng)皿中待用。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 摩擦磨損性能測(cè)試：采用美國(guó)BRUKER 公司

生產(chǎn)的UMT - TL 型摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。清洗試驗(yàn)機(jī)水槽后加入去離子水，安裝試樣，在水潤(rùn)滑狀態(tài)下進(jìn)行環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)。塑料標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸為16.5 mm×6.5 mm×10 mm，對(duì)磨錫青銅環(huán)材質(zhì)為CuSn10Zn2，尺寸Φ35.00 mm×8.75 mm，通過(guò)設(shè)置不同轉(zhuǎn)速和加載力確定6 種不同工況（見(jiàn)Tab.1）開始試驗(yàn)，摩擦?xí)r間為900 s，每次試驗(yàn)結(jié)束后清洗水槽，并更換新的銅環(huán)和去離子水。塑料樣塊磨損前后的質(zhì)量采用波蘭RADWAG 公司生產(chǎn)的Wagi Elektroniczne 型電子天平測(cè)量，測(cè)量精度為0.1 mg。摩擦系數(shù)由式(1)獲得

Tab.1 Serial numbers corresponding to different working conditions

式中：μ——摩擦系數(shù)；f——摩擦力，N，由摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)得；Fn—加載力，N。

材料耐磨性分別通過(guò)線磨損量(Δh)、質(zhì)量磨損量(Δm)和比磨損率(ω)表征[8]，其中

式中：ω——比磨損率，mm3/(N·m)；ΔV——磨損后標(biāo)準(zhǔn)試樣的體積減少量，mm3，通過(guò)測(cè)量磨損前后質(zhì)量差和材料密度計(jì)算而得（ΔV=Δm/ρ），密度按GB/T 1033-86 塑料密度和相對(duì)密度試驗(yàn)方法測(cè)得；Fn——加載力，N；L——滑動(dòng)長(zhǎng)度，m。

1.3.2 水接觸角測(cè)試：試樣的水接觸角依據(jù)GB/T 30693-2014，采用德國(guó)dataphysics 公司生產(chǎn)的OCA-25 型水接觸角測(cè)量?jī)x，對(duì)每個(gè)樣品選取10 個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

1.3.3 表面粗糙度測(cè)試：采用美國(guó)ZYGO 公司生產(chǎn)的New View 9000 型3D 輪廓儀，選定輪廓算術(shù)平均值(Ra)為粗糙度標(biāo)準(zhǔn)。由Fig.1 可以看出，經(jīng)銑床加工后的不同材料表面粗糙度保持在一個(gè)數(shù)量級(jí)，且Ra0.8μm，根據(jù)GB/T 14234-1993，其屬于“滑動(dòng)和精確導(dǎo)向的表面”，故可認(rèn)為所制得的試樣具有相同粗糙度的表面。

Fig.1 Surface roughness of samples and copper ring before friction test

1.3.4 拉曼光譜分析：采用美國(guó)Thermo Fisher 公司生產(chǎn)的DXRxi 激光顯微拉曼成像光譜儀對(duì)摩擦后的試樣表面進(jìn)行分析。設(shè)置測(cè)量范圍50～3400 cm-1，分辨率2 cm-1，激光波長(zhǎng)532 nm；掃描次數(shù)200 次，測(cè)定功率500 mW。

1.3.5 摩擦振動(dòng)的信號(hào)采集與分析：采用丹麥B&K公司的Pulse 系統(tǒng)、B&K4519 型號(hào)傳感器、B&K3676模塊實(shí)現(xiàn)。在試驗(yàn)機(jī)摩擦基座上方布設(shè)B&K4519型傳感器，該傳感器可記錄摩擦面切向方向上方振動(dòng)情況；通過(guò)與B&K3676 模塊連接，對(duì)不同式樣塊的摩擦振動(dòng)特性進(jìn)行記錄與分析；Pulse 測(cè)量分析系統(tǒng)可同時(shí)進(jìn)行多通道的FFT 與CPB 分析，如Fig.2 所示。

Fig.2 Schematic diagram of the friction vibration test system

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的親水性

材料的表面親水性用水接觸角表征，PTFE、POM 和銅環(huán)的水接觸角見(jiàn)Fig.3?？梢钥闯?，本次試驗(yàn)所用PTFE 疏水，POM 較親水，銅環(huán)既不親水也不疏水。圖中Copper-POM 和Copper-PTFE 分別表示與POM 和PTFE 進(jìn)行摩擦試驗(yàn)后銅環(huán)的水接觸角，結(jié)果表明，銅環(huán)與POM 對(duì)磨后水接觸角變化不大，而與PTFE 對(duì)磨后則有明顯增大，可以推測(cè)摩擦過(guò)程中PTFE 在銅環(huán)表面形成了轉(zhuǎn)移膜，POM 未對(duì)銅環(huán)表面產(chǎn)生明顯影響。

Fig.3 Water contact angle of materials and counterparts

2.2 摩擦系數(shù)值

系數(shù)，同時(shí)將穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)取平均值作為最終的摩擦系數(shù)值，列于Tab.2 中?？梢钥闯?，當(dāng)載荷從25 N設(shè)置到100 N 時(shí)，2 種材料在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)均有不同程度的升高，這是由于法向載荷變大，犁溝效應(yīng)和黏著摩擦均有增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)變大，與諸多聚合物材料摩擦系數(shù)隨載荷的變化趨勢(shì)一致。同 一 載 荷 下，POM 在10 r/min 到100 r/min 轉(zhuǎn) 速下的摩擦系數(shù)有降低的趨勢(shì)，但變化不大，1000 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)有一定程度的降低；而隨著轉(zhuǎn)速的指數(shù)增加，PTFE 的摩擦系數(shù)值有明顯的增大。兩者對(duì)比看，10 r/min 轉(zhuǎn)速下PTFE 的摩擦系數(shù)明顯低于POM，100 r/min 轉(zhuǎn)速下兩者相差不大，而1000 r/min轉(zhuǎn)速下，PTFE 則明顯高于POM。以上結(jié)果可以推斷，POM 在1000 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)與銅環(huán)表面產(chǎn)生了一定厚度的水膜，這是其摩擦系數(shù)變小的原因；而PTFE 在3 種轉(zhuǎn)速下均未形成水膜，其由于表面低剪切強(qiáng)度和良好的自潤(rùn)滑性能，在銅環(huán)表面形成了轉(zhuǎn)移膜，低速下轉(zhuǎn)移膜較穩(wěn)定，摩擦系數(shù)較低，高轉(zhuǎn)速下銅環(huán)表面的PTFE 轉(zhuǎn)移膜被水流沖走，導(dǎo)致轉(zhuǎn)移膜無(wú)法穩(wěn)定存在，摩擦系數(shù)升高。

Tab.2 Friction coefficient of POM and PTFE under different working conditions (stable value)

2.3 磨損

Tab.3 列出了材料的磨損情況，分別通過(guò)比磨損率、線磨損量(Δh)和質(zhì)量磨損量(Δm)表征，其中，線磨損量是通過(guò)摩擦試驗(yàn)機(jī)中的位移傳感器在系統(tǒng)中處理得到后直接讀取的，精度為1μm，Δm由電子天平分別稱量摩擦前后的樣塊質(zhì)量獲得，精度為0.1 mg，比磨損率由1.3.1 節(jié)的公式計(jì)算而得。從表中可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，載荷越大，材料的磨損越嚴(yán)重。載荷相同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，材料的磨損不斷加劇，其中，POM 的磨損量呈現(xiàn)一定的線性變化，而PTFE 則近似指數(shù)變化。從比磨損率來(lái)看，PTFE 總體保持在一個(gè)數(shù)量級(jí)，在載荷25 N 時(shí)，3 個(gè)轉(zhuǎn)速的比磨損率變化不大，載荷100 N 時(shí)，比磨損率呈現(xiàn)線性變化，而POM 則出現(xiàn)了非常顯著的指數(shù)變化。由此可以推斷，3 個(gè)轉(zhuǎn)速下POM 是不同的潤(rùn)滑狀態(tài)，而PTFE 則是同樣的潤(rùn)滑狀態(tài)。這是因?yàn)?，在低轉(zhuǎn)速下，2 種材料的摩擦過(guò)程均無(wú)法形成有效潤(rùn)滑膜；而高轉(zhuǎn)速下，POM 表面親水性較強(qiáng)，潤(rùn)濕性較好，與銅環(huán)之間形成了相對(duì)穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，大大減小了磨損，PTFE 表面親水性較差，難以形成穩(wěn)定水膜，與銅環(huán)之間仍發(fā)生邊界潤(rùn)滑甚至是干摩擦，導(dǎo)致磨損量較大。

Tab.3 Wear loss and specific wear rate of PTFE and POM under different working conditions

2.4 材料表面的拉曼光譜分析

通過(guò)上述分析可知，材料在工況4 下的絕對(duì)磨損量最大，故先對(duì)工況4 摩擦試驗(yàn)后的樣品表面拉曼光譜進(jìn)行分析。Fig.5(a)為POM 原始數(shù)據(jù)作圖，因未磨樣品峰強(qiáng)較大，對(duì)磨后的樣品表面拉曼光譜數(shù)據(jù)為一條直線，為了更好地對(duì)比摩擦前后表面變化，將摩擦后樣品峰強(qiáng)度放大50 倍得到Fig.5(b)。由Fig.5(b)可得，摩擦前后樣品峰位置相同，具體地，536 cm-1為—O—C—O 的 剪 切 振 動(dòng)，918 cm-1為—O—C—O 的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1097 cm-1為—O—C—O的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1383 cm-1為C—OH 的面內(nèi)彎曲，1492 cm-1為CH2中H—C—H 的剪切振動(dòng)，2784 cm-1為—CH2O 鍵中C-H 的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，2917 cm-1為CH2中C—H 鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，2997 cm-1為CH2中C—H 鍵的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)[9]。由此可知，POM在摩擦前后的表面未發(fā)生化學(xué)變化。然而，未磨樣品表現(xiàn)出明顯的表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)(Surfaceenhanced Raman scattering, SERS)，一般來(lái)說(shuō)宏觀粗糙度在20～500 nm 時(shí)可以產(chǎn)生物理增強(qiáng)[10]，通過(guò)前述的粗糙度測(cè)定，該樣品正好處于這個(gè)范圍，摩擦試驗(yàn)后的樣品粗糙度變大，大于激發(fā)光波長(zhǎng)的粗糙度不產(chǎn)生效應(yīng)，拉曼光譜圖與實(shí)際試驗(yàn)情況相吻合；此外，銅、鎳等金屬表面會(huì)產(chǎn)生SERS 效應(yīng)[11]，摩擦后的試樣未產(chǎn)生SERS 效應(yīng)，證明在摩擦過(guò)程中，銅環(huán)未有擦傷并轉(zhuǎn)移到材料表面的現(xiàn)象發(fā)生。采用同樣的方法對(duì)POM 在所有工況下的摩擦表面進(jìn)行拉曼分析并繪制Fig.6，可以看出結(jié)果與上述一致，摩擦表面均未發(fā)生化學(xué)變化，且無(wú)金屬轉(zhuǎn)移發(fā)生。

Fig.5 Raman spectra of POM before and after friction test under working condition 4

Fig.6 Raman spectra of POM under different working conditions

采用同樣的方法對(duì)PTFE 樣品進(jìn)行分析，F(xiàn)ig.7(a)為PTFE 原始數(shù)據(jù)作圖，因未磨樣品峰強(qiáng)較大，對(duì)磨后的樣品表面拉曼光譜數(shù)據(jù)為一條直線，為了更好地對(duì)比摩擦前后表面變化，將摩擦后樣品峰強(qiáng)度放大50 倍得到Fig.7(b)。由Fig.7(b)可得，摩擦前后樣品峰位置相同，具體而言，292 cm-1為A1 對(duì)稱的CF2 的扭曲振動(dòng)，384 cm-1為A1 對(duì)稱的CF2 的變形振動(dòng)，576 cm-1為E1 對(duì)稱的CF2 的變形振動(dòng)，731 cm-1為A1 對(duì)稱的CF2 的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1219 cm-1為E1 對(duì)稱的CF2 的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1300 cm-1為E2 對(duì)稱的C—C 的伸縮振動(dòng)，1384 cm-1為A1 對(duì)稱的C—C 的伸縮振動(dòng)[12]。由此可知，PTFE 在摩擦前后的表面未發(fā)生化學(xué)變化。此外，未磨樣品也表現(xiàn)出明顯的SERS 效應(yīng)，摩擦后的試樣則未產(chǎn)生SERS 效應(yīng)，證明在摩擦過(guò)程中，銅環(huán)未有擦傷并轉(zhuǎn)移到材料表面的現(xiàn)象發(fā)生。采用同樣的方法對(duì)PTFE 在所有工況下的摩擦表面進(jìn)行拉曼分析并繪制Fig.8，可以看出結(jié)果與POM 情況一致。

Fig.7 Raman spectra of PTFE before and after friction test under working condition 4

Fig.8 Raman spectra of PTFE under different working conditions

2.5 摩擦振動(dòng)分析

為研究材料在低速重載下的摩擦振動(dòng)情況，選取100 N、10 r/min 條件（即工況6）下PTFE 和POM試驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)及10 r/min 水環(huán)境中空轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析。采樣頻率為65536 Hz，取6 秒平穩(wěn)段信號(hào)。Fig.9～Fig.11 分別是3 個(gè)信號(hào)的時(shí)域圖、頻域圖和時(shí)頻圖。從時(shí)域上看，PTFE 和POM 摩擦試驗(yàn)時(shí)與10 r/min 空轉(zhuǎn)相比，具有明顯不同。從頻域上看，較之空轉(zhuǎn)信號(hào)，PTFE 和POM 摩擦試驗(yàn)信號(hào)在全頻帶上線譜簇種類更多，且對(duì)應(yīng)的幅值更高。從時(shí)頻圖看，PTFE 和POM 的試驗(yàn)信號(hào)具有較高的相似性，并且與空轉(zhuǎn)信號(hào)有明顯區(qū)別。另外，3 組信號(hào)的信噪比列于Tab.4 中，通過(guò)對(duì)比可以看出，空轉(zhuǎn)信號(hào)的信噪比較低，其中含有的有用信號(hào)較少，而其余2 組信號(hào)信噪比較高，含有的摩擦振動(dòng)信息較多。由此可以得出：2 種材料進(jìn)行摩擦試驗(yàn)與試驗(yàn)機(jī)空轉(zhuǎn)所采集的信號(hào)有較大差別，從信號(hào)處理的角度，對(duì)不同材料摩擦振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析具有合理性；然而，不同材料間信號(hào)相似度較高，并且難以排除摩擦試驗(yàn)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)特性的干擾，僅對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析很難發(fā)現(xiàn)不同材料摩擦信號(hào)之間的區(qū)別，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理分析。

Fig.9 Time domain signals of PTFE, POM and 10 r/min

Fig.10 Frequency domain signals of PTFE, POM and 10 r/min

Fig.11 Wavelet time-frequency diagrams of PTFE, POM and 10 r/min

Tab.4 Signal-to-noise ratio of three signals

為了進(jìn)一步分析不同材料信號(hào)之間的差異，盡可能排除摩擦試驗(yàn)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)特性的干擾，選用小波包分析，對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行分解，得到不同頻帶的信號(hào)如Fig.12 所示。從圖中可以看出，PTFE 和POM 的第6 段（頻帶在641～768 Hz 之間）、第7 段信號(hào)（頻帶在769～896 Hz 之間）的頻譜簇集中程度及對(duì)應(yīng)的幅值大小均有較為明顯區(qū)別，并且與10 r/min 空轉(zhuǎn)信號(hào)之間也有較大差別，這意味著這2 段信號(hào)與摩擦試驗(yàn)機(jī)本身的振動(dòng)特性關(guān)聯(lián)度小，能更加清晰地反映出2 種材料摩擦振動(dòng)的信息，因此選擇對(duì)第6 段和第7 段信號(hào)進(jìn)行重組后進(jìn)行對(duì)比分析。

Fig.12 Decomposed signals of PTFE, POM and 10 r/min

對(duì)3 組信號(hào)的第6 段和第7 段重組信號(hào)進(jìn)行定量分析，分別提取其時(shí)域、頻域和熵特征進(jìn)行對(duì)比分析。Tab.5 是3 組信號(hào)的時(shí)域特征值，可以看出，時(shí)頻特征中POM 振動(dòng)信號(hào)的均值、方差、偏斜度和峭度均大于PTFE，說(shuō)明POM 摩擦信號(hào)在時(shí)域上幅值和偏離更大，信號(hào)的分布偏離對(duì)稱分布的歪斜程度更高，曲線更接近分布中心[13]。同時(shí)也說(shuō)明PTFE和POM 的重組信號(hào)在時(shí)域上區(qū)別較大，也驗(yàn)證了通過(guò)小波包分析來(lái)尋找不同材料信號(hào)之間的區(qū)別是可行的。

Tab.5 Time-domain eigenvalues of signals

頻域特征中，選取頻譜三次特征(ζ（3）)和頻譜四次特征(ζ（4）)進(jìn)行比較，其推導(dǎo)過(guò)程如下[14]。對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，則有

頻譜三次特征(ζ（3）)和頻譜四次特征(ζ（4）)分別為

振動(dòng)信號(hào)的頻域特征及熵值列于Tab.6?？梢钥闯鯬OM 信號(hào)的頻譜三次特征和四次特征均大于PTFE，說(shuō)明POM 信號(hào)的頻譜分散程度更大，而PTFE 頻譜信號(hào)則更集中，這也說(shuō)明了2 種材料的頻域信號(hào)具有較大差別，不同頻譜簇的集中程度區(qū)別較大。從功率譜熵看，POM 的熵值也大于PTFE，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)，其摩擦產(chǎn)生的幅值和能量更大。結(jié)合Fig.4(6)可以看出，在該工況下材料和銅環(huán)在摩擦過(guò)程中是作斷續(xù)運(yùn)動(dòng)，摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，產(chǎn)生躍動(dòng)現(xiàn)象，加劇了振動(dòng)，而在未形成潤(rùn)滑的摩擦過(guò)程中材料表面微凸體的斷裂是產(chǎn)生自激振蕩的重要成因[15]，PTFE 因向?qū)ε技a(chǎn)生了轉(zhuǎn)移膜，致使其振蕩能量相對(duì)較小。

Fig.4 Friction coefficient of two materials under different working conditions

Tab.6 Frequency-domain eigenvalues and entropy value of signals

按上述方法對(duì)100 N、1000 r/min 條件（即工況4）下PTFE 和POM 試驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)及1000 r/min 水環(huán)境中空轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行分析。三者在工況4 下重組后信號(hào)時(shí)域、頻域特征及熵值列于Tab.7?？梢钥闯?，時(shí)頻特征中POM 振動(dòng)信號(hào)的均值小于PTFE，方差、偏斜度和峭度均大于PTFE，說(shuō)明POM 摩擦信號(hào)在時(shí)域上幅值較小，而偏離較大，且信號(hào)的分布偏離對(duì)稱分布的歪斜程度更高，曲線更接近分布中心。POM 信號(hào)的頻譜三次特征和四次特征均大于PTFE，說(shuō)明POM 信號(hào)的頻譜分散程度更大，而PTFE 信號(hào)更集中。PTFE 信號(hào)的功率譜熵大于POM，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)，其摩擦產(chǎn)生的幅值和能量更大，結(jié)合Fig.4(4)可以看出，在該工況下PTFE 摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，依然出現(xiàn)了躍動(dòng)現(xiàn)象，自激振蕩更嚴(yán)重，而POM 的摩擦系數(shù)則是相對(duì)穩(wěn)定。由此可以推斷，PTFE 在試驗(yàn)過(guò)程與銅環(huán)依然有直接接觸，而POM 試驗(yàn)時(shí)則產(chǎn)生了良好的潤(rùn)滑膜，形成了穩(wěn)定的水潤(rùn)滑效果，這與10 r/min 下的振動(dòng)情況是不同的。

Tab.7 Time-domain eigenvalues, frequency-domain eigenvalues and entropy value of signals under working condition 4

3 結(jié)論

本文選取了表面潤(rùn)濕性不同的PTFE 和POM 塑料基體材料，研究了它們?cè)谒h(huán)境下不同工況摩擦學(xué)特性，主要結(jié)論如下：

（1）2 種材料的摩擦系數(shù)隨載荷增大均有不同程度的升高，POM 的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加略有降低，而PTFE 的摩擦系數(shù)值有明顯的增大。相同轉(zhuǎn)速下，載荷越大，材料的磨損越嚴(yán)重。隨著轉(zhuǎn)速的增大，材料的磨損不斷加劇，PTFE 的比磨損率總體保持在一個(gè)數(shù)量級(jí)，而POM 則出現(xiàn)了非常顯著的指數(shù)變化。不過(guò)2 種材料在摩擦前后的表面均未發(fā)生化學(xué)變化，且無(wú)金屬轉(zhuǎn)移發(fā)生。

（2）較之PTFE，2 種工況下POM 信號(hào)頻譜簇更集中，低轉(zhuǎn)速下其摩擦產(chǎn)生的能量更大，而高轉(zhuǎn)速下則相反。

（3）POM 與PTFE 在低轉(zhuǎn)速下水潤(rùn)滑效果較差，而高轉(zhuǎn)速下，POM 產(chǎn)生了穩(wěn)定的水膜，形成了穩(wěn)定的水潤(rùn)滑效果，驗(yàn)證了表面潤(rùn)濕性對(duì)材料在水環(huán)境摩擦學(xué)行為的影響作用。本工作將指導(dǎo)在水潤(rùn)滑軸承領(lǐng)域設(shè)計(jì)具有良好潤(rùn)滑減振性能的復(fù)合材料。