李錦棒,夏仁良,華李成,胡旭東,周寧寧,所新坤

(1. 寧波大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211;2. 北京控制工程研究所 精密轉(zhuǎn)動和傳動機構(gòu)長壽命技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100094)

多孔聚酰亞胺(PPI)具有密度低、孔隙可控、自潤滑性能好和耐疲勞等優(yōu)點[1-4]. 浸漬潤滑油后可制作成多孔含油聚酰亞胺(Oil-impregnated porous polyimide,iPPI)，具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，經(jīng)過高速離心仍有較高的含油率，可實現(xiàn)零部件的微油潤滑[5-7]，已廣泛應(yīng)用于空間微油潤滑軸承的保持架[8-11].

微孔中的潤滑油大大提高了iPPI的摩擦性能，使其具有較低的摩擦系數(shù)和磨損率[12-14]，但在空間微油潤滑軸承的實際應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)iPPI保持架表面發(fā)生磨損發(fā)黑的現(xiàn)象[15]，而在實驗室中采用標準試驗機難以重現(xiàn)該現(xiàn)象，無法準確揭示iPPI材料表面的發(fā)黑現(xiàn)象，制約著iPPI材料性能的進一步改進.

目前多孔含油聚合物摩擦學(xué)特性的測試方法主要有采用標準試驗機和實際軸承測試2種[9,12-15]. 采用實際軸承的測試方法雖然更接近實際工況，但載荷和滑動速度均不能精確控制，難以準確揭示多孔材料的摩擦磨損規(guī)律，且耗時長成本高. 采用標準試驗機能夠準確控制載荷和滑動速度等參數(shù)，但與實際工況存在一定差異，不能反映軸承內(nèi)部多配副的摩擦狀態(tài).

眾所周知，在軸承內(nèi)部，存在滾動體與保持架以及滾動體與溝道2類摩擦副，這2類摩擦副是相互影響的. 當采用金屬保持架時，2類摩擦副的性質(zhì)接近，相互影響可以忽略，但是采用多孔含油聚酰亞胺保持架時，2類摩擦副性質(zhì)相差甚遠，這種相互影響是不可忽略的.

針對此問題，本文中研制了雙配副摩擦試驗機，并對其進行了校準，然后采用該試驗機研究了iPPI的摩擦磨損特性，重現(xiàn)iPPI保持架材料磨損表面的發(fā)黑現(xiàn)象，探討其發(fā)黑機理.

1 雙配副摩擦試驗機的研制

1.1 試驗機原理與結(jié)構(gòu)

試驗機的原理如圖1所示，試驗機及雙配副的實物如圖2所示. 試驗機主體包括3個功能模塊：上部摩擦力測試模塊、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動模塊以及下部摩擦力測試部分，其摩擦配副從上到下依次為圓柱銷-鋼球(旋轉(zhuǎn))-鋼盤. 上部摩擦力測試部分由剛性梁、柔性梁、連接塊和拉壓傳感器組成. 剛性梁和柔性梁固定在連接塊兩側(cè)，拉壓傳感器固定在剛性梁和柔性梁之間. 上摩擦副的載荷由砝碼加載，樣品規(guī)格為直徑6.5 mm、長度7 mm的圓柱銷. 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動模塊由電機、軸承座及鋼球主軸組成，鋼球規(guī)格為直徑19.05 mm，中間有直徑為4 mm的通孔，固定在鋼球主軸末端的球窩中. 鋼球最大直徑處回轉(zhuǎn)誤差小于±2 μm，所選軸承極限轉(zhuǎn)速大于5 000 r/min. 下部摩擦力測試模塊由三維力傳感器、精密升降平臺和鋼盤夾具組成. 三維力傳感器固定在精密升降平臺上，鋼盤夾具固定在三維力傳感器上方，要求升降臺加載時具有一定的彈性.

試驗機上下2個摩擦力測試模塊相互獨立，可避免發(fā)生耦合和干擾. 傳感器參數(shù)列于表1中，其中F.S.為滿量程.

1.2 試驗機的標定與調(diào)試

上部摩擦力測試模塊中，拉壓傳感器安裝位置與摩擦點之間有一定距離，傳感器的測試結(jié)果與真實值之間存在線性關(guān)系，需要進行標定. 將精密砝碼放置于柔性臂夾具孔位置，記錄傳感器讀數(shù)，標定示意圖如圖3(a)所示. 砝碼依次放置10、20、100、200和500 g，重復(fù)測試3次，結(jié)果如圖3(b)所示. 可以看出，所加載荷與傳感器讀數(shù)的線性度較好，且拉向和壓向的測試值極為接近. 傳感器壓向的線性方程為P=0.01073 m，傳感器拉向線性方程為P=-0.01075 m，P為傳感器示數(shù)(N)，m為砝碼質(zhì)量(g).m與真實值R(N)之間的關(guān)系是m=1000×R/g，平均拉向與壓向的系數(shù)，取P=0.01074 m，那么真實值R可以表示為R=P/1.096.

Fig. 1 Principle of double-contact friction tester圖 1 雙配副摩擦試驗機的原理圖

Fig. 2 Photo of the double-contact friction tester: (a) overall view and (b) partial view of double contacts圖 2 雙配副摩擦試驗機照片：(a) 整體圖；(b) 雙配副局部圖

表 1 傳感器的參數(shù)Table 1 Parameters of sensors

隨著砝碼質(zhì)量的增加，傳感器示數(shù)的差值逐漸變大. 加載500 g砝碼時，傳感器拉向示數(shù)最大差值為0.03 N，壓向示數(shù)最大差值為0.025 N，拉向和壓向示數(shù)最大差值為0.05 N. 多次重復(fù)發(fā)現(xiàn)，差值均位于上述范圍內(nèi)，因此，可得上部摩擦力測試模塊的重復(fù)性精度不低于±0.025 N.

Fig. 3 Calibration of upper contact of the tester: (a) diagram of calibration; (b) results of calibration圖 3 試驗機上配副的標定：(a) 標定示意圖；(b) 標定結(jié)果

上述標定為靜態(tài)加載，為了驗證實際動態(tài)測試時拉壓向摩擦力測試的一致性，采用鋼球-含油PI銷進行摩擦試驗，轉(zhuǎn)速為500 r/min，電機正轉(zhuǎn)(壓向)15 s，反轉(zhuǎn)15 s，摩擦力測試曲線如圖4所示. 可以看出，電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時摩擦力大小幾乎不變，整個上部摩擦力測試模塊具有較好的測試精度和重復(fù)性.

Fig. 4 Friction force test of upper contact in forward and reverse directions圖 4 上配副正反轉(zhuǎn)的摩擦力測試

Fig. 5 Friction force test of lower contact: (a) error test of forward and reverse direction; (b) Stribeck curves test of forward and reverse direction圖 5 下配副摩擦力測試：(a)正反轉(zhuǎn)誤差測試；(b)正反轉(zhuǎn)Stribeck曲線測試

上配副摩擦力標定后，可以用上配副標定下配副.在上配副樣品夾具上安裝直徑為6 mm的鋼球，下配副樣品臺上安裝鋼盤，通過移動上部摩擦力測試模塊的XY移動平臺，使鋼球在鋼盤表面往復(fù)滑動，讀取上部拉壓傳感器和下部三維力傳感器的示數(shù)，進行標定.下部摩擦力測試值的誤差隨壓力的變化如圖5(a)所示.可以發(fā)現(xiàn)，下部摩擦力的測試誤差相對較大，在±0.05 N以內(nèi). 分析誤差較大的原因是手動移動XY平臺，速度難以控制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動較大. 考慮到下部載荷一般設(shè)置為數(shù)十牛，摩擦系數(shù)的測試精度約為±0.002，基本滿足測試要求.

采用下部摩擦力測試模塊測試了電機正反轉(zhuǎn)下鋼球-鋼盤配副的Stribeck曲線，潤滑條件為微油潤滑，電機轉(zhuǎn)速范圍為10～2 800 r/min，每個速度下保持15 s，取摩擦系數(shù)平均值，曲線如圖5(b)所示. 可以看出，正反轉(zhuǎn)所測試的Stribeck曲線基本一致，重復(fù)性良好.

1.3 試驗機參數(shù)與測試條件

基于上述標定結(jié)果，試驗機技術(shù)參數(shù)匯總?cè)缦拢?/p>

(1) 載荷范圍：上配副載荷100～5 000 g (0.98～49 N)；下配副載荷0～50 N；

(2) 摩擦力測試范圍：上配副摩擦力0～20 N；下配副摩擦力0～50 N；

(3) 電機轉(zhuǎn)速：10～3 000 r/min；

(4) 摩擦力分辨率：0.001 N；

(5) 上配副摩擦力測試精度：±0.015 N；

(6) 上配副摩擦力重復(fù)性精度：≤±0.025 N；

(7) 下配副摩擦力測試精度：±0.05 N；

(8) 下配副摩擦力重復(fù)性精度：±0.05 N；

(9) 最高采樣頻率：30 Hz.

測試條件：下配副微油潤滑和浸油潤滑，浸油深度為1.5 mm，上配副無加油裝置，由下配副黏附的油或脂實現(xiàn)潤滑. 下配副也可采用干摩擦，用于檢測固體潤滑材料在雙配副中的摩擦磨損特性.

Fig. 6 Bearing and worn surfaces of porous polyimide retainer: (a) disassembled bearing; (b) iPPI retainer;(c) blackening of cross section of retainer圖 6 軸承及iPPI保持架的磨損表面：(a)軸承拆解圖；(b)多孔含油聚酰亞胺保持架；(c)保持架截面的發(fā)黑現(xiàn)象

試驗樣品規(guī)格：上試件為Φ6～8 mm圓柱銷，中間試件為Φ19.05 mm的帶孔圓球，下試件為厚度3 mm、Φ10 mm的圓盤. 本試驗機可單獨使用上配副或下配副.

2 雙配副摩擦試驗機的試驗驗證

2.1 軸承保持架材料表面的發(fā)黑現(xiàn)象

多孔含油PI (iPPI)材料常用于空間微油潤滑軸承的保持架，圖6(a)所示為控制力矩陀螺使用的角接觸微油潤滑軸承的拆解圖. 在地面試驗中發(fā)現(xiàn)保持架表面會有發(fā)黑現(xiàn)象，如圖6(b)所示. 發(fā)黑位置位于在軸承旋轉(zhuǎn)方向上保持架兜孔與鋼球接觸處. 將保持架沿徑向切開，觀察發(fā)黑的影響深度，如圖6(c)所示. 可以發(fā)現(xiàn)，不僅iPPI表面發(fā)黑，材料內(nèi)部也發(fā)生了發(fā)黑現(xiàn)象，其影響深度可達毫米級.

iPPI保持架的這種發(fā)黑現(xiàn)象在標準單配副摩擦試驗機中是難以重現(xiàn)的，其原因就是軸承內(nèi)部存在多配副摩擦的情況，而標準試驗機難以模擬這種多配副的摩擦形式，即使在某些情況下會發(fā)生輕微的發(fā)黑現(xiàn)象，也難以重復(fù).

分析可知，軸承中的摩擦副有2類，滾動體與保持架以及滾動體與內(nèi)外溝道兜孔. 針對這種多配副的摩擦，本文中研制了雙配副摩擦試驗機. 采用研制的雙配副摩擦試驗機，選擇上試樣材料為iPPI材料，中試樣為帶孔GCr15鋼球，下試樣為GCr15鋼盤，分別進行上配副摩擦試驗、下配副摩擦試驗和雙配副摩擦試驗. 試驗所采用的材料如圖7所示，材料的參數(shù)列于表2中. PPI材料由定容燒結(jié)制備而來[14]，含油率為11.51%，中值孔徑為1.04 μm.

測試參數(shù)為上配副壓力19.6 N (2.0 kg)，下配副載荷30 N，鋼球轉(zhuǎn)速2 000 r/min. 上配副單獨摩擦時不額外添加潤滑油，由iPPI材料中所含的微量油提供潤滑.下配副參與摩擦時，為保證鋼球與鋼盤潤滑不發(fā)生嚴重磨損，試驗開始前在金屬盤上添加20 μL潤滑油，試驗中不再額外添加潤滑油. 在微油潤滑軸承的實際使用中也會事先在溝道上涂抹少量潤滑油，因此，本文中的測試條件與實際工況是相符的.

Fig. 7 Materials used: steel disc,drilled steel ball and iPPI pin圖 7 試驗材料：鋼盤、帶孔鋼球和iPPI銷

2.2 測試結(jié)果

2.2.1 摩擦系數(shù)

分別采用上配副、下配副和雙配副測試iPPI-鋼球、鋼球-鋼盤以及iPPI-鋼球-鋼盤的摩擦磨損特性. 為觀察單配副下磨損表面是否會發(fā)生發(fā)黑現(xiàn)象，iPPI-鋼球和鋼球-鋼盤配副連續(xù)摩擦20 h. iPPI-鋼球-鋼盤雙配副的摩擦時間由iPPI表面的發(fā)黑程度決定，在摩擦1、5和10 h停機觀察iPPI磨損表面. 經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過10 h的摩擦，iPPI表面有明顯發(fā)黑，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察發(fā)黑表面形貌的詳細信息，觀察前需要將iPPI浸入石油醚中24 h，以去除潤滑油，因此雙配副摩擦持續(xù)10 h.

表 2 材料參數(shù)Table 2 Parameters of materials

摩擦系數(shù)測試曲線如圖8所示. 從圖8中可以看出，iPPI-鋼球單配副的摩擦系數(shù)較大，為0.1左右. 鋼球-鋼盤單配副的摩擦系數(shù)較小，在20 h測試時間內(nèi)，摩擦系數(shù)緩慢下降，這說明20 μL潤滑油足夠充分潤滑鋼球-鋼盤配副. 雙配副摩擦時，由于需要停機觀察iPPI磨損表面，摩擦系數(shù)有一定的波動，重新測試后經(jīng)過20 min左右可以達到穩(wěn)定狀態(tài). 由于iPPI-鋼球配副對鋼球-鋼盤配副的影響，雙配副中的鋼球-鋼盤配副的摩擦系數(shù)比單配副的摩擦系數(shù)稍大. 在額外添加潤滑油的作用下，雙配副中iPPI-鋼球配副的摩擦系數(shù)明顯下降，為0.03左右.

2.2.2 Stribeck曲線的測試

測試iPPI-鋼球、鋼球-鋼盤以及iPPI-鋼球-鋼盤的Stribeck曲線，如圖9所示. iPPI-鋼球單配副摩擦系數(shù)隨速度的增加先急速下降，后緩慢上升，鋼球-鋼盤配副的摩擦系數(shù)先快速下降，后緩慢下降，雙配副中鋼球-鋼盤配副的曲線與鋼球-鋼盤單配副的曲線趨勢相同，但數(shù)值稍大. 雙配副中iPPI-鋼球配副的摩擦系數(shù)隨滑動速度的增加急劇降低，0.2 m/s后基本保持不變.

Fig. 8 Test results of friction coefficient圖 8 摩擦系數(shù)曲線測試結(jié)果

從Stribeck曲線的形態(tài)上看，鋼球-鋼盤單配副和iPPI-鋼球-鋼雙配副均能達到彈流潤滑狀態(tài)，在不額外加油的情況下，iPPI-鋼球配副難以實現(xiàn)彈流潤滑.這說明iPPI中微量潤滑油的量不足以使摩擦副達到彈流潤滑狀態(tài)，但添加額外少量的潤滑油即可極大降低摩擦副的摩擦系數(shù)，實現(xiàn)摩擦副的彈流潤滑. 同時在雙配副中，2個摩擦副相互影響，潤滑劑會在2個配副中循環(huán)，例如在本文中設(shè)置的雙配副中，潤滑油加在鋼盤表面，但iPPI-鋼球配副也得到了有效潤滑.

2.2.3 單配副與雙配副磨損表面的對比

采用光學(xué)顯微鏡(KH-8 700，HIROX)觀察單配副和雙配副的磨損表面. iPPI-鋼球的磨損表面如圖10所示. 從圖10中可以看出，經(jīng)過iPPI-鋼球單配副摩擦后的iPPI表面沒有明顯的發(fā)黑現(xiàn)象，磨斑內(nèi)部光亮，鋼球表面的磨痕輕微. 鋼球-鋼盤的磨損表面如圖11所示. 可以發(fā)現(xiàn)，鋼盤表面的磨斑顏色較深，鋼球表面的磨痕顏色較淺.

Fig. 9 Test results of Stribeck curves: (a) upper contact (iPPI-ball single contact); (b) lower contact (ball-disc single contact);(c) double contacts圖 9 Stribeck曲線測試結(jié)果：(a)上配副(iPPI-鋼球單配副)；(b)下配副(鋼球-鋼盤單配副)；(c)雙配副

Fig. 10 Optical micrographs of worn surface of iPPI-steel ball single contact: (a) worn surface of iPPI; (b) worn surface of steel ball圖 10 iPPI-鋼球單配副磨損表面的光學(xué)顯微鏡照片：(a) iPPI磨損表面；(b) 鋼球磨損表面

Fig. 11 Optical micrographs of worn surfaces of ball-disc single contact: (a) worn surface of steel disc;(b) worn surface of steel ball圖 11 鋼盤-鋼球單配副磨損表面的光學(xué)顯微鏡照片：(a) 鋼盤磨損表面；(b) 鋼球磨損表面

圖12 所示為iPPI-鋼球-鋼盤雙配副的磨損表面，從圖12中可以看出，iPPI表面有明顯的發(fā)黑現(xiàn)象，鋼盤表面與鋼球表面磨痕的顏色也較深，與單配副下的磨損表面有很大差異，這說明雙配副之間的相互影響導(dǎo)致了iPPI表面的發(fā)黑現(xiàn)象. 這也是標準摩擦試驗機難以重現(xiàn)iPPI表面發(fā)黑現(xiàn)象的原因.

放大圖12(e)中紅色框內(nèi)的發(fā)黑部位，如圖12(f)所示. 可以發(fā)現(xiàn)，黑色物質(zhì)成絮狀，不僅位于磨損表面，還滲入到iPPI材料內(nèi)部，這說明黑色物質(zhì)的粒度微小，可以通過iPPI的孔隙滲入材料內(nèi)部，這與圖6所示的軸承保持架發(fā)黑現(xiàn)象一致.

為了進一步觀察iPPI表面的發(fā)黑細節(jié)，需要對iPPI樣品進行除油處理(在石油醚中浸泡20 h)，采用SEM(SU5000，Hitachi)分別觀察單配副和雙配副下iPPI的磨損表面形貌，如圖13所示. 從圖13中可以看出，單配副下iPPI的磨損表面除了孔隙處有微小的碎屑產(chǎn)生，其他區(qū)域比較光滑，無磨屑黏著. 而雙配副下的iPPI磨損表面有大量微小的白色顆粒黏著. 對圖13中方框內(nèi)的表面進行能譜(EDS)分析，結(jié)果列于表3中. 單配副下iPPI的磨損表面并未檢測出鐵元素，而在雙配副下的iPPI的磨損表面檢測出微量的鐵元素. 這說明，圖13(b)中的白色顆粒為含鐵的磨屑.

雙配副磨損表面的白色顆粒為導(dǎo)致光學(xué)顯微鏡下iPPI表面發(fā)黑的原因. 為了進一步確認發(fā)黑物質(zhì)的成分，采用拉曼光譜儀(inVia confocal Raman microscope，Renishaw)檢測雙配副下鋼球和鋼盤表面，iPPI表面的熒光較強，無法用拉曼光譜測試. 拉曼光譜測試結(jié)果如圖14所示，其中1 328、415、295和229 cm-1為α-Fe2O3的特征峰，而660 cm-1為Fe3O4的特征峰，這說明導(dǎo)致iPPI表面發(fā)黑的物質(zhì)為α-Fe2O3和Fe3O4.

Fig. 12 Optical micrographs of worn surfaces of double contacts: (a) worn surface of steel disc-10 h; (b) worn surface of steel ball-10 h; (c) worn surface of iPPI surface-1 h; (d) worn surface of iPPI surface-5 h; (e) worn surface of iPPI surface-10 h; (f) details of worn surface of iPPI surface圖 12 雙配副磨損表面的光學(xué)顯微鏡照片：(a) 鋼盤磨損表面-10 h；(b) 鋼球磨損表面-10 h；(c) iPPI磨損表面-1 h；(d) iPPI磨損表面-5 h；(e) iPPI磨損表面-10 h；(f) iPPI磨損表面局部放大圖

Fig. 13 Worn surface of iPPI in single-contact and double-contact: (a) single-contact; (b) double-contact圖 13 單配副和雙配副下iPPI的磨損表面：(a) 單配副；(b) 雙配副

表 3 圖13中iPPI磨損表面的EDS分析Table 3 EDS analysis of iPPI worn surface in Fig. 13

Fig. 14 Raman spectrum of steel disc and steel ball in double-contact圖 14 雙配副下鋼球和鋼盤表面的拉曼光譜分析

在雙配副中，鋼球-鋼盤金屬配副在微油潤滑下發(fā)生輕微磨損，產(chǎn)生微小的磨屑，同時iPPI-鋼球配副也會產(chǎn)生少量磨屑，這些磨屑在摩擦過程中被反復(fù)研磨和剪切，形成微小顆粒，鐵元素被氧化，生成褐色和黑色的α-Fe2O3和Fe3O4顆粒. 這些顆粒隨著潤滑油不斷地擠出和回收，滲入iPPI材料內(nèi)部，產(chǎn)生發(fā)黑現(xiàn)象.發(fā)黑現(xiàn)象證明了iPPI材料良好的潛藏性，可以嵌入微小磨屑，有利于摩擦副摩擦和磨損的降低，對摩擦副有一定的保護作用.

同時，iPPI表面的發(fā)黑現(xiàn)象也是摩擦副磨損狀態(tài)的“指示器”，發(fā)黑越嚴重說明磨損情況越惡劣，摩擦副沒有被良好地潤滑，反之亦然. 因此，多孔保持架材料既要保證存儲足量的潤滑油，潤滑摩擦表面，降低發(fā)黑現(xiàn)象，又要有良好的潛藏性，在潤滑不良的情況下潛藏磨屑. 這也是多孔含油保持架材料的設(shè)計原則.

3 結(jié)論

本文中針對軸承內(nèi)部多配副的摩擦形式，研制了1種新型的雙配副摩擦試驗機，該摩擦試驗機測試結(jié)果穩(wěn)定、可靠以及重復(fù)性好，能夠較為真實地模擬軸承內(nèi)部的摩擦，可用于研究自潤滑軸承保持架的摩擦磨損特性，還可將上配副或下配副單獨使用，用作單配副摩擦試驗機.

相比單配副的摩擦形式，在雙配副摩擦下多孔含油聚酰亞胺材料表面發(fā)生了明顯的發(fā)黑現(xiàn)象，與軸承中保持架的磨損表面相似. 通過分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致iPPI表面發(fā)黑的物質(zhì)為α-Fe2O3和Fe3O4. 軸承中iPPI保持架磨損表面的發(fā)黑機理是鋼球與溝道以及鋼球與保持架摩擦產(chǎn)生微小磨屑，磨屑在摩擦中被反復(fù)剪切成微小顆粒，隨著潤滑油的析出與回收滲入iPPI材料內(nèi)部，引起發(fā)黑現(xiàn)象.

本文中研制的雙配副摩擦試驗機可用于研究多孔含油軸承保持架材料表面的磨損發(fā)黑現(xiàn)象，為保持架材料的評價提供有效工具. 同時，本研究還為材料摩擦學(xué)性能的測試提供了1種新方法.