織物襯墊編織工藝對自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)性能的影響

邱明， 周大威， 龐曉旭

(1.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 河南 洛陽 471003； 2.機械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 洛陽 471003)

織物襯墊編織工藝對自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)性能的影響

邱明1，2， 周大威1， 龐曉旭1

(1.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 河南 洛陽 471003； 2.機械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 洛陽 471003)

為了了解織物襯墊在不同的編織工藝下自潤滑關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損機理，采用不同的編織工藝制備了兩種聚四氟乙烯(PTFE)/芳綸纖維自潤滑編織襯墊，在一定工況下，對兩種不同襯墊下的自潤滑關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)特性進(jìn)行了研究，并用掃描電子顯微鏡和能譜儀對襯墊磨損面和對偶面進(jìn)行了微觀分析。研究結(jié)果表明：在高頻重載條件下，A工藝襯墊(先將兩種纖維混并加工成紗線，再將其與芳綸纖維編織成織物)關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能較差，磨損機理主要是嚴(yán)重的疲勞磨損和粘著磨損；B工藝襯墊(PTFE纖維和芳綸纖維相互交織而成，摩擦面富含PTFE纖維，粘結(jié)面富含芳綸纖維)關(guān)節(jié)軸承則表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能，相對于A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承其耐磨性得到提高，磨損機理主要為輕微的粘著磨損和磨粒磨損，可見襯墊的編織工藝在很大程度上影響了關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能。

機械學(xué)； 關(guān)節(jié)軸承； 織物襯墊； 編織工藝； 摩擦磨損

Abstract: Two kinds of self-lubricating fabric liner made of polytetrafluoroethylene (PTFE)/Kevlar fiber were prepared by using different weave processes. The tribological properties of self-lubricating spherical plain bearing with two kinds of liners are studied under certain conditions， and the worn surface morpho-logies of the liners and the counterfaces are investigated under a scanning electron microscope (SEM) and an energy dispersive spectrometer (EDS). The results show that spherical plain bearings with the liner A (two kinds of fibers were mixed into the yarn firstly， and they were woven into fabric together with Kevlar fibers) present poor tribological properties under the condition of high frequency and heavy load. The serious fatigue wear and adhesive wear occurred on the worn surfaces of the liner A. However，the spherical plain bearings with the liner B(PTFE and Kevlar fibers were woven into fabric， and the friction surface was rich in PTFE fibers and the bonding surface was rich in Kevlar fibers)present better tribological properties compared with the liner A. And the wear resistance of the self-lubricating spherical plain bearings is significantly improved. Slight adhesive wear and abrasive wear occurred on the worn surfaces of the liner B. So the weave process for the liner has a great influence on the tribological properties of spherical plain bearings.

Key words: mechanics; spherical plain bearing; fabric liner; weave process; friction and wear

0 引言

織物自潤滑襯墊是混合織物復(fù)合材料的一種類型，織物襯墊具有低摩擦系數(shù)、高耐磨性和高承載能力的特點，在干摩擦潤滑中扮演了很重要的角色，尤其在航空航天領(lǐng)域的自潤滑關(guān)節(jié)軸承中得到了應(yīng)用[1-3]?？椢镆r墊發(fā)明于1950年，自發(fā)明之日起便引起了很多關(guān)注。隨著該技術(shù)的發(fā)展，織物復(fù)合材料已成為高分子基復(fù)合材料研究關(guān)注的焦點，并已被作為一種摩擦材料來使用[4-6]。織物襯墊是根據(jù)特定的工作條件以不同的編織方式編織成形，然后用粘結(jié)膠粘結(jié)在關(guān)節(jié)軸承外圈的內(nèi)表面所形成的摩擦學(xué)襯墊。

目前關(guān)于織物材料的研究大多數(shù)通過改進(jìn)制備工藝[7]、填料改性粘結(jié)劑[8]、改變纖維織物的成分含量與紋理[9-10]、表面改性處理[11]等措施來改善織物材料的摩擦學(xué)性能。為充分利用不同纖維織物制備工藝對自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)特性的改善效果，文獻(xiàn)[12]利用浸漬法制備了含有不同比例基體樹脂的聚四氟乙烯(PTFE)纖維/芳綸(Kevlar)纖維織物襯墊，分析了襯墊中樹脂基體含量對襯墊摩擦磨損性能的影響機理，研究表明，在一個較優(yōu)的基體樹脂含量范圍內(nèi)，襯墊的摩擦學(xué)性能較為優(yōu)異。文獻(xiàn)[13]采用兩種纖維混編織物增強，制備了碳纖維/PTFE混編織物襯墊，研究了其在干摩擦狀態(tài)下的摩擦學(xué)特性，通過分析發(fā)現(xiàn)，與碳織物相比，混編織物大大改善了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，改善效果在很大程度上依賴于載荷、摩擦溫度和速度參數(shù)。纖維混編織物的編織工藝有很多種，但是目前關(guān)于混編的編織工藝對織物襯墊自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)性能影響的研究卻很少；此外，織物材料的摩擦學(xué)性能評價多為環(huán)- 環(huán)端面[13]或銷- 盤[14-15]的摩擦方式，與實際工程應(yīng)用中許多摩擦副的工作方式存在較大差異。

因此，為了了解織物襯墊在不同的編織工藝下自潤滑關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損機理，本文制備了兩種編織工藝下的織物襯墊，將織物用粘結(jié)劑粘結(jié)在關(guān)節(jié)軸承外圈的內(nèi)表面，利用自制的關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損試驗機，對不同編織工藝下的襯墊摩擦磨損機制進(jìn)行了分析，以改善關(guān)節(jié)軸承的減磨耐磨性能、延長其壽命。

1 材料及試樣制備

試驗使用的自潤滑關(guān)節(jié)軸承型號為GE30UK-2RS(見圖1)，其基本尺寸為內(nèi)圈內(nèi)徑d=30 mm，球徑ds=40.7 mm，內(nèi)圈寬度B=22 mm，外圈外徑D=47 mm，外圈寬度C=18 mm，內(nèi)圈外球面進(jìn)行鍍鉻處理。試驗用兩種關(guān)節(jié)軸承的襯墊編織工藝不同(見圖2)：A工藝襯墊先將PTFE纖維與芳綸纖維相互均勻混合加工成紗線，再將所述紗線作為經(jīng)紗、芳綸纖維作為緯紗交互編織形成織物(見圖2(a))；B工藝襯墊采用PTFE/芳綸纖維交互編織而成，摩擦面富含PTFE纖維，粘結(jié)面富含芳綸纖維(見圖2(b)、圖2(c))。此外， A和B工藝襯墊均進(jìn)行浸膠處理，控制含膠量并固化成預(yù)浸漬織物；之后二者都用粘結(jié)劑粘結(jié)在外圈內(nèi)表面，再將內(nèi)圈裝入，從而制得關(guān)節(jié)軸承試樣。

圖1 自潤滑關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of a self-lubricating spherical plain bearing

圖2 兩種不同的織物襯墊編織工藝(放大倍數(shù)35)Fig.2 Two kinds of weave processes for fabric liner(35×)

2 性能測試及測試方法

根據(jù)美國航空標(biāo)準(zhǔn)SAE-AS81819和SAE-AS81820以及關(guān)節(jié)軸承的實際工況，制定關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損試驗方案。自潤滑關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損性能評價在自制的關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損試驗機上(見圖3)進(jìn)行。磨損量由位移傳感器實時監(jiān)測得到，如圖4所示；摩擦溫升由插入內(nèi)圈端面孔(見圖1)的熱電偶測量得到。

圖3 試驗裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of experimental apparatus

圖4 位移測量示意圖Fig.4 Schematic diagram of displacement measurement

試驗方案如下：1)試驗在常溫下進(jìn)行，旋轉(zhuǎn)擺動角度為±6°；2)關(guān)節(jié)軸承所承受的徑向載荷為35 kN(名義接觸壓力p=59.72 MPa)，擺動頻率為2.5 Hz，名義接觸壓力和關(guān)節(jié)軸承球面滑動速度的乘積pv=1 091 MPa·mm/s[16]；3)每次試驗軸承旋轉(zhuǎn)擺動次數(shù)為2.5×104次(167 min)；4)粘結(jié)有A和B工藝襯墊的關(guān)節(jié)軸承數(shù)量分別為4個。

試驗過程如下：1)一次裝夾兩個軸承(只使用試驗機的1根傳動軸)，將這兩類軸承試樣(各1個)同時裝入試驗機靜壓15 min，以消除襯墊的變形，保證磨損量測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在軸承擺動過程中在線實時記錄關(guān)節(jié)軸承的磨損量和摩擦溫升，當(dāng)軸承擺動25 000次后結(jié)束試驗；2)另取這兩類軸承(各1個)，將其裝夾位置進(jìn)行對調(diào)，繼續(xù)按照上述步驟進(jìn)行試驗；3)再取這兩類軸承各2個，按照步驟1和2依次進(jìn)行試驗。將4組試驗中這兩類軸承試驗位置對調(diào)前后的磨損量和摩擦溫升取平均值，作為最后的試驗結(jié)果。這種試驗方案能夠確保很高的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。最后通過JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)對噴金處理后的編織襯墊磨損面和對偶面進(jìn)行微觀分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 兩種織物襯墊的摩擦磨損特性

圖5 A和B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承隨擺動時間變化的摩擦學(xué)性能曲線Fig.5 Tribological behaviors of bearings with liners A and B as a function of swing time

圖5為分別粘結(jié)有A和B工藝襯墊的兩類關(guān)節(jié)軸承在徑向載荷35 kN和擺動頻率2.5 Hz條件下，摩擦學(xué)性能隨擺動時間的變化曲線。

由圖5(a)可以看出，隨著擺動時間的延長，兩種軸承的磨損量均迅速增大。A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的磨損量經(jīng)過5 min后開始緩慢上升，一直到試驗結(jié)束，最后磨損量為319 μm. B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的磨損量經(jīng)過5 min后也開始緩慢上升，但經(jīng)過100 min后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時磨損量為190 μm，與A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承相比，耐磨性提高了40.4%. 表明B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的耐磨性優(yōu)于A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承。由圖5(b)可知：摩擦過程初期，兩種軸承的摩擦溫升均迅速升高，為初期磨合階段；A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的摩擦溫升經(jīng)過25 min后開始進(jìn)入穩(wěn)定的摩擦磨損階段，此時摩擦溫升為43 ℃；B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的摩擦溫升經(jīng)過15 min后達(dá)到平衡，此時摩擦溫升為27 ℃，與A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承相比，約降低了37.2%. 綜上所述，明顯可以看出B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能優(yōu)于A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承。

3.2 襯墊及對偶面SEM分析

圖6分別為A和B工藝襯墊及其對偶面磨損前后的SEM照片。圖6中，左側(cè)均為磨損前的低倍圖(放大倍數(shù)35和放大倍數(shù)200)，中間為磨損后的圖片，右側(cè)為中間圖片白色方框區(qū)域內(nèi)的高倍圖(放大倍數(shù)100和放大倍數(shù)1 000)。

圖6 A、B工藝襯墊及其對偶面磨損前和磨損后的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of liners A and B and their counterfaces before and after wear

圖6(a)～圖6(c)為A工藝襯墊磨損表面的SEM照片。由圖6(a)和圖6(b)磨損前和磨損后的圖片對比可以看出，混編A工藝襯墊遭到嚴(yán)重破壞，纖維呈現(xiàn)不同程度的疲勞斷裂，襯墊材料表面發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形。從圖6(c)中可以看出，纖維出現(xiàn)了大量磨斷、撕裂現(xiàn)象，這是因為在pv=1 091 MPa·mm/s這一比較苛刻的條件下，兩種纖維混編而成的襯墊中，PTFE纖維被包裹在經(jīng)紗中，由于PTFE為非極性的分子鏈，其大分子間的相互吸引力很小，在摩擦磨損過程中，受接觸壓力和摩擦剪切力的影響，使PTFE纖維的蠕變較大，發(fā)生了“冷流”現(xiàn)象，鋪展填充在織物表面，從而形成PTFE轉(zhuǎn)移膜，此時摩擦形式為轉(zhuǎn)移膜與對偶面之間的摩擦；但由于PTFE纖維過少，并不能形成完整的轉(zhuǎn)移膜，隨著擺動時間的增加，少量的PTFE轉(zhuǎn)移膜不能承受其所受的循環(huán)應(yīng)力而遭到破壞，磨損量大大增加(見圖5(a))。而且部分纖維被撕裂、磨斷甚至脫落，大量的脫落物轉(zhuǎn)變成磨屑，脫落形成的磨屑由于纖維織物浸膠易結(jié)成塊狀，不宜分散均勻且抗剪性能較差，其中一部分粘結(jié)在對偶面上，在對偶面上形成大片的塊狀磨屑(見圖6(e))，磨屑積聚在對偶面上，使摩擦磨損過程中產(chǎn)生的摩擦熱不能有效傳出，積聚在襯層和對偶面上的熱量使其整體溫度升高(見圖5(b))，加重了襯墊的摩擦磨損。此外，由圖6(f)可知，A工藝襯墊的對偶面出現(xiàn)了大量的熱裂紋和剝落坑，這是因為摩擦磨損表面呈現(xiàn)出的疲勞磨損特征，使對偶面出現(xiàn)疲勞裂紋，隨著擺動時間的延長，疲勞裂紋不斷增長，在接觸壓力和摩擦剪切力的影響下，當(dāng)滑動溫度很高時會發(fā)生高溫黏結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致對偶面的塊狀磨屑受到循環(huán)應(yīng)力而被剪切剝落，從而產(chǎn)生剝落坑。

圖6(g)～圖6(i)為B工藝襯墊磨損表面的SEM照片，從圖6(g)和圖6(h)磨損前和磨損后的圖片對比可以看見，B工藝襯墊在磨損后比較光滑平整，在摩擦表面形成了較致密且完整的轉(zhuǎn)移膜覆蓋，該襯墊幾乎沒有遭到破壞。從圖6(i)中可知，襯墊表面未出現(xiàn)A工藝襯墊纖維的磨斷和撕裂現(xiàn)象，表明隨著擺動時間的延長，PTFE纖維在接觸壓力和摩擦剪切力的影響下發(fā)生了“冷流”現(xiàn)象，在織物表面的間隙進(jìn)行了鋪展填充，從而在襯墊表面形成了完整且致密的PTFE轉(zhuǎn)移膜。轉(zhuǎn)移膜減小了對偶面與襯墊硬纖維峰的接觸面積，摩擦形式轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)移膜與對偶面之間的摩擦，大大改善了襯墊的摩擦學(xué)性能，使B工藝襯墊只發(fā)生了輕微磨損，從而解釋了圖5中B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能優(yōu)于A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的原因。B工藝襯墊的對偶面比較平滑(見圖6(k))，并未出現(xiàn)大量磨屑積聚的現(xiàn)象，只有輕微的磨痕和細(xì)小的點狀坑(見圖6(l))，這是因為在摩擦磨損初期襯墊表面粘附了從對偶面上轉(zhuǎn)移過來了少量Fe、Cr顆粒，這些顆粒在徑向載荷、摩擦熱和剪切力的作用下進(jìn)入編織襯墊纖維間的縫隙中，導(dǎo)致軸承表面發(fā)生磨粒磨損并在對偶面形成磨痕，這標(biāo)志著存在粘著磨損和磨粒磨損的機理。

3.3 A和B工藝襯墊磨損面EDS分析

為了進(jìn)一步分析關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損機理，對兩種軸承的襯墊進(jìn)行了EDS分析，以獲得兩種襯墊的能譜特征圖。

圖7 兩種襯墊磨損后的EDS圖Fig.7 EDS micrographs of two kinds of liners

圖7(b)所示為A工藝襯墊的襯墊磨損表面EDS照片，結(jié)果表明，A襯墊摩擦面出現(xiàn)大量的Fe、Cr元素，這是因為隨著擺動時間的延長，摩擦磨損表面呈現(xiàn)出疲勞磨損特征，在接觸壓力和摩擦剪切力的影響下，導(dǎo)致對偶面的塊狀磨屑受到循環(huán)應(yīng)力而被剪切剝落，從而產(chǎn)生剝落坑(見圖6(f))，而Fe、Cr顆粒由于粘結(jié)作用粘附在襯墊表面，使得襯墊表面Fe、Cr元素的含量較高，表明軸承發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損和疲勞磨損。圖7(d)所示為B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承磨損表面的EDS照片，結(jié)果表明，B工藝襯墊摩擦面也出現(xiàn)了Fe、Cr元素，但是與A工藝襯墊相比含量都比較低。由圖8可以看出：Fe和Cr元素的含量分別降低了79.78%和75.96%，說明B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承僅發(fā)生了輕微的粘著磨損；而F元素的含量卻提高了393.4%，表明纖維磨損后在這些區(qū)域形成了大量的PTFE轉(zhuǎn)移膜，因此獲得了良好的摩擦學(xué)性能。Fe和Cr元素的含量反映了摩擦副之間發(fā)生粘著磨損的程度，而F元素的含量更是評價襯墊潤滑性能好壞的指標(biāo)。綜上所述，B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能要優(yōu)于A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承。

圖8 兩種襯墊表面元素變化Fig.8 Variation of elements of two kinds of liner surface

4 結(jié)論

1) 與A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承對比分析發(fā)現(xiàn)，B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的耐磨性提高了40.4%，摩擦溫升約降低了37.2%，表現(xiàn)出較優(yōu)的摩擦學(xué)性能。

2) A工藝襯墊在摩擦磨損過程中，由于經(jīng)紗中的PTFE纖維較少，并不能形成完整的潤滑層；且隨著擺動時間的增加，潤滑層發(fā)生斷裂，從而加重了襯墊的摩擦磨損。

3) B工藝襯墊的摩擦面富含PTFE纖維，大量PTFE纖維在接觸壓力和摩擦剪切力的影響下發(fā)生蠕變，出現(xiàn)“冷流”現(xiàn)象，且鋪展填充在織物表面，從而在襯墊表面形成了完整且致密的PTFE轉(zhuǎn)移膜，摩擦形式轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)移膜與對偶面之間的摩擦，大大改善了襯墊的摩擦學(xué)性能。

4) 當(dāng)pv=1 091 MPa·mm/s時，A和B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的磨損機理不同：A工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的磨損機理主要是嚴(yán)重的疲勞磨損和粘著磨損；B工藝襯墊關(guān)節(jié)軸承的磨損機理主要是輕微的粘著磨損和磨粒磨損。

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EffectofWeaveProcessofFabricLineronTribologicalPropertiesofSelf-lubricatingSphericalPlainBearing

QIU Ming1，2， ZHOU Da-wei1， PANG Xiao-xu1

(1.School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan，China;2.Collaborative Innovation Center of Machinery Equipment Advanced Manufacturing of Henan Province, Luoyang 471003, Henan，China)

TH117.1

A

1000-1093(2017)09-1867-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.09.026

2017-01-03

國家自然科學(xué)基金項目(51275155)

邱明(1969—)，女，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail: qiuming69@126.com