多孔聚酰亞胺保持架對軸承貧油潤滑性能研究

趙華俊，王曉雷，黃巍

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

在特殊情況下，直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)常面臨潤滑失效從而進(jìn)入貧油潤滑乃至干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。傳動(dòng)系統(tǒng)中軸承進(jìn)入干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)后，保持架最容易遭受破壞[1]。采用多孔材料應(yīng)用于軸承保持架，被認(rèn)為是一種有效提高軸承干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的途徑。多孔聚合物材料由于多孔結(jié)構(gòu)的存在而具有優(yōu)越的自潤滑性能，在正常狀態(tài)下，聚合物內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)能夠吸入并存儲(chǔ)油液。而在需要的情況下，因?yàn)闇囟然驂毫Φ淖饔媚軌蜻B續(xù)穩(wěn)定地向摩擦副表面提供油液，可以在傳動(dòng)系統(tǒng)貧油狀態(tài)下發(fā)揮良好的潤滑作用[2]。

聚酰亞胺(PI)是一類主鏈上含有酰亞胺環(huán)的高分子材料，不但具有良好的力學(xué)性能、耐輻照性、耐磨性和自潤滑性，而且具有優(yōu)異的耐熱性和抗熱氧化性。因此，越來越受到航空、航天等領(lǐng)域的關(guān)注[3-4]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于多孔聚酰亞胺的制備及其摩擦磨損性能已有較多報(bào)道[5-6]，北京理工大學(xué)浦玉萍等[7]采用模壓法制備PI多孔材料，孔隙率在17%～18%之間，發(fā)現(xiàn)隨著添加劑MoS2含量的增加，摩擦系數(shù)從0.3降到0.25，減摩效果明顯。中國蘭化所的邱優(yōu)香等[8]采用冷壓燒結(jié)法制備了多孔PI材料，研究了多孔PI材料呈“墨水型”的微觀結(jié)構(gòu)，提出多孔PI含油材料的納米薄膜潤滑模型。比利時(shí)Samyn等[9]研究了碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺(CF-TP)多孔自潤滑材料的摩擦磨損性能。結(jié)果表明：PTFE填充的CF-TP多孔材料的摩擦系數(shù)最小，適于正常載荷下；硅油填充的復(fù)合材料在高載荷下形成了均勻的轉(zhuǎn)移膜，耐磨性能最好。然而目前關(guān)于多孔聚酰亞胺材料的儲(chǔ)油出油性能報(bào)道較少，同時(shí)對于多孔聚酰亞胺保持架的摩擦磨損研究基本沒有。

本文通過對多孔及致密兩種聚酰亞胺進(jìn)行比較，研究了多孔試樣獨(dú)特的儲(chǔ)油出油及摩擦性能。同時(shí)將多孔聚酰亞胺制成角接觸球軸承保持架，研究其對于軸承潤滑性能的影響。

1 試樣制備

采用冷壓燒結(jié)工藝[10]制備PI試樣，制備工藝參數(shù)如表1。選用的PI原料為Ratem? YS20，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為266 ℃，粒度為200目。

多孔材料的孔隙率是指多孔體中孔隙體積占據(jù)試樣總體積之比，是多孔材料的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)質(zhì)量-體積法[11]，求得材料的孔隙率：

式中：M為試樣質(zhì)量,V為試樣體積，ρs為對應(yīng)致密固體PI的密度。根據(jù)計(jì)算，制備出的試樣平均孔隙率分別為0%(致密)、33.5%兩種試樣。

表1 PI試樣制備工藝參數(shù)

如圖1所示，圖1(a)、圖1(b)分別為致密及多孔PI表面形貌，圖1(c)、圖1(d)分別為致密及多孔PI內(nèi)部形貌。顯然，致密PI材料表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，均沒有孔洞存在。而多孔PI材料表面及內(nèi)部均可見明顯孔洞。圖1(d)中斷面可見多孔PI材料內(nèi)部均勻分布著相互聯(lián)通的孔洞，有效保證了潤滑油的存儲(chǔ)及流動(dòng)。

圖1 PI材料的表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的SEM照片

2 測試與討論

2.1 多孔PI的儲(chǔ)油出油性能測試

為直觀表現(xiàn)多孔試樣的吸油儲(chǔ)油性能，對致密及多孔PI試樣進(jìn)行了接觸角測量。將4μl潤滑油滴在試樣表面，通過角接觸測量儀觀察試樣接觸角變化。選用的潤滑油為機(jī)油CD15W-40，運(yùn)動(dòng)粘度為110.6 mm2/s (40 ℃)和15.02 mm2/s (100 ℃)。如圖2(a)、圖2(b)分別為致密及多孔PI試樣接觸角示意圖。待穩(wěn)定后測量得致密及多孔試樣接觸角分別為22°和7°，見表2。顯然，多孔PI試樣較致密試樣具有更低的接觸角，表明多孔試樣具備良好的吸油能力，具有更好的滲透性。

圖2 PI接觸角示意圖

為制得多孔含油PI，將試樣于真空環(huán)境下浸入潤滑油中12 h使內(nèi)部孔隙浸滿潤滑油，使用吸紙擦干試樣表面潤滑油。通過精密天平，稱量得到試樣浸油前后的質(zhì)量差即儲(chǔ)存潤滑油的質(zhì)量。

通過含油率來衡量PI材料的含油性能。含油率是指含油材料中浸入的潤滑油體積占據(jù)試樣總體積之比。見表2，PI孔隙率為33.5%時(shí)，含油率達(dá)到29.5%，這說明多孔試樣中將近88%的孔隙都充滿了油液，具備優(yōu)異的儲(chǔ)油性能，這符合多孔試樣內(nèi)部孔洞相互貫通的特征。

表2 PI試樣儲(chǔ)油及出油性能

對多孔試樣出油性能進(jìn)行考察，主要研究了多孔試樣受離心力及熱效應(yīng)下的出油性能。這是考慮到軸承在貧油潤滑過程中，保持架主要受離心力及溫度的影響。將多孔PI試樣(直徑30 mm，厚度3 mm)安裝在高速甩膠臺(tái)上，在轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min下，PI試樣具備優(yōu)異的油保持性，沒有明顯油溢出。因此，這里主要研究了熱效應(yīng)下出油性能。

將試樣平放在加熱盤上，加熱盤溫度從室溫 (22 ℃)升高到80 ℃，試樣出油過程通過攝像機(jī)記錄，如圖3(a)為試樣加熱前狀態(tài)，圖3(b)為加熱時(shí)狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)多孔含油PI試樣對溫升很敏感，當(dāng)溫度升高，內(nèi)部油液快速溢出，試樣表面可見明顯油膜。取下試樣使用吸紙擦干表面潤滑油，再繼續(xù)加熱，重復(fù)擦干直至不再有潤滑油溢出。稱量出油前后試樣的質(zhì)量差即得溢出油的質(zhì)量，再計(jì)算求得多孔PI試樣的出油率。出油率是指含油材料溢出油的質(zhì)量占總儲(chǔ)油質(zhì)量之比，其可作多孔試樣的出油性能指標(biāo)。此時(shí)多孔PI含油材料的出油率為34%，多孔PI具備良好的出油性能。當(dāng)停止加熱，表面溢出的油液又由于毛細(xì)作用[12]，迅速地又回到多孔試樣中，這保證了潤滑油的充分利用。

圖3 多孔PI出油圖像

2.2 多孔PI的摩擦性能測試

通過立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(MMW-1型)考察多孔試樣的摩擦性能。在載荷100 N,轉(zhuǎn)速200 r/min情況下，試驗(yàn)時(shí)間為3 h，摩擦系數(shù)每1 000 s取一個(gè)平均值得到PI材料干摩擦及貧油下的摩擦性能曲線如圖4。由圖可知，在干摩擦情況下，致密PI摩擦系數(shù)約為0.22，而多孔PI摩擦系數(shù)高達(dá)0.38。這說明孔洞結(jié)構(gòu)對摩擦性能具有較大影響。多孔試樣由于表面及內(nèi)部孔洞的存在，一方面造成表面粗糙度較大，另一方面使得接觸面上壓強(qiáng)較大，越容易發(fā)生磨損，從而使得摩擦系數(shù)較大[13]。而在貧油條件下，含油致密PI材料由于表面攜帶了少量殘余潤滑油，摩擦系數(shù)相比干摩擦略有降低，但是隨著時(shí)間延遲，摩擦系數(shù)呈上升趨勢，接近干摩擦下的摩擦系數(shù)。而含油多孔PI相較干摩擦下，摩擦系數(shù)則有大幅降低，摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在0.1。

圖4 PI材料干運(yùn)轉(zhuǎn)及貧油條件下摩擦系數(shù)

圖5(a)、圖5(b)分別為多孔PI在干摩擦及貧油條件下磨損三維形貌圖。干摩擦情況下，PI表面可見明顯犁溝，如圖5(a)。而貧油條件下，PI表面幾乎無磨損，如圖5(b)。這表明多孔PI在摩擦過程中，能持續(xù)穩(wěn)定地提供潤滑油，起到良好的潤滑效果。

圖5 多孔PI材料干運(yùn)轉(zhuǎn)及貧油條件下磨損三維形貌圖

圖6中比較了多孔含油PI材料在不同速度、不同溫度下的摩擦性能。實(shí)驗(yàn)載荷為100 N，時(shí)長為1 h，摩擦系數(shù)每500 s取一平均值。在轉(zhuǎn)速為200 r/min情況下，多孔含油PI摩擦系數(shù)從0.095緩慢降低至0.09，在3 000 s后開始上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)也呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢，但始終低于200 r/min轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)。這表明貧油潤滑條件下，摩擦系數(shù)都是呈先降低再升高的過程，同時(shí)高速下的摩擦系數(shù)要低于低速下的摩擦系數(shù)。原因是隨著摩擦副表面由于摩擦生熱，油液逐漸溢出起到潤滑效果，摩擦系數(shù)逐漸降低，而隨著摩擦的進(jìn)行，油液也會(huì)逐漸流失乃至枯竭，所以摩擦系數(shù)會(huì)逐漸上升。同時(shí)轉(zhuǎn)速越高，摩擦做功越多，溫升越大，油液由于熱膨脹更容易溢出起到更好的潤滑效果。對此認(rèn)為轉(zhuǎn)速對摩擦系數(shù)的影響，實(shí)際則是溫度的影響。因此，特別進(jìn)行了升溫摩擦實(shí)驗(yàn)。將多孔含油PI材料加熱至80 ℃，然后開始摩擦實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速仍為1 000 r/min。如圖6中，此時(shí)摩擦系數(shù)較常溫時(shí)的摩擦系數(shù)又更低。尤其在開始階段，摩擦系數(shù)更是低于0.06，之后逐漸上升至0.08左右。原因在于對PI進(jìn)行了加熱，開始階段就有大量油液溢出，此時(shí)摩擦系數(shù)很低。隨著摩擦進(jìn)行，摩擦副間的油液逐漸被擠出，摩擦系數(shù)逐漸上升。但由于溫度較高，一直保持了良好的出油效果，摩擦系數(shù)較室溫下的摩擦系數(shù)更低。

圖6 多孔PI材料不同工況下摩擦系數(shù)

2.3 軸承潤滑性能測試

為確認(rèn)多孔含油材料對軸承潤滑性能的影響，將試驗(yàn)機(jī)MMW-1進(jìn)行改進(jìn)，使角接觸球軸承能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行潤滑實(shí)驗(yàn)(圖7)。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。選用的軸承型號是7002AC(HRB)。采用機(jī)加工的方法將聚酰亞胺試樣加工成保持架形態(tài)，保持架側(cè)面均勻分布著11個(gè)兜孔，與軸承滾動(dòng)體形成線接觸。圖7中，致密保持架呈黑色，多孔保持架呈淡黃色。每次實(shí)驗(yàn)前，將軸承部件先后用丙酮、酒精超聲水洗，然后用氮?dú)獯蹈?。致密及多孔保持架均在真空下浸入潤滑?2 h，然后用吸紙擦去表面潤滑油，再將保持架裝入軸承，裝夾在試驗(yàn)機(jī)上。試驗(yàn)載荷為500 N，轉(zhuǎn)速為800 r/min。實(shí)驗(yàn)中對軸承摩擦力矩及外圈溫度進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過光學(xué)顯微鏡(KEYENCE，JAP)觀察滾動(dòng)體表面磨損。

圖7 角接觸球軸承潤滑試驗(yàn)示意圖

圖8為致密聚酰亞胺保持架軸承的摩擦力矩及溫度曲線圖?？梢姰?dāng)實(shí)驗(yàn)開始后，軸承摩擦力矩基本穩(wěn)定在0，而溫度緩慢上升。當(dāng)運(yùn)行至約2 700 s時(shí)，摩擦力矩瞬間上升至約0.5 N·m并波動(dòng)劇烈，同時(shí)溫度也急劇上升至約60 ℃，并伴隨產(chǎn)生劇烈的異響。此時(shí)，表明潤滑失效進(jìn)入干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行9 000 s (2.5 h) 后，滾動(dòng)體表面磨損嚴(yán)重，表面出現(xiàn)大量黑色磨屑，如圖9(a)。由此可見，依靠保持架表面殘余的潤滑油可以保持短暫的潤滑，但是隨著潤滑油的消耗及流失，軸承很快進(jìn)入干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

然而具備多孔結(jié)構(gòu)保持架的軸承在12 h內(nèi)，摩擦力矩基本一直維持在0，升溫緩慢，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也未出現(xiàn)異響，如圖10。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，滾動(dòng)體表面光亮未出現(xiàn)明顯磨損，如圖9 (b)。這表明在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，保持架能持續(xù)供應(yīng)潤滑油起到良好的潤滑效果，表現(xiàn)出良好的減摩、降溫效果。

圖8 致密PI保持架軸承摩擦力矩及溫度曲線

圖9 軸承滾動(dòng)體表面磨損圖像

圖10 多孔PI保持架軸承摩擦系數(shù)及溫度曲線

3 結(jié)語

通過冷壓燒結(jié)方法成功地制備出致密的且具有33.5%孔隙率的多孔聚酰亞胺試樣。對聚酰亞胺儲(chǔ)油、出油性能及其摩擦學(xué)性能進(jìn)行了考察。再通過機(jī)加工方法，將聚酰亞胺試樣制成角接觸球軸承保持架，研究了其在貧油潤滑條件下對軸承潤滑性能的影響，得出以下結(jié)論:

1) 多孔聚酰亞胺材料在表面及內(nèi)部分布均勻的孔道，使其具備良好的吸油儲(chǔ)油能力，在熱效應(yīng)情況下，出油效果明顯。

2) 干摩擦?xí)r，致密聚酰亞胺摩擦系數(shù)低于多孔聚酰亞胺；貧油潤滑時(shí)，多孔聚酰亞胺摩擦性能極大改善，摩擦系數(shù)遠(yuǎn)低于致密聚酰亞胺，且摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速提高而降低。

3) 相較致密聚酰亞胺保持架，多孔含油保持架具備良好的輸送油液的能力，極大改善了角接觸球軸承潤滑性能，減摩、降溫效果明顯。

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