極端工況下不同水潤(rùn)滑軸承材料摩擦磨損性能對(duì)比研究*

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(1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 湖北武漢 430063；2.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所 湖北武漢 430063；3.海洋工程機(jī)電設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室極地與海洋環(huán)境技術(shù)分實(shí)驗(yàn)室(武漢理工大學(xué)) 湖北武漢 430063)

鐵犁木是傳統(tǒng)的水潤(rùn)滑尾軸承材料，因其質(zhì)地堅(jiān)硬、自潤(rùn)滑性良好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，但由于不耐沙、存在水漲性和過(guò)量開(kāi)采等因素逐漸被淘汰[1]。20世紀(jì)80年代，金志鴻等[2]通過(guò)試驗(yàn)表明MCS-2-1層壓膠木可以用作船舶水潤(rùn)滑尾軸承。常恩貴和丁士華[3]研究了橡膠尾軸承，并指出橡膠材料作為水潤(rùn)滑軸承具有較好的實(shí)際應(yīng)用效果。王家序等[4]以UHMWPE作為水潤(rùn)滑軸承材料進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。為了使水潤(rùn)滑材料獲得更好性能，人們使用了改性技術(shù)。例如在PTFE中添加玻璃纖維、青銅粉、碳粉等[5]，在UHMWPE中加入聚酰亞胺等[6]，在PEEK加入玻璃纖維和PTFE等[7-8]。

船舶尾軸承在使用過(guò)程中要承受極其復(fù)雜的工況，如風(fēng)浪影響、異物進(jìn)入摩擦副，尤其是大風(fēng)大浪天氣和低速重載工況，使得船體變形直接導(dǎo)致軸線發(fā)生偏移[9]。該工況可直接導(dǎo)致水潤(rùn)滑膜的嚴(yán)重破壞，使得軸和軸承直接接觸發(fā)生干摩擦，從而強(qiáng)烈影響船舶航行的安全性和可靠性。

目前對(duì)于水潤(rùn)滑軸承材料的研究，人們大多是對(duì)各種高分子基體材料和改性后的材料的性能進(jìn)行對(duì)比，而關(guān)于水潤(rùn)滑膜嚴(yán)重破壞工況下材料性能的研究較少。本文作者選取目前研究中常見(jiàn)的幾種水潤(rùn)滑軸承基體材料，如UHMWPE、PTFE和PEEK，模擬干摩擦下水潤(rùn)滑膜嚴(yán)重破壞的極端情況，采用銷盤試驗(yàn)研究3種材料在不同壓力和轉(zhuǎn)速下的摩擦磨損性能，為水潤(rùn)滑軸承材料的選型、優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)是在CBZ-1船舶軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(武漢海馬科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn))上進(jìn)行，其原理如圖1所示。

圖1 CBZ-1船舶軸承摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)原理圖

該試驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、控制和采集系統(tǒng)和水介質(zhì)溫控系統(tǒng)組成。主機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由變頻電機(jī)、聯(lián)軸器和夾具組成，用于帶動(dòng)銅盤旋轉(zhuǎn)，使接觸面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。控制和采集系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、傳感器和配套軟件組成，可進(jìn)行壓力、扭矩調(diào)零等以提高試驗(yàn)精確度，同時(shí)能調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速，并且能記錄扭矩、壓力、摩擦因數(shù)和轉(zhuǎn)速等參數(shù)。水介質(zhì)溫控系統(tǒng)可以監(jiān)控潤(rùn)滑介質(zhì)溫度。該試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速能在50～2 000 r/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，最大加載壓力為500 N。

試驗(yàn)銅盤為錫青銅盤(ZCuSn10Zn2)，如圖2所示，其元素成分如表1所示，其外徑為60 mm，內(nèi)孔為8 mm，厚度為10 mm。試驗(yàn)銷子為 PEEK、PTFE和UHMWPE，其規(guī)格都為10 mm×20 mm，如圖3所示。

圖2 銅盤

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圖3 PEEK、PTFE和UHMWPE銷子(從左到右)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了比較3種材料在干摩擦工況下的摩擦磨損性能，分別在15、30、45和60 N(對(duì)應(yīng)比壓分別為：0.191、0.382、0.573、0.764 MPa)工況下，采用單對(duì)銷盤壓力固定、轉(zhuǎn)速改變方式進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為100、200、400、600和800 r/min(對(duì)應(yīng)滑動(dòng)速度分別為：0.209、0.42、0.84、1.26和1.68 m/s)。試驗(yàn)前對(duì)銷盤進(jìn)行壓力調(diào)零和在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行扭矩調(diào)零，以確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性。每種轉(zhuǎn)速下持續(xù)30 min后進(jìn)入下一轉(zhuǎn)速，以確保因?yàn)檗D(zhuǎn)速導(dǎo)致的原有摩擦副配合被破壞后有足夠時(shí)間在下一轉(zhuǎn)速下能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。每組銷盤持續(xù)試驗(yàn)時(shí)間為2.5 h。

試驗(yàn)機(jī)每秒讀取一組數(shù)據(jù)。選取每30 min內(nèi)的摩擦因數(shù)，除去轉(zhuǎn)速改變時(shí)和工況不穩(wěn)定時(shí)的一些數(shù)據(jù)，將剩余數(shù)據(jù)取均值作為當(dāng)前工況下達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的摩擦因數(shù)。采用精度為0.000 1 g的電子天平測(cè)量銷試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量，采用超景深三維顯微鏡(VHX-5000,KEYENCE)觀察磨損表面磨痕，采用激光共聚焦顯微鏡(Keyence vk-x200 series)觀測(cè)表面三維相貌，由牛津能譜儀(x-act,Oxford Instruments)測(cè)量銷試樣摩擦面元素分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同轉(zhuǎn)速下材料摩擦因數(shù)比較

圖4分別示出了不同轉(zhuǎn)速下PEEK、PTFE和UHMWPE 3種材料摩擦因數(shù)變化曲線?？梢钥闯觯篣HMWPE材料的摩擦因數(shù)最小，總體在0.1～0.25之間波動(dòng)；其次是PTFE材料，在0.15～0.25之間變化；PEEK材料的摩擦因數(shù)變化范圍稍大，為0.2～0.4。

從圖4(a)可以看出：隨著轉(zhuǎn)速提升，PEEK材料的摩擦因數(shù)明顯增加，其中轉(zhuǎn)速為100～200 r/min時(shí)增幅最高；隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，摩擦因數(shù)上升幅度逐漸下降。從圖中還可以看出：30 N工況下材料摩擦因數(shù)最小，這是由于銷盤試驗(yàn)容易發(fā)生偏磨，在30 N工況下銷盤發(fā)生偏磨，接觸面積減小，實(shí)際接觸的微凸峰數(shù)量減小，因而摩擦因數(shù)下降。

從圖4(b)可以看出：PTFE材料摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速上升先增加后減少，但總體保持相對(duì)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速對(duì)其摩擦因數(shù)變化影響相對(duì)較小。分析原因認(rèn)為在干摩擦條件下，當(dāng)滑動(dòng)速度增加時(shí)，摩擦表面發(fā)熱量增加，PTFE材料表面發(fā)生塑性變形，使得摩擦因數(shù)變大；轉(zhuǎn)速繼續(xù)提升，摩擦副中的熱量積聚得不到良好的散失，導(dǎo)致材料生成熔融表面膜，使得摩擦因數(shù)下降[9]。

從圖4(c)可以看出：在30 N(從200 r/min開(kāi)始)、45 N和60 N工況下，UHMWPE材料摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加而增加；在15 N工況下隨轉(zhuǎn)速增加摩擦因數(shù)先逐漸減小，從600 r/min開(kāi)始上升。這可能是由于壓力小，微凸峰接觸少摩擦熱集中，隨著轉(zhuǎn)速增加這些微凸峰發(fā)生熔融形成表面膜使得摩擦因數(shù)下降；600 r/min之后由于摩擦副實(shí)際接觸面積增大，微凸峰接觸增多導(dǎo)致摩擦因數(shù)上升。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下PEEK、PTFE和UHMWPE材料的摩擦因數(shù)曲線

2.2 不同壓力下材料摩擦因數(shù)比較

圖5分別示出了不同壓力下PEEK、PTFE和UHMWPE 3種材料的摩擦因數(shù)曲線?？梢钥闯觯篜EEK材料摩擦因數(shù)在較低轉(zhuǎn)速下隨壓力增加先減小后增加，在高轉(zhuǎn)速時(shí)呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢(shì)。PTFE材料的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)非常明顯，摩擦因數(shù)隨著壓力增加而減小且呈現(xiàn)線性相關(guān)性。UHMWPE材料在100 r/min低轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦因數(shù)對(duì)壓力不敏感，除了800 r/min時(shí)摩擦因數(shù)幾乎隨著壓力增加而一直增加，其余轉(zhuǎn)速下先增加后減小再增加。

PEEK材料由于30 N時(shí)發(fā)生偏磨，直接導(dǎo)致了摩擦因數(shù)出現(xiàn)減小。根據(jù)李恩重等[10]的研究結(jié)果，PEEK在干摩擦情況下的摩擦因數(shù)隨著壓力增加而增加，這也印證偏磨的解釋。熱塑性材料隨著溫度升高會(huì)依次出現(xiàn)玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)3種力學(xué)狀態(tài)[11]，在60 N和較高轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)出現(xiàn)下降是由于在高負(fù)荷產(chǎn)生的高溫下，摩擦面出現(xiàn)黏流層從而出現(xiàn)邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦因數(shù)下降。盡管黏流層易被破壞，但總體使得平均摩擦因數(shù)下降。

圖5 不同壓力下PEEK、PTFE和UHMWPE材料的摩擦因數(shù)曲線

PTFE材料隨著壓力增加，摩擦因數(shù)出現(xiàn)穩(wěn)定的下降趨勢(shì)。PTFE是黏彈性材料，其在負(fù)載下體現(xiàn)出黏彈性，因此摩擦因數(shù)隨負(fù)荷變化滿足公式：μ=K×p(n-1)(其中K和n為常數(shù)，2/3

UHMWPE材料在低轉(zhuǎn)速時(shí)壓力變化對(duì)摩擦因數(shù)影響不大，轉(zhuǎn)速升高時(shí)，隨著壓力增大摩擦因數(shù)先增后減再增。在高轉(zhuǎn)速下隨壓力增高摩擦因數(shù)逐漸增高，這與UNAL和MIMAROGLU[12]試驗(yàn)結(jié)果接近。

2.3 不同壓力下材料磨損量比較

磨損量為電子天平測(cè)量試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量差。如圖6所示，隨著壓力上升PTFE和PEEK磨損量逐漸增加，且具有一定線性相關(guān)性，而UHMWPE磨損量隨壓力增加變化不明顯，在30 N之后略有下降趨勢(shì)。由圖中還可看出：PTFE材料耐磨性非常差，磨損量比其他2種材料高出2個(gè)數(shù)量級(jí)，其余2種材料具有較好的抗磨性能。PEEK材料在15 N工況、UHMWPE材料在所有工況下均出現(xiàn)磨損量為負(fù)數(shù)的現(xiàn)象，初步推測(cè)是銅盤金屬轉(zhuǎn)移到銷試樣表面所致。使用牛津能譜儀測(cè)量磨損表面元素分布，如圖7(a)、(b)所示分別是UHMWPE和PEEK材料摩擦副表面元素分布。為使測(cè)量結(jié)果更直觀，人為設(shè)置了隱藏不相關(guān)元素?？梢钥闯觯耗Σ粮北砻婢秀~元素分布，且占有一定數(shù)量，驗(yàn)證了金屬轉(zhuǎn)移致使磨損量為負(fù)數(shù)的推測(cè)。同時(shí)能譜圖也表明UHMWPE材料磨損量在30 N后出現(xiàn)下降的很大原因是銅盤金屬轉(zhuǎn)移量對(duì)實(shí)際磨損量影響更大，從另一方面也能看出UHMWPE材料耐磨性非常高。

圖6 不同壓力下PEEK、PTFE和UHMWPE的質(zhì)量磨損 對(duì)比圖

圖7 UHMWPE、PEEK材料能譜圖

2.4 表面形貌分析

為進(jìn)一步觀察材料表面發(fā)生的磨損情況，選用激光共聚焦顯微鏡觀察3種材料在不同壓力下試驗(yàn)后的表面形貌,如表2所示?？梢钥闯?PEEK材料表面粗糙度較小且局部區(qū)域相對(duì)光滑，只有深度較小的劃痕，說(shuō)明PEEK本身具有良好的抗磨能力；PTFE材料表面具有很小的粗糙度，分布有相對(duì)不規(guī)則的且不明顯的劃痕，這是由于試驗(yàn)過(guò)程中PTFE以片狀形式轉(zhuǎn)移到銅盤表面，使得銅盤沒(méi)有完全和PTFE直接接觸，而是有很大一部分是PTFE和PTFE對(duì)磨；UHMWPE材料表面有相對(duì)明顯的犁溝和微凸峰，粗糙度較大，這說(shuō)明試驗(yàn)前材料表面微凸峰和銅盤表面并未完全接觸，材料耐磨性很強(qiáng)。

表2 PEEK、PTFE和UHMWPE材料表面形貌

3 結(jié)論

(1)在干摩擦條件下，PEEK材料在低速時(shí)具有相對(duì)較好的潤(rùn)滑性能，轉(zhuǎn)速變化對(duì)摩擦性能影響很大，在高負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)影響相對(duì)較??；PTFE材料具有出色的自潤(rùn)滑性能，并且對(duì)轉(zhuǎn)速變化敏感性小，在重載情況下具有更低的摩擦因數(shù)；UHMWPE材料相比而言具有最好的自潤(rùn)滑性能，壓力對(duì)其摩擦因數(shù)影響大于轉(zhuǎn)速的影響。

(2)在干摩擦條件下，除PTFE材料磨損特別嚴(yán)重外，UHMWPE和PEEK材料抗磨性能良好，其中UHMWPE材料抗磨性能最好。在文中試驗(yàn)工況下，UHMWPE材料磨損量隨壓力變化不明顯，PEEK和PTFE材料磨損量和壓力成正比。

(3)在極端工況下UHMWPE材料適應(yīng)能力最強(qiáng)，在重載下亦能保持較低摩擦因數(shù)和磨損量；PEEK材料摩擦因數(shù)隨壓力和轉(zhuǎn)速變化較大；相較于PEEK材料，PTFE材料雖然摩擦因數(shù)很小，隨壓力增加摩擦因數(shù)反而減小并且運(yùn)行穩(wěn)定，但其磨損嚴(yán)重，因此在極端工況下并不適合。