自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊磨損機理研究

董炳武 鄧四二 張文虎

摘要：為了研究自潤滑襯墊材料PTFE織物復(fù)合材料在高頻輕載條件下的磨損性能，本文以高頻輕載自潤滑關(guān)節(jié)軸承關(guān)鍵部件自潤滑襯墊為研究對象，深入研究了自潤滑材料的失效模式，結(jié)合高速壓擺軸承試驗機對自潤滑襯墊材料磨損性能進行分析。結(jié)果表明：在相同條件下，外加載荷越大，材料溫度上升越高，磨損量也越大；在相同條件下，擺動頻率越大，材料溫度上升越高，磨損量也越大。

關(guān)鍵詞：自潤滑關(guān)節(jié)軸承；襯墊材料；磨損機理

1 引言

在自潤滑關(guān)節(jié)軸承中，失效模式主要為自潤滑襯墊材料的磨損失效，劉建等[1]研究了PTFE編織復(fù)合材料在不同擺動頻率、載荷下對摩擦因數(shù)的影響規(guī)律，表明材料的摩擦因數(shù)隨載荷增大呈穩(wěn)定降低趨勢，最后趨于平穩(wěn)且載荷對摩擦因數(shù)的影響大于頻率的影響，對不同載荷頻率下產(chǎn)生的PTFE編織復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜的分析，從微觀上解釋了擺動頻率、載荷對PTFE編織復(fù)合材料摩擦因數(shù)的作用機理。張智源等[2，3]研究了循環(huán)次數(shù)和循環(huán)溫度對PTFE編織復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響，表明隨著循環(huán)次數(shù)的增加PTFE編織復(fù)合材料的摩擦因數(shù)先升高后趨于平穩(wěn)，在達(dá)到極限磨損量后，摩擦因數(shù)急劇上升，材料發(fā)生失效；同時摩擦溫度的升高會導(dǎo)致PTFE編織復(fù)合材料進入非正常磨損狀態(tài)。King R.B[4]研究了自潤滑襯墊在常溫和高溫下的磨損特性，表明在高溫條件下自潤滑襯墊更容易發(fā)生失效。王徹[5]制備TiC/Y2O3/TiAl基自潤滑材料制備的關(guān)節(jié)軸承并在高溫條件下進行試驗，表明該基體磨損率遠(yuǎn)低于普通的關(guān)節(jié)軸承。綜上所述，國內(nèi)外專家學(xué)者對自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊材料的磨損性能進行了大量研究，但是缺乏對于該材料在高頻輕載工況下的磨損機理研究。鑒于此，本文研究了自潤滑襯墊材料PTFE織物復(fù)合材料在高頻輕載條件下的磨損性能，為高頻輕載自潤滑關(guān)節(jié)軸承磨損壽命模型提供了理論基礎(chǔ)。

2 試驗方法

自潤滑關(guān)節(jié)軸承一般運動模式為繞內(nèi)圈外球面進行擺動，是一種簡單的滑動摩擦，參考ISO-7148-1999[6]。通過加載油缸對摩擦副進行加載，試樣運動方式為對偶環(huán)與動力軸相連接，做左右往復(fù)運動，模擬關(guān)節(jié)軸承擺動過程，試驗所用襯墊和下方試驗臺進行貼合處理，運動過程中保持靜止。加載方式為油缸輸出一定載荷對材料進行施壓，摩擦副結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。關(guān)節(jié)軸承試驗中關(guān)于材料的摩擦磨損試驗有多種，一般有銷盤接觸形式、環(huán)塊接觸形式、軸瓦接觸等形式。自潤滑材料用于關(guān)節(jié)軸承鉸接處，為往復(fù)的擺動磨損形式，結(jié)合自潤滑關(guān)節(jié)軸承的實際情況，選用軸瓦擺動接觸形式。為了更好地對摩擦副進行觀察與數(shù)據(jù)的采集，將自潤滑材料粘結(jié)在關(guān)節(jié)軸承的支撐座上。本研究采用軸瓦式結(jié)構(gòu)的支撐方式模擬徑向自潤滑關(guān)節(jié)軸承壽命試驗，試驗工況與徑向自潤滑關(guān)節(jié)軸承工況條件基本相同，此摩擦副主要由三個部件組成：芯軸、襯墊、支撐座，支撐座加載系統(tǒng)相連，施加并保持一定的壓力，隨著芯軸的往復(fù)擺動，自潤滑材料襯墊出現(xiàn)磨損。

在對高頻輕載自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊材料進行試驗前，對偶環(huán)化學(xué)成分如表1所示。試樣托過度夾具化學(xué)成分如表2所示。

3 參數(shù)設(shè)置

試驗之前使用砂紙將試樣進行打磨，然后用特殊溶液對材料進行清洗。安裝完成后，用溫度控制箱控制外界環(huán)境因素保持不變，實驗室環(huán)境為室溫25℃，相對濕度60%，保持試件初始溫度恒定，對試樣進行35 min靜態(tài)加載。針對特定的工況條件下，在六個不同試驗載荷和頻率條件下測量自潤滑材料的摩擦溫度和磨損量的變化規(guī)律。試驗參數(shù)如下：液壓缸加載載荷分別為2.5 MPa、5 MPa、7.5 MPa、10 MPa、12.5 MPa和15 MPa；擺頻分別5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、22 Hz和25 Hz；摩擦循環(huán)為120 000次，初始條件保持?jǐn)[角3°不變，試驗參數(shù)取值如表3所示。

試驗前需要靜止加載額定載荷15 min，保持自潤滑材料處于穩(wěn)定的壓力狀態(tài)，試驗過程中，觀測試件在不同載荷和頻率下的磨損特性。在整個試驗中，安裝在托件下方的溫度檢測器實時監(jiān)測溫度變化，位移傳感器來監(jiān)控磨損量變化。每組試驗完成后對摩擦配副材料進行自然冷卻降至室溫。

4 試驗結(jié)果與討論

編織材料存在高頻輕載的使用工況，為分析其在該工況條件下的摩擦磨損性能，對材料在高頻輕載下的摩擦學(xué)性能進行探究。

襯墊材料在高速壓擺試驗機作用下磨損性能會發(fā)生一部分改變，摩擦副在高速擺動下劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，由摩擦做功變?yōu)闊崮?。此時，摩擦副溫度升高，材料耐磨損性能降低，由溫度監(jiān)測裝置實時記錄溫度的變化。

對全壽命擺動周期的溫升數(shù)據(jù)進行整理分析，如圖3所示為摩擦溫度隨擺動次數(shù)的變化關(guān)系，在摩擦初期，摩擦溫度急劇上升，經(jīng)過2 500次擺動摩擦溫度上升到51℃，此時的溫度變化的斜率最大。由2 500至12 000的擺動次數(shù)情況分析，這一階段的摩擦溫度上升趨勢處于穩(wěn)定階段，襯墊在這一范圍內(nèi)自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊處于良好的潤滑狀態(tài)和具有良好的熱穩(wěn)定狀態(tài)。

由式（1）可知，在摩擦過程中，增加接觸壓力或摩擦速度都會增加摩擦副產(chǎn)生的熱量。由熱力學(xué)第二定律可知，擺動頻率越快，摩擦熱散熱越快，所以最后溫度趨于穩(wěn)定。

圖3（a）為保持頻率和擺角一定，在不同載荷條件下溫度隨擺動次數(shù)的變化曲線，在不同載荷條件下，摩擦溫度均在摩擦初期急劇升高，且隨著摩擦?xí)r間的增加，該變化減緩。這是由于摩擦發(fā)熱階段一般有三個，第一階段屬于上升期，第二階段屬于平穩(wěn)期，第三階段屬于劇烈上升失效階段，由于設(shè)計時間不足以達(dá)到襯墊劇烈磨損階段，只能從圖中反映出第一、二階段。圖中各條曲線表明，頻率和擺動角度保持不變，摩擦熱隨載荷的增加而升高，且載荷越大溫度達(dá)到平穩(wěn)期所需時間更長，載荷為2.5 MPa、擺次為2 500次左右時摩擦溫度在50℃左右穩(wěn)定（在一定范圍內(nèi)波動）；載荷為15 MPa、擺次為4 000次左右時摩擦溫度穩(wěn)定在80℃左右（在一定范圍內(nèi)波動）。

圖3（b）為保持載荷和擺角一定，在不同頻率條件下溫度隨擺動次數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，摩擦溫度隨著擺動次數(shù)的增加而升高，且前期循環(huán)過程中溫度劇烈升高，在擺動中期，溫度上升趨勢逐漸變小，在擺動后期，溫度達(dá)到穩(wěn)定，此時，摩擦副材料進入穩(wěn)定磨損階段。對比圖中不同頻率下的曲線可以看出，在循環(huán)前期，頻率越低溫度上升越快，頻率越高溫度上升得越慢，這是由于擺動頻率越快，摩擦熱散熱越快，所以最后溫度趨于穩(wěn)定。同時，低頻條件下溫度達(dá)到平衡狀態(tài)的溫度大約為55℃，而在高頻條件下溫度還未達(dá)到平衡狀態(tài)，說明此時材料還未進入穩(wěn)定磨損階段，同時也說明高頻比低頻達(dá)到溫度穩(wěn)定狀態(tài)的時間越長如公式（2）所示，解釋了這一現(xiàn)象。襯墊材料在高速壓擺試驗機作用下磨損性能會發(fā)生一部分改變，摩擦副在高速擺動下劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，由摩擦做功變?yōu)闊崮?。此時，摩擦副溫度升高，材料耐磨損性能降低。在摩擦副中，根據(jù)熱力學(xué)定律，摩擦產(chǎn)生的摩擦熱會先向受熱能力強的材料中轉(zhuǎn)移，在此過程中，慢慢向受熱能力弱的材料中轉(zhuǎn)移。

自潤滑襯墊和襯墊的失效主要由于摩擦副之間的相互對磨產(chǎn)生的磨損，即磨損失效。一般自潤滑材料的整個磨損由三階段，其中磨合階段，屬于跑和階段，襯墊和襯墊會產(chǎn)生輕微的磨損，導(dǎo)致此時的摩擦系數(shù)偏大，而穩(wěn)定磨損階段，自潤滑襯墊的磨損率最小且最為穩(wěn)定。由圖4、圖5可知，在達(dá)到12 000次左右，自潤滑襯墊開始發(fā)生劇烈的磨損，摩擦系數(shù)開始增大，此時會產(chǎn)生振動和噪聲，表明襯墊即將失效。在擺動過程中，隨著擺動次數(shù)的增加，使得自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊形成連續(xù)的潤滑轉(zhuǎn)移膜的摩擦系數(shù)逐漸形成穩(wěn)定狀態(tài)，由于在摩擦的初始狀態(tài)下，襯墊的表面留有一層自潤滑層，導(dǎo)致起始階段襯墊的摩擦系數(shù)隨著擺動次數(shù)的增加涂層表面波峰平穩(wěn)而摩擦系數(shù)略微減小，當(dāng)達(dá)到平穩(wěn)磨損階段后次后，襯墊的摩擦系數(shù)不再發(fā)生劇烈的變化。此時說明制備的自潤滑襯墊在摩擦磨損過程中，內(nèi)部材料具有均勻性、一致性和穩(wěn)定性，達(dá)到磨損后期，摩擦系數(shù)出現(xiàn)急劇上升，自潤滑襯墊出現(xiàn)劇烈磨損階段，即磨損失效階段。綜上所述，此自潤滑材料的摩擦磨損總體比較平穩(wěn)，摩擦系數(shù)較小。

從圖4、圖5中可以看出載荷P或頻率一定時，襯墊磨損量隨著循環(huán)時間的增加而增加，且磨損初期襯墊的磨損量變化率較大，此時襯墊材料磨損過程處于磨合階段；在磨損中期襯墊的磨損量變化率減小，此時是襯墊材料磨損過程處于正常磨損狀態(tài)；在磨損后期，襯墊材料經(jīng)由劇烈磨損進入異常磨合階段，此時的關(guān)節(jié)軸承磨損機理發(fā)生變化，軸承很快進入失效狀態(tài)。襯墊材料經(jīng)由磨損后狀態(tài)如圖6所示。

從圖6中可以看出，自潤滑襯墊存在磨損不均勻的現(xiàn)象，且磨損嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在支撐座粘結(jié)的自潤滑襯墊的兩端，有比較嚴(yán)重的磨粒磨損和粘著磨損情況，而根據(jù)摩擦磨損的基本規(guī)律試樣的磨穿現(xiàn)象應(yīng)該發(fā)生在中間溫度較高的區(qū)域，由此可見，試樣的摩擦嚴(yán)重磨損過程可能并非出現(xiàn)在中間較高的區(qū)域。從圖中，選取A點局部進行觀察襯墊的磨損情況，此處A點表面涂層磨痕存在剝落、磨屑，磨痕區(qū)域凹凸不平，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠致密使得在摩擦磨損過程中出現(xiàn)裂紋，在循環(huán)載荷的作用下，裂紋不斷地擴大，使得磨損表面部分區(qū)域出現(xiàn)剝落現(xiàn)象和剝落坑等情況，一部分在循環(huán)載荷的作用下，對彌散在周圍摩擦表面受到接觸壓力起到壓實的作用，防止裂紋的擴展。襯墊局部剝落放大圖如圖7所示。

5 結(jié)語

在高頻輕載工況下，保持頻率不變，襯墊表面溫度隨載荷增加而增加，當(dāng)擺次較大時，摩擦溫度隨頻率和應(yīng)力增加有較大幅度的提升，當(dāng)擺次一定時，摩擦溫度隨頻率的增加而升高，相較于載荷的增加，頻率的提高對摩擦溫度有較大的影響。

載荷P或頻率一定時，襯墊磨損量隨著循環(huán)時間的增加而增加，且磨損初期襯墊的磨損量變化率較大，此時襯墊材料磨損過程處于磨合階段；在磨損中期襯墊的磨損量變化率減小，此時是襯墊材料磨損過程處于正常磨損狀態(tài)；在磨損后期，襯墊材料經(jīng)由劇烈磨損進入異常磨合階段，此時的關(guān)節(jié)軸承磨損機理發(fā)生變化，軸承將快速進入失效狀態(tài)。

自潤滑襯墊存在磨損不均勻的現(xiàn)象，且磨損嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在支撐座粘結(jié)的自潤滑襯墊的兩端，有比較嚴(yán)重的磨粒磨損和粘著磨損情況，根據(jù)摩擦磨損的基本規(guī)律試樣的磨穿現(xiàn)象應(yīng)該發(fā)生在中間溫度較高的區(qū)域。

參考文獻

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