自潤(rùn)滑襯墊擺動(dòng)磨損試驗(yàn)與滑動(dòng)磨損試驗(yàn)對(duì)比分析

朱淋淋 韓浩盛 汪偉 王鵬

摘 要：在相同的試驗(yàn)條件下，分別以擺動(dòng)磨損與滑動(dòng)磨損兩種試驗(yàn)形式進(jìn)行自潤(rùn)滑襯墊摩擦磨損試驗(yàn)，并觀察襯墊的磨損形貌。試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種試驗(yàn)形式下，自潤(rùn)滑襯墊表現(xiàn)出的摩擦磨損規(guī)律一致;自潤(rùn)滑襯墊在擺動(dòng)磨損試驗(yàn)中的磨損形式為剝層磨損及輕微的磨粒磨損、黏著磨損，在滑動(dòng)磨損試驗(yàn)中的磨損形式主要為嚴(yán)重的黏著磨損及磨粒磨損。

關(guān)鍵詞：自潤(rùn)滑襯墊;擺動(dòng)磨損試驗(yàn);滑動(dòng)磨損試驗(yàn);摩擦磨損;磨損形貌

0 ?引 言

自潤(rùn)滑襯墊（以下簡(jiǎn)稱襯墊）為聚四氟乙烯纖維（PTFE）和芳綸纖維編織而成的織物復(fù)合材料，摩擦面以PTFE纖維為主，粘結(jié)面以芳綸纖維為主[1-2]。國(guó)內(nèi)針對(duì)襯墊的研究工作主要圍繞織物表面改性、摩擦副匹配、纖維編織方式、摩擦磨損性能試驗(yàn)方法等方面[3-5]。其中，襯墊摩擦磨損性能試驗(yàn)方法主要有軸承擺動(dòng)磨損試驗(yàn)、軸-瓦滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)及球盤滑動(dòng)磨損試驗(yàn)[6-8]。

本文同時(shí)采用軸承擺動(dòng)磨損和球盤滑動(dòng)磨損兩種試驗(yàn)形式，在相同的試驗(yàn)條件下對(duì)同批次襯墊進(jìn)行磨損試驗(yàn)，并對(duì)摩擦系數(shù)及磨損形貌進(jìn)行對(duì)比，以分析在兩種不同的試驗(yàn)形式下，襯墊摩擦性能、磨損形式的異同。

1 ?試 驗(yàn)

1.1試樣制備

擺動(dòng)磨損試驗(yàn)選用GE15DE1TK/HVS0型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，軸承外圈材料為17-4PH，軸承內(nèi)圈材料為9Cr18，襯墊粘接至外圈內(nèi)表面，成品試樣如圖1（a）所示。

滑動(dòng)磨損試驗(yàn)的試樣是將與軸承試樣同批次的襯墊裁剪成Φ40mm的圓形，粘貼至由17-4PH制成的金屬圓盤上，圓盤尺寸為Φ60mm×5mm，對(duì)磨副采用與軸承內(nèi)圈材料相同的鋼球?；瑒?dòng)磨損試樣制備原理及成品試樣如圖1（b）所示。

1.2試驗(yàn)及檢測(cè)設(shè)備

擺動(dòng)磨損試驗(yàn)選用電液伺服關(guān)節(jié)軸承擺動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)PLS-100，試驗(yàn)機(jī)負(fù)載范圍±100KN，扭矩測(cè)量范圍為±200N﹒m，測(cè)試精度為示值的±1%。滑動(dòng)磨損試驗(yàn)選用MicroTest-4003標(biāo)準(zhǔn)球盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，負(fù)載范圍60N，位移范圍為60mm，測(cè)試精度為示值的±0.1%。磨損形貌檢測(cè)使用掃描電鏡。

1.3試驗(yàn)方案

按照規(guī)范SAE AS 81820D對(duì)關(guān)節(jié)軸承常溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)方法的要求安裝擺動(dòng)磨損試樣并進(jìn)行試驗(yàn)。按照規(guī)范ASMT G133-2016對(duì)球盤滑動(dòng)磨損試驗(yàn)方法的要求進(jìn)行滑動(dòng)試樣安裝及試驗(yàn)。

兩種試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，兩種試驗(yàn)的平均接觸載荷及平均線速度均相同，即實(shí)現(xiàn)了PV值一致的試驗(yàn)條件。

擺動(dòng)磨損試驗(yàn)及滑動(dòng)磨損試驗(yàn)首先進(jìn)行全壽命試驗(yàn)，當(dāng)襯墊磨損量超過(guò)0.3mm時(shí)，認(rèn)為襯墊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全壽命磨損，得到襯墊摩擦系數(shù)全壽命曲線。分別以全壽命曲線為依據(jù)，分別補(bǔ)充階段磨損試驗(yàn)，以細(xì)化觀察襯墊在磨損過(guò)程中的狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)束之后，采集試樣摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)，在常溫環(huán)境下用電吹風(fēng)將磨屑吹干凈，并對(duì)襯墊進(jìn)行磨損形貌檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1摩擦磨損性能分析

在表1試驗(yàn)條件下對(duì)軸承試樣進(jìn)行全壽命擺動(dòng)磨損試驗(yàn)，并對(duì)摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行處理，分析該試驗(yàn)形式下襯墊經(jīng)歷的磨損階段。兩次擺動(dòng)磨損試驗(yàn)襯墊全壽命摩擦系數(shù)曲線如圖2所示。

由上圖可見(jiàn)，擺動(dòng)磨損試驗(yàn)過(guò)程中，襯墊的全壽命約400小時(shí)，所經(jīng)歷的磨損階段可劃分為磨合磨損、穩(wěn)定磨損和快速磨損三個(gè)階段。磨合磨損階段，較硬、較粗糙的樹(shù)脂層首先參與摩擦，因此初始摩擦系數(shù)較大，隨著摩擦過(guò)程的推進(jìn)，樹(shù)脂層逐漸減薄，有良好潤(rùn)滑性能的PTFE纖維逐漸參與摩擦，摩擦系數(shù)呈降低趨勢(shì)，但此時(shí)的磨屑比較粗大，堆積在摩擦接觸區(qū)域，增加了摩擦阻力，因此摩擦系數(shù)曲線在磨合磨損階段會(huì)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。穩(wěn)定磨損階段，磨損產(chǎn)生的纖維及樹(shù)脂磨屑被充分研磨成粉末狀，填充到襯墊縫隙中形成片層狀的填充物，改善了摩擦副的接觸狀態(tài)，此時(shí)的襯墊摩擦系數(shù)平穩(wěn)，磨損量穩(wěn)步增加?？焖倌p階段，隨著襯墊材料的不均勻磨損，摩擦面接觸應(yīng)力增大，摩擦系數(shù)快速升高，磨損量急劇增加。

在表1試驗(yàn)條件下對(duì)四件滑動(dòng)磨損試樣進(jìn)行全壽命磨損試驗(yàn)，襯墊全壽命摩擦系數(shù)曲線如圖3所示。

由上圖可見(jiàn)，滑動(dòng)磨損試驗(yàn)過(guò)程中，襯墊全壽命約230小時(shí)，同樣可劃分為磨合磨損、穩(wěn)定磨損和快速磨損三個(gè)階段，且三階段的摩擦系數(shù)整體趨勢(shì)與擺動(dòng)磨損試驗(yàn)一致。磨合磨損階段，球面接觸應(yīng)力較高，磨損速度快。穩(wěn)定磨損階段，襯墊樹(shù)脂及纖維磨損后形成磨屑并填充至纖維縫隙中，可以起到潤(rùn)滑減磨的作用?？焖倌p階段，纖維被完全磨掉或切斷，最終導(dǎo)致襯墊材料被磨穿，摩擦副變?yōu)殇?鋼接觸，摩擦系數(shù)快速上升，磨損量快速上升。

由表2對(duì)比結(jié)果可以看出，滑動(dòng)磨損試驗(yàn)中，襯墊的磨合磨損時(shí)間僅占全壽命時(shí)間的4%，說(shuō)明該種試驗(yàn)條件下，襯墊能夠快速的進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，且穩(wěn)定階段平均摩擦系數(shù)與擺動(dòng)磨損試驗(yàn)穩(wěn)定磨損階段平均摩擦系數(shù)相近。

2.2 磨損形貌分析

以襯墊的全壽命曲線為依據(jù)，在每個(gè)摩擦系數(shù)發(fā)生較大變化的區(qū)域抽取變化點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。擺動(dòng)磨損試驗(yàn)，在磨合磨損階段增加了1次補(bǔ)充試驗(yàn)，為35小時(shí);在穩(wěn)定磨損階段增加了1次補(bǔ)充試驗(yàn)，為138.5小時(shí)?；瑒?dòng)磨損試驗(yàn)在磨合磨損階段增加了1次補(bǔ)充試驗(yàn)，為2小時(shí)，在穩(wěn)定磨損階段增加了1次補(bǔ)充試驗(yàn)，為70小時(shí)。

圖4給出了擺動(dòng)磨損及滑動(dòng)磨損形式下，襯墊不同階段的磨損形貌。

圖4（a～c）為軸承擺動(dòng)磨損試驗(yàn)不同階段襯墊磨損形貌，隨著磨損過(guò)程的進(jìn)行，PTFE纖維及剝落的樹(shù)脂層逐漸被磨成粉末并填充至纖維縫隙及內(nèi)圈球面，磨屑被內(nèi)圈壓成片層狀，起到改善接觸狀態(tài)和潤(rùn)滑減磨的作用。

圖4（d～f）為球盤滑動(dòng)磨損試驗(yàn)襯墊不同階段磨損形貌，襯墊的主要磨損方式為樹(shù)脂層磨粒磨損及纖維橫向剪斷，被磨掉的纖維結(jié)構(gòu)比較粗大，成絲狀，隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，一部分樹(shù)脂、纖維轉(zhuǎn)變?yōu)槟バ迹掣皆谇蝾^外表面上，起到降低摩擦系數(shù)的作用。

3 ?結(jié) 論

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，在擺動(dòng)磨損與滑動(dòng)磨損兩種試驗(yàn)形式下，襯墊的摩擦磨損性能存在一些異同點(diǎn)：

1、摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)相同：摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大，然后逐漸趨于穩(wěn)定，進(jìn)入快速磨損階段摩擦系數(shù)迅速增大的狀態(tài)，且穩(wěn)定磨損階段，襯墊摩擦系數(shù)相差不大。

2、襯墊的磨損對(duì)摩擦副的作用相同：兩種試驗(yàn)形式下，襯墊的磨屑被研磨成粉末狀并及時(shí)填充至摩擦接觸區(qū)域，降低了接觸副摩擦系數(shù)。

3、襯墊的磨損形式不同：軸承擺動(dòng)磨損試驗(yàn)中襯墊的主要的磨損形式主要為樹(shù)脂層的剝層磨損及輕微的磨粒磨損、黏著磨損，在球盤滑動(dòng)磨損試驗(yàn)中襯墊的主要的磨損形式主要為嚴(yán)重的黏著磨損及磨粒磨損。

4、球盤滑動(dòng)磨損試驗(yàn)?zāi)軌蚩焖儆行У尿?yàn)證襯墊在穩(wěn)定磨損階段摩擦系數(shù)。

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