自潤(rùn)滑復(fù)合材料研究進(jìn)展及船閘工程中的應(yīng)用

孟德 戴振華 蔡建國(guó) 張慧中

摘要：船閘閘、閥門運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦部件在頻繁高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，易發(fā)生磨損現(xiàn)象，影響船閘安全高效運(yùn)行。本文介紹了自潤(rùn)滑復(fù)合材料的研究進(jìn)展，并從固體潤(rùn)滑劑工作機(jī)理角度出發(fā)，闡述了金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料摩擦磨損性能的主要影響因素，根據(jù)船閘工程的應(yīng)用情況及問(wèn)題分析，提出了進(jìn)一步的研究方向。

關(guān)鍵詞：自潤(rùn)滑復(fù)合材料;運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦副;摩擦磨損;銅基鑲嵌自潤(rùn)滑軸承

中圖分類號(hào)：U641.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006—7973（2022）05-0051-03

船閘工程是集水工建筑物、金屬結(jié)構(gòu)、啟閉機(jī)械、電氣系統(tǒng)、房屋建筑和景觀綠化等多專業(yè)的通航樞紐工程。其中，船閘閘、閥門及啟閉機(jī)械是控制閘室水位升降和保證船舶（隊(duì)）安全順利過(guò)閘的重要設(shè)備，在船閘系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。根據(jù)江蘇省現(xiàn)役船閘歷年檢修情況來(lái)看，船閘閘、閥中的運(yùn)動(dòng)摩擦部件由于運(yùn)轉(zhuǎn)頻繁、荷載復(fù)雜、工作環(huán)境較差等原因，易發(fā)生磨損。而研究表明，對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦副進(jìn)行可靠的潤(rùn)滑，可提高運(yùn)轉(zhuǎn)件的耐磨性能，延長(zhǎng)其使用壽命[1]。另一方面，隨著近年來(lái)材料領(lǐng)域的發(fā)展，自潤(rùn)滑材料已在國(guó)內(nèi)外大型船閘頂、底樞中廣泛應(yīng)用，取得了較好的使用效果。

本文將重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)外在自潤(rùn)滑復(fù)合材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展和固體潤(rùn)滑劑的工作原理，同時(shí)對(duì)船閘工程中自潤(rùn)滑軸承的應(yīng)用情況及存在的問(wèn)題進(jìn)行闡述，為進(jìn)一步的研究及推廣應(yīng)用提供借鑒與參考。

1自潤(rùn)滑復(fù)合材料的研究進(jìn)展

自潤(rùn)滑材料是指那些本身具有良好的減摩和耐磨性能的固體材料，可用來(lái)在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間減少摩擦與磨損，主要包括金屬（基）自潤(rùn)滑材料、非金屬（基）自潤(rùn)滑材料、高分子（基）自潤(rùn)滑材料等三大類[2]。

工業(yè)自潤(rùn)滑材料起源于近代的20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了使用磷酸粘結(jié)的石墨膜作為自潤(rùn)滑材料。在50年代，由于工業(yè)發(fā)展的需要，尤其是空間工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了使用噴涂、刷涂或浸涂的成膜方法，例如化學(xué)氣相沉積、真空氣相沉積、等離子噴涂等工藝，將二硫化鉬、石墨、氧化銻、聚酰亞胺樹脂等以有機(jī)膜的形式復(fù)合在工件表面形成自潤(rùn)滑層。其中，金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料是材料科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，其以在特殊使用條件下具有的摩擦學(xué)特性而受到人們的廣泛關(guān)注。

金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料是固體潤(rùn)滑劑作為組元被加入到金屬基體中形成的復(fù)合材料，兼有金屬基體的特性和固體潤(rùn)滑劑優(yōu)良的摩擦學(xué)特性[3]。金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦磨損性能一般具有這樣的規(guī)律，隨著固體潤(rùn)滑劑顆粒含量的增大復(fù)合材料的摩擦系數(shù)都呈下降趨勢(shì)，到一定含量后，達(dá)到穩(wěn)定值，不再變化[4]。而復(fù)合材料的磨損率隨固體潤(rùn)滑劑顆粒含量的增大，先減小后增大。一般認(rèn)為，這是由于金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料在磨損過(guò)程中，形成了一層穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，因此復(fù)合材料/ 偶件之間的摩擦變成了固體潤(rùn)滑劑薄膜之間的磨損，因此摩擦系數(shù)下降[5];而磨損率的這種變化規(guī)律是由于固體潤(rùn)滑劑顆粒相強(qiáng)度較低，它的加入導(dǎo)致了復(fù)合材料整體強(qiáng)度與硬度的下降[6]。一般情況下，固體潤(rùn)滑劑顆粒越大，以其復(fù)合的材料的磨損速率越低[7-8]。因此，就固體潤(rùn)滑劑體積分?jǐn)?shù)比較高的金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料而言，其磨損速率通常比較低且穩(wěn)定[9]。而當(dāng)固體潤(rùn)滑劑的體積分?jǐn)?shù)給定后，復(fù)合材料的磨損率則是隨著接觸壓力的增大而上升，隨著滑動(dòng)速度的增大而降低。

國(guó)內(nèi)外近年來(lái)對(duì)于自潤(rùn)滑復(fù)合材料的研究主要圍繞機(jī)理特性、潤(rùn)滑劑材料、合成方式等方面開展，取得了豐富的研究成果，本文不再一一贅述。研究結(jié)果表明，金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性取決于摩擦過(guò)程中其所含固體潤(rùn)滑劑的析出和彌散分布，固體潤(rùn)滑劑的含量、粒度和能否在對(duì)摩表面中間發(fā)生轉(zhuǎn)移形成連續(xù)而厚度適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑膜[10]。

2固體潤(rùn)滑劑的工作原理

金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦磨損性能取決于以下幾個(gè)方面：①基體合金的組織成分;②固體潤(rùn)滑劑的性質(zhì)、顆粒尺寸、形狀及其在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù);③固體潤(rùn)滑劑在復(fù)合材料中的分布狀態(tài)和界面的性質(zhì)和特征;④合成方式在一定條件下也影響金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦磨損性能;⑤摩擦形成的潤(rùn)滑膜的性質(zhì)，厚度和分布狀態(tài);⑥潤(rùn)滑膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度[11]。

目前，研究中選用的潤(rùn)滑劑種類多樣，部分取得了較好的試驗(yàn)效果。其中，石墨作為常用的自潤(rùn)滑材料，得到了最為廣泛的研究與應(yīng)用。復(fù)合材料中的石墨以機(jī)械混合物形式存在，與基體結(jié)合比較牢固，而在摩擦過(guò)程中石墨先脫落，在摩擦副表面形成一層固體潤(rùn)滑劑薄膜，起減摩潤(rùn)滑作用，構(gòu)成了理想的軸承合金組織。

在船閘工程中，閘、閥門主要運(yùn)轉(zhuǎn)部件通過(guò)精加工達(dá)到較高的表面粗糙度要求，但從微觀上來(lái)看，對(duì)磨件（軸和軸承）的表面仍表現(xiàn)為起伏不平。在摩擦副發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，較硬的對(duì)磨件（蘑菇頭或軸類）“磨損”較軟的軸承（球瓦襯墊或軸套）表面，使軸承內(nèi)更軟的石墨等自潤(rùn)滑顆粒被切割或擠壓涂覆于對(duì)磨面，形成一層連續(xù)的固體自潤(rùn)滑膜;隨著摩擦的繼續(xù)，基體中的自潤(rùn)滑顆粒源源不斷地被磨出，將軸承基體與配對(duì)軸隔離開，形成一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的自潤(rùn)滑免維護(hù)摩擦副。

3船閘工程中自潤(rùn)滑材料的應(yīng)用

船閘不同部位運(yùn)轉(zhuǎn)件其受力特點(diǎn)及磨損類型也不盡相同。閘門底樞蘑菇頭及蘑菇頭帽為轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副，由于表面粗糙度、配合精度等因素的限制，表面實(shí)際接觸往往是不連續(xù)的，局部壓應(yīng)力較高，在重載和摩擦產(chǎn)生的高溫條件下，接觸點(diǎn)局部發(fā)生軟化和熔化而產(chǎn)生“熱粘著”，主要表現(xiàn)為粘著磨損，并伴隨著磨料磨損;軸與軸套為滑動(dòng)摩擦副，由于材料之間硬度、許用接觸應(yīng)力存在著差異性，在未有效潤(rùn)滑條件下，主要表現(xiàn)為粘著磨損加磨料磨損;閥門主滾輪與軌道鑲面板之間主要為滾動(dòng)摩擦，同時(shí)存在著滑動(dòng)摩擦和沖擊摩擦，其摩擦形式及磨損機(jī)理均較復(fù)雜，既存在粘著磨損也存在磨料磨損，甚至還包括腐蝕磨損和表面疲勞磨損[12]。

為延緩船閘運(yùn)轉(zhuǎn)部件的磨損，往往需要對(duì)重要的運(yùn)動(dòng)摩擦副進(jìn)行潤(rùn)滑，以延長(zhǎng)零件的使用壽命。傳統(tǒng)的潤(rùn)滑方式是在船閘各閘首的啟閉機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置多點(diǎn)潤(rùn)滑泵，通過(guò)潤(rùn)滑管路集中向閘門頂、底樞及啟閉機(jī)推拉座等部位注入潤(rùn)滑油來(lái)實(shí)現(xiàn)摩擦表面的潤(rùn)滑。根據(jù)船閘實(shí)際運(yùn)行情況看，使用一段時(shí)間之后由于潤(rùn)滑油板結(jié)、油管堵塞、破損等問(wèn)題，很難保證長(zhǎng)期的潤(rùn)滑效果。某些部位如閥門主滾輪軸套由于空間及位置的影響，也較難實(shí)現(xiàn)加油潤(rùn)滑。圖1為集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的圖片。

因此，近年來(lái)我國(guó)大中型船閘建設(shè)中，自潤(rùn)滑材料已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。目前，使用最為普遍的是銅基鑲嵌自潤(rùn)滑軸承，其基體多采用高強(qiáng)度銅合金，具有承載能力高（屈服強(qiáng)度可達(dá)到500MPa及以上）、耐磨損（固溶硬度達(dá)到180HB及以上），固體潤(rùn)滑劑大多采用天然石墨，具有摩擦系數(shù)低，使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于低速、重載條件下的轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)和沿軸向往復(fù)滑動(dòng)。圖2為某船閘所采用的自潤(rùn)滑軸承的圖片。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)自潤(rùn)滑軸承產(chǎn)品眾多，質(zhì)量參差不齊，船閘運(yùn)轉(zhuǎn)件所選用的自潤(rùn)滑軸承對(duì)潤(rùn)滑劑材料與特性、加工精度、裝配工藝等要求較高，潤(rùn)滑劑的分布方式也會(huì)對(duì)軸承受力和潤(rùn)滑效果產(chǎn)生影響，有待進(jìn)一步分析與研究[12]。

4結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了自潤(rùn)滑復(fù)合材料的研究進(jìn)展，對(duì)廣泛應(yīng)用的石墨固體潤(rùn)滑劑的工作原理進(jìn)行了闡述，進(jìn)一步分析了船閘工程中銅基鑲嵌自潤(rùn)滑軸承的應(yīng)用情況及存在的問(wèn)題，可供相關(guān)設(shè)計(jì)及科研人員借鑒參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建民，沈伯明，夏煒.船閘運(yùn)轉(zhuǎn)件磨損試驗(yàn)報(bào)告[D].江蘇省交通運(yùn)輸廳航道局，2001.

[2]黃志.耐磨熱固性樹脂基復(fù)合涂層的研制及其摩擦學(xué)性能研究[D].浙江大學(xué)，2002.

[3]李勇帥.自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備和性能研究[D].華北理工大學(xué)，2019.

[4]張偉.銅基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備及摩擦磨損性能研究[D].揚(yáng)州大學(xué)，2019.

[5]申澤慧，孫榮祿.自潤(rùn)滑復(fù)合材料中不同組分之間的協(xié)同作用[J].熱加工工藝，2015，44（04）：25-30.

[6]Rohatgi PK.，Liu YB.，Barr TH.. Tribological behavior and surface analysis of tribodeformed AI Alloy-50 Pet graphite particle composites，Metallurgical & Materials Transactions A，1991（22）：1435-1441.

[7]劉泊天，高鴻，鄭軍等.兩種典型聚合物基固體自潤(rùn)滑材料的摩擦磨損性能[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2018，54（12）：882-886.

[8] Tsuya Y.，Shimara H.，Umeda KA..Study of properties of copper arid copper base self-lubricating composites. Wear，1972，22：143-162.

[9] Choo WK.，Hong CH..A study on wear characteristics of graphite dispersed Al-Si alloys. Journal of The Korean Institute of Metals and Materials，1979（17）：474-483.

[10]董利民，張寶清，田杰模等.陶瓷石墨復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1997 （12）：363-366.

[11] VilarR..Laser claddingJ]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，1999，11（2）：385-392.

[12]劉步景，戴振華，蔡建國(guó)，張慧中.船閘運(yùn)轉(zhuǎn)件耐久性提升方法探討[J].中國(guó)水運(yùn)，2020 （10）：57-58.