王艷真,李虎林,鐘濤,尹忠慰
(1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011;2.上海交通大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院,上海 200240)
近年來,水作為潤滑介質(zhì)的滑動(dòng)軸承在船舶、泵類、水輪機(jī)等設(shè)備上廣泛應(yīng)用。水潤滑軸承的應(yīng)用避免了潤滑油泄漏導(dǎo)致的環(huán)境污染問題,而且無需供油與密封系統(tǒng),很大程度上簡化了軸系支承系統(tǒng)的復(fù)雜性,同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[1]。
國外對(duì)水潤滑軸承材料的研究起步較早,形成的成熟產(chǎn)品主要有賽龍軸承(Thordon)系列、飛龍軸承(Feroform)系列、Countrose軸承系列以及Durablue水潤滑軸承系列等。其中,賽龍材料是合成樹脂與合成橡膠經(jīng)三次元交叉結(jié)晶而成的聚合物,該類材料具有良好的承載性、減振性、耐腐蝕性、耐磨性及減摩性,目前已經(jīng)形成了成熟的產(chǎn)品系列,如Thordon XL,Thordon SXL,Thordon COMPAC,Thordon HPSXL,Thorplas等。我國對(duì)水潤滑軸承的研究起步較晚,文獻(xiàn)[2-4]開展了橡膠合金軸承材料的改性、摩擦磨損機(jī)理以及相關(guān)彈流潤滑理論的研究,文獻(xiàn)[5-6]開展了橡膠艉軸承潤滑性能、摩擦振動(dòng)機(jī)理、壽命可靠性的研究,文獻(xiàn)[1,7-8]開展了水潤滑軸承材料研制、水潤滑徑向和推力軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等研究,但國內(nèi)產(chǎn)品的性能、壽命均與國外同類產(chǎn)品差距較大。
關(guān)于水潤滑軸承材料的摩擦磨損性能,國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量的研究。文獻(xiàn)[9]研究了短切碳纖維對(duì)熱固性塑料與熱塑性塑料磨損率與摩擦因數(shù)的影響,結(jié)果表明隨機(jī)方向的纖維能夠減小基體的磨損率與摩擦因數(shù),并且與基體材料種類無關(guān)。文獻(xiàn)[10]研究了不同碳纖維含量對(duì)UHMWPE性能的影響,結(jié)果表明碳纖維的填充能夠顯著增大基體硬度,并且能夠減小材料在水潤滑工況下的摩擦因數(shù)。文獻(xiàn)[11]研究了PTFE對(duì)UHMWPE摩擦磨損性能的影響,結(jié)果表明當(dāng)PTFE填充量為10 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)時(shí),復(fù)合材料具有最低的摩擦因數(shù)與磨損率,但力學(xué)性能略有下降。文獻(xiàn)[12]研究了硅灰石纖維對(duì)UHMWPE基體摩擦磨損性能的影響,結(jié)果表明當(dāng)硅灰石纖維含量為10%時(shí),復(fù)合材料具有最低的磨損率,但復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨硅灰石纖維含量的增大而增大。文獻(xiàn)[13]研究了水潤滑工況下碳纖維與玻璃纖維對(duì)PEEK和聚苯硫醚(PPS)摩擦磨損性能的影響,結(jié)果表明PEEK及玻璃纖維增強(qiáng)PEEK在水潤滑條件下均表現(xiàn)出較差的減磨性與耐磨性,而添加碳纖維則有利于提高PEEK在水潤滑工況下的摩擦磨損性能。
水潤滑軸承低黏度的潤滑介質(zhì)使得軸承摩擦阻力大幅減小,但會(huì)造成軸承動(dòng)壓承載能力差。而且,軸承上開設(shè)的水槽也大幅削弱了軸承的承載能力,使得動(dòng)壓潤滑難以形成,容易造成軸承材料的嚴(yán)重磨損。因此,研制減摩耐磨性能優(yōu)異的高性能軸承材料對(duì)于改善和提高艦船的服役性能具有重要意義。純UHMWPE具有極低的吸水率和良好的耐磨性,是一種應(yīng)用前景廣闊的水潤滑軸承材料。然而,純UHMWPE材料熱變形溫度低,干摩擦或邊界潤滑情況下減摩效果差,難以兼顧水潤滑軸承對(duì)材料減摩性、耐磨性以及承載能力等諸多綜合性能的要求。因此,本文通過添加填料改善UHMWPE材料的耐溫性以及摩擦磨損性能,并對(duì)比研究改性UHMWPE軸承與現(xiàn)有賽龍(Thordon SXL)軸承產(chǎn)品的摩擦潤滑性能,對(duì)UHMWPE水潤滑軸承材料的適用性進(jìn)行考核,為后續(xù)高分子水潤滑聚合物軸承的制備及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
通過平面摩擦磨損試驗(yàn)研究改性UHMWPE材料在摩擦過程中的耐熱性能,將改性UHMWPE與Thordon SXL的摩擦因數(shù)及磨損量進(jìn)行對(duì)比;采用徑向軸承試驗(yàn)機(jī)對(duì)比研究改性UHMWPE及Thordon SXL的潤滑性能并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),為UHMWPE基復(fù)合材料在艉軸承方面的工程應(yīng)用提供依據(jù)。
當(dāng)玻璃纖維(GF)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為10%或碳纖維(CF)含量為12.5%時(shí),對(duì)UHMWPE的摩擦磨損性能改性效果最佳[14];混合填料的最佳填充比為玻璃纖維12.5%,碳纖維12.5%;因此,所選取UHMWPE復(fù)合材料的配比見表1。
表1 UHMWPE復(fù)合材料的填充比Tab.1 Filling ratio of UHMWPE composite
UHMWPE復(fù)合材料的制備采用熱壓燒結(jié)法。首先,采用機(jī)械攪拌方式混合UHMWPE與纖維填料,將復(fù)合材料裝入模具并以40 MPa的壓力冷壓,保壓15 min;其次,將模具連同試樣一起放入氮?dú)獗Wo(hù)燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度為220 ℃,燒結(jié)時(shí)間為90 min;然后,將模具連同試樣從燒結(jié)爐取出并放入壓機(jī)壓制,壓力為10 MPa,保壓時(shí)間為直至模具和試樣冷卻至室溫;最后,將試樣脫模并機(jī)加工至摩擦磨損試樣或軸承試樣。
如圖1所示,在RTEC銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(MFT-5000)上進(jìn)行UHMWPE復(fù)合材料摩擦磨損特性試驗(yàn),試驗(yàn)載荷通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠施加,銷與盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),兩對(duì)摩面之間產(chǎn)生的摩擦力由固定在力臂側(cè)面的力傳感器測定。摩擦磨損試驗(yàn)測試環(huán)境溫度為20 ℃,空氣濕度為50%±5%。復(fù)合材料摩擦因數(shù)μ=Fμ/FN,F(xiàn)μ為水平方向的摩擦力,F(xiàn)N為豎直方向載荷。
圖1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試示意圖Fig.1 Diagram of friction and wear tester
試驗(yàn)中,研究改性UHMWPE高分子復(fù)合材料摩擦耐溫性時(shí),采用復(fù)合材料試驗(yàn)銷與GCr15試驗(yàn)盤進(jìn)行對(duì)磨,試驗(yàn)銷尺寸為Φ6 mm×20 mm,試驗(yàn)盤線速度為1.0 m/s(旋轉(zhuǎn)半徑16 mm、轉(zhuǎn)速597 r/min),試驗(yàn)載荷為2.5 MPa(70.65 N),試驗(yàn)時(shí)間120 min。
生活方式是人們?cè)陂L期生活過程中所形成的穩(wěn)定的生活模式和態(tài)度?!碍h(huán)境的改變和人的活動(dòng)或自我改變的一致,只能被看作是并合理地理解為革命的實(shí)踐?!盵5]人們的生活方式雖然以生態(tài)環(huán)境為基礎(chǔ),但并非消極被動(dòng)地接受自然的塑造和影響,而是對(duì)生態(tài)環(huán)境具有能動(dòng)的反作用,具體表現(xiàn)在生活方式對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響中。
對(duì)比研究改性UHMWPE與Thordon SXL的摩擦磨損性能時(shí),采用直徑Φ4 mm的GCr15銷與復(fù)合材料圓盤進(jìn)行對(duì)磨。由于UHMWPE材料和Thordon SXL材料均具有良好的耐磨性,通過加速試驗(yàn)增大試驗(yàn)載荷以提高試驗(yàn)效率,選取對(duì)比試驗(yàn)載荷為10 MPa,試驗(yàn)盤線速度為0.15 m/s,測試時(shí)間為120 min。材料磨損量采用稱重法測量,使用的分析天平精度為0.1 mg。為避免試驗(yàn)過程中的水介質(zhì)和雜質(zhì)對(duì)試樣質(zhì)量的影響,試驗(yàn)前所有試樣均用酒精溶液清洗,然后用烘箱40 ℃烘干30 min,待試樣溫度降到室溫后再進(jìn)行稱重,最終取3次測量的平均值作為試樣的初始質(zhì)量。同樣,試驗(yàn)后將試樣依次用酒精溶液清洗、烘干、降溫、稱重,并將此時(shí)稱取的質(zhì)量作為試樣磨損后的質(zhì)量。分別測試干摩擦和水潤滑工況下材料的摩擦磨損性能,為避免偶然誤差影響,每組試驗(yàn)采用3組試樣重復(fù)測量。
復(fù)合材料水潤滑軸承測試采用圖2所示的徑向水潤滑軸承試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)主軸采用伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng),電動(dòng)機(jī)額定功率22 kW,最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min;試驗(yàn)軸承浸泡在水箱中,水介質(zhì)通過導(dǎo)水槽進(jìn)入軸承間隙實(shí)現(xiàn)潤滑;通過安裝在加載環(huán)上的拉桿對(duì)試驗(yàn)軸承施加拉力實(shí)現(xiàn)加載;試驗(yàn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),軸與試驗(yàn)軸承之間產(chǎn)生的摩擦力轉(zhuǎn)化為摩擦力測量桿與拉力傳感器之間的拉力,從而實(shí)現(xiàn)摩擦力的測量。各傳感器的性能參數(shù)如下:加載力傳感器的量程為20 kN,非線性誤差≤0.02%F.S.;摩擦力傳感器的量程為49 N,非線性誤差≤0.02%F.S.。試驗(yàn)前所有傳感器均進(jìn)行標(biāo)定,以保證測量精度。試驗(yàn)前調(diào)整試驗(yàn)軸與主軸對(duì)中,測量試驗(yàn)軸圓跳動(dòng),保證試驗(yàn)軸旋轉(zhuǎn)精度。
1—基座;2—伺服電動(dòng)機(jī);3—阻尼器;4—聯(lián)軸器;5—主軸;6—支承軸承;7—試驗(yàn)軸;8—試驗(yàn)軸瓦;9—軸套;10—滾動(dòng)軸承;11—加載模塊;12—扭矩測量桿圖2 徑向水潤滑軸承試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Water-lubricated journal bearing test rig
在試驗(yàn)測試過程中,可通過調(diào)節(jié)豎直方向上的加力桿對(duì)試驗(yàn)軸承施加載荷F0,當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),試驗(yàn)軸與水潤滑軸承之間產(chǎn)生摩擦力Fμ并由水平方向上的拉力傳感器獲取。試驗(yàn)軸承內(nèi)徑為R,摩擦力傳感器與轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)中心之間的距離為L,則摩擦因數(shù)為
GF-CF-UHMWPE復(fù)合材料軸承和Thordon SXL軸承如圖3所示,軸承寬度為80 mm,寬徑比為1,軸承間隙[1]12為0.125%~0.150%。在水潤滑狀態(tài)下,分別測試軸承在不同線速度、不同載荷下的摩擦潤滑特性,測試比壓分別為0.1,0.2,0.3,0.4 MPa,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為30~2 400 r/min。每組試驗(yàn)進(jìn)行3次,取3次試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果。
圖3 試驗(yàn)軸承示意圖Fig.3 Diagram of test bearings
采用RTEC平面摩擦磨損試驗(yàn)研究填料對(duì)UHMWPE摩擦性能的影響,試驗(yàn)盤線速度為1.0 m/s,試驗(yàn)載荷為2.5 MPa,不同材料摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化以及試驗(yàn)后試驗(yàn)銷的變形情況如圖4所示。由圖可知:
圖4 摩擦熱對(duì)UHMWPE性能的影響Fig.4 Effect of friction heat on properties of UHMWPE
1)隨著摩擦熱的積累,純UHMWPE和GF-UHMWPE材料的摩擦因數(shù)均出現(xiàn)了明顯下降;試驗(yàn)銷有明顯的塑性變形,表明這2種材料在高速工況下均出現(xiàn)了明顯的軟化現(xiàn)象;當(dāng)摩擦界面的溫度達(dá)到一定值后,某處薄層材料開始熔化,熔化的高分子材料起到潤滑劑的作用,使得摩擦因數(shù)開始減小[15]。基體材料軟化和表層材料熔化是導(dǎo)致轉(zhuǎn)速增加到一定程度后摩擦因數(shù)下降的主要原因。
2)摩擦熱對(duì)CF-UHMWPE材料的摩擦因數(shù)幾乎沒有影響,試驗(yàn)后材料也沒有產(chǎn)生明顯的塑性變形,表明CF-UHMWPE材料具有更好的耐溫性能。
3)摩擦熱對(duì)GF-CF-UHMWPE材料的摩擦性能幾乎沒有影響,試驗(yàn)后材料也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的軟化及變形現(xiàn)象,表明GF-CF-UHMWPE材料同樣具有良好的耐溫性能。
從上述研究可以看出:單一玻璃纖維填料可以改善UHMWPE材料的減摩性,但對(duì)材料的耐溫性能幾乎沒有改善;單一碳纖維填料可以改善UHMWPE材料的耐溫特性,但對(duì)材料減摩耐磨性能的改善沒有玻纖填料顯著;碳纖維和玻璃纖維組合填料在改善材料摩擦磨損特性的同時(shí)顯著改善了材料的耐溫性能,從而使材料具有更佳的綜合性能。
對(duì)磨損后的復(fù)合材料表面進(jìn)行掃描電鏡分析,結(jié)果如圖5所示,由圖可知:純UHMWPE材料的磨損表面出現(xiàn)了明顯垂直于滑動(dòng)方向的貫通裂紋,主要為材料剝落與疲勞磨損;GF-UHMWPE材料的磨損表面主要表現(xiàn)為表層材料的擦傷和剝落,失效形式主要為高速下復(fù)合材料的黏著磨損; CF-UHMWPE材料磨損表面的裂紋寬度和長度明顯減小,表現(xiàn)為交叉的短裂紋,表明添加碳纖維后貫通裂紋的發(fā)展明顯被抑制,從而也提升了材料耐磨性;GF-CF-UHMWPE材料的磨損表面更加平滑,沒有出現(xiàn)顯著的貫通裂紋和擦傷,表明其增強(qiáng)了基體的力學(xué)性能和耐磨性。
圖5 UHMWPE復(fù)合材料磨損表面掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron micrographs of worn surface of UHMWPE composites
制作尺寸為Φ8 mm×20 mm的圓柱形試樣,采用DIL 402 Expedis熱膨脹儀對(duì)GF-CF-UHMWPE材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)行測試,結(jié)果如圖6所示。由圖可知:溫度為20~40 ℃時(shí),純UHMWPE,GF-CF-UHMWPE材料的平均線膨脹系數(shù)分別為1.697×10-4,1.461×10-4K-1;溫度范圍為40~60 ℃時(shí),純UHMWPE,GF-CF-UHMWPE材料的平均線膨脹系數(shù)為2.029×10-4,1.321×10-4K-1;纖維填料的添加能顯著減小UHMWPE的線膨脹系數(shù),尤其是高溫時(shí)的線膨脹系數(shù)。在溫度20~50 ℃范圍內(nèi),改性UHMWPE復(fù)合材料的尺寸變化基本為線性,且改性UHMWPE復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純UHMWPE。
圖6 UHMWPE和GF-CF-UHMWPE材料的線熱膨脹系數(shù)Fig.6 Linear thermal expansion coefficient of UHMWPE and GF-CF-UHMWPE composite
采用RTEC平面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),分別從干摩擦和水潤滑2個(gè)方面對(duì)GF-CF-UHMWPE和Thordon SXL材料的摩擦磨損性能進(jìn)行對(duì)比研究,試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表可知:干摩擦工況下,GF-CF-UHMWPE材料的磨損量和摩擦因數(shù)均小于Thordon SXL材料;水潤滑工況下,由于溫度高于60 ℃時(shí)Thordon存在水解[16],Thordon SXL材料的磨損量反而大于干摩擦工況,而GF-CF-UHMWPE材料的摩擦因數(shù)仍小于Thordon SXL材料且磨損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Thordon SXL材料。因此,無論是干摩擦工況還是水潤滑工況,GF-CF-UHMWPE材料的摩擦磨損性能均遠(yuǎn)優(yōu)于Thordon SXL材料。
表2 GF-CF-UHMWPE及Thordon SXL材料在不同工況下的摩擦因數(shù)及磨損量Tab.2 Friction coefficient and wear rate of GF-CF-UHMWPE and Thordon SXL under different operating conditions
GF-CF-UHMWPE和Thordon SXL平面試樣磨損后的表面照片及相應(yīng)的三維形貌如圖7所示,由圖可知:Thordon SXL材料在水潤滑工況下比干摩擦工況下的磨損更顯著;相對(duì)于Thordon SXL,GF-CF-UHMWPE材料的磨痕深度更小,磨損后表面更加光滑。
圖7 GF-CF-UHMWPE和Thordon SXL平面試樣磨損后的表面形貌Fig.7 Worn surface morphology of GF-CF-UHMWPE and Thordon SXL discs
通過對(duì)比相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下GF-CF-UHMWPE軸承與Thordon SXL軸承的啟動(dòng)扭矩與摩擦因數(shù),研究GF-CF-UHMWPE材料水潤滑軸承的摩擦潤滑性能及其作為水潤滑軸承材料的適用性。由于軸承加工后表面存在毛刺、局部不平等現(xiàn)象,試驗(yàn)前需進(jìn)行磨合以獲得穩(wěn)定的摩擦磨損性能。軸承磨合階段采用的載荷為0.24 MPa,轉(zhuǎn)速為120 r/min,時(shí)間為60 min。
不同工況下,GF-CF-UHMWPE軸承與Thordon SXL軸承的摩擦特性曲線如圖8所示,由于設(shè)置了摩擦力過載保護(hù),Thordon SXL軸承在載荷大于0.2 MPa時(shí),低轉(zhuǎn)速階段摩擦力過大導(dǎo)致過載保護(hù),因此Thordon SXL軸承從可運(yùn)行的最低轉(zhuǎn)速開始測試。由圖可知:當(dāng)載荷為0.1 MPa,轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí),GF-CF-UHMWPE,Thordon SXL軸承的啟動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.040,0.095;當(dāng)載荷為0.2 MPa時(shí),GF-CF-UHMWPE軸承的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為60 r/min,啟動(dòng)摩擦因數(shù)為0.035, Thordon SXL軸承的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為60 r/min,啟動(dòng)摩擦因數(shù)為0.115;當(dāng)載荷為0.3 MPa時(shí),GF-CF-UHMWPE軸承的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為60 r/min,啟動(dòng)摩擦因數(shù)為0.030,Thordon SXL軸承的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為90 r/min,啟動(dòng)摩擦因數(shù)為0.102;當(dāng)載荷為0.4 MPa時(shí),GF-CF-UHMWPE軸承的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為60 r/min,啟動(dòng)摩擦因數(shù)為0.025, Thordon SXL軸承的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為120 r/min,啟動(dòng)摩擦因數(shù)為0.076。
圖8 GF-CF-UHMWPE和Thordon SXL軸承在不同載荷下摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.8 Variation of friction coefficient of GF-CF-UHMWPE and Thordon SXL bearings with rotational speed under different loads
GF-CF-UHMWPE軸承與Thordon SXL軸承在不同轉(zhuǎn)速、不同載荷下的摩擦潤滑性能對(duì)比表明:GF-CF-UHMWPE軸承在相同載荷下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速低,啟動(dòng)摩擦因數(shù)小,而且從混合潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變到動(dòng)壓潤滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)變速度較小。GF-CF-UHMWPE軸承在中高速階段的摩擦因數(shù)與Thordon SXL軸承相當(dāng),能夠適用于水潤滑艉軸承。
對(duì)玻璃纖維及碳纖維改性UHMWPE材料的摩擦磨損性能開展試驗(yàn),并與Thordon SXL材料在干摩擦、水潤滑工況下的摩擦因數(shù)及磨損量開展對(duì)比研究,分析UHMWPE復(fù)合材料軸承在不同轉(zhuǎn)速、載荷等工況下潤滑狀態(tài)的變化規(guī)律,得出以下結(jié)論:
1)玻璃纖維填料可以顯著改善UHMWPE材料的減摩性,碳纖維填料可以顯著降低UHMWPE材料的熱膨脹系數(shù),碳纖維和玻璃纖維的組合填料能夠在改善材料摩擦磨損特性的同時(shí)顯著改善材料的尺寸穩(wěn)定性。
2)在干摩擦工況下,GF-CF-UHMWPE材料的摩擦因數(shù)和磨損量分別為0.094和2.23 mg,在水潤滑工況下,GF-CF-UHMWPE材料的摩擦因數(shù)和磨損量分別為0.060和2.2 mg,無論是干摩擦工況還是水潤滑工況,GF-CF-UHMWPE材料均具有比Thordon SXL材料更優(yōu)異的摩擦磨損性能。
3)GF-CF-UHMWPE軸承的啟動(dòng)摩擦因數(shù)小,從混合潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變到動(dòng)壓潤滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)變速度較小,并且動(dòng)壓潤滑階段的摩擦因數(shù)低,能夠適用于水潤滑艉軸承。