水潤滑塑料合金軸承的摩擦磨損性能研究

1、2002年7月農業(yè)機械學報第33卷第4期水潤滑塑料合金軸承的摩擦磨損性能研究3陳敏王家序陳戰(zhàn)秦大同【摘要】以含沙量不同的兩種自來水為潤滑介質,用M PV 200型摩擦磨損試驗機研究了水潤滑酚醛樹酯塑料合金軸承的摩擦磨損性能,得出不同水質、不同工況下的摩擦學特性,并對作用機理進行了系統(tǒng)分析,為水潤滑塑料合金軸承的實際應用提供理論指導。敘詞:塑料合金軸承摩擦磨損中圖分類號:TB 333文獻標識碼:AStudy on Fr iction and W ear Property of W a ter L ubr ica tedPla stic A lloy Bear i ngsChen M in W a

2、ng J iaxu Q in D atong (Chong qing U n iversity Chen Zhan(L og istica l E ng ineering U n iversity AbstractT herm o setting p heno lic aldehyde resin p lastic alloy is a k ind of com po site con sisted of therm o setting p heno lic aldehyde resin ,co tton fiber and carbon fiber ,and it has m any ou

3、tstanding p hysical and m echan ical p erfo rm ances ,w h ich m akes it w idely app lied in underw ater sliding bearing .T he w ater lub ricated bearing m ade of th is k ind of p lastic alloy has a great bearing cap acity and excellen t tribo logical p erfo rm ance .In th is p ap er ,the effects of

4、load ,sp eed ,andti m e on fricti on coefficien t and w ear rate of bearings ,w h ich are m ade of therm o setting p heno lic aldehyde resin p lastic alloy and lub ricated by w ater w ith vari ou s sand con ten ts ,w ere studied u sing a M PV200m odel fricti on and w ear testing m ach ine ,and the c

5、haracteristic of fricti on andw ear w as found ou t .A t the sam e ti m e ,w ear m echan is m s w ere analyzed system atically .Itp rovides a theo retical basis fo r p ractical app licati on of w ater lub ricated p lastic alloy bearings.Key words P lastic alloy ,B earings ,F ricti on ,W ear收稿日期:2001

6、06293教育部科學技術重點項目(項目編號:99104陳敏重慶大學機械傳動國家重點實驗室碩士生,400044重慶王家序重慶大學機械傳動國家重點實驗室教授陳戰(zhàn)解放軍后勤工程學院博士生,400016重慶市秦大同重慶大學機械傳動國家重點實驗室主任教授博士生導師前言由熱固性酚醛樹酯基體和棉纖維、碳纖維填料等復合而成的酚醛樹酯塑料合金具有比強度高、化學穩(wěn)定性好、硬度高、方便靈活的可加工性及優(yōu)良的減摩、耐磨性能等特點,已成為水下滑動軸承中應用最多的非金屬材料13,用它加工的滑動軸承在水潤滑條件下具有很高的承載能力和減摩抗磨性4。有關酚醛樹酯塑料合金干摩擦條件下的摩擦磨損特性的研究已比較成熟5,6,但水潤滑

7、,尤其是含泥沙水介質中的酚醛樹酯塑料合金軸承的摩擦學性能的研究鮮有報道。作者用M PV 200型摩擦磨損試驗機研究了水潤滑酚醛樹酯塑料合金軸承在不同水質、不同工況下的摩擦學特性,并對作用機理進行了系統(tǒng)分析。1試驗條件(1試驗對象:<35mm ×80mm 的水潤滑酚醛樹酯塑料合金軸承。(2潤滑介質:含沙量為0103%(質量分數(shù),下同和0115%的自來水兩種。(3試驗設備:M PV 200型摩擦磨損試驗機。2試驗結果與討論211載荷對摩擦因數(shù)的影響圖1摩擦因數(shù)與載荷的關系在轉動速度2m s 、運行時間為30m in 的試驗條件下,酚醛樹酯塑料合金軸承的摩擦因數(shù)與載荷的關系如圖1所示

8、。從圖1可以看出,含沙量對摩擦因數(shù)幾乎沒有影響;摩擦因數(shù)隨載荷的增大而減小,當載荷超過500N以后,摩擦因數(shù)變得很小,且趨于穩(wěn)定值。這是因為載荷較低時,軸承承受的壓力較小,酚醛樹酯塑料合金的彈性變形基本不起作用,處于邊界潤滑狀態(tài),因而摩擦因數(shù)較大,隨著載荷的增大,酚醛樹酯塑料合金產生彈性變形,載荷越大,產生的彈性變形也越大,使得軸承界面上的實際接觸面積增大,導致單位面積上承受的壓力反而減小,因而降低了摩擦因數(shù);同時,塑料合金中的棉纖維很容易被水潤濕,從而在摩擦表面上形成了較完整的潤滑水膜,使摩擦因數(shù)進一步降低。載荷超過500N 以后,一方面,摩擦表面的潤滑水膜完全生成,另一方面,彈性變形基本上

9、達到最大值,這兩方面的原因使得摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定值。212轉動速度對摩擦因數(shù)的影響圖2摩擦因數(shù)與轉動速度的關系在載荷為300N 、試驗時間為30m in 的情況下,摩擦因數(shù)隨酚醛樹酯塑料合金軸承轉動速度的變化如圖2所示。圖2表明,在兩種水潤滑介質中,摩擦因數(shù)先隨轉動速度的增大而增大,這是因為在較低的轉動速度下,由于棉纖維的極性作用而形成的吸附性水膜逐漸包容整個軸面,系統(tǒng)處于流體潤滑狀態(tài),因而摩擦因數(shù)較小;隨著轉動速度的逐漸增大,潤滑水膜的完整性被破壞,不能覆蓋整個軸面,導致兩固相表面有些地方直接接觸,酚醛樹酯塑料合金軸承和軸處于濕磨粒磨損狀態(tài),使得摩擦因數(shù)變大。當速度達到一定值后,再增加轉動速度

10、,軸承和軸之間的部分表面形成了楔形間隙的動壓潤滑,防止了兩固相表面的直接接觸,摩擦因數(shù)隨之降低。轉動速度進一步增大,由于水的低粘特性,兩固相表面之間的動壓效應不能繼續(xù)增強,摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定值?？梢钥闯?酚醛樹酯塑料合金軸承在含沙量高的水質中的摩擦因數(shù)比在清水中稍有增大,這是因為沙粒參與了摩擦作用。213運行時間對摩擦因數(shù)的影響圖3摩擦因數(shù)與運行時間的關系在載荷為300N 、轉動速度為2m s 的試驗條件下,運行時間對酚醛樹酯塑料合金軸承摩擦因數(shù)的影響如圖3所示。從圖3可知:摩擦因數(shù)隨運行時間的增加而減小。這是由于剛啟動時,酚醛樹酯塑料合金軸承和軸之間將有一部分粗糙峰因接觸壓力的作用而導致兩表面

11、間直接接觸,系統(tǒng)處于邊界潤滑狀態(tài),因而摩擦因數(shù)較大,隨著運行時間的延長,粗糙峰逐漸消失,由于塑料合金中的棉纖維很容易被水潤濕,在摩擦表面上形成了較完整的潤滑水膜,酚醛樹酯塑料合金軸承逐漸形成了水膜動壓潤滑,摩擦因數(shù)隨之降低。214載荷對磨損率的影響圖4磨損率與載荷的關系在轉動速度2m s 、時間為30m in 的試驗條件下,載荷對酚醛樹酯塑料合金軸承磨損率的影響如圖4所示。圖4表明,在含沙量為0103%的水潤滑介質中的磨損量是比較小的,這是由于酚醛樹酯塑料合金中的碳纖維是優(yōu)良的減摩劑,一方面它露在對摩面上,承受了部分載荷,另一方面,它磨平了對摩面,減小了局部應力,使得磨損率變得很低。磨損率隨負

12、荷的增大而降低,這是因為載荷增大,水膜動壓效應增強的緣故。由圖4還可以看出:酚醛樹酯塑料合金軸承在含沙量為0103%的水中的磨損率遠遠小于在含沙量為0115%的水中的量,這是因為當軸承受載時,由于酚醛樹酯塑料合金的彈性和形變,潤滑水中的沙粒被彈性地壓入表面,最后通過潤滑水槽被水流沖洗出去,但這只限于含雜質濃度低的流體。因此,酚醛樹酯塑料合金軸承在含沙量為0103%水中的磨損量301第4期陳敏等:水潤滑塑料合金軸承的摩擦磨損性能研究較小;但對含沙量為0115%的這類雜質濃度較高的水潤滑介質,酚醛樹酯塑料合金的彈性和形變只能將小部分的沙粒排出外部,大部分的沙粒沉積在摩擦表面并發(fā)生了磨粒磨損,從而增

13、大了軸承的磨損量。載荷越大,沙粒的磨損作用越強,結果導致磨損率隨負荷的增大而增大。215轉動速度對磨損率的影響在載荷為300N 、試驗時間為30m in 的條件下,轉動速度對酚醛樹酯塑料合金軸承磨損率的影響如圖5所示。在含沙量為0103%的水潤滑中,磨損率先隨轉動速度的增大而增大,這是因為速度小時,由于棉纖維的潤濕作用,對摩面上形成一層完整的水膜,將摩擦副隔開,同時水降低了摩擦副的表面溫度,也減小了摩擦和磨損,因此速度低時,磨損率較小。隨著轉動速度的逐漸增大,潤滑水膜的完整性被破壞,不能覆蓋整個軸面,導致兩固相表面有些地方直接接觸,軸承和軸處于濕磨粒磨損狀態(tài),結果磨 圖5磨損率與轉動速度的關系

14、(a 含沙量0103%(b 含沙量0115%損率隨速度的增大而增大,如圖5a 所示;當速度達到一定值后,再增加轉動速度,軸承和軸之間的部分表面形成了楔形間隙的動壓潤滑,防止了兩固相表面的直接接觸,磨損率隨之降低;轉動速度進一步增大,由于水的低粘特性,兩固相表面之間的動壓效應不能繼續(xù)增強,磨損率趨于穩(wěn)定值。在含沙量為0115%的這類雜質濃度較高的水潤滑介質中,磨損率隨速度的增大而顯著增大。這可從以下得到解釋,在這種潤滑介質中的磨損量主要是由沙粒的磨損作用產生的,速度較小時,對摩面上的水膜降低了磨損量,所以磨損率較小;隨著速度的增大,沙粒的動能增加,從而使材料在其作用下的變形速率增加,這相當于增大

15、了材料的彈性模量,即彈性變小,降低了酚醛樹酯塑料合金材料吸收沖擊能的能力,因而磨損率增大。此外,速度增大也會增加沙粒對材料表面的作用頻率,這也會使材料的磨損率增大。因此磨損率隨速度的增大而增大。但速度增大到一定值后,軸承和軸之間的部分表面形成的楔形間隙的動壓潤滑,在一定程度上緩解了沙粒的磨損作用,此時磨損率的增大趨勢變小,如圖5b 中的68m s 。隨著速度的繼續(xù)增大,動壓潤滑作用不能繼續(xù)增強,沙粒的磨損作用重新占主導地位,使得磨損率再次隨速度的增大而增大。216運行時間對磨損率的影響在轉動速度為2m s 、載荷為300N 的試驗條件下,運行時間對酚醛樹酯塑料合金軸承磨損率的影響如圖6所示。在

16、含沙量為0115%和0103%的兩種水潤滑介質中,磨損率都是隨運行時間的增長而降低,這是由于剛啟動時,軸承處于邊界潤滑狀態(tài),因而磨損率較高,隨著運行時間的增長,由于棉纖維極易被水潤濕,軸承和軸之間逐漸形成了水膜動壓潤滑,磨損率隨之降低;同時,由于酚醛樹酯塑料合金軸承的彈性變形產生部分彈流效應,從而使磨損率進一步降低。最后,由于水的低粘特性,兩固相表面之間的動壓效應不能繼續(xù)增強,彈流效應亦達到穩(wěn)定值,因此磨損率不再降低,而是趨于穩(wěn)定值。圖6磨損率與運行時間的關系(a 含沙量0115%(b 含沙量0103%3結論(1酚醛樹酯塑料合金軸承在含沙量為0115%的水中的磨損率是含沙量為0103%的水中的

17、數(shù)倍甚至數(shù)十倍,而摩擦因數(shù)則基本上不隨含沙量的變化而變化。(2酚醛樹酯塑料合金軸承在含沙量為0103%的水介質中磨損量較小,磨損率隨載荷的增大而降低。(3酚醛樹酯塑料合金軸承在含沙量為0115%水介質中磨損率隨轉動速度的增大而增大。(4酚醛樹酯塑料合金軸承在含沙量不同的水介質中,摩擦因數(shù)和磨損率都隨運行時間的增長而降低;并且,摩擦因數(shù)還隨轉動速度的增大先增加,然后又減小,最后趨于穩(wěn)定值。(下轉第108頁FeC,從而有效地提高了摩擦副抗磨損能力。3結論(1硼系潤滑油添加劑在使用過程中,存在滲硼效應,改變了摩擦副的摩擦學性能。(2硼系潤滑油添加劑在使用過程中形成的滲透層有較好的摩擦學性能。使用60

18、m in后,摩擦副表面即有改性層產生。利用硼系潤滑油添加劑能實現(xiàn)在線表層改性。(3工作載荷的提高有利于提高滲透效果,增加滲透層的厚度。參考文獻1Gup ta B K,Bhu shan B.Fu llerene particles as an additive to liqu id lub rican ts and greases fo r low fricti on and w ear.L ub r.Eng.,1994(7:5245282Xu T ao,Zhang Zh ijun,Zhao J iazheng.Study on the structu re of su rface modifi

19、ed M oS2nanoparticles.M aterials R esearch Bu lletin,1996,31(4:3453493蔣松.摩擦化學在線強化零件表面的研究:博士學位論文.重慶:中國人民解放軍后勤工程學院,1997.4全永昕.工程摩擦學.杭州:浙江大學出版社,1994.(上接第101頁參考文獻1T anaka K.T ran sfer of sem icrystalline po lym ers sliding again st a s moo th steel su rface.W ear,1982,75:183199 2古年年,吳德謙等.聚四氟乙烯復合材料的物理機械性能

20、.潤滑與密封,1997(6:51563Bahadu r S,T abo r D.T he w ear of filled PT FE.W ear,1984,98:1134T anaka K,Kaw akam i S.Effects of vari ou s fillers on the fricti on and w ear of PT FE2based compo sites.W ear,1982, 78:2412495Gong D,Zhang B,Xue Q,et al.Investigati on of adhesi on w ear of filled PT FE by ESCA,A ES and XRD.W ear, 1990,137:25296Bahadu r S,Gong D.T he acti on of fillers in the modificati on o