水润滑塑料合金轴承的摩擦磨损性能研究

　　摘　要：以含沙量不同的两种自来水为润滑介质，用MPV-200型摩擦磨损试验机研究了水润滑酚醛树酯塑料合金轴承的摩擦磨损性能，得出不同水质、不同工况下的摩擦学特性，并对作用机理进行了系统分析，为水润滑塑料合金轴承的实际应用提供理论指导。
　　叙词：塑料合金；轴承；摩擦；磨损
　　前言
　　由热固性酚醛树酯基体和棉纤维、碳纤维填料等复合而成的酚醛树酯塑料合金具有比强度高、化学稳定性好、硬度高、方便灵活的可加工性及优良的减摩、耐磨性能等特点，已成为水下滑动轴承中应用Z多的非金属材料^[1～3]，用它加工的滑动轴承在水润滑条件下具有很高的承载能力和减摩抗磨性^[4]。有关酚醛树酯塑料合金干摩擦条件下的摩擦磨损特性的研究已比较成熟^[5，6]，但水润滑，尤其是含泥沙水介质中的酚醛树酯塑料合金轴承的摩擦学性能的研究鲜有报道。作者用MPV-200型摩擦磨损试验机研究了水润滑酚醛树酯塑料合金轴承在不同水质、不同工况下的摩擦学特性，并对作用机理进行了系统分析。
　　1　试验条件
　　（1）试验对象：Ø35mm×80mm的水润滑酚醛树酯塑料合金轴承。
　　（2）润滑介质：含沙量为0.03%（质量分数，下同）和0.15%的自来水两种。
　　（3）试验设备：MPV-200型摩擦磨损试验机。
　　2　试验结果与讨论
　　2.1 载荷对摩擦因数的影响
　　在转动速度2m/s、运行时间为30min的试验条件下，酚醛树酯塑料合金轴承的摩擦因数与载荷的关系如图1所示。从图1可以看出，含沙量对摩擦因数几乎没有影响；摩擦因数随载荷的增大而减小，当载荷超过500N以后，摩擦因数变得很小，且趋于稳定值。这是因为载荷较低时，轴承承受的压力较小，酚醛树酯塑料合金的弹性变形基本不起作用，处于边界润滑状态，因而摩擦因数较大，随着载荷的增大，酚醛树酯塑料合金产生弹性变形，载荷越大，产生的弹性变形也越大，使得轴承界面上的实际接触面积增大，导致单位面积上承受的压力反而减小，因而降低了摩擦因数；同时，塑料合金中的棉纤维很容易被水润湿，从而在摩擦表面上形成了较完整的润滑水膜，使摩擦因数进一步降低。载荷超过500N以后，一方面，摩擦表面的润滑水膜完全生成，另一方面，弹性变形基本上达到Z大值，这两方面的原因使得摩擦因数趋于稳定值。 　　2.2 转动速度对摩擦因数的影响
　　在载荷为300N、试验时间为30min的情况下，摩擦因数随酚醛树酯塑料合金轴承转动速度的变化如图2所示。图2表明，在两种水润滑介质中，摩擦因数先随转动速度的增大而增大，这是因为在较低的转动速度下，由于棉纤维的极性作用而形成的吸附性水膜逐渐包容整个轴面，系统处于流体润滑状态，因而摩擦因数较小；随着转动速度的逐渐增大，润滑水膜的完整性被破坏，不能覆盖整个轴面，导致两固相表面有些地方直接接触，酚醛树酯塑料合金轴承和轴处于湿磨粒磨损状态，使得摩擦因数变大。当速度达到一定值后，再增加转动速度，轴承和轴之间的部分表面形成了楔形间隙的动压润滑，防止了两固相表面的直接接触，摩擦因数随之降低。转动速度进一步增大，由于水的低粘特性，两固相表面之间的动压效应不能继续增强，摩擦因数趋于稳定值。可以看出，酚醛树酯塑料合金轴承在含沙量高的水质中的摩擦因数比在清水中稍有增大，这是因为沙粒参与了摩擦作用。 　　2.3 运行时间对摩擦因数的影响
　　在载荷为300N、转动速度为2m/s的试验条件下，运行时间对酚醛树酯塑料合金轴承摩擦因数的影响如图3所示。从图3可知：摩擦因数随运行时间的增加而减小。这是由于刚启动时，酚醛树酯塑料合金轴承和轴之间将有一部分粗糙峰因接触压力的作用而导致两表面间直接接触，系统处于边界润滑状态，因而摩擦因数较大，随着运行时间的延长，粗糙峰逐渐消失，由于塑料合金中的棉纤维很容易被水润湿，在摩擦表面上形成了较完整的润滑水膜，酚醛树酯塑料合金轴承逐渐形成了水膜动压润滑，摩擦因数随之降低。 　　2.4 载荷对磨损率的影响
　　在转动速度2m/s、时间为30min的试验条件下，载荷对酚醛树酯塑料合金轴承磨损率的影响如图4所示。图4表明，在含沙量为0.03%的水润滑介质中的磨损量是比较小的，这是由于酚醛树酯塑料合金中的碳纤维是优良的减摩剂，一方面它露在对摩面上，承受了部分载荷，另一方面，它磨平了对摩面，减小了局部应力，使得磨损率变得很低。磨损率随负荷的增大而降低，这是因为载荷增大，水膜动压效应增强的缘故。由图4还可以看出：酚醛树酯塑料合金轴承在含沙量为0.03%的水中的磨损率远远小于在含沙量为0.15%的水中的量，这是因为当轴承受载时，由于酚醛树酯塑料合金的弹性和形变，润滑水中的沙粒被弹性地压入表面，Z后通过润滑水槽被水流冲洗出去，但这只限于含杂质浓度低的流体。因此，酚醛树酯塑料合金轴承在含沙量为0.03%水中的磨损量较小；但对含沙量为0.15%的这类杂质浓度较高的水润滑介质，酚醛树酯塑料合金的弹性和形变只能将小部分的沙粒排出外部，大部分的沙粒沉积在摩擦表面并发生了磨粒磨损，从而增大了轴承的磨损量。载荷越大，沙粒的磨损作用越强，结果导致磨损率随负荷的增大而增大。 　　2.5 转动速度对磨损率的影响
　　在载荷为300N、试验时间为30min的条件下，转动速度对酚醛树酯塑料合金轴承磨损率的影响如图5所示。在含沙量为0.03%的水润滑中，磨损率先随转动速度的增大而增大，这是因为速度小时，由于棉纤维的润湿作用，对摩面上形成一层完整的水膜，将摩擦副隔开，同时水降低了摩擦副的表面温度，也减小了摩擦和磨损，因此速度低时，磨损率较小。随着转动速度的逐渐增大，润滑水膜的完整性被破坏，不能覆盖整个轴面，导致两固相表面有些地方直接接触，轴承和轴处于湿磨粒磨损状态，结果磨损率随速度的增大而增大，如图5a所示；当速度达到一定值后，再增加转动速度，轴承和轴之间的部分表面形成了楔形间隙的动压润滑，防止了两固相表面的直接接触，磨损率随之降低；转动速度进一步增大，由于水的低粘特性，两固相表面之间的动压效应不能继续增强，磨损率趋于稳定值。在含沙量为0.15%的这类杂质浓度较高的水润滑介质中，磨损率随速度的增大而显著增大。这可从以下得到解释，在这种润滑介质中的磨损量主要是由沙粒的磨损作用产生的，速度较小时，对摩面上的水膜降低了磨损量，所以磨损率较小；随着速度的增大，沙粒的动能增加，从而使材料在其作用下的变形速率增加，这相当于增大了材料的弹性模量，即弹性变小，降低了酚醛树酯塑料合金材料吸收冲击能的能力，因而磨损率增大。此外，速度增大也会增加沙粒对材料表面的作用频率，这也会使材料的磨损率增大。因此磨损率随速度的增大而增大。但速度增大到一定值后，轴承和轴之间的部分表面形成的楔形间隙的动压润滑，在一定程度上缓解了沙粒的磨损作用，此时磨损率的增大趋势变小，如图5b中的6～8m/s。随着速度的继续增大，动压润滑作用不能继续增强，沙粒的磨损作用重新占主导地位，使得磨损率再次随速度的增大而增大。 　　2.6 运行时间对磨损率的影响
　　在转动速度为2m/s、载荷为300N的试验条件下，运行时间对酚醛树酯塑料合金轴承磨损率的影响如图6所示。在含沙量为0.15%和0.03%的两种水润滑介质中，磨损率都是随运行时间的增长而降低，这是由于刚启动时，轴承处于边界润滑状态，因而磨损率较高，随着运行时间的增长，由于棉纤维极易被水润湿，轴承和轴之间逐渐形成了水膜动压润滑，磨损率随之降低；同时，由于酚醛树酯塑料合金轴承的弹性变形产生部分弹流效应，从而使磨损率进一步降低。Z后，由于水的低粘特性，两固相表面之间的动压效应不能继续增强，弹流效应亦达到稳定值，因此磨损率不再降低，而是趋于稳定值。 　　3　结论
　　（1）酚醛树酯塑料合金轴承在含沙量为0.15%的水中的磨损率是含沙量为0.03%的水中的数倍甚至数十倍，而摩擦因数则基本上不随含沙量的变化而变化。
　　（2）酚醛树酯塑料合金轴承在含沙量为0.03%的水介质中磨损量较小，磨损率随载荷的增大而降低。
　　（3）酚醛树酯塑料合金轴承在含沙量为0.15%水介质中磨损率随转动速度的增大而增大。
　　（4）酚醛树酯塑料合金轴承在含沙量不同的水介质中，摩擦因数和磨损率都随运行时间的增长而降低；并且，摩擦因数还随转动速度的增大先增加，然后又减小，Z后趋于稳定值。
　　参考文献
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