極端工況下不同水潤滑軸承材料摩擦磨損性能對比研究*

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(1.武漢理工大學能源與動力工程學院 湖北武漢 430063；2.國家水運安全工程技術研究中心可靠性工程研究所 湖北武漢 430063；3.海洋工程機電設備國家工程實驗室極地與海洋環境技術分實驗室(武漢理工大學) 湖北武漢 430063)

鐵犁木是傳統的水潤滑尾軸承材料，因其質地堅硬、自潤滑性良好等優點得到了廣泛應用，但由于不耐沙、存在水漲性和過量開采等因素逐漸被淘汰[1]。20世紀80年代，金志鴻等[2]通過試驗表明MCS-2-1層壓膠木可以用作船舶水潤滑尾軸承。常恩貴和丁士華[3]研究了橡膠尾軸承，并指出橡膠材料作為水潤滑軸承具有較好的實際應用效果。王家序等[4]以UHMWPE作為水潤滑軸承材料進行了設計研究，為工業化生產提供理論依據。為了使水潤滑材料獲得更好性能，人們使用了改性技術。例如在PTFE中添加玻璃纖維、青銅粉、碳粉等[5]，在UHMWPE中加入聚酰亞胺等[6]，在PEEK加入玻璃纖維和PTFE等[7-8]。

船舶尾軸承在使用過程中要承受極其復雜的工況，如風浪影響、異物進入摩擦副，尤其是大風大浪天氣和低速重載工況，使得船體變形直接導致軸線發生偏移[9]。該工況可直接導致水潤滑膜的嚴重破壞，使得軸和軸承直接接觸發生干摩擦，從而強烈影響船舶航行的安全性和可靠性。

目前對于水潤滑軸承材料的研究，人們大多是對各種高分子基體材料和改性后的材料的性能進行對比，而關于水潤滑膜嚴重破壞工況下材料性能的研究較少。本文作者選取目前研究中常見的幾種水潤滑軸承基體材料，如UHMWPE、PTFE和PEEK，模擬干摩擦下水潤滑膜嚴重破壞的極端情況，采用銷盤試驗研究3種材料在不同壓力和轉速下的摩擦磨損性能，為水潤滑軸承材料的選型、優化設計等提供試驗依據。

1 試驗部分

1.1 試驗設備及材料

試驗是在CBZ-1船舶軸承摩擦磨損試驗機(武漢海馬科技開發有限公司生產)上進行，其原理如圖1所示。

圖1 CBZ-1船舶軸承摩擦磨損試驗機原理圖

該試驗機主要由主機旋轉系統、控制和采集系統和水介質溫控系統組成。主機旋轉系統主要由變頻電機、聯軸器和夾具組成，用于帶動銅盤旋轉，使接觸面發生相對滑動。控制和采集系統主要由計算機、傳感器和配套軟件組成，可進行壓力、扭矩調零等以提高試驗精確度，同時能調節主機轉速，并且能記錄扭矩、壓力、摩擦因數和轉速等參數。水介質溫控系統可以監控潤滑介質溫度。該試驗機轉速能在50～2 000 r/min范圍內調節，最大加載壓力為500 N。

試驗銅盤為錫青銅盤(ZCuSn10Zn2)，如圖2所示，其元素成分如表1所示，其外徑為60 mm，內孔為8 mm，厚度為10 mm。試驗銷子為 PEEK、PTFE和UHMWPE，其規格都為10 mm×20 mm，如圖3所示。

圖2 銅盤

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圖3 PEEK、PTFE和UHMWPE銷子(從左到右)

1.2 試驗設計

為了比較3種材料在干摩擦工況下的摩擦磨損性能，分別在15、30、45和60 N(對應比壓分別為：0.191、0.382、0.573、0.764 MPa)工況下，采用單對銷盤壓力固定、轉速改變方式進行試驗，轉速設定為100、200、400、600和800 r/min(對應滑動速度分別為：0.209、0.42、0.84、1.26和1.68 m/s)。試驗前對銷盤進行壓力調零和在不同轉速下進行扭矩調零，以確保試驗準確性。每種轉速下持續30 min后進入下一轉速，以確保因為轉速導致的原有摩擦副配合被破壞后有足夠時間在下一轉速下能達到穩定狀態。每組銷盤持續試驗時間為2.5 h。

試驗機每秒讀取一組數據。選取每30 min內的摩擦因數，除去轉速改變時和工況不穩定時的一些數據，將剩余數據取均值作為當前工況下達到穩定時的摩擦因數。采用精度為0.000 1 g的電子天平測量銷試樣試驗前后的質量，采用超景深三維顯微鏡(VHX-5000,KEYENCE)觀察磨損表面磨痕，采用激光共聚焦顯微鏡(Keyence vk-x200 series)觀測表面三維相貌，由牛津能譜儀(x-act,Oxford Instruments)測量銷試樣摩擦面元素分布。

2 試驗結果及分析

2.1 不同轉速下材料摩擦因數比較

圖4分別示出了不同轉速下PEEK、PTFE和UHMWPE 3種材料摩擦因數變化曲線。可以看出：UHMWPE材料的摩擦因數最小，總體在0.1～0.25之間波動；其次是PTFE材料，在0.15～0.25之間變化；PEEK材料的摩擦因數變化范圍稍大，為0.2～0.4。

從圖4(a)可以看出：隨著轉速提升，PEEK材料的摩擦因數明顯增加，其中轉速為100～200 r/min時增幅最高；隨著轉速繼續增加，摩擦因數上升幅度逐漸下降。從圖中還可以看出：30 N工況下材料摩擦因數最小，這是由于銷盤試驗容易發生偏磨，在30 N工況下銷盤發生偏磨，接觸面積減小，實際接觸的微凸峰數量減小，因而摩擦因數下降。

從圖4(b)可以看出：PTFE材料摩擦因數隨著轉速上升先增加后減少，但總體保持相對穩定，轉速對其摩擦因數變化影響相對較小。分析原因認為在干摩擦條件下，當滑動速度增加時，摩擦表面發熱量增加，PTFE材料表面發生塑性變形，使得摩擦因數變大；轉速繼續提升，摩擦副中的熱量積聚得不到良好的散失，導致材料生成熔融表面膜，使得摩擦因數下降[9]。

從圖4(c)可以看出：在30 N(從200 r/min開始)、45 N和60 N工況下，UHMWPE材料摩擦因數隨轉速增加而增加；在15 N工況下隨轉速增加摩擦因數先逐漸減小，從600 r/min開始上升。這可能是由于壓力小，微凸峰接觸少摩擦熱集中，隨著轉速增加這些微凸峰發生熔融形成表面膜使得摩擦因數下降；600 r/min之后由于摩擦副實際接觸面積增大，微凸峰接觸增多導致摩擦因數上升。

圖4 不同轉速下PEEK、PTFE和UHMWPE材料的摩擦因數曲線

2.2 不同壓力下材料摩擦因數比較

圖5分別示出了不同壓力下PEEK、PTFE和UHMWPE 3種材料的摩擦因數曲線。可以看出：PEEK材料摩擦因數在較低轉速下隨壓力增加先減小后增加，在高轉速時呈現先減后增再減的趨勢。PTFE材料的摩擦因數變化趨勢非常明顯，摩擦因數隨著壓力增加而減小且呈現線性相關性。UHMWPE材料在100 r/min低轉速時摩擦因數對壓力不敏感，除了800 r/min時摩擦因數幾乎隨著壓力增加而一直增加，其余轉速下先增加后減小再增加。

PEEK材料由于30 N時發生偏磨，直接導致了摩擦因數出現減小。根據李恩重等[10]的研究結果，PEEK在干摩擦情況下的摩擦因數隨著壓力增加而增加，這也印證偏磨的解釋。熱塑性材料隨著溫度升高會依次出現玻璃態、高彈態和黏流態3種力學狀態[11]，在60 N和較高轉速下摩擦因數出現下降是由于在高負荷產生的高溫下，摩擦面出現黏流層從而出現邊界潤滑狀態，摩擦因數下降。盡管黏流層易被破壞，但總體使得平均摩擦因數下降。

圖5 不同壓力下PEEK、PTFE和UHMWPE材料的摩擦因數曲線

PTFE材料隨著壓力增加，摩擦因數出現穩定的下降趨勢。PTFE是黏彈性材料，其在負載下體現出黏彈性，因此摩擦因數隨負荷變化滿足公式：μ=K×p(n-1)(其中K和n為常數，2/3

UHMWPE材料在低轉速時壓力變化對摩擦因數影響不大，轉速升高時，隨著壓力增大摩擦因數先增后減再增。在高轉速下隨壓力增高摩擦因數逐漸增高，這與UNAL和MIMAROGLU[12]試驗結果接近。

2.3 不同壓力下材料磨損量比較

磨損量為電子天平測量試驗前后試樣的質量差。如圖6所示，隨著壓力上升PTFE和PEEK磨損量逐漸增加，且具有一定線性相關性，而UHMWPE磨損量隨壓力增加變化不明顯，在30 N之后略有下降趨勢。由圖中還可看出：PTFE材料耐磨性非常差，磨損量比其他2種材料高出2個數量級，其余2種材料具有較好的抗磨性能。PEEK材料在15 N工況、UHMWPE材料在所有工況下均出現磨損量為負數的現象，初步推測是銅盤金屬轉移到銷試樣表面所致。使用牛津能譜儀測量磨損表面元素分布，如圖7(a)、(b)所示分別是UHMWPE和PEEK材料摩擦副表面元素分布。為使測量結果更直觀，人為設置了隱藏不相關元素。可以看出：摩擦副表面均有銅元素分布，且占有一定數量，驗證了金屬轉移致使磨損量為負數的推測。同時能譜圖也表明UHMWPE材料磨損量在30 N后出現下降的很大原因是銅盤金屬轉移量對實際磨損量影響更大，從另一方面也能看出UHMWPE材料耐磨性非常高。

圖6 不同壓力下PEEK、PTFE和UHMWPE的質量磨損 對比圖

圖7 UHMWPE、PEEK材料能譜圖

2.4 表面形貌分析

為進一步觀察材料表面發生的磨損情況，選用激光共聚焦顯微鏡觀察3種材料在不同壓力下試驗后的表面形貌,如表2所示。可以看出:PEEK材料表面粗糙度較小且局部區域相對光滑，只有深度較小的劃痕，說明PEEK本身具有良好的抗磨能力；PTFE材料表面具有很小的粗糙度，分布有相對不規則的且不明顯的劃痕，這是由于試驗過程中PTFE以片狀形式轉移到銅盤表面，使得銅盤沒有完全和PTFE直接接觸，而是有很大一部分是PTFE和PTFE對磨；UHMWPE材料表面有相對明顯的犁溝和微凸峰，粗糙度較大，這說明試驗前材料表面微凸峰和銅盤表面并未完全接觸，材料耐磨性很強。

表2 PEEK、PTFE和UHMWPE材料表面形貌

3 結論

(1)在干摩擦條件下，PEEK材料在低速時具有相對較好的潤滑性能，轉速變化對摩擦性能影響很大，在高負荷工況下轉速對摩擦因數影響相對較小；PTFE材料具有出色的自潤滑性能，并且對轉速變化敏感性小，在重載情況下具有更低的摩擦因數；UHMWPE材料相比而言具有最好的自潤滑性能，壓力對其摩擦因數影響大于轉速的影響。

(2)在干摩擦條件下，除PTFE材料磨損特別嚴重外，UHMWPE和PEEK材料抗磨性能良好，其中UHMWPE材料抗磨性能最好。在文中試驗工況下，UHMWPE材料磨損量隨壓力變化不明顯，PEEK和PTFE材料磨損量和壓力成正比。

(3)在極端工況下UHMWPE材料適應能力最強，在重載下亦能保持較低摩擦因數和磨損量；PEEK材料摩擦因數隨壓力和轉速變化較大；相較于PEEK材料，PTFE材料雖然摩擦因數很小，隨壓力增加摩擦因數反而減小并且運行穩定，但其磨損嚴重，因此在極端工況下并不適合。