织物衬垫编织工艺对自润滑关节轴承摩擦学性能的影响

邱明， 周大威， 庞晓旭

(1.河南科技大学 机电工程学院， 河南 洛阳 471003； 2.机械装备先进制造河南省协同创新中心， 河南 洛阳 471003)

织物衬垫编织工艺对自润滑关节轴承摩擦学性能的影响

邱明1，2， 周大威1， 庞晓旭1

(1.河南科技大学 机电工程学院， 河南 洛阳 471003； 2.机械装备先进制造河南省协同创新中心， 河南 洛阳 471003)

为了了解织物衬垫在不同的编织工艺下自润滑关节轴承的摩擦磨损机理，采用不同的编织工艺制备了两种聚四氟乙烯(PTFE)/芳纶纤维自润滑编织衬垫，在一定工况下，对两种不同衬垫下的自润滑关节轴承的摩擦学特性进行了研究，并用扫描电子显微镜和能谱仪对衬垫磨损面和对偶面进行了微观分析。研究结果表明：在高频重载条件下，A工艺衬垫(先将两种纤维混并加工成纱线，再将其与芳纶纤维编织成织物)关节轴承的摩擦学性能较差，磨损机理主要是严重的疲劳磨损和粘着磨损；B工艺衬垫(PTFE纤维和芳纶纤维相互交织而成，摩擦面富含PTFE纤维，粘结面富含芳纶纤维)关节轴承则表现出良好的摩擦学性能，相对于A工艺衬垫关节轴承其耐磨性得到提高，磨损机理主要为轻微的粘着磨损和磨粒磨损，可见衬垫的编织工艺在很大程度上影响了关节轴承的摩擦学性能。

机械学； 关节轴承； 织物衬垫； 编织工艺； 摩擦磨损

Abstract: Two kinds of self-lubricating fabric liner made of polytetrafluoroethylene (PTFE)/Kevlar fiber were prepared by using different weave processes. The tribological properties of self-lubricating spherical plain bearing with two kinds of liners are studied under certain conditions， and the worn surface morpho-logies of the liners and the counterfaces are investigated under a scanning electron microscope (SEM) and an energy dispersive spectrometer (EDS). The results show that spherical plain bearings with the liner A (two kinds of fibers were mixed into the yarn firstly， and they were woven into fabric together with Kevlar fibers) present poor tribological properties under the condition of high frequency and heavy load. The serious fatigue wear and adhesive wear occurred on the worn surfaces of the liner A. However，the spherical plain bearings with the liner B(PTFE and Kevlar fibers were woven into fabric， and the friction surface was rich in PTFE fibers and the bonding surface was rich in Kevlar fibers)present better tribological properties compared with the liner A. And the wear resistance of the self-lubricating spherical plain bearings is significantly improved. Slight adhesive wear and abrasive wear occurred on the worn surfaces of the liner B. So the weave process for the liner has a great influence on the tribological properties of spherical plain bearings.

Key words: mechanics; spherical plain bearing; fabric liner; weave process; friction and wear

0 引言

织物自润滑衬垫是混合织物复合材料的一种类型，织物衬垫具有低摩擦系数、高耐磨性和高承载能力的特点，在干摩擦润滑中扮演了很重要的角色，尤其在航空航天领域的自润滑关节轴承中得到了应用[1-3]。织物衬垫发明于1950年，自发明之日起便引起了很多关注。随着该技术的发展，织物复合材料已成为高分子基复合材料研究关注的焦点，并已被作为一种摩擦材料来使用[4-6]。织物衬垫是根据特定的工作条件以不同的编织方式编织成形，然后用粘结胶粘结在关节轴承外圈的内表面所形成的摩擦学衬垫。

目前关于织物材料的研究大多数通过改进制备工艺[7]、填料改性粘结剂[8]、改变纤维织物的成分含量与纹理[9-10]、表面改性处理[11]等措施来改善织物材料的摩擦学性能。为充分利用不同纤维织物制备工艺对自润滑关节轴承摩擦学特性的改善效果，文献[12]利用浸渍法制备了含有不同比例基体树脂的聚四氟乙烯(PTFE)纤维/芳纶(Kevlar)纤维织物衬垫，分析了衬垫中树脂基体含量对衬垫摩擦磨损性能的影响机理，研究表明，在一个较优的基体树脂含量范围内，衬垫的摩擦学性能较为优异。文献[13]采用两种纤维混编织物增强，制备了碳纤维/PTFE混编织物衬垫，研究了其在干摩擦状态下的摩擦学特性，通过分析发现，与碳织物相比，混编织物大大改善了复合材料的摩擦学性能，改善效果在很大程度上依赖于载荷、摩擦温度和速度参数。纤维混编织物的编织工艺有很多种，但是目前关于混编的编织工艺对织物衬垫自润滑关节轴承摩擦学性能影响的研究却很少；此外，织物材料的摩擦学性能评价多为环- 环端面[13]或销- 盘[14-15]的摩擦方式，与实际工程应用中许多摩擦副的工作方式存在较大差异。

因此，为了了解织物衬垫在不同的编织工艺下自润滑关节轴承的摩擦磨损机理，本文制备了两种编织工艺下的织物衬垫，将织物用粘结剂粘结在关节轴承外圈的内表面，利用自制的关节轴承摩擦磨损试验机，对不同编织工艺下的衬垫摩擦磨损机制进行了分析，以改善关节轴承的减磨耐磨性能、延长其寿命。

1 材料及试样制备

试验使用的自润滑关节轴承型号为GE30UK-2RS(见图1)，其基本尺寸为内圈内径d=30 mm，球径ds=40.7 mm，内圈宽度B=22 mm，外圈外径D=47 mm，外圈宽度C=18 mm，内圈外球面进行镀铬处理。试验用两种关节轴承的衬垫编织工艺不同(见图2)：A工艺衬垫先将PTFE纤维与芳纶纤维相互均匀混合加工成纱线，再将所述纱线作为经纱、芳纶纤维作为纬纱交互编织形成织物(见图2(a))；B工艺衬垫采用PTFE/芳纶纤维交互编织而成，摩擦面富含PTFE纤维，粘结面富含芳纶纤维(见图2(b)、图2(c))。此外， A和B工艺衬垫均进行浸胶处理，控制含胶量并固化成预浸渍织物；之后二者都用粘结剂粘结在外圈内表面，再将内圈装入，从而制得关节轴承试样。

图1 自润滑关节轴承结构图Fig.1 Structure chart of a self-lubricating spherical plain bearing

图2 两种不同的织物衬垫编织工艺(放大倍数35)Fig.2 Two kinds of weave processes for fabric liner(35×)

2 性能测试及测试方法

根据美国航空标准SAE-AS81819和SAE-AS81820以及关节轴承的实际工况，制定关节轴承的摩擦磨损试验方案。自润滑关节轴承的摩擦磨损性能评价在自制的关节轴承摩擦磨损试验机上(见图3)进行。磨损量由位移传感器实时监测得到，如图4所示；摩擦温升由插入内圈端面孔(见图1)的热电偶测量得到。

图3 试验装置结构图Fig.3 Schematic diagram of experimental apparatus

图4 位移测量示意图Fig.4 Schematic diagram of displacement measurement

试验方案如下：1)试验在常温下进行，旋转摆动角度为±6°；2)关节轴承所承受的径向载荷为35 kN(名义接触压力p=59.72 MPa)，摆动频率为2.5 Hz，名义接触压力和关节轴承球面滑动速度的乘积pv=1 091 MPa·mm/s[16]；3)每次试验轴承旋转摆动次数为2.5×104次(167 min)；4)粘结有A和B工艺衬垫的关节轴承数量分别为4个。

试验过程如下：1)一次装夹两个轴承(只使用试验机的1根传动轴)，将这两类轴承试样(各1个)同时装入试验机静压15 min，以消除衬垫的变形，保证磨损量测量结果的准确性，在轴承摆动过程中在线实时记录关节轴承的磨损量和摩擦温升，当轴承摆动25 000次后结束试验；2)另取这两类轴承(各1个)，将其装夹位置进行对调，继续按照上述步骤进行试验；3)再取这两类轴承各2个，按照步骤1和2依次进行试验。将4组试验中这两类轴承试验位置对调前后的磨损量和摩擦温升取平均值，作为最后的试验结果。这种试验方案能够确保很高的数据准确性。最后通过JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)对喷金处理后的编织衬垫磨损面和对偶面进行微观分析。

3 结果与讨论

3.1 两种织物衬垫的摩擦磨损特性

图5 A和B工艺衬垫关节轴承随摆动时间变化的摩擦学性能曲线Fig.5 Tribological behaviors of bearings with liners A and B as a function of swing time

图5为分别粘结有A和B工艺衬垫的两类关节轴承在径向载荷35 kN和摆动频率2.5 Hz条件下，摩擦学性能随摆动时间的变化曲线。

由图5(a)可以看出，随着摆动时间的延长，两种轴承的磨损量均迅速增大。A工艺衬垫关节轴承的磨损量经过5 min后开始缓慢上升，一直到试验结束，最后磨损量为319 μm. B工艺衬垫关节轴承的磨损量经过5 min后也开始缓慢上升，但经过100 min后进入稳定状态，此时磨损量为190 μm，与A工艺衬垫关节轴承相比，耐磨性提高了40.4%. 表明B工艺衬垫关节轴承的耐磨性优于A工艺衬垫关节轴承。由图5(b)可知：摩擦过程初期，两种轴承的摩擦温升均迅速升高，为初期磨合阶段；A工艺衬垫关节轴承的摩擦温升经过25 min后开始进入稳定的摩擦磨损阶段，此时摩擦温升为43 ℃；B工艺衬垫关节轴承的摩擦温升经过15 min后达到平衡，此时摩擦温升为27 ℃，与A工艺衬垫关节轴承相比，约降低了37.2%. 综上所述，明显可以看出B工艺衬垫关节轴承的摩擦学性能优于A工艺衬垫关节轴承。

3.2 衬垫及对偶面SEM分析

图6分别为A和B工艺衬垫及其对偶面磨损前后的SEM照片。图6中，左侧均为磨损前的低倍图(放大倍数35和放大倍数200)，中间为磨损后的图片，右侧为中间图片白色方框区域内的高倍图(放大倍数100和放大倍数1 000)。

图6 A、B工艺衬垫及其对偶面磨损前和磨损后的SEM照片Fig.6 SEM micrographs of liners A and B and their counterfaces before and after wear

图6(a)～图6(c)为A工艺衬垫磨损表面的SEM照片。由图6(a)和图6(b)磨损前和磨损后的图片对比可以看出，混编A工艺衬垫遭到严重破坏，纤维呈现不同程度的疲劳断裂，衬垫材料表面发生了严重的塑性变形。从图6(c)中可以看出，纤维出现了大量磨断、撕裂现象，这是因为在pv=1 091 MPa·mm/s这一比较苛刻的条件下，两种纤维混编而成的衬垫中，PTFE纤维被包裹在经纱中，由于PTFE为非极性的分子链，其大分子间的相互吸引力很小，在摩擦磨损过程中，受接触压力和摩擦剪切力的影响，使PTFE纤维的蠕变较大，发生了“冷流”现象，铺展填充在织物表面，从而形成PTFE转移膜，此时摩擦形式为转移膜与对偶面之间的摩擦；但由于PTFE纤维过少，并不能形成完整的转移膜，随着摆动时间的增加，少量的PTFE转移膜不能承受其所受的循环应力而遭到破坏，磨损量大大增加(见图5(a))。而且部分纤维被撕裂、磨断甚至脱落，大量的脱落物转变成磨屑，脱落形成的磨屑由于纤维织物浸胶易结成块状，不宜分散均匀且抗剪性能较差，其中一部分粘结在对偶面上，在对偶面上形成大片的块状磨屑(见图6(e))，磨屑积聚在对偶面上，使摩擦磨损过程中产生的摩擦热不能有效传出，积聚在衬层和对偶面上的热量使其整体温度升高(见图5(b))，加重了衬垫的摩擦磨损。此外，由图6(f)可知，A工艺衬垫的对偶面出现了大量的热裂纹和剥落坑，这是因为摩擦磨损表面呈现出的疲劳磨损特征，使对偶面出现疲劳裂纹，随着摆动时间的延长，疲劳裂纹不断增长，在接触压力和摩擦剪切力的影响下，当滑动温度很高时会发生高温黏结现象，导致对偶面的块状磨屑受到循环应力而被剪切剥落，从而产生剥落坑。

图6(g)～图6(i)为B工艺衬垫磨损表面的SEM照片，从图6(g)和图6(h)磨损前和磨损后的图片对比可以看见，B工艺衬垫在磨损后比较光滑平整，在摩擦表面形成了较致密且完整的转移膜覆盖，该衬垫几乎没有遭到破坏。从图6(i)中可知，衬垫表面未出现A工艺衬垫纤维的磨断和撕裂现象，表明随着摆动时间的延长，PTFE纤维在接触压力和摩擦剪切力的影响下发生了“冷流”现象，在织物表面的间隙进行了铺展填充，从而在衬垫表面形成了完整且致密的PTFE转移膜。转移膜减小了对偶面与衬垫硬纤维峰的接触面积，摩擦形式转变成转移膜与对偶面之间的摩擦，大大改善了衬垫的摩擦学性能，使B工艺衬垫只发生了轻微磨损，从而解释了图5中B工艺衬垫关节轴承的摩擦学性能优于A工艺衬垫关节轴承的原因。B工艺衬垫的对偶面比较平滑(见图6(k))，并未出现大量磨屑积聚的现象，只有轻微的磨痕和细小的点状坑(见图6(l))，这是因为在摩擦磨损初期衬垫表面粘附了从对偶面上转移过来了少量Fe、Cr颗粒，这些颗粒在径向载荷、摩擦热和剪切力的作用下进入编织衬垫纤维间的缝隙中，导致轴承表面发生磨粒磨损并在对偶面形成磨痕，这标志着存在粘着磨损和磨粒磨损的机理。

3.3 A和B工艺衬垫磨损面EDS分析

为了进一步分析关节轴承的摩擦磨损机理，对两种轴承的衬垫进行了EDS分析，以获得两种衬垫的能谱特征图。

图7 两种衬垫磨损后的EDS图Fig.7 EDS micrographs of two kinds of liners

图7(b)所示为A工艺衬垫的衬垫磨损表面EDS照片，结果表明，A衬垫摩擦面出现大量的Fe、Cr元素，这是因为随着摆动时间的延长，摩擦磨损表面呈现出疲劳磨损特征，在接触压力和摩擦剪切力的影响下，导致对偶面的块状磨屑受到循环应力而被剪切剥落，从而产生剥落坑(见图6(f))，而Fe、Cr颗粒由于粘结作用粘附在衬垫表面，使得衬垫表面Fe、Cr元素的含量较高，表明轴承发生了严重的粘着磨损和疲劳磨损。图7(d)所示为B工艺衬垫关节轴承磨损表面的EDS照片，结果表明，B工艺衬垫摩擦面也出现了Fe、Cr元素，但是与A工艺衬垫相比含量都比较低。由图8可以看出：Fe和Cr元素的含量分别降低了79.78%和75.96%，说明B工艺衬垫关节轴承仅发生了轻微的粘着磨损；而F元素的含量却提高了393.4%，表明纤维磨损后在这些区域形成了大量的PTFE转移膜，因此获得了良好的摩擦学性能。Fe和Cr元素的含量反映了摩擦副之间发生粘着磨损的程度，而F元素的含量更是评价衬垫润滑性能好坏的指标。综上所述，B工艺衬垫关节轴承的摩擦学性能要优于A工艺衬垫关节轴承。

图8 两种衬垫表面元素变化Fig.8 Variation of elements of two kinds of liner surface

4 结论

1) 与A工艺衬垫关节轴承对比分析发现，B工艺衬垫关节轴承的耐磨性提高了40.4%，摩擦温升约降低了37.2%，表现出较优的摩擦学性能。

2) A工艺衬垫在摩擦磨损过程中，由于经纱中的PTFE纤维较少，并不能形成完整的润滑层；且随着摆动时间的增加，润滑层发生断裂，从而加重了衬垫的摩擦磨损。

3) B工艺衬垫的摩擦面富含PTFE纤维，大量PTFE纤维在接触压力和摩擦剪切力的影响下发生蠕变，出现“冷流”现象，且铺展填充在织物表面，从而在衬垫表面形成了完整且致密的PTFE转移膜，摩擦形式转变成转移膜与对偶面之间的摩擦，大大改善了衬垫的摩擦学性能。

4) 当pv=1 091 MPa·mm/s时，A和B工艺衬垫关节轴承的磨损机理不同：A工艺衬垫关节轴承的磨损机理主要是严重的疲劳磨损和粘着磨损；B工艺衬垫关节轴承的磨损机理主要是轻微的粘着磨损和磨粒磨损。

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EffectofWeaveProcessofFabricLineronTribologicalPropertiesofSelf-lubricatingSphericalPlainBearing

QIU Ming1，2， ZHOU Da-wei1， PANG Xiao-xu1

(1.School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan，China;2.Collaborative Innovation Center of Machinery Equipment Advanced Manufacturing of Henan Province, Luoyang 471003, Henan，China)

TH117.1

A

1000-1093(2017)09-1867-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.09.026

2017-01-03

国家自然科学基金项目(51275155)

邱明(1969—)，女，教授，博士生导师。E-mail: qiuming69@126.com