温湿度对多孔含油胶木保持架性能的影响

买楠楠，席博伦，李媛媛，董胤喆，孙小波

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.高性能轴承数字化设计国家国际科技合作基地，河南 洛阳 471039；3.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039)

多孔酚醛胶木管是以棉布为基材，酚醛树脂为粘合剂，热反应型发泡剂为成孔剂，通过热辗压及烧结工艺成为管状的复合材料[1]。将多孔酚醛胶木管按照尺寸要求加工成多孔胶木保持架，再经清洗、干燥、真空浸油和去除浮油后，即可得到多孔含油胶木保持架。多孔含油胶木保持架利用棉纤维的毛细管作用吸收并储存润滑油，具有良好的储油能力和摩擦性能[2]，在无额外供油的条件下，能够有效缓释润滑，实现航空、航天轴承的长寿命、高精度和高可靠性[3-4]。

干燥的多孔胶木保持架材料具有较强的吸湿性，吸湿后保持架材料发生膨胀，其直径增加0.2%～0.4%[5-6]，保持架浸油后，润滑油会与空气中的水分进行交换，依旧表现为吸湿性。复合材料的吸湿性[7-8]主要受温度、湿度、应力、介质等因素的影响，多孔含油胶木保持架材料的吸湿性还与酚醛树脂合成工艺及棉布支数有关。根据长寿命轴承的应用特点，保持架的含油率、尺寸、拉伸强度等参数都有设计范围，即使保持架材料和润滑介质均在存储期内，若保持架的性能参数及尺寸精度受温、湿度影响超出设计范围，也将对轴承的使用寿命产生不可预估的影响。

本文以新型多孔酚醛胶木管为研究对象[9]，研究温湿度对多孔含油胶木保持架关键指标的影响规律，为轴承设计人员和主机用户提供基础数据，保证航空、航天长寿命轴承的可靠性。

1 试验

1.1 样品制备

多孔酚醛胶木材料以酚醛树脂为粘合剂，亚硝基类为发泡体系，使用100 支纱细平布基棉布，采用热卷压及固化发泡成孔方法制备多孔酚醛层压布管材料。将管料按照尺寸要求粗车成保持架，经高低温稳定处理和保持架预浸油工序后，有效释放材料应力，尺寸提前变化到量，再经精车到位，得到多孔胶木保持架。将加工得到的成品多孔胶木保持架清洗后，于真空环境下浸入润滑油中，采用自制离心机在25 ℃，8 000 r/min 条件下对含油保持架进行甩油，得到多孔含油胶木保持架。

1.2 试验仪器及材料性能测试方法

采用Autopore Ⅳ 9500 型高压孔隙结构仪测试保持架的孔径和孔隙率；室温环境(25 ℃)下，采用CMT6503型微机控制电子万能试验机测试试样拉伸强度，测试件为与保持架内外径尺寸相同的试环，测试3 件，结果取平均值；采用VMS-4030G型轴承影像测量仪测量保持架的内外径；采用MS105DU 型精密天平测试保持架浸油前、后的质量，通过(1)式计算保持架的含油率；采用TSY-1109A 型运动黏度测定仪测试润滑油的运动黏度。含油率及尺寸每组取平均值，保持架浸用油为4123 精密轴承润滑油，性能见表1。试验保持架取2 种典型尺寸并分别记为保持架A 和B，其初始尺寸及性能见表2。

表1 4123润滑油性能

表2 试验保持架初始尺寸及性能

式中：η为含油率；G1为试样浸油后的质量；G0为试样未浸油时的质量。

1.3 试验方法

1.3.1 温度试验

将制备好的2 种多孔含油胶木保持架每10 件为一组置于烘干箱中，温度分别选择40，60，80，100 ℃，每个温度点试验240 h，取样周期为24 h，即每隔24 h 取出试验保持架，在干燥器中稳定至室温后测试保持架的含油率、内外径尺寸及拉伸强度。

1.3.2 湿度试验

将制备好的2 种(每种10 件)多孔含油胶木保持架置于温度40 ℃，湿度98%的温湿度箱内，试验总时间为28 d，测量试验前后保持架的质量改变率、内外径尺寸及拉伸强度。

2 结果与分析

2.1 温度试验

2.1.1 温度对保持架含油率的影响

不同温度下多孔含油胶木保持架的含油率如图1 所示：保持架A 初始含油率为11.58%，经过240 h试验后，含油率在40，60，80，100 ℃时分别降至11.25%，11.10%，10.99%，10.84%；保持架B初始含油率为14.12%，经过240 h 试验后，含油率在40，60，80，100 ℃时分别降至13.94%，13.85%，13.62%，13.51%。由表1 可知，润滑油运动黏度随温度升高而降低，润滑油黏度降低，其在棉纤维毛细管中流动性变大，保持架出现一定程度的出油现象，保持架含油率降低，因此试验初始时保持架含油率下降明显，随后趋缓，在第7—8天后基本不变，达到稳定状态。在相同温度条件下(如100 ℃)，与初始值相比，试验后保持架A 含油率下降了6.39%，保持架B 含油率下降了4.32%，这是由于保持架A 孔径是保持架B 的1.9 倍，保持架材料孔径越大，越易出油。

图1 不同温度下多孔含油胶木保持架的含油率

2.1.2 温度对保持架尺寸的影响

多孔含油胶木保持架尺寸变化量随温度的变化如图2所示：保持架A经240 h温度试验后，外径变化量不大于0.015 mm，内径变化量不大于0.003 mm；保持架B 经240 h 温度试验后，外径变化量不大于0.020 mm，内径变化量不大于0.010 mm。这是因为保持架B 外径大于保持架A，变化量也较大。高低温稳定处理和保持架预浸油工序后，精车到位的保持架经同一温度试验后尺寸比较稳定，不同温度下保持架尺寸变化量随温度升高略有增大趋势，但相比各自初始值，尺寸变化率不大于0.1%。

图2 多孔含油胶木保持架尺寸变化量随温度的变化

2.1.3 温度对保持架拉伸强度的影响

多孔含油胶木试环拉伸强度随温度的变化如图3所示：保持架A 和B 经240 h温度试验后，拉伸强度均在1%以内变化，基本稳定。这是因为多孔酚醛胶木管固化保温温度大于110 ℃，酚醛树脂凝胶固化和发泡剂的发泡达到同步，固化成孔，形成固定的孔径和孔隙率，多孔含油胶木保持架的拉伸强度与孔隙率有关，随着试验温度升高，保持架孔隙率不变，拉伸强度基本稳定。

图3 多孔含油胶木试环拉伸强度随温度的变化

2.2 湿度试验

2.2.1 湿度对保持架含油率的影响

保持架A 和B 在40 ℃，98%RH 环境条件下存在一定程度的出油现象，但保持架吸湿后，微孔中的润滑油被空气中的水取代，吸湿量大于出油量，保持架质量增加，质量改变率随吸湿时间的变化如图4所示：保持架A的质量随着在温湿度箱中时间增加而增加，在初始的8 天内质量改变率达到0.40%，随后缓慢增加，最终稳定在0.45%，而未浸油保持架A在初始的8天内质量呈线性增长，随后平缓增加，最终基本保持在0.6%；保持架B 的质量也随着在温湿度箱中时间增加而增加，在初始的6天内质量改变率快速达到0.15%，随后缓慢增加，最终稳定在0.17%，而未浸油保持架B 在初始的8 天内质量改变率呈线性增长，随后缓慢增加，最终保持在0.37%左右。

图4 保持架质量改变率随吸湿时间的变化

由于多孔酚醛胶木材料的吸湿特性，保持架即使完全浸油后依旧发生吸湿现象。初期保持架材料与环境之间因较大的浓度梯度而快速扩散吸湿，后期开始吸收结合水，吸湿速度减慢，最终达到饱和。未浸油保持架比浸油后保持架吸湿量大，质量改变率大，其中保持架A 未浸油的质量改变率是浸油的1.3倍，保持架B未浸油的质量改变率是浸油的2.2倍，这是由于未浸油保持架孔道丰富且富含亲水性官能团(如羟基)，具有较强的吸湿性，而浸油后保持架孔道充满润滑油，吸湿速率减慢。保持架A 的质量改变率是保持架B 的2.6 倍，这是由于保持架A的壁厚和孔径均大于保持架B，水分子更易受材料内外部的渗透压驱动，通过毛细管扩散作用向材料内部扩散。

2.2.2 湿度对保持架尺寸的影响

保持架尺寸变化量随湿度的变化如图5所示：未浸油保持架A 外、内径变化率分别为0.30%和0.18%，未浸油保持架B 外、内径变化率分别为0.20%和0.09%；浸油后，保持架A 外径比初始增大了0.035 mm，外径变化率为0.11%，保持架A内径比初始增大了0.015 mm，内径变化率为0.05%，保持架B 外径比初始增大了0.040 mm，外径变化率为0.06%，保持架B 内径比初始增大了0.025 mm，内径变化率为0.04%。这是因为水分子一部分通过扩散进入多孔胶木孔隙，主要集中在保持架表层的微孔中，另一部分与极性基团键合，形成范德华力，使分子链加宽，体积增大，保持架外形发生变化，导致尺寸变化。

图5 保持架尺寸变化量随湿度的变化

根据试验结果可以得出，多孔含油保持架吸湿后尺寸变化量与壁厚有关，保持架A 壁厚是保持架B 的1.6 倍，其内部湿度梯度较大，各个方向呈现复杂的变形，因此无论是否含油，保持架A 内外径的变化率均大于保持架B。参照表2 保持架尺寸参数，多孔含油保持架吸湿后尺寸变化量在设计要求范围内。

2.2.3 湿度对保持架拉伸强度的影响

28 天吸湿试验后，保持架A 和B 的拉伸强度均略有降低，保持架A 的拉伸强度从82.6 MPa 降至82.5 MPa，降低至初始的98.7%，保持架B 的拉伸强度从72.4 MPa 降至70.8 MPa，降低至初始的97.8%。多孔酚醛胶木材料由棉布纤维和酚醛树脂组成，内部分布微孔，固化过程中发泡剂的挥发存在随机性，气泡可能发生聚集或合并长大，形成材料孔径分布不均匀的现象；且固化后酚醛树脂的结构具有热稳定性，分子中多为交联密度高且结构致密的树脂，吸湿性能低于棉布纤维，使得酚醛树脂基体与棉布纤维的体积膨胀不匹配，从而导致复合材料中局部应力和应变区的形成，因此多孔含油保持架吸湿试验后的拉伸强度有所降低。

3 结论

以新型多孔酚醛胶木管为研究对象，分析温湿度对多孔含油胶木保持架各项关键指标的影响规律，得到主要结论如下：

1)多孔含油胶木保持架随温度升高出现一定程度的出油现象，试验初期含油率下降速率最大，随后缓慢下降并趋于平稳，含油率下降速率与初始含油率和孔径有关，材料孔径越大，出油量越大。随温度升高，多孔含油胶木保持架尺寸变化量略有增大趋势，尺寸变化率不大于0.1%，拉伸强度变化浮动在1%以内。

2)多孔胶木保持架浸油后孔道充满润滑油，吸湿速率慢于未浸油保持架。吸湿初期由于较大的浓度梯度，多孔含油胶木保持架质量改变率增大，后期速度减慢，最终趋于饱和，质量改变率与保持架壁厚和孔径有关；保持架吸湿后内外径均有所增大，尺寸变化率不大于0.2%；保持架吸湿后拉伸强度降低，降低率不大于3%；高湿度对多孔含油胶木保持架尺寸和拉伸强度的影响大于温度。