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织物自润滑衬垫的研究现状与展望

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!兰 二三 轴承2010年11期 50—54 CN41—1148/TH Bearing 2010,No.1 1 织物自润滑衬垫的研究现状与展望 杨育林,谷大鹏,齐效文,邓伟 (燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004) 摘要:织物自润滑衬垫的性能是保证关节轴承具备重载、耐冲击、长寿命等特性的关键因素。结合国内、外文 献,介绍了织物自润滑衬垫的发展历程,指出了影响织物自润滑衬垫工作性能的因素,并对织物自润滑衬垫的 未来发展趋势进行了展望。 关键词:关节轴承;自润滑;衬垫;织物 中图分类号:TH133.31;TH145.9 文献标志码:A 文章编号:1000—3762(2010)11—0050—05 Research Status and Prospect of Fabric Self-lubricating Liner YANG Yu—lin,GU Da—peng,QI Xiao—wen,DENG Wei (College of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China) Abstract:The fabric self-lubricating liner is the key factor to the performance of self-lubricating spherical bearings with heavy load,impact resistance,and long life and SO on.Based ON the domestic and foreign literatures,the development of the fabric self-lubricating liner is introduced,the factors affecting the working performance of the fabric self-lubriea— ting liner are pointed out,and the future development trends of the fabric self-lubricating liner are prospected. Key words:spherical plain bearing;self-lubrication;liner;fabric 自润滑关节轴承由带有内球面的外圈、带有 外球面的内圈以及内、外球面之间的自润滑衬垫 1 发展历程 组成。自润滑衬垫复合材料大致又分为金属背衬 20世纪50年代中期,织物自润滑衬垫即因关 层状复合材料、聚合物及其填充复合材料和 FE 节轴承自润滑功能的需求应运而生。 。文献[2—3] 纤维织物复合材料(即织物自润滑衬垫)3类。织 发明了一种由具有低摩擦系数的纤维构成的织物 物自润滑衬垫由PTFE纤维与芳纶、碳纤维、玻璃 型自润滑材料,通过合适的编织方式,使大部分摩 纤维等通过不同的编织方式编织,并在酚醛树脂、 擦系数低的纤维位于衬垫的工作面,黏结性能好 环氧树脂、氰丙烯酸酯等树脂中浸渍,从而形成一 的纤维处于黏结面,并采用热固性树脂将织物黏 种致密的结构,黏结在关节轴承外圈内表面。织 物自润滑衬垫工作面以摩擦系数很低的FI'FE纤 结成一体,以提高其抗磨及承载能力。文献[4]也 维为主,背面则以强度高、易于黏结在轴承外圈的 提出了一种编织结构润滑材料。文献[5]发明了 一其他纤维为主。织物自润滑关节轴承具有结构简 种低摩擦系数的织物轴承,轴承摩擦工作面为 单紧凑,易于装拆,承载能力高,寿命长,转动灵 TFE纤维织物复合材料。文献[6]采用PTFE纤维 活,免维护等特点,并且具有很强的可设计性,可 织物或其他一些自润滑材料的纤维织物制成自润 以根据具体的工作条件采用合适的编织方式,选 滑衬垫,其能够适应更高的速度,且工作寿命更 用合适的编织材料和基体材料。因此,在军用和 长。SKF公司在其新推出的TX自润滑关节轴承 民用直升机及固定翼飞机等需要高承载能力、免 中所用的新型自润滑衬垫,通过改进织物结构和 维护、抗微动损伤等场合得到了广泛应用;而在战 基体材料使其在刚度、抗磨、减摩和抗潮湿性能以 车、公共交通、越野装备、海洋装备、赛车等领域也 及衬垫的工作寿命方面都有很大的提高。RBC公 得到越来越多地应用。 司新推出的UNIFLON@自润滑衬垫也有着优异的 性能,主要适用于低速、重载的工作条件,同时还 收稿日期:2010—05—19:修回日期:2010—06—21 适合与钢、铝、钛等组成摩擦面 。总体上,国外 杨育林等:织物自润滑衬垫的研究现状与展望 对于织物自润滑衬垫的研究技术已经比较成熟。 国内从20世纪80年代中期才着手这方面的研 究,虽然已经取得了一些成果,但是与国外相比还 有一定差距 。 2性能影响因素 2.1载荷、速度、温度等工况条件 织物自润滑衬垫在重载磨损过程中会在关节 轴承内、外圈接触面之间形成PTFE转移膜,减少 了接触面的剪切应力,从而明显降低轴承内、外圈 之间的摩擦系数。随着关节轴承转速的增加,轴 承的磨损量也在不断增加。同时,转移膜也会不 断地被挤向两边,PTFE自润滑层不断地减少,因 此在磨损过程中轴承摩擦系数也在缓慢增加,直 到PTFE自润滑层被消耗完毕,轴承失效为止。随 着载荷的增加,织物自润滑衬垫的摩擦系数逐渐 减小,磨损率则逐渐增加。而滑动速度越高,摩擦 系数和磨损率均越小,分析认为 :一方面,高速 下磨损表面被迅速抛光,从而起到降低摩擦系数 的效果;另一方面,相同时间内,磨损深度虽然随 着滑动速度的升高而增加,但是滑动距离同样增 加,因此滑动速度增加,磨损率反而降低。文献 [10]考察了PrrFE纤维织物在温度(120±5)℃和 (一45±5)oC下的摆动摩擦性能,指出温度对纤 维织物摩擦表面层物理状态产生影响,进而对织 物磨损表面和磨屑的形貌产生影响。120 oC时,摩 擦热使表面层发生软化并逐渐产生严重的塑性变 形和黏着磨损,在长时问摩擦过程中,织物表面纤 维与偶件轴的摩擦面积增大,同时形成的犁沟也 更宽更深,由于表面层软化所发生的犁削和磨损 比常温下严重。一45℃时,织物纤维及渗胶构成的 表面微凸体在与偶件轴摩擦时,发生黏着转移或犁 削剥离,形成磨屑,磨损较大。文献[11]研究了自 润滑衬垫在室温和高温下的摩擦磨损特性,发现高 温时磨损率大概比室温时的大2个数量级。 2.2增强纤维 织物自润滑衬垫由摩擦系数低的PTFE纤维与 增强纤维,即芳纶、碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维 编织而成。工作时,FFFE纤维起润滑作用,而增强 纤维则起承受载荷和提高黏结性能等作用 。一 般来说,芳纶纤维织物复合材料的耐磨性能优于碳 纤维织物复合材料,而碳纤维织物复合材料的减摩 性能优于芳纶纤维织物复合材料 。 2.3织物组织 通常按设计的织造密度,将组合纤维纺织成 平纹、斜纹或缎纹等不同组织的织物 。3种织 物组织各有特点,平纹组织因为经纬纱线每隔一 根纱线就交织一次,因而交织点最多,纱线屈曲次 数最多,织物坚牢、耐磨,但弹性较小;斜纹组织经 纬纱线交织次数比平纹少,使经纬纱线间的空隙 较小,纱线可紧密排列,从而织物密度较大,织物 较为厚实,弹性比平纹好,但由于纱线浮长较长, 因此,在纱线粗细、密度相同条件下,耐磨性、坚牢 度比平纹织物差;缎纹组织由于交织点相距较远, 单独组织点被两侧浮长线覆盖,正面看不出明显 交织点,因而织物表面平滑,质地柔软,悬垂性较 好,但耐磨性较差。织物自润滑衬垫作为纺织结 构复合材料,不同组织的织物衬垫表面FFFE含量 不同,且织物组织对自润滑衬垫的力学性能和摩 擦性能有着重要影响。研究表明:平纹组织织物 可以将PEI的抗磨损性能提高将近3倍,且摩擦 系数较低,高载时与纯PEI和其他两种组织的织 物增强PEI相比,摩擦系数减小了将近50%;而斜 纹组织织物增强PEI的抗磨能力很差。这些聚合 物的机械特性和磨损特性无必然联系,说明影响磨 损的因素是织物组织,与机械特性无关。文献[14] 认为不同组织的织物聚合物对磨屑的容纳能力不 同也是导致聚合物摩擦磨损特性不同的原因,平纹 组织容纳磨屑能力最好,有最好的抗磨性能,缎纹 组织容纳磨屑能力最差,故抗磨性能最差。 2.4黏合剂(树脂) 由于基体材料需具有抗热变形的性能,所以 通常选用热固性树脂 。可以作为黏合剂的树脂 有酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、硅树脂 等¨ 。关于树脂对织物衬垫性能的影响,一些研 究表明树脂作用不明显,另一些研究却有相反的 看法 。文献[15]考察了聚酰亚胺树脂、改性环 氧树脂、酚醛一缩醛树脂和环氧树脂4种黏合剂 对芳 ̄;/FFFE纤维织物承载能力和摩擦学性能的 影响,发现4种黏合剂和织物的黏合强度与织物 薄层复合材料的承载能力及摩擦磨损之间并无对 应关系。黏合强度高的聚酰亚胺黏合剂同织物组 成的薄层复合材料并未显示出良好的承载能力和 耐磨性,而酚醛树脂黏合剂同织物组成的薄层复 合材料具有最好的摩擦学性能。 2.5底材 织物自润滑衬垫采用合适的模具,经过加压、 固化等工艺,黏结在关节轴承外圈(底材)内表面, 底材的材质和性能将影响其导热性和承载能力 《轴承>>2olo.No.11 等。采用聚合物底材时,织物复合材料的承载能 力和耐磨性低于金属底材,除聚合物硬度低外,导 损率下降,摩擦系数在不同载荷和温度下减小;而 填充氰尿酸三聚氰胺则加速了摩擦磨损。文献 [28]研究表明,添加一定量的纳米SiO 可以显著 热性差也是影响其承载能力和耐磨性的原因,但 是聚合物外圈关节轴承与金属外圈关节轴承相比 具有接触时不易发生电化学腐蚀,质量轻,成本 低,易黏结等优点¨ 。 2.6织物表面处理 提高玻璃纤维/PTFE纤维混杂织物的抗磨性能和 承载能力,并且在较高的载荷下可以提高其减摩 性能。文献[29]对聚四氟蜡(PFW)填充Kevlar 纤维织物复合材料的摩擦磨损性能进行了研究, 由于大多数纤维织物表面具有化学惰性,导 发现当 (PFW):20%时,Kevlar纤维织物复合材 致纤维织物与底材的黏结性不好,应用受到, 因此许多研究者致力于通过表面处理技术,提高 织物的黏结性能,从而改善衬垫的摩擦学性能。 其中,等离子体处理、阳极氧化、浓酸处理、化学枝 节、涂层处理技术应用较多¨ 。等离子体处理 可以在纤维织物的表面产生大量活性基团,使表 面活性元素的含量明显增多,纤维织物的浸润性 增大,提高了其与黏合剂的结合强度和结合量,增 强了织物纤维束问的结合力;固化后与黏合剂构 成很好的整体材料,增强了纤维束抗变形和抗断 裂能力,使载荷和摩擦力可以平均分配在纤维上, 避免应力集中,从而提高纤维织物复合材料的摩 擦学性能和力学性能 17,20 。研究发现,碳纤维 织物采用HNO /H SO 混合酸氧化改性 , Nomex纤维织物进行水解/接枝处理¨引,芳纶织物 经丙酮、蒸馏水清洗及等离子体处理¨ ,碳纤维织 物/酚醛树脂表面沉积SiO,薄膜 ,碳纤维织物 聚合物进行强HNO 刻蚀、等离子轰击、阳极氧化 3种表面处理 ,均能明显提高纤维织物复合材 料的摩擦磨损性能。 2.7填充剂改性 最初,在聚合物中添加填充剂(填料)的目的 在于增量和降低成本,但是随着聚合物复合材料 的发展,人们认识到很多填充剂由于具有特殊的 物理化学性质,能改善聚合物的力学性能(如硬 度、刚度、抗压强度、抗拉强度、抗冲击强度等)、加 工性能和热性能等 。近年来随着纳米技术在摩 擦学中的应用日益广泛,且纳米微粒本身具有奇 异的表面效应及量子尺寸效应,纳米填料的物理 和化学特性不同于常规微米填料,因此在织物复 合材料中填充纳米粒子,如A1 O ,CaCO ,TiO 等 对织物复合材料进行改性,同样成为当前的一个 研究热点。填充剂在聚合物复合材料中的作用, 概括起来就是增量、增强和赋予新功能 。文献 [27]研究指出,采用加有质量分数W(Sb O,)= 10%的酚醛树脂胶液浸渍处理的混合织物,其磨 料的摩擦系数减小75%,磨损率降低82%,Kevlar 纤维织物复合材料的减摩抗磨性能最佳。文献 [30]将石墨粉体加入到碳纤维织物/酚醛树脂复 合材料中,明显提高了聚合物的抗磨性能。 2.8对偶面 多年来人们一直认为在地面运输悬挂系统以 及直升机飞行控制和旋转系统等低应力、高频率、 小振幅工作场合所使用的织物自润滑衬垫,其对 偶面应具有极高硬度和表面光洁度 ” 。对偶 面采用极高硬度的初衷是,防止较硬材料的碎屑 (如来自衬垫的树脂微粒以及来自对偶面的金属 微粒)划伤对偶面,因为一旦损坏了对偶面的光洁 度,那些不规则或粗糙区域就会进一步损伤衬垫, 产生更多的衬垫碎屑,导致轴承游隙增加,进而导 致轴承寿命降低 。因此,针对不同的内圈材料, 对内圈外球面要采用不同的特殊工艺处理,如表 面磷化、镀铬等,以提高其摩擦学性能l12,34]。文献 [6]在钛合金内圈的外球面形成一层氮化物渗透 层,通过加工使表面粗糙度低于18 nm。文献 [35]通过PVD方法在钛合金内圈外球面形成一 层TiN处理层。为了提高自润滑关节轴承的性 能,文献[36]提出内圈用陶瓷材料,使其与织物自 润滑衬垫形成的工作副有更优异的性能。SKF公 司已经为直升机生产厂家提供了内圈外球面镀有 极高硬度的陶瓷涂层的自润滑关节轴承,在外圈 内球面粘有PTFE/玻璃纤维编织的复合衬垫,这 种自润滑关节轴承承载力更大、寿命更长,主要应 用于直升飞机的主级和次级飞行控制系统 。 3性能评价指标 由于织物自润滑衬垫的性能受工况条件、制 备工艺等诸多因素的影响,且织物自润滑衬垫直 接影响着织物自润滑关节轴承的耐冲击、长寿命、 自润滑等特性,因此对织物自润滑衬垫综合性能 进行预测和评价显得尤为重要。文献[38—39]分 别对低速摆动条件下,织物自润滑衬垫性能提出 杨育林等:织物自润滑衬垫的研究现状与展望 了详细的评价指标。文献[38]对织物自润滑衬垫 的黏结和磨损性能要求如下:黏结强度应不小于 0.35 N/ram;环境温度为常温、163,一23 以及液 体浸泡后,轴承运转25 000周摆动试验时,衬垫磨 损量分别小于0.11,0.15,0.20和0.15 inn。目 前,对于织物自润滑衬垫性能指标的评价,通常通 过大量的台架试验,模拟关节轴承在实际应用中 的典型工况条件,考察织物自润滑衬垫的承载能 力及摩擦磨损性能,以便于对织物自润滑衬垫寿 命进行预测,对织物衬垫的设计和发展提供参考。 4研究展望 近年来,随着自润滑关节轴承越来越广泛的 应用,织物自润滑衬垫的摩擦磨损性能得到了更 多的关注。未来织物自润滑衬垫可从以下方面进 行研究: (1)进一步研究织物自润滑衬垫摩擦、磨损和 润滑机理,针对不同工况条件,优化织物衬垫的材 料、结构、制备及黏结工艺等,以提高织物自润滑衬 垫的承载能力、热传导性能、减摩抗磨性能,从而提 高织物自润滑关节轴承的可靠性,延长使用寿命。 (2)逐步制定并完善织物自润滑衬垫试验评 价标准及试验评价规范,研制并建立织物自润滑 衬垫专用试验平台,提高织物自润滑衬垫的评价 方法和手段。 (3)采用有限元等手段对织物自润滑衬垫建立 热力学和动力学模型,结合试验数据,进行仿真研究。 参考文献: [1] Friedrich K.Friction and Wear of Polymer Composites [M].Amsterdam:Elsevier Science Publishers B.V., 1986:363—396. 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