自潤滑襯墊擺動磨損試驗與滑動磨損試驗對比分析

朱淋淋 韓浩盛 汪偉 王鵬

摘 要：在相同的試驗條件下，分別以擺動磨損與滑動磨損兩種試驗形式進行自潤滑襯墊摩擦磨損試驗，并觀察襯墊的磨損形貌。試驗結果表明：兩種試驗形式下，自潤滑襯墊表現出的摩擦磨損規律一致;自潤滑襯墊在擺動磨損試驗中的磨損形式為剝層磨損及輕微的磨粒磨損、黏著磨損，在滑動磨損試驗中的磨損形式主要為嚴重的黏著磨損及磨粒磨損。

關鍵詞：自潤滑襯墊;擺動磨損試驗;滑動磨損試驗;摩擦磨損;磨損形貌

0 ?引 言

自潤滑襯墊（以下簡稱襯墊）為聚四氟乙烯纖維（PTFE）和芳綸纖維編織而成的織物復合材料，摩擦面以PTFE纖維為主，粘結面以芳綸纖維為主[1-2]。國內針對襯墊的研究工作主要圍繞織物表面改性、摩擦副匹配、纖維編織方式、摩擦磨損性能試驗方法等方面[3-5]。其中，襯墊摩擦磨損性能試驗方法主要有軸承擺動磨損試驗、軸-瓦滑動摩擦磨損試驗及球盤滑動磨損試驗[6-8]。

本文同時采用軸承擺動磨損和球盤滑動磨損兩種試驗形式，在相同的試驗條件下對同批次襯墊進行磨損試驗，并對摩擦系數及磨損形貌進行對比，以分析在兩種不同的試驗形式下，襯墊摩擦性能、磨損形式的異同。

1 ?試 驗

1.1試樣制備

擺動磨損試驗選用GE15DE1TK/HVS0型自潤滑關節軸承，軸承外圈材料為17-4PH，軸承內圈材料為9Cr18，襯墊粘接至外圈內表面，成品試樣如圖1（a）所示。

滑動磨損試驗的試樣是將與軸承試樣同批次的襯墊裁剪成Φ40mm的圓形，粘貼至由17-4PH制成的金屬圓盤上，圓盤尺寸為Φ60mm×5mm，對磨副采用與軸承內圈材料相同的鋼球?；瑒幽p試樣制備原理及成品試樣如圖1（b）所示。

1.2試驗及檢測設備

擺動磨損試驗選用電液伺服關節軸承擺動磨損試驗機PLS-100，試驗機負載范圍±100KN，扭矩測量范圍為±200N﹒m，測試精度為示值的±1%?；瑒幽p試驗選用MicroTest-4003標準球盤摩擦磨損試驗機，負載范圍60N，位移范圍為60mm，測試精度為示值的±0.1%。磨損形貌檢測使用掃描電鏡。

1.3試驗方案

按照規范SAE AS 81820D對關節軸承常溫擺動磨損試驗方法的要求安裝擺動磨損試樣并進行試驗。按照規范ASMT G133-2016對球盤滑動磨損試驗方法的要求進行滑動試樣安裝及試驗。

兩種試驗參數如表1所示，兩種試驗的平均接觸載荷及平均線速度均相同，即實現了PV值一致的試驗條件。

擺動磨損試驗及滑動磨損試驗首先進行全壽命試驗，當襯墊磨損量超過0.3mm時，認為襯墊已經實現全壽命磨損，得到襯墊摩擦系數全壽命曲線。分別以全壽命曲線為依據，分別補充階段磨損試驗，以細化觀察襯墊在磨損過程中的狀態。

試驗結束之后，采集試樣摩擦系數數據，在常溫環境下用電吹風將磨屑吹干凈，并對襯墊進行磨損形貌檢測。

2 結果與討論

2.1摩擦磨損性能分析

在表1試驗條件下對軸承試樣進行全壽命擺動磨損試驗，并對摩擦系數數據曲線進行處理，分析該試驗形式下襯墊經歷的磨損階段。兩次擺動磨損試驗襯墊全壽命摩擦系數曲線如圖2所示。

由上圖可見，擺動磨損試驗過程中，襯墊的全壽命約400小時，所經歷的磨損階段可劃分為磨合磨損、穩定磨損和快速磨損三個階段。磨合磨損階段，較硬、較粗糙的樹脂層首先參與摩擦，因此初始摩擦系數較大，隨著摩擦過程的推進，樹脂層逐漸減薄，有良好潤滑性能的PTFE纖維逐漸參與摩擦，摩擦系數呈降低趨勢，但此時的磨屑比較粗大，堆積在摩擦接觸區域，增加了摩擦阻力，因此摩擦系數曲線在磨合磨損階段會呈現先降低后升高的趨勢。穩定磨損階段，磨損產生的纖維及樹脂磨屑被充分研磨成粉末狀，填充到襯墊縫隙中形成片層狀的填充物，改善了摩擦副的接觸狀態，此時的襯墊摩擦系數平穩，磨損量穩步增加?？焖倌p階段，隨著襯墊材料的不均勻磨損，摩擦面接觸應力增大，摩擦系數快速升高，磨損量急劇增加。

在表1試驗條件下對四件滑動磨損試樣進行全壽命磨損試驗，襯墊全壽命摩擦系數曲線如圖3所示。

由上圖可見，滑動磨損試驗過程中，襯墊全壽命約230小時，同樣可劃分為磨合磨損、穩定磨損和快速磨損三個階段，且三階段的摩擦系數整體趨勢與擺動磨損試驗一致。磨合磨損階段，球面接觸應力較高，磨損速度快。穩定磨損階段，襯墊樹脂及纖維磨損后形成磨屑并填充至纖維縫隙中，可以起到潤滑減磨的作用?？焖倌p階段，纖維被完全磨掉或切斷，最終導致襯墊材料被磨穿，摩擦副變為鋼-鋼接觸，摩擦系數快速上升，磨損量快速上升。

由表2對比結果可以看出，滑動磨損試驗中，襯墊的磨合磨損時間僅占全壽命時間的4%，說明該種試驗條件下，襯墊能夠快速的進入穩定磨損階段，且穩定階段平均摩擦系數與擺動磨損試驗穩定磨損階段平均摩擦系數相近。

2.2 磨損形貌分析

以襯墊的全壽命曲線為依據，在每個摩擦系數發生較大變化的區域抽取變化點進行補充試驗。擺動磨損試驗，在磨合磨損階段增加了1次補充試驗，為35小時;在穩定磨損階段增加了1次補充試驗，為138.5小時。滑動磨損試驗在磨合磨損階段增加了1次補充試驗，為2小時，在穩定磨損階段增加了1次補充試驗，為70小時。

圖4給出了擺動磨損及滑動磨損形式下，襯墊不同階段的磨損形貌。

圖4（a～c）為軸承擺動磨損試驗不同階段襯墊磨損形貌，隨著磨損過程的進行，PTFE纖維及剝落的樹脂層逐漸被磨成粉末并填充至纖維縫隙及內圈球面，磨屑被內圈壓成片層狀，起到改善接觸狀態和潤滑減磨的作用。

圖4（d～f）為球盤滑動磨損試驗襯墊不同階段磨損形貌，襯墊的主要磨損方式為樹脂層磨粒磨損及纖維橫向剪斷，被磨掉的纖維結構比較粗大，成絲狀，隨著磨損時間的延長，一部分樹脂、纖維轉變為磨屑，粘附在球頭外表面上，起到降低摩擦系數的作用。

3 ?結 論

通過對以上試驗結果進行對比可知，在擺動磨損與滑動磨損兩種試驗形式下，襯墊的摩擦磨損性能存在一些異同點：

1、摩擦系數變化趨勢相同：摩擦系數均呈現先減小后增大，然后逐漸趨于穩定，進入快速磨損階段摩擦系數迅速增大的狀態，且穩定磨損階段，襯墊摩擦系數相差不大。

2、襯墊的磨損對摩擦副的作用相同：兩種試驗形式下，襯墊的磨屑被研磨成粉末狀并及時填充至摩擦接觸區域，降低了接觸副摩擦系數。

3、襯墊的磨損形式不同：軸承擺動磨損試驗中襯墊的主要的磨損形式主要為樹脂層的剝層磨損及輕微的磨粒磨損、黏著磨損，在球盤滑動磨損試驗中襯墊的主要的磨損形式主要為嚴重的黏著磨損及磨粒磨損。

4、球盤滑動磨損試驗能夠快速有效的驗證襯墊在穩定磨損階段摩擦系數。

參考文獻：

[1]邱明，周占生，周大威.聚四氟乙烯/聚苯硫醚織物自潤滑關節軸承的摩擦學性能[J].摩擦學學報.2018，30（1）：547-553

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