自潤滑復合材料研究進展及船閘工程中的應用

孟德 戴振華 蔡建國 張慧中

摘要：船閘閘、閥門運轉摩擦部件在頻繁高負荷運轉過程中，易發生磨損現象，影響船閘安全高效運行。本文介紹了自潤滑復合材料的研究進展，并從固體潤滑劑工作機理角度出發，闡述了金屬基自潤滑復合材料摩擦磨損性能的主要影響因素，根據船閘工程的應用情況及問題分析，提出了進一步的研究方向。

關鍵詞：自潤滑復合材料;運轉摩擦副;摩擦磨損;銅基鑲嵌自潤滑軸承

中圖分類號：U641.4文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0051-03

船閘工程是集水工建筑物、金屬結構、啟閉機械、電氣系統、房屋建筑和景觀綠化等多專業的通航樞紐工程。其中，船閘閘、閥門及啟閉機械是控制閘室水位升降和保證船舶（隊）安全順利過閘的重要設備，在船閘系統中發揮著關鍵作用。根據江蘇省現役船閘歷年檢修情況來看，船閘閘、閥中的運動摩擦部件由于運轉頻繁、荷載復雜、工作環境較差等原因，易發生磨損。而研究表明，對運動摩擦副進行可靠的潤滑，可提高運轉件的耐磨性能，延長其使用壽命[1]。另一方面，隨著近年來材料領域的發展，自潤滑材料已在國內外大型船閘頂、底樞中廣泛應用，取得了較好的使用效果。

本文將重點介紹國內外在自潤滑復合材料領域的研究進展和固體潤滑劑的工作原理，同時對船閘工程中自潤滑軸承的應用情況及存在的問題進行闡述，為進一步的研究及推廣應用提供借鑒與參考。

1自潤滑復合材料的研究進展

自潤滑材料是指那些本身具有良好的減摩和耐磨性能的固體材料，可用來在兩個相對運動表面間減少摩擦與磨損，主要包括金屬（基）自潤滑材料、非金屬（基）自潤滑材料、高分子（基）自潤滑材料等三大類[2]。

工業自潤滑材料起源于近代的20世紀40年代，當時出現了使用磷酸粘結的石墨膜作為自潤滑材料。在50年代，由于工業發展的需要，尤其是空間工業的發展，出現了使用噴涂、刷涂或浸涂的成膜方法，例如化學氣相沉積、真空氣相沉積、等離子噴涂等工藝，將二硫化鉬、石墨、氧化銻、聚酰亞胺樹脂等以有機膜的形式復合在工件表面形成自潤滑層。其中，金屬基自潤滑復合材料是材料科學研究領域的一個重要發展方向，其以在特殊使用條件下具有的摩擦學特性而受到人們的廣泛關注。

金屬基自潤滑復合材料是固體潤滑劑作為組元被加入到金屬基體中形成的復合材料，兼有金屬基體的特性和固體潤滑劑優良的摩擦學特性[3]。金屬基自潤滑復合材料的摩擦磨損性能一般具有這樣的規律，隨著固體潤滑劑顆粒含量的增大復合材料的摩擦系數都呈下降趨勢，到一定含量后，達到穩定值，不再變化[4]。而復合材料的磨損率隨固體潤滑劑顆粒含量的增大，先減小后增大。一般認為，這是由于金屬基自潤滑復合材料在磨損過程中，形成了一層穩定的潤滑膜，因此復合材料/ 偶件之間的摩擦變成了固體潤滑劑薄膜之間的磨損，因此摩擦系數下降[5];而磨損率的這種變化規律是由于固體潤滑劑顆粒相強度較低，它的加入導致了復合材料整體強度與硬度的下降[6]。一般情況下，固體潤滑劑顆粒越大，以其復合的材料的磨損速率越低[7-8]。因此，就固體潤滑劑體積分數比較高的金屬基自潤滑復合材料而言，其磨損速率通常比較低且穩定[9]。而當固體潤滑劑的體積分數給定后，復合材料的磨損率則是隨著接觸壓力的增大而上升，隨著滑動速度的增大而降低。

國內外近年來對于自潤滑復合材料的研究主要圍繞機理特性、潤滑劑材料、合成方式等方面開展，取得了豐富的研究成果，本文不再一一贅述。研究結果表明，金屬基自潤滑復合材料的摩擦學特性取決于摩擦過程中其所含固體潤滑劑的析出和彌散分布，固體潤滑劑的含量、粒度和能否在對摩表面中間發生轉移形成連續而厚度適當的潤滑膜[10]。

2固體潤滑劑的工作原理

金屬基自潤滑復合材料的摩擦磨損性能取決于以下幾個方面：①基體合金的組織成分;②固體潤滑劑的性質、顆粒尺寸、形狀及其在復合材料中的體積分數;③固體潤滑劑在復合材料中的分布狀態和界面的性質和特征;④合成方式在一定條件下也影響金屬基自潤滑復合材料的摩擦磨損性能;⑤摩擦形成的潤滑膜的性質，厚度和分布狀態;⑥潤滑膜與基體的結合強度[11]。

目前，研究中選用的潤滑劑種類多樣，部分取得了較好的試驗效果。其中，石墨作為常用的自潤滑材料，得到了最為廣泛的研究與應用。復合材料中的石墨以機械混合物形式存在，與基體結合比較牢固，而在摩擦過程中石墨先脫落，在摩擦副表面形成一層固體潤滑劑薄膜，起減摩潤滑作用，構成了理想的軸承合金組織。

在船閘工程中，閘、閥門主要運轉部件通過精加工達到較高的表面粗糙度要求，但從微觀上來看，對磨件（軸和軸承）的表面仍表現為起伏不平。在摩擦副發生相對運動時，較硬的對磨件（蘑菇頭或軸類）“磨損”較軟的軸承（球瓦襯墊或軸套）表面，使軸承內更軟的石墨等自潤滑顆粒被切割或擠壓涂覆于對磨面，形成一層連續的固體自潤滑膜;隨著摩擦的繼續，基體中的自潤滑顆粒源源不斷地被磨出，將軸承基體與配對軸隔離開，形成一個長期穩定的自潤滑免維護摩擦副。

3船閘工程中自潤滑材料的應用

船閘不同部位運轉件其受力特點及磨損類型也不盡相同。閘門底樞蘑菇頭及蘑菇頭帽為轉動摩擦副，由于表面粗糙度、配合精度等因素的限制，表面實際接觸往往是不連續的，局部壓應力較高，在重載和摩擦產生的高溫條件下，接觸點局部發生軟化和熔化而產生“熱粘著”，主要表現為粘著磨損，并伴隨著磨料磨損;軸與軸套為滑動摩擦副，由于材料之間硬度、許用接觸應力存在著差異性，在未有效潤滑條件下，主要表現為粘著磨損加磨料磨損;閥門主滾輪與軌道鑲面板之間主要為滾動摩擦，同時存在著滑動摩擦和沖擊摩擦，其摩擦形式及磨損機理均較復雜，既存在粘著磨損也存在磨料磨損，甚至還包括腐蝕磨損和表面疲勞磨損[12]。

為延緩船閘運轉部件的磨損，往往需要對重要的運動摩擦副進行潤滑，以延長零件的使用壽命。傳統的潤滑方式是在船閘各閘首的啟閉機機房內設置多點潤滑泵，通過潤滑管路集中向閘門頂、底樞及啟閉機推拉座等部位注入潤滑油來實現摩擦表面的潤滑。根據船閘實際運行情況看，使用一段時間之后由于潤滑油板結、油管堵塞、破損等問題，很難保證長期的潤滑效果。某些部位如閥門主滾輪軸套由于空間及位置的影響，也較難實現加油潤滑。圖1為集中潤滑系統的圖片。

因此，近年來我國大中型船閘建設中，自潤滑材料已經得到了較為廣泛的應用。目前，使用最為普遍的是銅基鑲嵌自潤滑軸承，其基體多采用高強度銅合金，具有承載能力高（屈服強度可達到500MPa及以上）、耐磨損（固溶硬度達到180HB及以上），固體潤滑劑大多采用天然石墨，具有摩擦系數低，使用壽命長等諸多優點，尤其適用于低速、重載條件下的轉動、擺動和沿軸向往復滑動。圖2為某船閘所采用的自潤滑軸承的圖片。

目前國內市場自潤滑軸承產品眾多，質量參差不齊，船閘運轉件所選用的自潤滑軸承對潤滑劑材料與特性、加工精度、裝配工藝等要求較高，潤滑劑的分布方式也會對軸承受力和潤滑效果產生影響，有待進一步分析與研究[12]。

4結論

本文簡要介紹了自潤滑復合材料的研究進展，對廣泛應用的石墨固體潤滑劑的工作原理進行了闡述，進一步分析了船閘工程中銅基鑲嵌自潤滑軸承的應用情況及存在的問題，可供相關設計及科研人員借鑒參考。

參考文獻：

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[3]李勇帥.自潤滑復合材料的制備和性能研究[D].華北理工大學，2019.

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[12]劉步景，戴振華，蔡建國，張慧中.船閘運轉件耐久性提升方法探討[J].中國水運，2020 （10）：57-58.