溫濕度對(duì)多孔含油膠木保持架性能的影響

買楠楠，席博倫，李媛媛，董胤喆，孫小波

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)國(guó)家國(guó)際科技合作基地，河南 洛陽(yáng) 471039；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039)

多孔酚醛膠木管是以棉布為基材，酚醛樹脂為粘合劑，熱反應(yīng)型發(fā)泡劑為成孔劑，通過(guò)熱輾壓及燒結(jié)工藝成為管狀的復(fù)合材料[1]。將多孔酚醛膠木管按照尺寸要求加工成多孔膠木保持架，再經(jīng)清洗、干燥、真空浸油和去除浮油后，即可得到多孔含油膠木保持架。多孔含油膠木保持架利用棉纖維的毛細(xì)管作用吸收并儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，具有良好的儲(chǔ)油能力和摩擦性能[2]，在無(wú)額外供油的條件下，能夠有效緩釋潤(rùn)滑，實(shí)現(xiàn)航空、航天軸承的長(zhǎng)壽命、高精度和高可靠性[3-4]。

干燥的多孔膠木保持架材料具有較強(qiáng)的吸濕性，吸濕后保持架材料發(fā)生膨脹，其直徑增加0.2%～0.4%[5-6]，保持架浸油后，潤(rùn)滑油會(huì)與空氣中的水分進(jìn)行交換，依舊表現(xiàn)為吸濕性。復(fù)合材料的吸濕性[7-8]主要受溫度、濕度、應(yīng)力、介質(zhì)等因素的影響，多孔含油膠木保持架材料的吸濕性還與酚醛樹脂合成工藝及棉布支數(shù)有關(guān)。根據(jù)長(zhǎng)壽命軸承的應(yīng)用特點(diǎn)，保持架的含油率、尺寸、拉伸強(qiáng)度等參數(shù)都有設(shè)計(jì)范圍，即使保持架材料和潤(rùn)滑介質(zhì)均在存儲(chǔ)期內(nèi)，若保持架的性能參數(shù)及尺寸精度受溫、濕度影響超出設(shè)計(jì)范圍，也將對(duì)軸承的使用壽命產(chǎn)生不可預(yù)估的影響。

本文以新型多孔酚醛膠木管為研究對(duì)象[9]，研究溫濕度對(duì)多孔含油膠木保持架關(guān)鍵指標(biāo)的影響規(guī)律，為軸承設(shè)計(jì)人員和主機(jī)用戶提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證航空、航天長(zhǎng)壽命軸承的可靠性。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品制備

多孔酚醛膠木材料以酚醛樹脂為粘合劑，亞硝基類為發(fā)泡體系，使用100 支紗細(xì)平布基棉布，采用熱卷壓及固化發(fā)泡成孔方法制備多孔酚醛層壓布管材料。將管料按照尺寸要求粗車成保持架，經(jīng)高低溫穩(wěn)定處理和保持架預(yù)浸油工序后，有效釋放材料應(yīng)力，尺寸提前變化到量，再經(jīng)精車到位，得到多孔膠木保持架。將加工得到的成品多孔膠木保持架清洗后，于真空環(huán)境下浸入潤(rùn)滑油中，采用自制離心機(jī)在25 ℃，8 000 r/min 條件下對(duì)含油保持架進(jìn)行甩油，得到多孔含油膠木保持架。

1.2 試驗(yàn)儀器及材料性能測(cè)試方法

采用Autopore Ⅳ 9500 型高壓孔隙結(jié)構(gòu)儀測(cè)試保持架的孔徑和孔隙率；室溫環(huán)境(25 ℃)下，采用CMT6503型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣拉伸強(qiáng)度，測(cè)試件為與保持架內(nèi)外徑尺寸相同的試環(huán)，測(cè)試3 件，結(jié)果取平均值；采用VMS-4030G型軸承影像測(cè)量?jī)x測(cè)量保持架的內(nèi)外徑；采用MS105DU 型精密天平測(cè)試保持架浸油前、后的質(zhì)量，通過(guò)(1)式計(jì)算保持架的含油率；采用TSY-1109A 型運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀測(cè)試潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度。含油率及尺寸每組取平均值，保持架浸用油為4123 精密軸承潤(rùn)滑油，性能見表1。試驗(yàn)保持架取2 種典型尺寸并分別記為保持架A 和B，其初始尺寸及性能見表2。

表1 4123潤(rùn)滑油性能

表2 試驗(yàn)保持架初始尺寸及性能

式中：η為含油率；G1為試樣浸油后的質(zhì)量；G0為試樣未浸油時(shí)的質(zhì)量。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 溫度試驗(yàn)

將制備好的2 種多孔含油膠木保持架每10 件為一組置于烘干箱中，溫度分別選擇40，60，80，100 ℃，每個(gè)溫度點(diǎn)試驗(yàn)240 h，取樣周期為24 h，即每隔24 h 取出試驗(yàn)保持架，在干燥器中穩(wěn)定至室溫后測(cè)試保持架的含油率、內(nèi)外徑尺寸及拉伸強(qiáng)度。

1.3.2 濕度試驗(yàn)

將制備好的2 種(每種10 件)多孔含油膠木保持架置于溫度40 ℃，濕度98%的溫濕度箱內(nèi)，試驗(yàn)總時(shí)間為28 d，測(cè)量試驗(yàn)前后保持架的質(zhì)量改變率、內(nèi)外徑尺寸及拉伸強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度試驗(yàn)

2.1.1 溫度對(duì)保持架含油率的影響

不同溫度下多孔含油膠木保持架的含油率如圖1 所示：保持架A 初始含油率為11.58%，經(jīng)過(guò)240 h試驗(yàn)后，含油率在40，60，80，100 ℃時(shí)分別降至11.25%，11.10%，10.99%，10.84%；保持架B初始含油率為14.12%，經(jīng)過(guò)240 h 試驗(yàn)后，含油率在40，60，80，100 ℃時(shí)分別降至13.94%，13.85%，13.62%，13.51%。由表1 可知，潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度升高而降低，潤(rùn)滑油黏度降低，其在棉纖維毛細(xì)管中流動(dòng)性變大，保持架出現(xiàn)一定程度的出油現(xiàn)象，保持架含油率降低，因此試驗(yàn)初始時(shí)保持架含油率下降明顯，隨后趨緩，在第7—8天后基本不變，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在相同溫度條件下(如100 ℃)，與初始值相比，試驗(yàn)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%，這是由于保持架A 孔徑是保持架B 的1.9 倍，保持架材料孔徑越大，越易出油。

圖1 不同溫度下多孔含油膠木保持架的含油率

2.1.2 溫度對(duì)保持架尺寸的影響

多孔含油膠木保持架尺寸變化量隨溫度的變化如圖2所示：保持架A經(jīng)240 h溫度試驗(yàn)后，外徑變化量不大于0.015 mm，內(nèi)徑變化量不大于0.003 mm；保持架B 經(jīng)240 h 溫度試驗(yàn)后，外徑變化量不大于0.020 mm，內(nèi)徑變化量不大于0.010 mm。這是因?yàn)楸３旨蹷 外徑大于保持架A，變化量也較大。高低溫穩(wěn)定處理和保持架預(yù)浸油工序后，精車到位的保持架經(jīng)同一溫度試驗(yàn)后尺寸比較穩(wěn)定，不同溫度下保持架尺寸變化量隨溫度升高略有增大趨勢(shì)，但相比各自初始值，尺寸變化率不大于0.1%。

圖2 多孔含油膠木保持架尺寸變化量隨溫度的變化

2.1.3 溫度對(duì)保持架拉伸強(qiáng)度的影響

多孔含油膠木試環(huán)拉伸強(qiáng)度隨溫度的變化如圖3所示：保持架A 和B 經(jīng)240 h溫度試驗(yàn)后，拉伸強(qiáng)度均在1%以內(nèi)變化，基本穩(wěn)定。這是因?yàn)槎嗫追尤┠z木管固化保溫溫度大于110 ℃，酚醛樹脂凝膠固化和發(fā)泡劑的發(fā)泡達(dá)到同步，固化成孔，形成固定的孔徑和孔隙率，多孔含油膠木保持架的拉伸強(qiáng)度與孔隙率有關(guān)，隨著試驗(yàn)溫度升高，保持架孔隙率不變，拉伸強(qiáng)度基本穩(wěn)定。

圖3 多孔含油膠木試環(huán)拉伸強(qiáng)度隨溫度的變化

2.2 濕度試驗(yàn)

2.2.1 濕度對(duì)保持架含油率的影響

保持架A 和B 在40 ℃，98%RH 環(huán)境條件下存在一定程度的出油現(xiàn)象，但保持架吸濕后，微孔中的潤(rùn)滑油被空氣中的水取代，吸濕量大于出油量，保持架質(zhì)量增加，質(zhì)量改變率隨吸濕時(shí)間的變化如圖4所示：保持架A的質(zhì)量隨著在溫濕度箱中時(shí)間增加而增加，在初始的8 天內(nèi)質(zhì)量改變率達(dá)到0.40%，隨后緩慢增加，最終穩(wěn)定在0.45%，而未浸油保持架A在初始的8天內(nèi)質(zhì)量呈線性增長(zhǎng)，隨后平緩增加，最終基本保持在0.6%；保持架B 的質(zhì)量也隨著在溫濕度箱中時(shí)間增加而增加，在初始的6天內(nèi)質(zhì)量改變率快速達(dá)到0.15%，隨后緩慢增加，最終穩(wěn)定在0.17%，而未浸油保持架B 在初始的8 天內(nèi)質(zhì)量改變率呈線性增長(zhǎng)，隨后緩慢增加，最終保持在0.37%左右。

圖4 保持架質(zhì)量改變率隨吸濕時(shí)間的變化

由于多孔酚醛膠木材料的吸濕特性，保持架即使完全浸油后依舊發(fā)生吸濕現(xiàn)象。初期保持架材料與環(huán)境之間因較大的濃度梯度而快速擴(kuò)散吸濕，后期開始吸收結(jié)合水，吸濕速度減慢，最終達(dá)到飽和。未浸油保持架比浸油后保持架吸濕量大，質(zhì)量改變率大，其中保持架A 未浸油的質(zhì)量改變率是浸油的1.3倍，保持架B未浸油的質(zhì)量改變率是浸油的2.2倍，這是由于未浸油保持架孔道豐富且富含親水性官能團(tuán)(如羥基)，具有較強(qiáng)的吸濕性，而浸油后保持架孔道充滿潤(rùn)滑油，吸濕速率減慢。保持架A 的質(zhì)量改變率是保持架B 的2.6 倍，這是由于保持架A的壁厚和孔徑均大于保持架B，水分子更易受材料內(nèi)外部的滲透壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)毛細(xì)管擴(kuò)散作用向材料內(nèi)部擴(kuò)散。

2.2.2 濕度對(duì)保持架尺寸的影響

保持架尺寸變化量隨濕度的變化如圖5所示：未浸油保持架A 外、內(nèi)徑變化率分別為0.30%和0.18%，未浸油保持架B 外、內(nèi)徑變化率分別為0.20%和0.09%；浸油后，保持架A 外徑比初始增大了0.035 mm，外徑變化率為0.11%，保持架A內(nèi)徑比初始增大了0.015 mm，內(nèi)徑變化率為0.05%，保持架B 外徑比初始增大了0.040 mm，外徑變化率為0.06%，保持架B 內(nèi)徑比初始增大了0.025 mm，內(nèi)徑變化率為0.04%。這是因?yàn)樗肿右徊糠滞ㄟ^(guò)擴(kuò)散進(jìn)入多孔膠木孔隙，主要集中在保持架表層的微孔中，另一部分與極性基團(tuán)鍵合，形成范德華力，使分子鏈加寬，體積增大，保持架外形發(fā)生變化，導(dǎo)致尺寸變化。

圖5 保持架尺寸變化量隨濕度的變化

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，多孔含油保持架吸濕后尺寸變化量與壁厚有關(guān)，保持架A 壁厚是保持架B 的1.6 倍，其內(nèi)部濕度梯度較大，各個(gè)方向呈現(xiàn)復(fù)雜的變形，因此無(wú)論是否含油，保持架A 內(nèi)外徑的變化率均大于保持架B。參照表2 保持架尺寸參數(shù)，多孔含油保持架吸濕后尺寸變化量在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

2.2.3 濕度對(duì)保持架拉伸強(qiáng)度的影響

28 天吸濕試驗(yàn)后，保持架A 和B 的拉伸強(qiáng)度均略有降低，保持架A 的拉伸強(qiáng)度從82.6 MPa 降至82.5 MPa，降低至初始的98.7%，保持架B 的拉伸強(qiáng)度從72.4 MPa 降至70.8 MPa，降低至初始的97.8%。多孔酚醛膠木材料由棉布纖維和酚醛樹脂組成，內(nèi)部分布微孔，固化過(guò)程中發(fā)泡劑的揮發(fā)存在隨機(jī)性，氣泡可能發(fā)生聚集或合并長(zhǎng)大，形成材料孔徑分布不均勻的現(xiàn)象；且固化后酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)具有熱穩(wěn)定性，分子中多為交聯(lián)密度高且結(jié)構(gòu)致密的樹脂，吸濕性能低于棉布纖維，使得酚醛樹脂基體與棉布纖維的體積膨脹不匹配，從而導(dǎo)致復(fù)合材料中局部應(yīng)力和應(yīng)變區(qū)的形成，因此多孔含油保持架吸濕試驗(yàn)后的拉伸強(qiáng)度有所降低。

3 結(jié)論

以新型多孔酚醛膠木管為研究對(duì)象，分析溫濕度對(duì)多孔含油膠木保持架各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的影響規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

1)多孔含油膠木保持架隨溫度升高出現(xiàn)一定程度的出油現(xiàn)象，試驗(yàn)初期含油率下降速率最大，隨后緩慢下降并趨于平穩(wěn)，含油率下降速率與初始含油率和孔徑有關(guān)，材料孔徑越大，出油量越大。隨溫度升高，多孔含油膠木保持架尺寸變化量略有增大趨勢(shì)，尺寸變化率不大于0.1%，拉伸強(qiáng)度變化浮動(dòng)在1%以內(nèi)。

2)多孔膠木保持架浸油后孔道充滿潤(rùn)滑油，吸濕速率慢于未浸油保持架。吸濕初期由于較大的濃度梯度，多孔含油膠木保持架質(zhì)量改變率增大，后期速度減慢，最終趨于飽和，質(zhì)量改變率與保持架壁厚和孔徑有關(guān)；保持架吸濕后內(nèi)外徑均有所增大，尺寸變化率不大于0.2%；保持架吸濕后拉伸強(qiáng)度降低，降低率不大于3%；高濕度對(duì)多孔含油膠木保持架尺寸和拉伸強(qiáng)度的影響大于溫度。