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1、摩擦学论文关于衬垫自润滑关节轴承的研究现状和展望姓名：班级：学号：燕山大学2010年12月关于衬垫自润滑关节轴承的研究现状和展望#（#）摘要：本文综述了近10年来国内外自润滑材料摩擦磨损性能的研究成果重点分析了金属基、陶瓷基和高分子基复合衬垫材料的摩擦学性能提出了当前关节轴承衬垫材料研究中存在的问题及今后研究方向。关键词：自润滑；关节轴承；衬垫；摩擦学性能0 概述关节轴承又称球面滑动轴承(Spherical PlainBearings)，主要是由一个带外球面的内圈和一个带内球面的外圈组成，如图l所示。根据其工作时是否需要补充润滑剂关节轴承可分为非自润滑关节轴承和自润滑关节轴承。衬垫自润滑关节轴
2、承是在关节轴承内外圈之间粘接衬垫形式的自润滑材料制成的。由于衬垫通常为高分子塑料与塑料基复合材料，因而衬垫自润滑关节轴承具有承载能力高、寿命长、转动灵活、无需润滑等特点，被广泛应用于航空、航天、电力、交通、生物医药和纺织等机械设各中，尤其是在要求重载、低速摆动和具有自位能力的机构中。自润滑关节轴承失效的主要形式是磨损，磨损使内外圈间隙过大，衬垫失去正常润滑能力，甚至出现卡死现象。在许多场合，如飞机起落架系统、火车机车的刹车系统，这种失效常导致灾难性后果。因此，开展自润滑关节轴承的摩擦学性能研究，尤其是在摆动情况下的摩擦磨损性能的研究对轴承的升级换代和新型自润滑衬垫材料的开发具有重要意义。润滑关
3、节轴承的摩擦和寿命计算涉及到很多因素，比如衬垫的性能、温度、接触压力、滑动速度等。目前国内外虽然在自润滑关节轴承的摩擦、磨损、寿命计算、试验方法等方面有一些研究结果，但较之实际使用要求仍不够完善。本文综述了近年来关于关节轴承自润滑衬垫材料摩擦磨损行为的研究成果。评价了自润滑衬垫材料的摩擦学性能，分析了其优点和不足，并探讨了衬垫材料摩擦学研究中存在的问题提出了今后的研究方向。1自润滑衬垫材料的摩擦学性能1.1 金属基复合材料金属基自润滑复合材料是将石墨、MoS2、PTFE和WS2等固体润滑剂作为组元加入到金属基体中形成的复合材料这类材料兼有金属基体良好的机械性能和固体润滑剂优良的摩擦学特性。金属
4、基自润滑复合材料包括粉末冶金整体烧结型和金属基镶嵌型等。1.1.1粉末冶金整体烧结型粉末冶金自润滑轴承又名烧结金属停停含油轴承，它是把固体润滑剂以粉末的形式作为组元添加到金属基体原料中，通过压制成形、烧结，形成自润滑复合材料，以其作为轴承、轴瓦或衬板。因材料本身含有固体润滑剂轴承在运动时由于热作用和摩擦，使自身的固体润滑剂在相对滑动表面形成一层较为稳定的润滑膜并且靠本身的“自耗”来不断补充和提供润滑剂，修复被撕裂或破伤的润滑膜，达到润滑和减摩作用。日本学者通过对添加一定比例石墨的铜基复合材料烧结后，试验研究发现该复合材料表现了非常低的摩擦系数（=015)。但是一般烧结材料的承载能力都不是很高。
5、不能有效地用于高载环境中。能承受高的烧结温度而不丧失润滑特性的固体润滑剂很少，而且其分布不均匀性和对基体连续性的破坏会显著降低复合材料的强韧性和耐磨性。研究表明解决高温摩擦磨损和自润滑问题的有效途径是以粉末烧结金属陶瓷为耐磨基体借助于原料粉的粒径、颗粒形状或成形压力以及造孔剂的数量来调整孔隙度和孔的形状、大小及分布。浸渍合适的固体润滑材料，使其在高温摩擦过程中通过摩擦热的作用而对摩擦表面实现自润滑。1.1.2金属基镶嵌型金属基镶嵌型(又名背衬型)是在金属基体上预先设计、加工好一定面积比例的孔洞或沟槽，在其中嵌入某种成分的固体润滑材料经过特殊黏结及时效处理将二者结合成为一个整体。以其作为轴承、轴
6、瓦或衬板。镶嵌自润滑材料的轴承具有较高的承载能力和低的摩擦和磨损，自润滑性好，摩擦小，使用寿命长，可靠度高，适合于在低速、重载和特殊环境下使用。如在水工建筑物闸门上，用的是青铜基自润滑关节轴承。但事实表明铜基镶嵌型自润滑轴承的最大承载力却比较小,限制了它在重载条件下的应用，难以满足重型工程机械对自润滑轴承的要求。宋云峰等建立了自润滑关节轴承的摆动工况模拟试验方法和试验装置，试验了PTFE铜网复合材料衬垫的GCrl5钢基的关节轴承在不同载荷(20-40 kN)条件下无油润滑的摩擦磨损性能，研究表明：PTFE铜网复合材料的摩擦系数和线磨损量随着载荷增大而增大，当载荷增加至40 kN时已达到或超过该
7、衬垫的承载极限，衬垫出现严重磨损而失效。衬垫材料在加入适当材料的填充改性后，其力学性能和机械性能会有不同程度的改善。用钢背一多孔青铜一高分子润滑材料复合而成的自润滑轴承，其力学性能相当于钢，摩擦学性能相当于高分子材料，具有强度高、摩擦系数小、耐磨性好、导热性优良、使用温度范围宽等特性。1.2陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷作为黏接剂的自润滑材料。这类材料具有高硬度、高强度、高刚度、低密度和优异的化学稳定特性，也具有良好的减摩耐磨特性，并且使用环境温度高。陶瓷材料在高温下仍具有优良的力学性能，因而广泛应用在空间技术、密封部件、发动机关键部件、高效高速切削工具等领域，成为高温耐磨部件用材料的最
8、佳选择之一。武汉理工大学对金属陶瓷烧结自润滑微孔材料做了一系列的研究发现对金属陶瓷添加适当比例的软金属固体润滑剂改性后复合材料表现出良好的摩擦学性能。并且，通过控制陶瓷复合材料的气孔率可以有效地改善材料的机械性能。CaF2是一种很好的高温润滑材料，CaF2在250-700 C能有效进行润滑，即使温度超过l 000仍能保持良好的润滑性能。CaF2在高温下由脆性向塑性转变而具有润滑性。在摩擦过程中，CaF2中的氟与磨损表面所起的化学作用也是具有润滑性的重要原因。但是材料的力学、摩擦学性能并不一定随固体润滑剂含量的增加成线性变化。1.3 高分子基复合材料高分子基复合自润滑材料在军工及航空航天关节轴承
9、的应用中以纤维织物材料最为常见。纤维织物材料的薄层结构不仅保留了低摩擦系数的特点，并且赋予衬垫材料高强度性能。其自润滑及耐磨损性能良好，机械性能优异，承载能力高，化学稳定性好，耐腐蚀，耐气候性优良，置室外15 a之久无老化现象，与钢配副摩擦系数在0.03-0.15。1.3.1聚四氟乙烯(PTFE)纤维织物材料聚四氟乙烯纤维织物自润滑材料是PTFE纤维和其他纤维交织而成的双层织物，通常选择平纹、斜纹或缎纹等纺织结构。这是随着聚四氟乙烯纤维出现后发展起来的新型自润滑材料，由聚四氟乙烯等几种性质不同的长纤维混编而成，其性能卓越。温度变化时尺寸稳定，抗磨减摩效果优异。PTFE纤维织物上富含PTFE纤维
10、的织物表面，即为摩擦工作面，另一面则以强度高、黏结性好的纤维为主，即为黏结面。这种双层结构充分发挥了PTFE的低摩擦和纤维的高强度特性。一般用作增强或黏结性的纤维种类很多，如高强耐蚀的Nomex、耐温性能好的芳纶纤维、高强耐热的玻璃纤维、高强低摩擦的碳纤维等。PTFE纤维织物摩擦面具有良好润滑性能的机理在于固体润滑膜的形成，固体润滑膜可以耐106次以上的摩擦，也有超过108次的。在无润滑油的条件下。金属的摩擦系数=0.51.0，而PTFE仅为0.04，比二硫化钼和石墨还要低，这是金属在良好润滑条件下也难达到的。当PTFE与金属接触摩擦时，因其表面凸峰温度升高，剪切强度下降，促使PTFE分子黏附
11、在对磨表面，向金属表面平移并填平金属表面的凹坑，实际形成了PTFEPTFE间摩擦，因而表现出极低的摩擦系数。虽然PTFE摩擦系数低、化学及热稳定性良好，是一种特别适合于滑动部件应用的聚合物材料，但是PTFE磨损率高，强度低，在外力作用下有较大的黏弹性变形这些缺点限制了PTFE在实际中的应用。PTFE材料经过适当地填充改性后，其摩擦学性能和机械性能会得到较大善。对PTFE添加石墨、MoS2和 PbS研究发现，添加石墨、MoS2、CuS和PbS均可将PTFE的磨损量降低2个数量级。石墨和MoS2填充改性后PTFE的耐磨性比纯PTFE的提高很多，而且能够降低PTFE的摩擦系数。通过添加石墨和MoS2
12、，填充后的PTFE，不但摩擦系数降低了而且有效阻止了其带状结构的大面积破坏，改变了磨屑的形成机理，从而降低了PTFE复合材料的磨损。关节轴承的润滑层用 PTFE纤维织物取代其他自润滑材料，不仅是因为PTFE纤维织物具备良好自润滑材料的综合优势，而且还有很好的工艺性能。关节轴承加工中的关键技术为粘结和挤压工序，当加工好轴承内、外圈后，将衬垫粘结到轴承外圈内表面，再与轴承内圈合套挤压成形，然后通过控制轴承启动力矩等后续加工而形成关节轴承。实践证明，PTFE纤维织物在适宜的黏结工艺下，有很好的黏结性能，能保证与基体的结合强度。通过对比PTFE纤维织物和PU铜网衬垫自润滑关节轴承摩擦学性能发现PTFE
13、纤维织物润滑材料经过25 000周的摩擦磨损试验后，衬垫磨损量仅为0.08 mm；而PU铜网润滑材料在12 000周时，衬垫磨损量为0.17 mm，已经磨穿。另外，PTFE纤维织物具有优于其他自润滑材料的弹、韧性，可使关节轴承无径向与轴向间隙，从而整体上提高了自润滑关节轴承的制造水平与使用性能。1.3.2碳纤维材料碳纤维(CF)质量轻、强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀且摩擦因数小,具有自润滑性能。碳纤维复合材料磨耗低、摩擦系数小，导热性好，耐腐蚀以及尺寸稳定。对于那些在低速重载、冲击载荷或大应力作用下工作的机械零部件，碳纤维织物复合材料同样是一种很有前景的自润滑衬层材料。碳纤维作为复合材料的重要
14、增强材料已广泛应用于众多领域。2存在的问题和研究展望关节轴承自润滑季衬垫材料的摩擦学性能研究还存在诸多问题亟待解决，如高温、高频、重载及腐蚀等混合复杂工况下的自润滑轴承材料失效是制约衬垫材料发展的瓶颈。由于关节轴承工作的环境，如摆动频率、载荷性质、载荷种类、环境温度、环境气氛等非常复杂，尺寸规格众多，如何根据不同情况选择并设计合适的衬垫材料是个复杂的问题。此外，对于不同的工况，如何确定纤维编织衬垫材料最佳的编织工艺和粘结工艺等一系列问题都有待进一步研究和探讨。当前关节轴承用自润滑衬垫材料的种类比较单一。开发和研制具有高强度、耐磨损、抗腐蚀的新一代自润滑衬垫材料，特别是改性纤维织物复合材料和梯度
15、自润滑复合材料是今后关节轴承衬垫材料发展的趋势。开展多因素协同作用下摩擦学性能研究，是关节轴承自润滑衬垫材料摩擦学的研究方向。参考文献1宋云峰，郭强，罗唯力PTFE/铜网复合材料衬垫自润滑复关节轴承的试验研究J机械工程材料，2003，27(6)：14一15，322王宏刚，简令奇杨生荣，等高承载PEEK背衬型润滑复合材料的摩擦学性能J. 机械工程材料，2002，26(11)：24一263 Hirotaka Kato, Masahiro Takama, Yoshiro Iwai, et al.Wear and mechanical properties of sintered copper-tin compositescontaining graphite or molybdenum disul deJ.Wear,2003,255：5735784王砚军，刘佐民TiC/FeCrWMoV系自润滑金属陶瓷轴承烧结体的研制J轴承，2005（5）：20一235石淼淼固体润滑技术M北京：中国石化出版社，1998
