阮洪偉，張韶華，王廷梅，王 超，王齊華,卿 濤

0 引 言

多孔含油軸承保持架是空間軸承的關(guān)鍵零部件[1]，不僅起到引導(dǎo)滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)，防止?jié)L動(dòng)體脫落作用，而且具有儲(chǔ)油、供油和回油功能[2]，可在不需要外在輔助設(shè)備的前提下，依靠軸承運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和孔隙的毛細(xì)管力實(shí)現(xiàn)潤滑油的自循環(huán)式供給潤滑[3]，最終達(dá)到軸承長壽命高精度運(yùn)轉(zhuǎn)[4].由于擔(dān)負(fù)軸承潤滑任務(wù)，保持架失效成為空間軸承失效主要的表現(xiàn)形式，而保持架失效最常見的則是保持架的磨損.保持架磨損不僅導(dǎo)致表面孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響供油儲(chǔ)油性能，而且會(huì)加劇軸承不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承振動(dòng)和摩擦力矩上升，嚴(yán)重影響軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和壽命[5].

本文針對(duì)含油保持架在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在的磨損問題，研究了含油材料表面形態(tài)對(duì)樣品摩擦磨損及摩擦界面輸供油性能的影響，在此基礎(chǔ)上揭示了磨損機(jī)制，為空間軸承的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐和理論支持.

1 樣品制備及表征

多孔含油軸承保持架在使用過程中主要包括跑合磨損階段，穩(wěn)定磨損階段，劇烈磨損階段.對(duì)于滾動(dòng)軸承而言，在跑合磨損階段與穩(wěn)定磨損階段均無明顯磨損，保持架的磨損主要發(fā)生在劇烈磨損階段.因此，本文為了研究多孔聚酰亞胺保持架的摩擦學(xué)性能，考慮直接從劇烈磨損階段入手.采用砂紙打磨樣品，使樣品表面能夠達(dá)到劇烈磨損階段，然后研究其摩擦學(xué)性能.

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及制備

聚酰亞胺模塑粉(YS20)購買于上海合成樹脂研究所；聚α烯烴(PAO10)購買于深圳市嘉樂德化工科技有限公司(運(yùn)動(dòng)黏度為：40 ℃時(shí)66CSt，密度為：0.835 g/cm3)

多孔聚酰亞胺(PI)實(shí)驗(yàn)樣品制備：采用冷壓熱燒結(jié)法[6]制備多孔聚酰亞胺坯料.將所得樣品加工成12.2 mm×12.2 mm×19.2 mm大小的樣品，依次在乙醇、丙酮、石油醚溶液中超聲清洗各20 min，隨后真空干燥24 h.干燥完畢后， 置于真空條件下浸油一定時(shí)間確保內(nèi)部孔隙充分浸漬潤滑油.浸油后冷卻到室溫，用棉布擦洗掉材料表面吸附的潤滑油得到PPI含油材料.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

利用低真空模式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(賽默飛世爾科技公司，F(xiàn)EI Apreo S)對(duì)PI多孔材料內(nèi)部形貌和磨痕進(jìn)行觀察，利用壓汞儀(美國麥克儀器公司，Autopore 9500)對(duì)材料孔徑及孔隙率進(jìn)行表征，利用三維輪廓儀(AZoNano公司， MicroXAM-800)對(duì)磨損面的三維輪廓圖進(jìn)行觀測(cè).

利用高速環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司，MRH-3型) 對(duì)PPI含油材料進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn).

2 多孔含油保持架的磨損現(xiàn)象

圖1(a)為運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后的含油聚酰亞胺軸承保持架，可以看到，軸承保持架在兜孔、引導(dǎo)面上均有磨損引起的發(fā)黑現(xiàn)象.對(duì)其黑色區(qū)域進(jìn)行SEM形貌觀察，如圖1(b)～(c)所示，發(fā)現(xiàn)在這些黑色區(qū)域具有明顯的擦傷痕跡，由此可以推斷，含油保持架在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與滾珠、引導(dǎo)面發(fā)生了固-固接觸，產(chǎn)生了磨損.

由于保持架以鋼球公轉(zhuǎn)角速度的平均值轉(zhuǎn)動(dòng)，其會(huì)在每一個(gè)鋼球位置產(chǎn)生保持架導(dǎo)前或滯后于鋼球的碰撞，此外，由于保持架引導(dǎo)間隙和兜孔間隙的存在，保持架引導(dǎo)面也會(huì)受到軸承套圈給予的往復(fù)式作用力.雖然從理論來說，在潤滑油充足的情況下，軸承內(nèi)各摩擦副之間應(yīng)處于流體潤滑狀態(tài)，各配副之間無直接接觸，但保持架、套圈及滾珠之間的碰撞或往復(fù)式作用力可導(dǎo)致三者配副之間瞬間過載，從而出現(xiàn)邊界潤滑甚至單分子層潤滑狀態(tài)，發(fā)生直接接觸，產(chǎn)生磨損.雖然從對(duì)磨損后的保持架孔隙結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果來看(圖1d～1e)，磨損并未對(duì)孔徑及其分布產(chǎn)生明顯影響，但從磨損形貌可以看出，摩擦產(chǎn)生的磨損碎屑堆積在材料的表面孔隙內(nèi)，這仍然可能會(huì)對(duì)該微區(qū)內(nèi)的滲油路徑產(chǎn)生一定的影響.

3 多孔含油材料的磨損機(jī)理

多孔聚酰亞胺由于其含有豐富的孔隙，潤滑油能夠在施加壓力或升高溫度的情況下從材料內(nèi)部滲出[7]，達(dá)到減小摩擦的作用.而材料表面的孔道是潤滑油滲出的最后一道“關(guān)卡”，一旦這道“關(guān)卡”關(guān)閉，潤滑油的滲出和回吸將會(huì)受到嚴(yán)重的影響，繼而影響材料的摩擦學(xué)性能[8].從含油軸承保持架實(shí)際使用中的磨損形貌來看，其表面擦傷并不是連續(xù)的，更多地表現(xiàn)在突起的表面上.由于含油材料孔隙結(jié)構(gòu)的存在，其在完成機(jī)械加工后，并不具有類似無孔材料的平滑光潔表面，表現(xiàn)出較大的粗糙度.

3.1 表面形態(tài)的影響

為研究表面形態(tài)對(duì)多孔含油聚酰亞胺材料摩擦學(xué)行為的影響，利用砂紙對(duì)加工后的多孔聚酰亞胺材料表面進(jìn)行打磨處理.圖2(a)為加工后多孔聚酰亞胺材料的表面形貌圖.圖2(b)為打磨后的表面形貌圖.將其進(jìn)行含油處理，并與未打磨處理的多孔含油聚酰亞胺材料進(jìn)行對(duì)比，研究了邊界潤滑狀態(tài)下含油聚酰亞胺材料表面形態(tài)對(duì)磨損行為的影響.

圖3為經(jīng)過打磨處理和未經(jīng)打磨處理的含油聚酰亞胺材料的摩擦系數(shù)曲線.可以看出，未經(jīng)過打磨處理的含油聚酰亞胺材料的摩擦系數(shù)，在400 r/m和1 200 r/m轉(zhuǎn)速條件下，整個(gè)摩擦過程中均表現(xiàn)的非常平穩(wěn)；而打磨后的含油聚酰亞胺在摩擦跑合階段摩擦系數(shù)較大，雖然經(jīng)過一定時(shí)間摩擦后，摩擦系數(shù)有所下降，但在整個(gè)摩擦過程表現(xiàn)的很不穩(wěn)定，尤其在1 200 r/m高轉(zhuǎn)速條件下波動(dòng)非常大.

對(duì)打磨前后含油聚酰亞胺材料的磨損形貌進(jìn)行SEM觀察.圖4(a)～(b)為未經(jīng)打磨處理的含油聚酰亞胺材料在400 r/m和1 200 r/m轉(zhuǎn)速條件下的磨損形貌圖，可以看出，在低速下磨損表面基本保留著摩擦前的形貌，只是存在一些不連續(xù)的擦傷點(diǎn)，在某些區(qū)域表現(xiàn)為因疲勞磨損而發(fā)生斷裂現(xiàn)象，且有碎屑產(chǎn)生.而在高轉(zhuǎn)速下，原有的表面加工痕跡不再明顯，變得較為平滑，這主要是因?yàn)楦咚傧虏牧夏p增大，產(chǎn)生的磨屑填充表面孔隙所致.圖4(c)～(d)為經(jīng)過打磨處理的含油聚酰亞胺材料分別在400 r/m和1 200 r/m轉(zhuǎn)速條件下的磨損形貌圖，可以看出，二者差異性并不明顯，相比摩擦前的表面形貌(圖4b)，磨損面變得更為光滑，且無明顯磨屑產(chǎn)生.

圖1 多孔聚酰亞胺保持架的磨損及孔結(jié)構(gòu)Fig.1 Wear and pore structure of porous polyimide cage

圖2 含油聚酰亞胺材料在打磨前后的表面形貌圖Fig.2 Topographical views of the oil-containing polyimide material before and after polishing

圖3 打磨前后含油聚酰亞胺材料的摩擦系數(shù)曲線Fig.3 Graph showing the friction coefficient of the oil-containing polyimide material before and after grinding

圖5為打磨前后含油聚酰亞胺材料的磨損面三維輪廓圖和由此計(jì)算得到的體積磨損率.需要說明的是，圖中并未給出400 r/m轉(zhuǎn)速下未打磨處理的多孔聚酰亞胺含油材料的磨損量，這是因?yàn)槠淠p量太小，通過三維輪廓儀無法獲取磨痕信息.可以看出，在400 r/m和1 200 r/m摩擦運(yùn)轉(zhuǎn)速度下，相比未打磨處理的多孔聚酰亞胺含油材料，打磨處理使材料的磨損量明顯增大.

3.2 表面輸供油行為研究

為了探索打磨處理導(dǎo)致含油聚酰亞胺的摩擦磨損性能差異的形成原因，對(duì)打磨前后含油聚酰亞胺材料表面潤滑油的輸送與供給能力進(jìn)行了研究.首先將打磨前后的含油聚酰亞胺試樣置于濾紙上，然后放置于80℃烘箱內(nèi)，并在二者上部均勻施加相同的載荷，一定時(shí)間后觀察濾紙表面.可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過打磨的含油聚酰亞胺材料滲出到濾紙上的潤滑油較多且均勻，而經(jīng)過打磨的試樣滲出到濾紙表面的潤滑油很少且極不均勻(圖6a).另外，在將試樣從濾紙上移除時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)未經(jīng)打磨的試樣表面潤滑油在30 s內(nèi)便很快回吸到試樣內(nèi)部(圖6b)，而打磨后的試樣在2 min后表面仍存在油滴(圖6c).

由上述研究結(jié)果可以看出，經(jīng)過打磨處理的含油聚酰亞胺，其向表面輸送潤滑油的路徑受到了一定程度的影響和破壞，在摩擦過程中潤滑油不能均勻地供給并分散到摩擦界面，導(dǎo)致一方面起始摩擦系數(shù)較大，另一方面在整個(gè)摩擦過程中摩擦系數(shù)波動(dòng)非常明顯.

可見，打磨處理對(duì)含油聚酰亞胺的摩擦磨損性能具有負(fù)面影響，但有趣的是，如圖7所示，經(jīng)過打磨的試樣，表面僅有磨痕，卻沒有明顯的黑點(diǎn)產(chǎn)生，而打磨前的含油聚酰亞胺試樣表現(xiàn)出明顯的磨損發(fā)黑現(xiàn)象，這與含油保持架在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的磨損結(jié)果相一致.

3.3 磨損機(jī)制

根據(jù)上述研究結(jié)果，提出了如圖8所示的磨損模型.對(duì)于多孔含油聚酰亞胺材料而言，其表面分布大量的孔隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)其在一定表觀載荷下與摩擦副發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，孔隙邊緣會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于表觀載荷的微區(qū)承載力.該微區(qū)承載力極易刺穿油膜而發(fā)生干摩擦，這正是我們觀察到保持架兜孔內(nèi)被“磨平”的原因.微區(qū)承載的磨損一方面會(huì)使孔隙邊緣發(fā)生剪切變形、擦傷、斷裂，產(chǎn)生磨損，另一方面在高壓微區(qū)載荷作用下產(chǎn)生的摩擦熱極易誘發(fā)聚酰亞胺材料或潤滑油的化學(xué)分解和碳化，表現(xiàn)出變黑現(xiàn)象.

圖4 不同轉(zhuǎn)速條件下打磨前后含油聚酰亞胺材料的磨損形貌Fig.4 Wear profile of oil-containing polyimide material before and after grinding at different speeds

圖5 不同轉(zhuǎn)速條件下打磨前后含油聚酰亞胺材料磨痕三維輪廓形貌Fig.5 Three-dimensional contours and volume wear rates of oil-containing polyimide materials beforeand after grinding at different speeds.

圖6 含油聚酰亞胺材料表面潤滑油的輸送與回吸能力測(cè)試圖Fig.6 Test diagrams for the transport and suckback capability of lubricating oil on the surface ofoil-containing polyimide materials

圖7 打磨前后含油聚酰亞胺試樣磨損后的照片F(xiàn)ig.7 Photograph of worn oil-coated polyimidesamples before and after sanding

圖8 多孔含油聚酰亞胺材料的磨損機(jī)制Fig.8 Wear mechanism of porous oil-containingpolyimide materials

對(duì)于經(jīng)過打磨處理的多孔含油聚酰亞胺材料，其表面孔隙結(jié)構(gòu)完全發(fā)生破壞，原有孔隙均已被填充抹平，因此在摩擦過程中，不會(huì)出現(xiàn)孔隙邊緣的微區(qū)承載現(xiàn)象，故不會(huì)誘發(fā)材料分解、碳化.然而，打磨處理會(huì)破壞含油聚酰亞胺表面的輸供油路徑，導(dǎo)致摩擦過程中潤滑油不能均勻地供給并分散到摩擦界面，造成摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，且磨損嚴(yán)重.

基于該磨損模型，可以解釋含油保持架在實(shí)際使用過程中的磨損問題，同時(shí)由此也可推斷，含油保持架發(fā)生的磨損問題會(huì)對(duì)軸承持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，正如打磨處理的多孔含油聚酰亞胺材料的摩擦學(xué)行為一樣，孔隙邊緣發(fā)生的剪切變形以及產(chǎn)生的磨屑會(huì)封堵保持架表面孔隙，導(dǎo)致摩擦系數(shù)的波動(dòng)和磨損的持續(xù)變大，對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和摩擦噪音產(chǎn)生潛在負(fù)面影響.

4 結(jié) 論

(1) 表面形態(tài)對(duì)含油聚酰亞胺材料的摩擦磨損性能具有重要影響，打磨處理會(huì)破壞含油聚酰亞胺表面的輸、供油路徑，導(dǎo)致摩擦過程中潤滑油不能均勻地供給并分散到摩擦界面，造成摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，且磨損嚴(yán)重.

(2) 含油聚酰亞胺材料的磨損主要源于孔隙邊緣的微區(qū)承載，在高壓載荷作用下孔隙邊緣發(fā)生剪切變形、擦傷、斷裂等，產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)誘發(fā)聚酰亞胺材料或潤滑油的化學(xué)分解和碳化.

(3) 含油保持架發(fā)生的磨損問題會(huì)對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，孔隙邊緣發(fā)生的剪切變形以及產(chǎn)生的磨屑會(huì)封堵保持架表面孔隙，導(dǎo)致摩擦系數(shù)的波動(dòng)和磨損的持續(xù)變大，對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和摩擦噪音存在潛在的負(fù)面影響.