赛龙轴承材料摩擦学性能的试验研究

赛龙轴承材料摩擦学性能的试验研究
孙文丽;王优强;时高伟
【摘要】利用数显式高速环块摩擦试验机,对赛龙轴承试块/镀镍钢环配副,分别在干摩擦、湿润滑、海水润滑条件下,进行摩擦磨损试验研究,分析赛龙轴承的摩擦磨损性能.结果表明:赛龙干摩擦时的平均摩擦因数为0.4左右,相对其他非金属材料,赛龙的干摩擦性能较好,但赛龙不耐高温,高温时材料表面会被破坏生成丝状磨屑;湿润滑时赛龙的摩擦因数比干摩擦时的低,说明湿润滑时已处于边界润滑状态;海水润滑时摩擦因数较低,此时润滑状态逐渐变为完全流体动压润滑状态.正交试验结果表明,干摩擦和湿润滑时,转速变化对摩擦因数的影响较大;海水润滑时,载荷变化对摩擦因数影响较大.%The tribological properties of thordon under dry friction, wet lubrication, seawater lubrication were investigated on high-speed ring-block tribological tester. The abrasion mechanism of thordon-steel rubbing pair was analyzed. The results show that the friction coefficient of thordon is about 0.4 under dry friction and its performance is better than other nonmetal materials under dry friction. Thordon has poor property of high temperature resistance,the contact surface is destructed to produce filiform abrasive dust under high temperature. The friction coefficient of thordon in wet lubrication is lower than in dry friction which shows boundary lubrication state. The friction coefficient is the lowest under seawater lubrication,there is hydrodynamic lubrication turned into gradually. The results by orthogonal analytic method show during dry and wet lubrication, the influence of changes in speed to friction coefficient is
higher, and in seawater lubrication, the influence of changes in load to friction coefficient is higher.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2011(036)005
【总页数】4页(P36-39)
【关键词】海水润滑;赛龙材料;摩擦磨损;正交分析
【作者】孙文丽;王优强;时高伟
【作者单位】青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.1
赛龙弹性轴承材料是由三次元交叉结晶热凝性树脂制造的聚合物，是一种强固的合成型聚合物［1－2］。

赛龙在水润滑、多杂质、强冲击的环境下性能特别优越［1］，能够在船舶和工业的多种恶劣环境中发挥优良的性能，拥有较长寿命。

本文作者设计了试验对其在干摩擦、湿润滑及海水润滑中的摩擦学性能进行了研究。

1 试验条件及方法
(1)试验装置:数显式高速环块摩擦磨损试验机——型号 MRH-3。

(2)试验对象:试环材质为表面镀镍45#钢，镀镍厚度为0.1mm，表面粗糙度为Ra3.2mm。

试块材质为赛龙，型号 XL，表面粗糙度为Ra3.2mm。

其基本技术性能如表1所
示。

表1 赛龙材料物理性能Table 1 The physical properties of thordon?
(3)试验方法:在干摩擦、湿润滑和海水全浴润滑条件下，进行赛龙/镀镍钢配副的摩擦磨损对比试验。

湿润滑条件下，用于润滑的水是以120滴/min加到摩擦副的接触部位［3］，环境温度为290 K。

2 摩擦磨损试验分析
2.1 干摩擦
图1给出了干摩擦条件下摩擦因数随载荷的变化情况。

可以看出，干摩擦时摩擦
因数较大，这主要是由于在接触表面没有润滑膜，摩擦副直接接触，磨屑堆积、热量堆积［1］。

试验测得的赛龙材料干摩擦因数在0.4左右，相对其他非金属材料，赛龙的干摩擦性能较好，这可能是由于赛龙本身较硬的缘故。

图1 干摩擦条件下摩擦因数随载荷变化情况Fig 1 Variation of friction coefficient with the load under dry condition
从图1中还可以看出，干摩擦过程中，摩擦因数随载荷的增加有降低趋势，但随
着转速的增加摩擦因数呈升高趋势。

主要原因是当转速稍大，摩擦接触面间的摩擦热增加，而赛龙材料不耐高温，表面会出现焦灼现象，材料表面被破坏，产生的磨屑成丝状，试环上会黏着片状赛龙材料，如图2所示。

图2 干摩擦条件下试块摩擦表面损坏形状及其磨屑Fig 2 Wear morphology and wear debris of working surface under dry condition
2.2 湿润滑
图3给出了湿润滑条件下摩擦因数随载荷的变化情况。

湿润滑摩擦时，摩擦因数
随载荷的增加而减小，摩擦因数比干摩擦低，这说明湿润滑时已处于边界润滑状态。

图3 边界润滑条件下摩擦因数随载荷的变化情况Fig 3 Variation of friction coefficient with the load under wetting condition
从图3中可以看出，在中低速时，随着载荷的增加，湿润滑摩擦因数有降低趋势，但转速在720 r/min时，摩擦因数随载荷的增加而升高。

分析其原因:当转速较小时，摩擦副表面还没有形成稳定的边界膜，所以摩擦因数较大;随着转速的增加，
边界膜效应使摩擦因数变小，当摩擦副表面相对滑动速度加大时，会导致边界膜的破裂使它们产生直接接触［3－6］，这时，金属表面凸峰处黏合部分剪切阻力和
边界膜分子间的剪切阻力同时起着阻止运动的作用，从而使摩擦因数增大。

但是，湿润滑提供的润滑介质海水量很少，所以很难有效地带走摩擦热量。

由于摩擦热量还会大量累积，当转速和载荷增大，滴加的海水会发生汽化现象，水蒸气也将影响摩擦副间的摩擦。

在显微镜下可以看到海水湿润滑条件下磨痕表面凹坑浅、面积大，磨屑呈片状，而且表面沿滑动方向有明显划痕，如图4所示，所以湿润
滑时，赛龙试块摩擦接触表面还发生了擦伤磨损、鳞剥。

图4 湿润滑磨痕表面形貌Fig 4 Surface morphology of thordon in microscope under wet condition
2.3 海水润滑
海水润滑时，摩擦副接触区可以将摩擦热量带走，降低温度对摩擦副表面的影响。

海水润滑时，转速和载荷相对干摩擦、湿润滑时有很大提高，但摩擦因数降低，如图5所示。

图5 海水润滑条件下摩擦因数随载荷的变化情况Fig 5 Variation of friction coefficient with the load under seawater lubrication
可见，在海水润滑条件下，摩擦因数随载荷的增大而呈下降趋势，这主要是由于在试验压力下，转速较低时为边界润滑状态，所以摩擦因数较大，但随转速增大，流体动压润滑占的比重增大，所以摩擦因数逐渐降低。

当速度增大到一定值时，建立起了完全流体动压润滑水膜，摩擦因数变化将会不大。

本试验中，海水润滑是在一个密闭腔体内进行的，海水不能循环流动，当试验在高
速高载荷运转20 min后，海水润滑液温度会达到40℃，随着运转的持续，温度
会继续增加。

当温度达到60℃时，赛龙材料在水中会发生分解［2］，所以在用
水或海水润滑时，控制润滑液温度很重要。

建议采取循环流动润滑，这样有利于带走磨屑、摩擦热，降低温度，提高赛龙轴承摩擦学性能和使用寿命。

3 正交试验分析
采用正交试验方法［7］来分析转速和载荷在不同润滑条件下对摩擦因数的影响程度。

表2、4、6为各试验的因素水平，正交试验的分析结果如表3、5、7所示。

表2 干摩擦试验因素水平Table 2 Level of factor under dry condition?
表3 正交试验方案及干摩擦试验结果分析Table 3 Orthoplan and analysis of experimental results under dry condition?
表4 湿润滑试验因素水平Table 4 Level of factor under wetting condition?
表中Ki表示任一列上水平号为i时，所对应的试验结果之和;ki=Ki/s，其中s为任一列上个水平出现的次数，所以ki表示任一列上因素水平i时所得试验结果的算
术平均值;R称为极差，在任一列上R=max{K1，K2，K3 }－min {K1，K2，K3}，或者R=max{k1，k2，k3}－ min{k1，k2，k3}。

一般来说，各列的极差是不相等的。

极差越大表示该列因素的数值在试验范围内的变化，会导致试验指标在数值上更大的变化，所以极差最大的那一列，就是因素的水平随试验结果影响最大的因素。

由表3、5、7可以得出，干摩擦和湿润滑时，转速变化对摩擦因数的影响较大;海
水润滑时，载荷变化对摩擦因数影响较大。

表5 正交试验方法及湿润滑试验结果分析Table 5 Orthoplan and analysis of experimental results under wetting condition?
表6 海水润滑摩擦试验因素水平Table 6 Level of factor under seawater lubrication?
表7 正交试验方法及海水润滑试验结果分析Table 7 Orthoplan and analysis of experimental results under seawater lubrication?
4 结论
(1)干摩擦时，试验测得的平均摩擦因数在0.4左右，相对其他非金属材料，赛龙
的干摩擦性能较好。

干摩擦过程中，摩擦因数随载荷的增加有降低趋势，但随着转速的增加摩擦因数呈升高趋势。

赛龙不耐高温，干摩擦时当转速稍大，赛龙试块表面会出现焦灼现象，材料表面被破坏，产生的磨屑成丝状，试环上会黏着片状赛龙材料。

(2)湿摩擦时，摩擦因数随载荷的增加而减小，摩擦因数比干摩擦低，这说明湿润
滑时已处于边界润滑状态，平均摩擦因数在0.3左右。

(3)海水润滑时，摩擦因数随速度和载荷的增大都呈下降趋势。

(4)由正交分析法得出，干摩擦和湿润滑时，转速变化对摩擦因数的影响较大;海水
润滑时，载荷变化对摩擦因数影响较大。

参考文献
【1】王优强，李鸿琦.水润滑赛龙轴承及其润滑性能综述［J］.润滑与密封，2003，28(1):101 －104.Wang Youqiang，Li Hongqi.Characteristics and Outline of the Water-lubricated Thordon Bearings［J］.Lubrication Engineering，2003，28(1):101 －104.
【2】黄建，李亚鹏.赛龙轴承在泵站贯流泵上的应用［J］.水泵技术，2006(6):40
－42.
【3】王优强，林秀娟.橡胶滑块与镀镍钢环的水润滑机理分析［J］.润滑与密封，2006，31(1):54 －56.Wang Youqiang，Lin Xiujuan.Water lubrication mechanism of the rubber/nickel coating pair ［J］.Lubrication Engineering，2006，31(1):54 －56.
【4】林秀娟.水润滑橡胶轴承摩擦实验研究与润滑机理分析［D］.青岛理工大学机械工程学院，2004.
【5】黄平.摩擦学教程［M］.北京:高等教育出版社，2008.
【6】王优强，宋玲，李鸿琦，等.水润滑橡胶轴承的摩擦学性能研究［J］.润滑与密封，2002，27(2):18 －19.Wang Youqiang，Song Ling，Li Hongqi，et al.Tribological Behavior of the Water-Lubricated Rubber Bearings ［J］.Lubrication Engineering，2002，27(2):18 －19.
【7】陈魁.实验设计与分析［M］.北京:清华大学出版社，2000.。