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1、2 o O 2年 5月 第 2 5巷第 5期 重庆 大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f C h o n g q i n g U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)Vo 1 2 5 No 5 Ma v 2 0 0 2 文章编号：1 0 0 05 8 2 X(2 0 0 2)0 5 0 0 1 00 3 不 同润 滑状态下塑料合金轴承的摩擦实验 王 海 宝，吴 光 杰。，陈 战(1 重庆 大学 机械传 动 国家重点 实验 室，重庆 4 O O O 4 4；2 重庆 三峡 学 院，重庆 万州
2、4 O 4 O O O)摘 要：用 M P V一2 0 0型摩擦磨损试验机测定 了超 高分子量聚 乙烯(简称 U H MWP E)塑料合金轴承 分别在 水润滑和干摩擦条件下的摩擦 学性能，考察了载荷、速度、运行 时间等对塑料合金轴承的摩擦 学性 能的影响，结果表明：摩擦 系数用水润滑的小，干摩擦下的大；但磨损率用水润滑时大，干摩擦 时小：对磨 损 机 理进 行 了 系统 的分析，为 塑料 舍 金轴 承 的 实际应 用提 供 理 论依 据：关键词：超 高分子 量聚 乙烯；轴承；摩擦；磨损 中 图分 类号：T B 3 3 6 文献 标 识码：A 趟高分子量聚 乙烯是 一种线 型结构 的工程 塑料，
3、具有优异的物理机 械性 能。，由它和填 料复合而 成 的塑料合金具有 比强 度高、化学稳定性 好、硬 度大、方 便、灵活的可加工性 及优 良的减摩、耐磨性能，现 已成 为滑 动轴 承 中应 用 最 多 的非 金属 材 料之 一，用 它 加 工的滑动轴承具 有很高 的承载能力和减摩抗磨性 ：有关超高分子量聚乙烯 塑料的摩擦磨损特性的研究 已 比较成熟-，但超高分子量聚乙烯塑料合金轴承 的摩 擦学性能的研究鲜 有报道。因此，用 MP V一2 0 0型摩 擦磨损试验机专 门研究 了水润滑和干摩擦条件下的超 高分子量聚乙烯塑料合金轴 承的摩擦磨损性 能，得 出 不同状态下的摩擦学特性，并对 作用机理进
4、 行了系统 的分析，为塑料合金轴承的实际应用提供理论依据，具 有十分重要的意 义。I 试验方法 1)试验对象：3 5 l l l i n X 8 0 ll l i n的 U HM W P E合金 轴承，U HM W P E塑 料合 金 由 U HM W P E基体 和一 定 比例 的石墨及碳纤维等填料复合而成。2)润滑方式：水润滑、干摩擦 2种。3)试验设备：MP V一2 0 0型摩擦磨损试验机。2 试验结果与讨论 金属轴承的摩擦系数基本 为常数，与载荷、相对运 动速度等无关 而超高分子量聚乙塑料合金轴承的摩 擦系数为变量，受裁茼大小、滑动速度、运行时间 温瞍 等 因素 的影 响。1)裁 筒
5、的影 响 在转 动速度为 3 0 0 r rai n，试验时 间为 3 0 in i l l 的实 验 条件下，超高分 子量聚乙烯 料合 金轴 承的摩擦 系 数和磨损率与载茼的关系如 1、图 2所示：1 00 2 00 30 0 400 5 00(5 0 0 P 图 1 摩擦 系数 与载荷 的关 系 由图 l 可 见，摩擦系数随载荷的增大而减小，最后 趋 于稳定值，这时 因为载荷较低时，轴承承受的压力较 小，超高分子量 聚乙烯塑料合金 的塑性 变形基本不 起 作用，处于边界润滑状态，因而摩擦 系数 较大，随着 载 荷的增大，超高分子量聚乙烯塑料合金产生塑性 变形，收稿 日期：2 0 0 20
6、2 2 6 基金项 目：教育 部科学技术 重点项 目资助(9 9 1 0 4)作者简介：王海宝(1 9 6 6一)，男，辽宁大连人，重庆三峡学院讲师，重庆大学硕士研究生，主要从事机械设计及传动方面的研究 工作。M 响 叫 0 0 0 0 0 0 0 0 维普资讯 http:/ 第 2 5卷 第 5期 王 海宝 等：不同润 滑状 态下 塑料合金轴 承的摩擦 实验 载荷越大，产生 的塑性变形也越大，结果使得轴承界 面 上的实际接触面积增 大，导致单位 面积上承受 的压 力 反而减小，因而降低 了摩擦 系数。当载荷增 大到一定 量后，塑性变形 达到最大，这时实际接触 面积接 近表观 接触面积。达到此
7、种饱和程度时，当外载荷再增大，摩 擦力不再增加，因而摩擦系数呈现稳定值。载荷对磨损率的影响如图 2所示：干摩擦条件下，由于超高分子量聚乙烯塑料 的优 良耐磨性，合金轴 承 的磨损率是 比较小 的。随 负荷的增加 而稍有 增大，这 是因为载荷增大后，由于合金 的塑性变形，引起轴承界 面上的实际接触 面积增 大，使得 磨损量增加。但 由于 合金中的碳纤维是优 良的减摩 剂，它一 方面露在对摩 面上，承受 了部分载荷，同时在正压 力的作用下，被重 新嵌入 U H M W P E基体 中，减 少 了 U H MW P E被 直 接磨损的机会，从而提高 了材料的耐磨性；另一方 面，它管平 了对摩面，减小
8、了局部应力，使得磨损率 变得很 低：另外，随着 U H M W P E的不断磨损，石墨在 磨损 表面富积，形成 了优 良的固体润滑膜，从而进一 步降低 了磨损率。正是 由于上述 因素 的综 合作用，磨损 率 只 随负荷 的增加而稍有增 大。水 润滑条件下，磨屑进 入 水中，U H M W P E的 自润 滑 作 用 基 本 被 消 除，加 之 U H MWP E的吸水性很 低，水 的润滑性能 较差，磨损 表面 上的水膜动压润滑作用基本上不存在，结 果，磨损 率随负荷 的增加而增大。5 0 4 0 二 l 3 0 旨 2 0 l 0 0 l 0 0 2 00 30 0 4 00 50 0 6 0
9、0 P 图 2 磨 损率与载 荷的关 系 2)转动速度的影响 在载荷为 3 0 0 N，试验 时间为 3 0 n fi n的情况下，摩 擦系数随转动速度的变化如图 3所示：于摩擦时，摩擦 系数先随转动速度的增加 而减小，然后 又随转动速 度 的增加而增大，这是因为在较低的速度下，由于石墨的 润滑作用，摩擦 系数基本 上不 发生变化，仅 稍有降低；当速度较大时，石墨润滑膜被破坏，摩擦系数随着速度 的增大而呈现线性 上升。水润滑时，在较低的速 度下，由于水 可增强石墨的润滑性能，因此摩擦系数 比于摩 擦时低；当速 度较大时，水一石墨润滑膜被破坏，摩擦 系数与干摩擦时一样，随着速 度的增 大而呈现线
10、性 上 升。所 以，超高分子量聚 乙烯 塑料合 金轴承不宜在 高 速的情况下应用。0 1 8 0 1 6 0 1 4 01 2 01 0 08 0-0 6 0 04 0 02 O 1 00 20 0 3 00 40 0 5 00 6 00 nI rI1 1 I 11。l 图 3 摩擦 系数与转 动速度 的关 系 l0 0 2 00 3 00 4 00 50 0 6 00 n 1 1 m。1 图 4 磨 损 率 与 转 动 速 度 的 关 系 3)运行时间的影响 在载荷为 3 0 0 N，转 动速度为 3 0 0 r ra i n的实验 条 件下，于摩擦时，运行时 间对摩擦系数和磨损率的影响 如
11、图 5、图 6所示：摩擦系数 和磨损 先随运 行时间的增 长而降低。这是 由于刚启动时，系统处 于边 界润滑状 态，因而摩擦系数较 高，随着运行 时间的增长，摩擦 表 面的石 墨润滑膜逐渐形成，摩擦 系数 随之降低；同时，由于塑料 的导热性较差，摩擦 表面 的温 度随着 运行时 间的增长而升高，当温度超过超高分子 量聚乙烯塑料 的玻璃化温度时(如 图 5中的 6 08 0 ra i n)，合金 表 面 开始变软，摩擦 系数随温度的升高而变小；特别是温度 很高时(如图 5中的 8 0 r n l n以后)，合金材料表层熔化 会使摩擦系数变得很低，但磨损率 会因表层熔化 而急 剧增大(如图 6所示
12、)。水润滑时，摩擦 热很快被水带 走，轴承在运行一定时间后，摩擦表面的水石墨润滑膜 完全形成，因此摩擦系数和磨损率 随运行时间 的增 长 逐渐降低，最后趋于稳定值。O O O O O O O O O O O 0 _ g 维普资讯 http:/ 1 2 重庆 大学 学报(自然科 学版)2 0 O 2年 01 4 O 1 2 01 0 0 8 H 00 6 0 0 4 0 02 0 2 0 40 60 8 0 1 0 0 1 2 0 t mi n 图 5 摩 擦 系数与 运行时 间的关 系 25 0 2 0 0 1 5 0 1 O 0 5 O O 2 0 4O 6 0 8 O 1 0 0 1 2O
13、 t m i n 图 6 磨损 率与运行 时 间的关 系 3 结论 1)超高分子量聚乙烯塑料合金轴承不宜在高速的 情况下应用，同时干摩擦条件下不能长时间连续运行。2)同干摩擦 比较，超高分 子量聚乙烯 塑料合金轴 承水润滑时摩擦 系数降低，但磨损率增大。3)摩擦系数先 随转 动速度 的增加、载荷 的增大而 减小，然后又随速度的增加而增大，随载荷的增大而趋 于稳定值；并随运行时间的增长而降低。4)磨损率先 随滑动速度 的增 大、运行 时间的增长 而减小，然岳又随滑动速度 的增大而增大，随运行 时间 的增长而急剧上升；并随负荷的增加而只是稍有增大。参考文献：1 傅林 超高分子量聚乙烯的现状与展望
14、J 化工技术与 经济，1 9 9 9，1 7(1)：l 4 一l 6 2 尹德荟超高分子量聚 乙烯 的开发与应用 J 塑料，1 9 9 9，2 8(1 4)：l 6 2 3 3 益民译国外超高分子量聚乙烯 J 国外塑料，1 9 8 9，1 6 (2)：2 73 0 4 罗风辉超高分子量聚乙烯改性研究的进展 J 塑料开 发，1 9 9 3，2 1(1)：4 3 4 5 5 胡平 超高分子量 聚乙烯 填料改性 的研究 J 塑料，1 9 9 0，1 9(4)：l l l 6 6 M A RC U S C A T i l e s l i d i n g w e o r o f U l t r a H
15、i g h o l e e u l a r We i g h t P o l y e t h y l e n e i n a l l a c p m o u s e n v i r o n m e n t J We a r，1 9 9 4，1 7 8：l 72 8 1 7 WA N G A，S U N D C，S T A R K C，e t a 1 We a r e e h a n i s s o f U H WP E i n t o t a l p o i n t r e p l a c e m e n t l J J We ar，1 9 9 5，1 0 9：1 8 1 1 8 3；2 41
16、2 4 9 8 Y U M P L E S K A c H E v s l(Y，Z UlT S E V A L O x i d a t i o n a n d i t s i n fl u e n c e o n l o w p r e s s u r e P o l y e t h y l e n e w e a r l J J We ar，1 9 9 5，1 7 9：1 81 1 8 3：2 2 22 2 9 Fr i c t i o n a n d W e a r Ch a r a c t e r i s t i c s o f Pl a s t i c Al l o y Be a r
17、i n g s u n d e r Di ffe r e n t Lu b r i c a t i ng Co nd i t i o n WANG H a i b a o ，WU Gu a n g一 ，CHE N Zh a n (1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Me c h a n i c a l T r a n s m i s s i o n，C h o n g q i n g U n i v e r s i t y，C h o n g q i n g 4 O O O 4 4，C h i n a；2 C h o n g q i n g T
18、h r e e G o r g e s C o l l e g e，Wa n z h o u C h o n g q i n g 4 0 4 O O 0，C h i n a)A b s t r a c t：U l t r a H i g h M o l e c u l a r We i g h t P o l y e t h y l e n e(U H MW P E)i s a k i n d o f h i g h a n t i w e ar e n g i n e e ri n g p l a s t i c w i th ma n y e x c e ll e n t p h y s
19、i c a l an d me c h a n i c al p e r f o r ma n c es I t h as b e e n wi d e l y a p p l i e d i n the fi e l d o f mec h an i s m s u c h as b e a r i n g and p u mp E ff ect o f l o a d，s peed，t i m e o n f ri c t i o n and w e a r p r o per t i e s o f U l t r a Hi g h M o l ecu l ar We i g h t P
20、 o l y e thy l e n e(U H MW P E)p l ast i c a l l o y b e a r i n g s u n d e r d i ff e r e n t L u b ri c a t i ng C o n d i t i o n a r e s t u d i ed b y u s i n g 一2 0 0 mo d e l f ri c t i o n and t est i n g ma c h i n e卟 e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t wa t e r l u b ric a t i o n r
21、e d u c e s t h e f r i c t i o n c o e mc i e n t o f be a r i n g s b u t i n c rea s e s t h e we ar r a t e a s c o mp a r e d wi t h d r y f ric t i o nAt t h e s a l n e t i mewe a r me c h an i s ms a r e an aly z ed s y s t e mi c all yI t p r o v i d es a t h e o ret i c b a s i c f o r p r a c ti c al a p p l i c a t i o n o f p l ast i c a l l o y b e ar i n gs Ke y wo r d s：UHMW P E；b e ；f r i c t i o n；(责任编辑成孝义)维普资讯 http:/