楊育林，谷大鵬，齊效文，鄧 偉

（燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

自潤滑關(guān)節(jié)軸承由帶有內(nèi)球面的外圈、帶有外球面的內(nèi)圈以及內(nèi)、外球面之間的自潤滑襯墊組成。自潤滑襯墊復合材料大致又分為金屬背襯層狀復合材料、聚合物及其填充復合材料和PTFE纖維織物復合材料（即織物自潤滑襯墊）3類。織物自潤滑襯墊由PTFE纖維與芳綸、碳纖維、玻璃纖維等通過不同的編織方式編織，并在酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、氰丙烯酸酯等樹脂中浸漬，從而形成一種致密的結(jié)構(gòu)，黏結(jié)在關(guān)節(jié)軸承外圈內(nèi)表面?？椢镒詽櫥r墊工作面以摩擦系數(shù)很低的PTFE纖維為主，背面則以強度高、易于黏結(jié)在軸承外圈的其他纖維為主。織物自潤滑關(guān)節(jié)軸承具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于裝拆，承載能力高，壽命長，轉(zhuǎn)動靈活，免維護等特點，并且具有很強的可設(shè)計性，可以根據(jù)具體的工作條件采用合適的編織方式，選用合適的編織材料和基體材料。因此，在軍用和民用直升機及固定翼飛機等需要高承載能力、免維護、抗微動損傷等場合得到了廣泛應用；而在戰(zhàn)車、公共交通、越野裝備、海洋裝備、賽車等領(lǐng)域也得到越來越多地應用。

1 發(fā)展歷程

20世紀50年代中期，織物自潤滑襯墊即因關(guān)節(jié)軸承自潤滑功能的需求應運而生［1］。文獻［2-3］發(fā)明了一種由具有低摩擦系數(shù)的纖維構(gòu)成的織物型自潤滑材料，通過合適的編織方式，使大部分摩擦系數(shù)低的纖維位于襯墊的工作面，黏結(jié)性能好的纖維處于黏結(jié)面，并采用熱固性樹脂將織物黏結(jié)成一體，以提高其抗磨及承載能力。文獻［4］也提出了一種編織結(jié)構(gòu)潤滑材料。文獻［5］發(fā)明了一種低摩擦系數(shù)的織物軸承，軸承摩擦工作面為TFE纖維織物復合材料。文獻［6］采用PTFE纖維織物或其他一些自潤滑材料的纖維織物制成自潤滑襯墊，其能夠適應更高的速度，且工作壽命更長。SKF公司在其新推出的TX自潤滑關(guān)節(jié)軸承中所用的新型自潤滑襯墊，通過改進織物結(jié)構(gòu)和基體材料使其在剛度、抗磨、減摩和抗潮濕性能以及襯墊的工作壽命方面都有很大的提高。RBC公司新推出的UNIFLON?自潤滑襯墊也有著優(yōu)異的性能，主要適用于低速、重載的工作條件，同時還適合與鋼、鋁、鈦等組成摩擦面［7］。總體上，國外對于織物自潤滑襯墊的研究技術(shù)已經(jīng)比較成熟。國內(nèi)從20世紀80年代中期才著手這方面的研究，雖然已經(jīng)取得了一些成果，但是與國外相比還有一定差距［8］。

2 性能影響因素

2.1 載荷、速度、溫度等工況條件

織物自潤滑襯墊在重載磨損過程中會在關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈接觸面之間形成PTFE轉(zhuǎn)移膜，減少了接觸面的剪切應力，從而明顯降低軸承內(nèi)、外圈之間的摩擦系數(shù)。隨著關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)速的增加，軸承的磨損量也在不斷增加。同時，轉(zhuǎn)移膜也會不斷地被擠向兩邊，PTFE自潤滑層不斷地減少，因此在磨損過程中軸承摩擦系數(shù)也在緩慢增加，直到PTFE自潤滑層被消耗完畢，軸承失效為止。隨著載荷的增加，織物自潤滑襯墊的摩擦系數(shù)逐漸減小，磨損率則逐漸增加。而滑動速度越高，摩擦系數(shù)和磨損率均越小，分析認為［9］：一方面，高速下磨損表面被迅速拋光，從而起到降低摩擦系數(shù)的效果；另一方面，相同時間內(nèi)，磨損深度雖然隨著滑動速度的升高而增加，但是滑動距離同樣增加，因此滑動速度增加，磨損率反而降低。文獻［10］考察了PTFE纖維織物在溫度（120±5）℃和（-45±5）℃下的擺動摩擦性能，指出溫度對纖維織物摩擦表面層物理狀態(tài)產(chǎn)生影響，進而對織物磨損表面和磨屑的形貌產(chǎn)生影響。120℃時，摩擦熱使表面層發(fā)生軟化并逐漸產(chǎn)生嚴重的塑性變形和黏著磨損，在長時間摩擦過程中，織物表面纖維與偶件軸的摩擦面積增大，同時形成的犁溝也更寬更深，由于表面層軟化所發(fā)生的犁削和磨損比常溫下嚴重。-45℃時，織物纖維及滲膠構(gòu)成的表面微凸體在與偶件軸摩擦時，發(fā)生黏著轉(zhuǎn)移或犁削剝離，形成磨屑，磨損較大。文獻［11］研究了自潤滑襯墊在室溫和高溫下的摩擦磨損特性，發(fā)現(xiàn)高溫時磨損率大概比室溫時的大2個數(shù)量級。

2.2 增強纖維

織物自潤滑襯墊由摩擦系數(shù)低的PTFE纖維與增強纖維，即芳綸、碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維編織而成。工作時，PTFE纖維起潤滑作用，而增強纖維則起承受載荷和提高黏結(jié)性能等作用［12］。一般來說，芳綸纖維織物復合材料的耐磨性能優(yōu)于碳纖維織物復合材料，而碳纖維織物復合材料的減摩性能優(yōu)于芳綸纖維織物復合材料［13］。

2.3 織物組織

通常按設(shè)計的織造密度，將組合纖維紡織成平紋、斜紋或緞紋等不同組織的織物［12］。3種織物組織各有特點，平紋組織因為經(jīng)緯紗線每隔一根紗線就交織一次，因而交織點最多，紗線屈曲次數(shù)最多，織物堅牢、耐磨，但彈性較小；斜紋組織經(jīng)緯紗線交織次數(shù)比平紋少，使經(jīng)緯紗線間的空隙較小，紗線可緊密排列，從而織物密度較大，織物較為厚實，彈性比平紋好，但由于紗線浮長較長，因此，在紗線粗細、密度相同條件下，耐磨性、堅牢度比平紋織物差；緞紋組織由于交織點相距較遠，單獨組織點被兩側(cè)浮長線覆蓋，正面看不出明顯交織點，因而織物表面平滑，質(zhì)地柔軟，懸垂性較好，但耐磨性較差?？椢镒詽櫥r墊作為紡織結(jié)構(gòu)復合材料，不同組織的織物襯墊表面PTFE含量不同，且織物組織對自潤滑襯墊的力學性能和摩擦性能有著重要影響。研究表明：平紋組織織物可以將PEI的抗磨損性能提高將近3倍，且摩擦系數(shù)較低，高載時與純PEI和其他兩種組織的織物增強PEI相比，摩擦系數(shù)減小了將近50%；而斜紋組織織物增強PEI的抗磨能力很差。這些聚合物的機械特性和磨損特性無必然聯(lián)系，說明影響磨損的因素是織物組織，與機械特性無關(guān)。文獻［14］認為不同組織的織物聚合物對磨屑的容納能力不同也是導致聚合物摩擦磨損特性不同的原因，平紋組織容納磨屑能力最好，有最好的抗磨性能，緞紋組織容納磨屑能力最差，故抗磨性能最差。

2.4 黏合劑（樹脂）

由于基體材料需具有抗熱變形的性能，所以通常選用熱固性樹脂［2］。可以作為黏合劑的樹脂有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、硅樹脂等［15］。關(guān)于樹脂對織物襯墊性能的影響，一些研究表明樹脂作用不明顯，另一些研究卻有相反的看法［16］。文獻［15］考察了聚酰亞胺樹脂、改性環(huán)氧樹脂、酚醛-縮醛樹脂和環(huán)氧樹脂4種黏合劑對芳綸／PTFE纖維織物承載能力和摩擦學性能的影響，發(fā)現(xiàn)4種黏合劑和織物的黏合強度與織物薄層復合材料的承載能力及摩擦磨損之間并無對應關(guān)系。黏合強度高的聚酰亞胺黏合劑同織物組成的薄層復合材料并未顯示出良好的承載能力和耐磨性，而酚醛樹脂黏合劑同織物組成的薄層復合材料具有最好的摩擦學性能。

2.5 底材

織物自潤滑襯墊采用合適的模具，經(jīng)過加壓、固化等工藝，黏結(jié)在關(guān)節(jié)軸承外圈（底材）內(nèi)表面，底材的材質(zhì)和性能將影響其導熱性和承載能力等。采用聚合物底材時，織物復合材料的承載能力和耐磨性低于金屬底材，除聚合物硬度低外，導熱性差也是影響其承載能力和耐磨性的原因，但是聚合物外圈關(guān)節(jié)軸承與金屬外圈關(guān)節(jié)軸承相比具有接觸時不易發(fā)生電化學腐蝕，質(zhì)量輕，成本低，易黏結(jié)等優(yōu)點［15］。

2.6 織物表面處理

由于大多數(shù)纖維織物表面具有化學惰性，導致纖維織物與底材的黏結(jié)性不好，應用受到限制，因此許多研究者致力于通過表面處理技術(shù)，提高織物的黏結(jié)性能，從而改善襯墊的摩擦學性能。其中，等離子體處理、陽極氧化、濃酸處理、化學枝節(jié)、涂層處理技術(shù)應用較多［17-19］。等離子體處理可以在纖維織物的表面產(chǎn)生大量活性基團，使表面活性元素的含量明顯增多，纖維織物的浸潤性增大，提高了其與黏合劑的結(jié)合強度和結(jié)合量，增強了織物纖維束間的結(jié)合力；固化后與黏合劑構(gòu)成很好的整體材料，增強了纖維束抗變形和抗斷裂能力，使載荷和摩擦力可以平均分配在纖維上，避免應力集中，從而提高纖維織物復合材料的摩擦學性能和力學性能［17，20-21］。研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維織物 采 用HNO3／H2SO4混 合 酸 氧 化 改 性［22］，Nomex纖維織物進行水解／接枝處理［18］，芳綸織物經(jīng)丙酮、蒸餾水清洗及等離子體處理［19］，碳纖維織物／酚醛樹脂表面沉積SiO2薄膜［23］，碳纖維織物聚合物進行強HNO3刻蝕、等離子轟擊、陽極氧化3種表面處理［24］，均能明顯提高纖維織物復合材料的摩擦磨損性能。

2.7 填充劑改性

最初，在聚合物中添加填充劑（填料）的目的在于增量和降低成本，但是隨著聚合物復合材料的發(fā)展，人們認識到很多填充劑由于具有特殊的物理化學性質(zhì)，能改善聚合物的力學性能（如硬度、剛度、抗壓強度、抗拉強度、抗沖擊強度等）、加工性能和熱性能等［25］。近年來隨著納米技術(shù)在摩擦學中的應用日益廣泛，且納米微粒本身具有奇異的表面效應及量子尺寸效應，納米填料的物理和化學特性不同于常規(guī)微米填料，因此在織物復合材料中填充納米粒子，如Al2O3，CaCO3，TiO2等對織物復合材料進行改性，同樣成為當前的一個研究熱點。填充劑在聚合物復合材料中的作用，概括起來就是增量、增強和賦予新功能［26］。文獻［27］研究指出，采用加有質(zhì)量分數(shù)w（Sb2O3）＝10%的酚醛樹脂膠液浸漬處理的混合織物，其磨損率下降，摩擦系數(shù)在不同載荷和溫度下減小；而填充氰尿酸三聚氰胺則加速了摩擦磨損。文獻［28］研究表明，添加一定量的納米SiO2可以顯著提高玻璃纖維／PTFE纖維混雜織物的抗磨性能和承載能力，并且在較高的載荷下可以提高其減摩性能。文獻［29］對聚四氟蠟（PFW）填充Kevlar纖維織物復合材料的摩擦磨損性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)當w（PFW）＝20%時，Kevlar纖維織物復合材料的摩擦系數(shù)減小75%，磨損率降低82%，Kevlar纖維織物復合材料的減摩抗磨性能最佳。文獻［30］將石墨粉體加入到碳纖維織物／酚醛樹脂復合材料中，明顯提高了聚合物的抗磨性能。

2.8 對偶面

多年來人們一直認為在地面運輸懸掛系統(tǒng)以及直升機飛行控制和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等低應力、高頻率、小振幅工作場合所使用的織物自潤滑襯墊，其對偶面應具有極高硬度和表面光潔度［31-33］。對偶面采用極高硬度的初衷是，防止較硬材料的碎屑（如來自襯墊的樹脂微粒以及來自對偶面的金屬微粒）劃傷對偶面，因為一旦損壞了對偶面的光潔度，那些不規(guī)則或粗糙區(qū)域就會進一步損傷襯墊，產(chǎn)生更多的襯墊碎屑，導致軸承游隙增加，進而導致軸承壽命降低［31］。因此，針對不同的內(nèi)圈材料，對內(nèi)圈外球面要采用不同的特殊工藝處理，如表面磷化、鍍鉻等，以提高其摩擦學性能［12，34］。文獻［6］在鈦合金內(nèi)圈的外球面形成一層氮化物滲透層，通過加工使表面粗糙度低于18 nm。文獻［35］通過PVD方法在鈦合金內(nèi)圈外球面形成一層TiN處理層。為了提高自潤滑關(guān)節(jié)軸承的性能，文獻［36］提出內(nèi)圈用陶瓷材料，使其與織物自潤滑襯墊形成的工作副有更優(yōu)異的性能。SKF公司已經(jīng)為直升機生產(chǎn)廠家提供了內(nèi)圈外球面鍍有極高硬度的陶瓷涂層的自潤滑關(guān)節(jié)軸承，在外圈內(nèi)球面粘有PTFE／玻璃纖維編織的復合襯墊，這種自潤滑關(guān)節(jié)軸承承載力更大、壽命更長，主要應用于直升飛機的主級和次級飛行控制系統(tǒng)［37］。

3 性能評價指標

由于織物自潤滑襯墊的性能受工況條件、制備工藝等諸多因素的影響，且織物自潤滑襯墊直接影響著織物自潤滑關(guān)節(jié)軸承的耐沖擊、長壽命、自潤滑等特性，因此對織物自潤滑襯墊綜合性能進行預測和評價顯得尤為重要。文獻［38-39］分別對低速擺動條件下，織物自潤滑襯墊性能提出了詳細的評價指標。文獻［38］對織物自潤滑襯墊的黏結(jié)和磨損性能要求如下：黏結(jié)強度應不小于0.35 N／mm；環(huán)境溫度為常溫、163，-23℃以及液體浸泡后，軸承運轉(zhuǎn)25 000周擺動試驗時，襯墊磨損量分別小于0.11，0.15，0.20和0.15 mm。目前，對于織物自潤滑襯墊性能指標的評價，通常通過大量的臺架試驗，模擬關(guān)節(jié)軸承在實際應用中的典型工況條件，考察織物自潤滑襯墊的承載能力及摩擦磨損性能，以便于對織物自潤滑襯墊壽命進行預測，對織物襯墊的設(shè)計和發(fā)展提供參考。

4 研究展望

近年來，隨著自潤滑關(guān)節(jié)軸承越來越廣泛的應用，織物自潤滑襯墊的摩擦磨損性能得到了更多的關(guān)注。未來織物自潤滑襯墊可從以下方面進行研究：

（1）進一步研究織物自潤滑襯墊摩擦、磨損和潤滑機理，針對不同工況條件，優(yōu)化織物襯墊的材料、結(jié)構(gòu)、制備及黏結(jié)工藝等，以提高織物自潤滑襯墊的承載能力、熱傳導性能、減摩抗磨性能，從而提高織物自潤滑關(guān)節(jié)軸承的可靠性，延長使用壽命。

（2）逐步制定并完善織物自潤滑襯墊試驗評價標準及試驗評價規(guī)范，研制并建立織物自潤滑襯墊專用試驗平臺，提高織物自潤滑襯墊的評價方法和手段。

（3）采用有限元等手段對織物自潤滑襯墊建立熱力學和動力學模型，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，進行仿真研究。