張立保 徐行 陳阮鵬 陳浩 舒現(xiàn)維

摘要：多孔儲油自潤滑軸承由于其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)可以儲存并釋放潤滑介質(zhì)，具備良好的摩擦學(xué)性能。本試驗制備了不同孔隙直徑聚乳酸（PLA）多孔儲油結(jié)構(gòu)，考察了孔隙直徑大小對于多孔儲液材料摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：當試驗載荷和轉(zhuǎn)速一定時，多孔儲液自潤滑材料的摩擦系數(shù)隨著孔隙直徑的增加而升高，變化幅度也明顯升高。孔隙直徑的大小對于試樣摩擦系數(shù)峰值點、到達穩(wěn)定磨損的時間、磨損量也有一定的影響。

Abstract： Porous self-lubricating bearing has good tribological properties because of its internal pore structure， which can store and release lubricating media. Polylactic acid （PLA） porous oil storage structures with different pore diameters were prepared， and the effect of pore diameter on the tribological properties of porous reservoir materials was investigated. The results show that the friction coefficient of porous reservoir self-lubricating material increases with the increase of pore diameter and the variation range increases obviously when the test load and rotation speed are constant. The size of pore diameter also has some influence on the peak point of friction coefficient， the time to reach stable wear and the wear amount.

關(guān)鍵詞：多孔儲油;3D打印;孔徑;摩擦磨損

Key words： porous oil storage;3D Printing;pore size;friction and wear

中圖分類號：TB33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0089-03

0? 引言

多孔骨架結(jié)構(gòu)[1][2]在軸承中具有巨大的實際工程意義，其內(nèi)部有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可以存儲潤滑介質(zhì)。在工作狀態(tài)下由于熱效應(yīng)、毛細管效應(yīng)、離心力和泵吸效應(yīng)[3]，儲存在孔道內(nèi)的潤滑介質(zhì)連續(xù)滲出，在接觸面建立起有一定承載能力的、穩(wěn)定的潤滑介質(zhì)轉(zhuǎn)移膜，避免摩擦副的直接接觸，當工作停止后，由于孔隙的毛細力以及潤滑膜上下邊界壓力差[4]，潤滑油又被吸入到孔隙內(nèi)存儲起來，等待下一次工作析出，循環(huán)往復(fù)，從而延長材料的使用壽命。其自潤滑特性非常適用于供油困難與避免潤滑油污染、啟停頻繁的場合，如音響設(shè)備、微小型馬達、洗衣機、電風扇、縫紉機等[5]。

本文通過3D打印技術(shù)[6]制備出不同孔隙直徑（孔徑）的聚乳酸（PLA）多孔儲油材料，研究孔隙直徑大小對多孔儲油材料的析出特性以及摩擦學(xué)性能。這項工作為多孔儲油自潤滑軸承孔隙結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計[7]提供了理論指導(dǎo)，也為以后繼續(xù)開展多孔儲儲油自潤滑軸承的潤滑承載機理的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

1? 材料制備以及實驗設(shè)計

1.1 試驗材料制備

本次試驗采用直徑為1.75mm的聚乳酸（PLA）線材， PLA材料密度：1.25g·cm-3，抗拉強度：54MPa，屈服強度：70MPa，彈性模量：348MPa。

通過A3S-3D打印機（廣州市萬標電子科技有限公司）制備摩擦試樣，打印機參數(shù)設(shè)置如，打印溫度：195℃，打印速度20mm/s，填充率：100%。多孔儲液試樣孔隙深度h為3mm，試樣設(shè)計參數(shù)如表1。將制備好的PLA多孔試樣置于超聲波清洗器中清洗，然后置于干燥箱中50℃干燥5小時后。在真空泵（飛躍FY-1C-N）內(nèi)抽取真空，排清內(nèi)部孔隙中的氣體，隨后浸油24h，目的為了使內(nèi)部孔隙在大程度上接近飽和，用棉布擦掉材料表面吸附的油液，得到不同孔隙參數(shù)的PLA多孔儲油材料。

1.2 摩擦試驗設(shè)計

試驗在MM-2H輕型環(huán)塊摩擦磨損試驗機（濟南恒旭試驗機有限公司）進行，選用#45作為摩擦對偶環(huán)，對摩環(huán)外徑為40mm，式樣尺寸為14mm×7mm×6mm，測試前將摩擦試樣和對偶環(huán)用2000目砂紙打磨并用丙酮清洗干凈，實驗溫度為室溫，試驗載荷為40N，試驗轉(zhuǎn)速為150r/min，測試時間為30min。利用三維形貌儀（美國NANOWEA公司生產(chǎn)）觀察樣品磨損表面形貌特征。

2? 結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)分析

圖1（a）-圖1（e）有孔試樣的摩擦系數(shù)曲線圖。在孔隙直徑小于1.0mm時，試樣的峰值點依次為0.024、0.031、0.032，呈遞增趨勢，這是由于孔徑較小，初始階段內(nèi)孔隙內(nèi)儲存的潤滑油還未參與到潤滑界面或者極少量參與到潤滑界面，隨著孔徑的增大，實際接觸面積降低，真實接觸壓力增大，表現(xiàn)為峰值點較高。當孔隙直徑大于1.0mm時，摩擦系數(shù)的峰值點分別為0.030、0.027，此時峰值點逐步下降，這是由于孔徑較大，毛細力較低，孔隙內(nèi)的潤滑液析出量增加，降低摩擦系數(shù)。

圖1（a）-圖1（e）中“一”階段表示為摩擦系數(shù)從峰值點開始下降到進入穩(wěn)定磨損期。這個階段由于孔隙中貯存的油液在泵吸力、溫度以及離心力的驅(qū)動作用下從孔隙中滲出到摩擦副表面，參與潤滑，導(dǎo)致有孔試樣摩擦系數(shù)快速下降。值得注意的是隨著孔隙直徑的增加，摩擦系數(shù)進入穩(wěn)定磨損時間也越來越早，依次為880s、810s、750s、300s、290s。這是因為隨著孔隙直徑的增加，導(dǎo)致毛細力的降低，孔隙內(nèi)的潤滑油更容易析出到摩擦面參與潤滑，從而降低摩擦系數(shù)。圖1（c）-圖1（e）中試樣的摩擦系數(shù)存在二次上升，其中“①”、“②”、“③”，二次下降的現(xiàn)象，這可能是因為孔隙內(nèi)的油液不連續(xù)析出造成的。另外可以預(yù)測如果運行時間足夠長，當孔隙內(nèi)的潤滑油完全消耗掉、磨屑堵塞孔隙“喉道”，或者潤滑液沒有足夠的驅(qū)動力析出到摩擦副表面時，摩擦系數(shù)會再次升高，產(chǎn)生第三次上升現(xiàn)象。

圖1所示，穩(wěn)定磨損階段有孔試樣的摩擦系數(shù)隨著孔隙直徑的增加，依次為0.0125、0.0144、0.0151、0.0162、0.0200。這是因為隨著孔隙直徑的增大，摩擦副接觸面積減少，實際接觸應(yīng)力增加，同時，孔隙個數(shù)的減少，減弱了試樣磨屑存儲能力。

2.2 磨損形貌和磨損率分析

圖2、圖3所示為摩擦試驗后試樣的磨損表面形貌圖和輪廓算術(shù)平均偏差（Sa）、峭度（Sku），Sa值表征表面粗糙度，可以反映試樣的摩擦磨損情況，Sku值表示粗糙峰的尖銳程度。圖3（a）所示，Sa值隨著孔徑的增加而先升高再降低，其中孔徑1.0mm時最大為30.423μm，而孔徑1.4mm時，Sa為8.584μm。這說明適當?shù)目讖娇梢杂行Ы档驮嚇拥哪p，提高耐磨性。圖3（b）Sku值表示粗糙峰的尖銳程度，隨著孔徑的增加，試樣的Sku值呈上升的趨勢，粗糙峰尖銳度越高，越加劇磨損。

圖4為不同孔徑和孔距的多孔儲液試樣在本試驗條件下的平均磨損量。在孔徑小于0.8mm的時候，磨損量比較大，而當孔徑大于0.8mm磨損量大幅降低，其中孔徑1.0mm與孔徑0.6mm相比，磨損量降低了78.7%。這是因為孔徑的增加，孔隙密度降低，粗糙度降低。表明適當?shù)目讖侥芙档湍p，起到良好抗磨效果。

3? 結(jié)論

①利用A3S-3D打印機打印試樣，體積偏差率隨著打印溫度的升高而增加，打印速度的增加則會導(dǎo)致缺陷孔的數(shù)量的增加。經(jīng)過驗證，本試驗的最佳打印速度：20mm/s，打印溫度：195℃，試樣的成型精度最高。

②在相同工況下，多孔儲液自潤滑材料的摩擦系數(shù)和峰值點隨著孔隙直徑的增加先升高再降低，在孔隙直徑比較大時候，摩擦系數(shù)存在二次下降，二次上升的情況，證明了潤滑液在多孔儲液介質(zhì)中的滲流特性隨孔隙直徑參數(shù)不同而改變，呈現(xiàn)非連續(xù)性。選擇適當?shù)目讖酱笮】梢詼p小磨損，改善潤滑狀態(tài)，本試驗?zāi)p量降低最高可達78.7%。因此有必要將孔隙直徑設(shè)計作為多孔儲液自潤滑軸承的一個重要考慮因素。

參考文獻：

[1]王野平，王成燾.天然關(guān)節(jié)及人工關(guān)節(jié)的潤滑機理探討[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2001（04）：603-607.

[2]周海宇.關(guān)節(jié)軟骨的生物摩擦學(xué)機理研究[D].上海交通大學(xué)，2014.

[3]邱優(yōu)香，王齊華，王超，王廷梅.結(jié)構(gòu)可控多孔聚酰亞胺含油薄膜的制備及性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2012，32（05）：480-485.

[4]趙華俊.采用多孔聚酰亞胺提高滾動軸承貧油潤滑性能的研究[D].南京航空航天大學(xué)，2017.

[5]范澤文，趙新宇，邱帥，王艷，郭靜，權(quán)慧欣，徐蘭娟.聚乳酸/聚乙二醇/羥基磷灰石多孔骨支架的3D打印制備及其生物相容性研究[J/OL].材料工程，2020（09）：1-9.

[6]Xiaomei Sun， Tao Zeng， Yikai Zhou， et al. 3D printing of porous SiC ceramics added with SiO 2 hollow microspheres. 2020， 46（14）：22797-22804.

[7]張衛(wèi)紅，孫士平.多孔材料/結(jié)構(gòu)尺度關(guān)聯(lián)的一體化拓撲優(yōu)化技術(shù)[J].力學(xué)學(xué)報，2006（04）：522-529.