表面改性对水润滑轴承摩擦性能影响的研究

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水润滑轴承因其良好的环境相容性以及经济性,正越来越多的被使用于舰船尾轴承。但由于广泛使用的水润滑轴承材料多为非金属材料,其亲水性差,导热能力弱,摩擦性能以及耐泥沙性能差,这些缺点限制了水润滑轴承的实际推广应用。因此,对水润滑材料进行表面改性,改善其表面亲水性,提高其摩擦性能以及耐泥沙性,推广水润滑轴承在不同水域的使用就具有重要意义。为提高水润滑轴承的亲水性,以水润滑轴承用赛龙材料Thordon SXL为研究对象,采用激光加工技术在其表面制备不同尺寸参数的凹坑织构,使用接触角测量仪测量表面接触角,运用三维形貌仪、扫描电子显微镜对加工后表面形貌分别进行宏观和微观的测量及表征。选取ISO25178中部分三维参数分析表面形貌与润湿性之间的关系。建立凹坑织构几何模型,基于过渡理论分析凹坑形貌变化对表面接触角的影响机理。在摩擦试验机上,通过设置转速、载荷研究不同工况条件下,织构参数对试样摩擦系数及磨损量的影响。研究结果表明:合适的织构设计可以有效提高表面润湿性,减小接触角。织构直径和深度越大,材料表面的接触角越小。ISO25178三维参数体系中峭度Sk u、偏斜度Ss k与表面润湿性之间有较强的关联性,峭度Sk u越小,偏斜度Ssk越大,表面润湿性越好。表面接触角余弦值与粗糙度率的变化趋势一致,接触角随粗糙度率增加而降低。通过过渡模型建立了织构参数和接触角之间的函数方程,并通过拟合法对其进行了优化。合适的织构设计可以有效提高材料的摩擦性能,随着织构间距和激光功率的增大,其摩擦系数先减小后增大。为提高水润滑轴承的抗泥沙性能,以水润滑轴承用橡胶材料为对象,对其进行织构设计,并通过激光打标机在试样表面加工具有不同尺寸的织构。在UMT-2摩擦试验机上进行摩擦试验,通过调节其所受载荷、运行速度及水中泥沙的组成,研究在不同工况下表面织构对水润滑轴承摩擦学性能的影响。利用SEM、三维形貌仪对摩擦前后试样表面形貌及粗糙度进行检测和表征,分析粗糙度与摩擦系数的关系。利用非接触三维表面轮廓仪(Micro XAM-800)对摩擦后黄铜试样进行磨损量检测。利用EDS、金相显微镜对摩擦后上下试样进行元素分析及磨痕检测,并结合ANSYS Fluent软件进行润滑状态分析,分析其磨损机理。研究结果表明:织构化试样的表面粗糙度与摩擦系数之间呈正相关。橡胶轴承表面织构化对泥沙具有很好的截留作用,并对黄铜试样的磨损量有较大影响。织构化试样在水润滑条件下的磨损形式为粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损,磨损形式与织构参数及摩擦条件有关。为进一步提高水润滑轴承的亲水性,以水润滑轴承用橡胶材料为对象,通过在环氧树脂添加甲基丙烯酸缩水甘油酯在其表面引入双键活性基团,然后利用热引发自由基聚合技术在其表面接枝PVA/PVP/PAA TN水凝胶。在UMT-2摩擦试验机上进行摩擦试验,设置其滑动速度、载荷,研究不同工况条件下,表面接枝水凝胶对橡胶材料摩擦性能的影响。研究结果表明:水凝胶具有极好的亲水性,其内部具有孔隙结构,在润湿环境下的磨损过程中,由于外部载荷作用,储存在孔隙中的水被挤出,形成流体润滑,从而实现低摩擦系数在润湿条件下,相比于未处理橡胶试样,表面接枝水凝胶可以有效降低材料的摩擦系数。
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