溫濕度對(duì)多孔含油膠木保持架性能的影響

買(mǎi)楠楠，席博倫，李媛媛，董胤喆，孫小波

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)國(guó)家國(guó)際科技合作基地，河南 洛陽(yáng) 471039；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039)

多孔酚醛膠木管是以棉布為基材，酚醛樹(shù)脂為粘合劑，熱反應(yīng)型發(fā)泡劑為成孔劑，通過(guò)熱輾壓及燒結(jié)工藝成為管狀的復(fù)合材料[1]。將多孔酚醛膠木管按照尺寸要求加工成多孔膠木保持架，再經(jīng)清洗、干燥、真空浸油和去除浮油后，即可得到多孔含油膠木保持架。多孔含油膠木保持架利用棉纖維的毛細(xì)管作用吸收并儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，具有良好的儲(chǔ)油能力和摩擦性能[2]，在無(wú)額外供油的條件下，能夠有效緩釋潤(rùn)滑，實(shí)現(xiàn)航空、航天軸承的長(zhǎng)壽命、高精度和高可靠性[3-4]。

干燥的多孔膠木保持架材料具有較強(qiáng)的吸濕性，吸濕后保持架材料發(fā)生膨脹，其直徑增加0.2%～0.4%[5-6]，保持架浸油后，潤(rùn)滑油會(huì)與空氣中的水分進(jìn)行交換，依舊表現(xiàn)為吸濕性。復(fù)合材料的吸濕性[7-8]主要受溫度、濕度、應(yīng)力、介質(zhì)等因素的影響，多孔含油膠木保持架材料的吸濕性還與酚醛樹(shù)脂合成工藝及棉布支數(shù)有關(guān)。根據(jù)長(zhǎng)壽命軸承的應(yīng)用特點(diǎn)，保持架的含油率、尺寸、拉伸強(qiáng)度等參數(shù)都有設(shè)計(jì)范圍，即使保持架材料和潤(rùn)滑介質(zhì)均在存儲(chǔ)期內(nèi)，若保持架的性能參數(shù)及尺寸精度受溫、濕度影響超出設(shè)計(jì)范圍，也將對(duì)軸承的使用壽命產(chǎn)生不可預(yù)估的影響。

本文以新型多孔酚醛膠木管為研究對(duì)象[9]，研究溫濕度對(duì)多孔含油膠木保持架關(guān)鍵指標(biāo)的影響規(guī)律，為軸承設(shè)計(jì)人員和主機(jī)用戶提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證航空、航天長(zhǎng)壽命軸承的可靠性。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品制備

多孔酚醛膠木材料以酚醛樹(shù)脂為粘合劑，亞硝基類為發(fā)泡體系，使用100 支紗細(xì)平布基棉布，采用熱卷壓及固化發(fā)泡成孔方法制備多孔酚醛層壓布管材料。將管料按照尺寸要求粗車成保持架，經(jīng)高低溫穩(wěn)定處理和保持架預(yù)浸油工序后，有效釋放材料應(yīng)力，尺寸提前變化到量，再經(jīng)精車到位，得到多孔膠木保持架。將加工得到的成品多孔膠木保持架清洗后，于真空環(huán)境下浸入潤(rùn)滑油中，采用自制離心機(jī)在25 ℃，8 000 r/min 條件下對(duì)含油保持架進(jìn)行甩油，得到多孔含油膠木保持架。

1.2 試驗(yàn)儀器及材料性能測(cè)試方法

采用Autopore Ⅳ 9500 型高壓孔隙結(jié)構(gòu)儀測(cè)試保持架的孔徑和孔隙率；室溫環(huán)境(25 ℃)下，采用CMT6503型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣拉伸強(qiáng)度，測(cè)試件為與保持架內(nèi)外徑尺寸相同的試環(huán)，測(cè)試3 件，結(jié)果取平均值；采用VMS-4030G型軸承影像測(cè)量?jī)x測(cè)量保持架的內(nèi)外徑；采用MS105DU 型精密天平測(cè)試保持架浸油前、后的質(zhì)量，通過(guò)(1)式計(jì)算保持架的含油率；采用TSY-1109A 型運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀測(cè)試潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度。含油率及尺寸每組取平均值，保持架浸用油為4123 精密軸承潤(rùn)滑油，性能見(jiàn)表1。試驗(yàn)保持架取2 種典型尺寸并分別記為保持架A 和B，其初始尺寸及性能見(jiàn)表2。

表1 4123潤(rùn)滑油性能

表2 試驗(yàn)保持架初始尺寸及性能

式中：η為含油率；G1為試樣浸油后的質(zhì)量；G0為試樣未浸油時(shí)的質(zhì)量。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 溫度試驗(yàn)

將制備好的2 種多孔含油膠木保持架每10 件為一組置于烘干箱中，溫度分別選擇40，60，80，100 ℃，每個(gè)溫度點(diǎn)試驗(yàn)240 h，取樣周期為24 h，即每隔24 h 取出試驗(yàn)保持架，在干燥器中穩(wěn)定至室溫后測(cè)試保持架的含油率、內(nèi)外徑尺寸及拉伸強(qiáng)度。

1.3.2 濕度試驗(yàn)

將制備好的2 種(每種10 件)多孔含油膠木保持架置于溫度40 ℃，濕度98%的溫濕度箱內(nèi)，試驗(yàn)總時(shí)間為28 d，測(cè)量試驗(yàn)前后保持架的質(zhì)量改變率、內(nèi)外徑尺寸及拉伸強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度試驗(yàn)

2.1.1 溫度對(duì)保持架含油率的影響

不同溫度下多孔含油膠木保持架的含油率如圖1 所示：保持架A 初始含油率為11.58%，經(jīng)過(guò)240 h試驗(yàn)后，含油率在40，60，80，100 ℃時(shí)分別降至11.25%，11.10%，10.99%，10.84%；保持架B初始含油率為14.12%，經(jīng)過(guò)240 h 試驗(yàn)后，含油率在40，60，80，100 ℃時(shí)分別降至13.94%，13.85%，13.62%，13.51%。由表1 可知，潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度升高而降低，潤(rùn)滑油黏度降低，其在棉纖維毛細(xì)管中流動(dòng)性變大，保持架出現(xiàn)一定程度的出油現(xiàn)象，保持架含油率降低，因此試驗(yàn)初始時(shí)保持架含油率下降明顯，隨后趨緩，在第7—8天后基本不變，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在相同溫度條件下(如100 ℃)，與初始值相比，試驗(yàn)后保持架A 含油率下降了6.39%，保持架B 含油率下降了4.32%，這是由于保持架A 孔徑是保持架B 的1.9 倍，保持架材料孔徑越大，越易出油。

圖1 不同溫度下多孔含油膠木保持架的含油率

2.1.2 溫度對(duì)保持架尺寸的影響

多孔含油膠木保持架尺寸變化量隨溫度的變化如圖2所示：保持架A經(jīng)240 h溫度試驗(yàn)后，外徑變化量不大于0.015 mm，內(nèi)徑變化量不大于0.003 mm；保持架B 經(jīng)240 h 溫度試驗(yàn)后，外徑變化量不大于0.020 mm，內(nèi)徑變化量不大于0.010 mm。這是因?yàn)楸３旨蹷 外徑大于保持架A，變化量也較大。高低溫穩(wěn)定處理和保持架預(yù)浸油工序后，精車到位的保持架經(jīng)同一溫度試驗(yàn)后尺寸比較穩(wěn)定，不同溫度下保持架尺寸變化量隨溫度升高略有增大趨勢(shì)，但相比各自初始值，尺寸變化率不大于0.1%。

圖2 多孔含油膠木保持架尺寸變化量隨溫度的變化

2.1.3 溫度對(duì)保持架拉伸強(qiáng)度的影響

多孔含油膠木試環(huán)拉伸強(qiáng)度隨溫度的變化如圖3所示：保持架A 和B 經(jīng)240 h溫度試驗(yàn)后，拉伸強(qiáng)度均在1%以內(nèi)變化，基本穩(wěn)定。這是因?yàn)槎嗫追尤┠z木管固化保溫溫度大于110 ℃，酚醛樹(shù)脂凝膠固化和發(fā)泡劑的發(fā)泡達(dá)到同步，固化成孔，形成固定的孔徑和孔隙率，多孔含油膠木保持架的拉伸強(qiáng)度與孔隙率有關(guān)，隨著試驗(yàn)溫度升高，保持架孔隙率不變，拉伸強(qiáng)度基本穩(wěn)定。

圖3 多孔含油膠木試環(huán)拉伸強(qiáng)度隨溫度的變化

2.2 濕度試驗(yàn)

2.2.1 濕度對(duì)保持架含油率的影響

保持架A 和B 在40 ℃，98%RH 環(huán)境條件下存在一定程度的出油現(xiàn)象，但保持架吸濕后，微孔中的潤(rùn)滑油被空氣中的水取代，吸濕量大于出油量，保持架質(zhì)量增加，質(zhì)量改變率隨吸濕時(shí)間的變化如圖4所示：保持架A的質(zhì)量隨著在溫濕度箱中時(shí)間增加而增加，在初始的8 天內(nèi)質(zhì)量改變率達(dá)到0.40%，隨后緩慢增加，最終穩(wěn)定在0.45%，而未浸油保持架A在初始的8天內(nèi)質(zhì)量呈線性增長(zhǎng)，隨后平緩增加，最終基本保持在0.6%；保持架B 的質(zhì)量也隨著在溫濕度箱中時(shí)間增加而增加，在初始的6天內(nèi)質(zhì)量改變率快速達(dá)到0.15%，隨后緩慢增加，最終穩(wěn)定在0.17%，而未浸油保持架B 在初始的8 天內(nèi)質(zhì)量改變率呈線性增長(zhǎng)，隨后緩慢增加，最終保持在0.37%左右。

圖4 保持架質(zhì)量改變率隨吸濕時(shí)間的變化

由于多孔酚醛膠木材料的吸濕特性，保持架即使完全浸油后依舊發(fā)生吸濕現(xiàn)象。初期保持架材料與環(huán)境之間因較大的濃度梯度而快速擴(kuò)散吸濕，后期開(kāi)始吸收結(jié)合水，吸濕速度減慢，最終達(dá)到飽和。未浸油保持架比浸油后保持架吸濕量大，質(zhì)量改變率大，其中保持架A 未浸油的質(zhì)量改變率是浸油的1.3倍，保持架B未浸油的質(zhì)量改變率是浸油的2.2倍，這是由于未浸油保持架孔道豐富且富含親水性官能團(tuán)(如羥基)，具有較強(qiáng)的吸濕性，而浸油后保持架孔道充滿潤(rùn)滑油，吸濕速率減慢。保持架A 的質(zhì)量改變率是保持架B 的2.6 倍，這是由于保持架A的壁厚和孔徑均大于保持架B，水分子更易受材料內(nèi)外部的滲透壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)毛細(xì)管擴(kuò)散作用向材料內(nèi)部擴(kuò)散。

2.2.2 濕度對(duì)保持架尺寸的影響

保持架尺寸變化量隨濕度的變化如圖5所示：未浸油保持架A 外、內(nèi)徑變化率分別為0.30%和0.18%，未浸油保持架B 外、內(nèi)徑變化率分別為0.20%和0.09%；浸油后，保持架A 外徑比初始增大了0.035 mm，外徑變化率為0.11%，保持架A內(nèi)徑比初始增大了0.015 mm，內(nèi)徑變化率為0.05%，保持架B 外徑比初始增大了0.040 mm，外徑變化率為0.06%，保持架B 內(nèi)徑比初始增大了0.025 mm，內(nèi)徑變化率為0.04%。這是因?yàn)樗肿右徊糠滞ㄟ^(guò)擴(kuò)散進(jìn)入多孔膠木孔隙，主要集中在保持架表層的微孔中，另一部分與極性基團(tuán)鍵合，形成范德華力，使分子鏈加寬，體積增大，保持架外形發(fā)生變化，導(dǎo)致尺寸變化。

圖5 保持架尺寸變化量隨濕度的變化

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，多孔含油保持架吸濕后尺寸變化量與壁厚有關(guān)，保持架A 壁厚是保持架B 的1.6 倍，其內(nèi)部濕度梯度較大，各個(gè)方向呈現(xiàn)復(fù)雜的變形，因此無(wú)論是否含油，保持架A 內(nèi)外徑的變化率均大于保持架B。參照表2 保持架尺寸參數(shù)，多孔含油保持架吸濕后尺寸變化量在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

2.2.3 濕度對(duì)保持架拉伸強(qiáng)度的影響

28 天吸濕試驗(yàn)后，保持架A 和B 的拉伸強(qiáng)度均略有降低，保持架A 的拉伸強(qiáng)度從82.6 MPa 降至82.5 MPa，降低至初始的98.7%，保持架B 的拉伸強(qiáng)度從72.4 MPa 降至70.8 MPa，降低至初始的97.8%。多孔酚醛膠木材料由棉布纖維和酚醛樹(shù)脂組成，內(nèi)部分布微孔，固化過(guò)程中發(fā)泡劑的揮發(fā)存在隨機(jī)性，氣泡可能發(fā)生聚集或合并長(zhǎng)大，形成材料孔徑分布不均勻的現(xiàn)象；且固化后酚醛樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)具有熱穩(wěn)定性，分子中多為交聯(lián)密度高且結(jié)構(gòu)致密的樹(shù)脂，吸濕性能低于棉布纖維，使得酚醛樹(shù)脂基體與棉布纖維的體積膨脹不匹配，從而導(dǎo)致復(fù)合材料中局部應(yīng)力和應(yīng)變區(qū)的形成，因此多孔含油保持架吸濕試驗(yàn)后的拉伸強(qiáng)度有所降低。

3 結(jié)論

以新型多孔酚醛膠木管為研究對(duì)象，分析溫濕度對(duì)多孔含油膠木保持架各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的影響規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

1)多孔含油膠木保持架隨溫度升高出現(xiàn)一定程度的出油現(xiàn)象，試驗(yàn)初期含油率下降速率最大，隨后緩慢下降并趨于平穩(wěn)，含油率下降速率與初始含油率和孔徑有關(guān)，材料孔徑越大，出油量越大。隨溫度升高，多孔含油膠木保持架尺寸變化量略有增大趨勢(shì)，尺寸變化率不大于0.1%，拉伸強(qiáng)度變化浮動(dòng)在1%以內(nèi)。

2)多孔膠木保持架浸油后孔道充滿潤(rùn)滑油，吸濕速率慢于未浸油保持架。吸濕初期由于較大的濃度梯度，多孔含油膠木保持架質(zhì)量改變率增大，后期速度減慢，最終趨于飽和，質(zhì)量改變率與保持架壁厚和孔徑有關(guān)；保持架吸濕后內(nèi)外徑均有所增大，尺寸變化率不大于0.2%；保持架吸濕后拉伸強(qiáng)度降低，降低率不大于3%；高濕度對(duì)多孔含油膠木保持架尺寸和拉伸強(qiáng)度的影響大于溫度。