齒輪油抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后摩擦學(xué)性能變化分析

周康，王玉玲，李靈威，李旭

(1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060;2.中國(guó)石油潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

嚙合齒面在混合或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)條件下，特別在沖擊負(fù)荷下會(huì)造成齒面局部溫度升高，油膜或化學(xué)反應(yīng)膜破裂導(dǎo)致金屬表面直接接觸，金屬材料逐漸剝落，產(chǎn)生非常微小的裂紋或凹坑，深度約為10～20 μm，即微點(diǎn)蝕現(xiàn)象。齒面若出現(xiàn)了這種現(xiàn)象仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但其最終可能發(fā)展為點(diǎn)蝕、剝落而導(dǎo)致齒輪失效[1-2]。風(fēng)電、造船等行業(yè)的齒輪油普遍存在過(guò)載、應(yīng)力集中、有沖擊負(fù)荷等苛刻工況，容易產(chǎn)生微點(diǎn)蝕現(xiàn)象。事實(shí)上，微點(diǎn)蝕已成為影響低速重載齒輪傳動(dòng)精度，使用壽命及運(yùn)行可靠性的一個(gè)重要影響因素。國(guó)外不少研究表明，微點(diǎn)蝕現(xiàn)象與潤(rùn)滑介質(zhì)密切相關(guān)[3-4]。

從潤(rùn)滑角度看，齒輪油是影響齒面產(chǎn)生微點(diǎn)蝕現(xiàn)象的關(guān)鍵因素之一。關(guān)于油品及不同添加劑對(duì)抗微點(diǎn)蝕性能的影響的報(bào)道較多[5]，但有關(guān)齒輪油在抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后性能的變化研究甚少。本文采用FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)考察齒輪油的抗微點(diǎn)蝕性能，并對(duì)油品試驗(yàn)前后的摩擦學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。采用MRS-1J四球摩擦試驗(yàn)機(jī)、SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品抗磨性能的變化，采用VKA 110四球試驗(yàn)機(jī)、EHD2油膜厚度測(cè)定儀測(cè)試抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品減摩性能的變化，以期為抗微點(diǎn)蝕齒輪油的開(kāi)發(fā)提供思路和參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

研究用的某齒輪油編號(hào)為GO-1，其主要理化性能見(jiàn)表1。

表1 研究用齒輪油的主要理化性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 FZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)

采用德國(guó)STRAMAMPS公司生產(chǎn)的FZG 試驗(yàn)機(jī)，按FVA 54方法測(cè)試油品的抗微點(diǎn)蝕性能。試驗(yàn)條件為：噴霧潤(rùn)滑，用油25 L，溫度為90 ℃，齒輪轉(zhuǎn)速為1440 r/min, 小齒輪線速度為8.3 m/s。試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：負(fù)荷級(jí)包括5、6、7、8、9、10 共六級(jí)測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)間16 小時(shí)/ 級(jí)；耐久性包括 8級(jí)和10級(jí)，8級(jí)做一次，10級(jí)做五次，試驗(yàn)時(shí)間80 小時(shí)/ 級(jí)。每級(jí)測(cè)試完成后測(cè)試齒廓偏差(μm)和微點(diǎn)蝕面積(%)。

1.2.2 四球機(jī)試驗(yàn)

采用MRS-1J四球摩擦試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 3142《潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法(四球法)》測(cè)定油品的最

大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB)、燒結(jié)負(fù)荷(PD)和綜合磨損指數(shù)(ZMZ)；按NB/SH/T 0189《潤(rùn)滑油抗磨損性能測(cè)定法(四球機(jī)法) 》測(cè)定油品的磨斑直徑。采用MMW-1 型四球機(jī)按SH/T 0762《潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)測(cè)定法(四球法)》測(cè)定油品的摩擦系數(shù)μ。

1.2.3 SRV摩擦磨損試驗(yàn)

圖2為該器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(反向柵壓掃描)和輸出特性曲線,器件的最小亞閾值斜率為0.95 V/dec,具有約6.5個(gè)開(kāi)關(guān)比,器件的最大遷移率約為3 cm2/(V·s)。該器件的輸出特性曲線如圖2(b)所示。在坐標(biāo)原點(diǎn)附近,其轉(zhuǎn)移特性曲線基本呈直線,表明該器件的源、漏金屬/半導(dǎo)體接觸質(zhì)量較好;但仍有微小的整流特性,表明源、漏接觸區(qū)域存在一定的肖特基勢(shì)壘。通過(guò)適當(dāng)?shù)耐嘶鸹蚱渌麅?yōu)化處理,可以進(jìn)一步減小肖特基勢(shì)壘[8]。

采用德國(guó)OPTIMOL公司生產(chǎn)的SRV4高頻往復(fù)線性振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，按NB/SH/T 0847《極壓潤(rùn)滑油摩擦磨損測(cè)定 SRV試驗(yàn)機(jī)法》測(cè)定油品的磨斑直徑，試驗(yàn)條件為：負(fù)荷200 N, 頻率為50 Hz，時(shí)間為2 h，溫度為80 ℃，行程1 mm。

1.2.4 三維形貌測(cè)試

將油品經(jīng)四球磨損試驗(yàn)后的鋼球用石油醚清洗，采用AEP Technology公司生產(chǎn)的NanoMap-D 雙模式三維表面形貌儀測(cè)試鋼球磨痕的表面形貌。

1.2.5 EHD2油膜厚度測(cè)定試驗(yàn)

采用英國(guó)PCS公司生產(chǎn)的EHD2油膜厚度測(cè)定儀，測(cè)試油品在90 ℃，載荷25 N情況下的油膜厚度。

1.2.6 溫升試驗(yàn)

采用德國(guó)Hansa Press公司生產(chǎn)的VKA 110四球試驗(yàn)機(jī)測(cè)試油品的溫度變化情況。試驗(yàn)條件：軸承浸泡在38 mL被測(cè)油品中，轉(zhuǎn)速4000 r/min，載荷5000 N，時(shí)間為120 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)

分別將GO-1油品在FZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，每級(jí)測(cè)試完成后，齒輪表面輪廓偏差和齒輪表面微點(diǎn)蝕測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)用齒輪油的FZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.2 理化性能的變化

將抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后的GO-1和GO-2油品進(jìn)行理化測(cè)試。結(jié)果如表3所示。

表3 抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后的油品理化性能變化

潤(rùn)滑油的組成非常復(fù)雜，但從組成角度上看，它主要是由飽和烴、芳烴和膠質(zhì)三組分構(gòu)成?？紤]到抗微點(diǎn)蝕臺(tái)架試驗(yàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，首先考慮有油品組成是否會(huì)發(fā)生顯著變化，其次要關(guān)注反映油品老化衰敗程度的酸值和不溶物的變化。從表3可以看出，試驗(yàn)前后齒輪油組分包括飽和烴、芳烴和膠質(zhì)基本上沒(méi)有發(fā)生較大變化，說(shuō)明FZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)并沒(méi)有破壞油品的結(jié)構(gòu)組成；酸值從0.67 mgKOH/g變化到0.69 mgKOH/g，變化很小，甲苯不溶物和戊烷不溶物也沒(méi)發(fā)生顯著變化，說(shuō)明油品并沒(méi)有明顯的氧化作用。

2.3 抗磨性能的變化

2.3.1 四球和SRV摩擦磨損試驗(yàn)

極壓抗磨性是齒輪油具備的最主要的性能之一，是防止齒輪運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生齒面磨損、擦傷、膠合等破壞形式的性能。表4列出了FZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品極壓抗磨性能的對(duì)比，包括四球試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的油品最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB值、燒結(jié)負(fù)荷PD值、綜合磨損指數(shù)ZMZ及磨斑直徑和SRV試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的垂直、水平和平均磨斑直徑。

表4 抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品的極壓抗磨性能變化

由表4四球摩擦試驗(yàn)的結(jié)果看，GO-1和 GO-2油品的PB、PD和ZMZ值并沒(méi)有發(fā)生顯著變化，基本處于相當(dāng)?shù)乃剑豢刮Ⅻc(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品的四球磨斑直徑分別為0.32 mm和0.34 mm，沒(méi)有明顯升高。從表4的SRV摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果看，抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)后的油品水平、垂直和平均磨斑直徑與試驗(yàn)前油品的測(cè)試結(jié)果相當(dāng)。

2.3.2 鋼球磨斑表面形貌

磨斑形貌也在一定程度上反映不同油品抗磨性能的優(yōu)劣，使用三維形貌儀對(duì)四球試驗(yàn)后的鋼球磨斑表面進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可知GO-1和GO-2油品的磨斑表面略有磨痕，比較平整，兩個(gè)油品的極壓性能處于相當(dāng)?shù)乃健?/p>

(a)GO-1油品鋼球形貌

(b)GO-2油品鋼球形貌

結(jié)合表4 和圖1的結(jié)果可以看出，F(xiàn)ZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品的抗磨性能并沒(méi)有發(fā)生顯著變化。

2.4 減摩性能的變化

2.4.1 四球摩擦系數(shù)

圖2為GO-1和GO-2油品的四球摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)負(fù)荷的變化。

圖2 FZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品的

由圖2可以看出：隨著載荷的增大，兩個(gè)油樣的摩擦系數(shù)整體呈增大的趨勢(shì)，試驗(yàn)后的油品摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于試驗(yàn)前油品，表明油品經(jīng)過(guò)抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)后減摩性能下降較快。微點(diǎn)蝕是齒輪表面處于彈性流體潤(rùn)滑或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下的滾動(dòng)和滑動(dòng)接觸赫茲壓力引起的疲勞破壞[5]，若油品的摩擦系數(shù)增大，微點(diǎn)蝕裂紋、凹坑的產(chǎn)生可造成材料表面出現(xiàn)塑性變形和材料轉(zhuǎn)移加快，形成更大的微點(diǎn)蝕面積。正如表2所示，GO-1油品在抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)束后微點(diǎn)蝕面積達(dá)到了54%，與油品試驗(yàn)后減摩性能的下降是一致的，這也是GO-1油品沒(méi)有通過(guò)FZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)的重要原因。

2.4.2 成膜能力對(duì)比

成膜能力的評(píng)價(jià)也是對(duì)油品在苛刻工況下減摩特性的考察，成膜能力強(qiáng)，在極端工況下，能夠有效對(duì)摩擦副起到潤(rùn)滑保護(hù)作用，減少摩擦磨損，進(jìn)而起到減摩作用。采用EHD2油膜厚度儀對(duì)油品在彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑下進(jìn)行成膜表征。考慮到FZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)的溫度為90 ℃，因此選擇90 ℃進(jìn)行試驗(yàn)前后油膜厚度的考察。見(jiàn)圖3。

圖3 抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品

從圖3可以看出： GO-1油品和GO-2油品的油膜厚度測(cè)試結(jié)果范圍分別在5.4～611.4 nm和2.9～585.6 nm。隨著試驗(yàn)速度的增大，GO-1油品油膜保持性好于GO-2油品。一般認(rèn)為，油膜厚度越大，油品的承載能力和減摩能力越好，GO-1油品的承載和減摩能力好于GO-2油品。這也意味著經(jīng)過(guò)FZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)后，GO-2油品的成膜能力是減弱的。油膜厚度對(duì)微點(diǎn)蝕有重要影響，在苛刻工況條件下，成膜能力的下降會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑過(guò)程中齒輪表面出現(xiàn)微小疲勞裂紋形成微點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

2.4.3 溫升變化

齒輪油在FZG抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)過(guò)程中受到剪切作用產(chǎn)生熱量，會(huì)引起溫度升高，進(jìn)而影響油品的摩擦學(xué)性能，因此，需要對(duì)油品的溫升進(jìn)行考察。采用VKA 110四球試驗(yàn)機(jī)，記錄試驗(yàn)結(jié)束后油品的溫度變化值，稱之為油品的穩(wěn)態(tài)溫度。通過(guò)穩(wěn)態(tài)溫度變化量，可以反映出油品在特定傳動(dòng)裝置內(nèi)的功率損耗。表5列出了油品的穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)試結(jié)果，圖4列出了抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品溫度隨時(shí)間的變化。

表5 抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品的溫升試驗(yàn)結(jié)果 ℃

圖4 抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后油品溫度隨時(shí)間的變化

從表5可以看出，GO-1和GO-2的穩(wěn)態(tài)溫度分別在105.31 ℃和107.92 ℃。圖4的結(jié)果顯示在試驗(yàn)2 h內(nèi)，GO-1油品的溫度增加值少于GO-2油品，說(shuō)明油品經(jīng)過(guò)抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)后溫升增大。溫度升高會(huì)加速油品的氧化，往往會(huì)破壞接觸表面間的彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑及邊界潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致齒面損傷現(xiàn)象發(fā)生，加速微點(diǎn)蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論

(1)抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)對(duì)齒輪油的組分基本沒(méi)有影響，試驗(yàn)沒(méi)有造成油品的明顯氧化?？刮Ⅻc(diǎn)蝕試驗(yàn)對(duì)齒輪油的抗磨性也沒(méi)有顯著影響，試驗(yàn)前后油品最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB、燒結(jié)負(fù)荷PD、綜合磨損指數(shù)ZMZ及磨斑直徑?jīng)]有明顯變化。

(2)抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)造成了齒輪油的減摩性能的下降，油品摩擦系數(shù)、油膜厚度均不同程度下降，同時(shí)試驗(yàn)后的溫升也有一定程度增大。