潤滑油摩擦學(xué)性能對滑滾接觸表面微點蝕影響機理

王曉靜

(河南輕工職業(yè)學(xué)院 ,河南 鄭州 450000)

表面微點蝕現(xiàn)象是滾動軸承等滑滾接觸零件中常見的故障原因之一,微點蝕現(xiàn)象受到表面粗糙度、滑滾比(SRR)以及潤滑劑物理化學(xué)性質(zhì)等多個因素的影響.研究人員已廣泛研究了摩擦/磨損系數(shù)與微點蝕現(xiàn)象的關(guān)系[1-4].通過添加摩擦改進劑減少摩擦、降低摩擦熱,從而緩解表面微點蝕程度.通過深入研究,建立了包含摩擦與磨損系數(shù)的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測表面微點蝕程度.Cen等人[5,6]發(fā)現(xiàn),微點蝕程度不僅受摩擦和磨損性能影響,也與接觸區(qū)域內(nèi)的摩擦化學(xué)有關(guān).相對濕度對摩擦學(xué)性能產(chǎn)生影響現(xiàn)已得到廣泛認(rèn)可.相對濕度對含有二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)添加劑的潤滑油摩擦學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)水會加速微點蝕的形成,并導(dǎo)致磨損加劇,因為水會阻止ZDDP添加劑形成潤滑保護膜,從而緩解摩擦副表面的微點蝕的形成及擴張過程[7-9].在軸承接觸區(qū)域的高溫高壓作用下,潤滑油中的水會形成水蒸氣,從而破壞形成的潤滑膜,使軸承滾動體與其內(nèi)外環(huán)材料直接接觸,從而顯著降低軸承的疲勞壽命[10].

雖然學(xué)界已對微點蝕的形成機理進行了廣泛的研究,但微點蝕的形成和去除過程與摩擦/磨損以及相對濕度之間的關(guān)系尚不明確.文章將研究受試潤滑油在不同試驗條件下的摩擦學(xué)性能,重點研究相對濕度和摩擦/磨損對微點蝕性能的綜合影響.

1 實驗部分

1.1 微點蝕試驗機

文中微點蝕試驗機采用三點接觸裝置,其中三個直徑相等的圓環(huán)被壓入中心與滾子接觸.該裝置可進行高循環(huán)頻率控制,并可控制不同滑滾比.同時,可以通過設(shè)定好相對濕度的潮濕空氣引入試驗腔內(nèi),從而控制試驗腔內(nèi)的相對濕度.試驗機的整體外觀如圖1所示.

測試前,用注射器將受試潤滑油注入試驗腔,直至中心子的底部被淹沒.因此,通過底部的兩個圓環(huán)和滾子的旋轉(zhuǎn),通過潤滑油的供給來實現(xiàn)滾子和環(huán)滾道之間的潤滑.摩擦力由位于軸上的應(yīng)變計測量,應(yīng)變計位于頂部軸上.使用應(yīng)變計對摩擦數(shù)據(jù)進行采集,采樣頻率為1赫茲.整個試驗的摩擦系數(shù)變化示例如圖2所示,采用其中630～770 K循環(huán)(試驗的最后30分鐘)數(shù)據(jù)的平均值作為摩擦系數(shù).一次微點蝕試驗的采樣數(shù)據(jù)包括:主軸的加速過程、室內(nèi)加熱過程、加載過程和設(shè)計時間的“實際試驗”過程、卸載和減速過程.前50 000個循環(huán)期間的數(shù)據(jù)缺口是由于加速和加熱過程造成的.試驗最后的小落差(在770 K循環(huán)后)是由于卸載和減速過程造成的.研究中的摩擦系數(shù)結(jié)果都是可重復(fù)的,偏差在5%以內(nèi).

圖1 微點蝕測試機總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 測量過程中摩擦系數(shù)示例

學(xué)界常用磨損率來表征微點蝕試驗中的滾子磨損程度[11,12],其中磨損率為滾子直徑損失量除以試驗時間.然而,直徑損失只能表征磨痕上一條圓徑上的磨損情況,不能準(zhǔn)確地反映滾子的整體磨損情況.同時,由于本研究中設(shè)定的測試時間都為2.5小時,將磨損量除以時間并不能反應(yīng)關(guān)于磨損的更多信息.將使用磨損量來表征滾子的磨損情況,在測量摩擦學(xué)試驗后的滾子磨損時,首先使用測量得到磨痕剖面深度分布情況,通過對剖面數(shù)據(jù)的分析,利用公式計算出磨損量.滾子磨痕剖面深度分布示例如圖3所示.

圖3 滾子表面磨損剖面測量示例

其中,Vwear為滾子磨損體積,r為滾子半徑.L1,L2和h構(gòu)成了公式中整個積分中一個單元的尺寸.

1.2 測試材料及條件

微點蝕試驗機中的受試圓環(huán)與滾子均由商用軸承中拆卸所得,其詳細(xì)信息如表1所示.受試潤滑油為兩種商用潤滑油(Oil A和Oil B),其中,Oil A中含有摩擦改進劑.微點蝕測試條件如表2所示.

表1 受試圓環(huán)與滾子參數(shù)信息

表2 測試條件

在微點蝕試驗前后,對受試潤滑油的動態(tài)黏度和總酸值(TAN)都進行了測試.總酸值(TAN)測試采用IP177/ASTM D664標(biāo)準(zhǔn),通過測試受試潤滑油在添加KOH時電導(dǎo)率的變化而換算出TAN值,準(zhǔn)確度為±0.01%.動態(tài)黏度測試采用ASTM D7042標(biāo)準(zhǔn),精確度為±0.1%,根據(jù)測試結(jié)果,可計算出運動黏度,并提供等同于ISO 3104或ASTM D445的測量結(jié)果.相關(guān)試驗結(jié)果見表3.很明顯,在不同相對濕度下測試后,兩種油的動態(tài)黏度和總酸值沒有太大變化.這表明測試潤滑油的整體性能不受測試條件的影響.因此,在后續(xù)的潤滑油摩擦/磨損和微點蝕性能評估過程中,將不會討論潤滑油的黏度及總酸值的影響.

表3 受試潤滑油總體性質(zhì)

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦/磨損試驗結(jié)果

在微點蝕試驗機中對潤滑油在三種不同的滑滾比和兩種不同的相對濕度條件下進行了測試.圖4顯示了兩種潤滑油在不同滑滾比和相對濕度測試條件下的摩擦學(xué)性能比較.很明顯,隨著滑滾比(SRR)從0.5%增加到2%,兩種潤滑油的摩擦系數(shù)都隨之增加,然而從2%SRR到5%SRR的變化不大.同時,兩者的磨損都隨著SRR的增加而加劇.另外,在不同的滑滾比條件下,Oil A始終比Oil B表現(xiàn)出更低的摩擦系數(shù)和磨損量.由于Oil A中含有摩擦改進劑,因而其摩擦系數(shù)低于Oil B是可以預(yù)見的.

隨著相對濕度的增加,Oil A的摩擦系數(shù)隨之增加,而Oil B的摩擦系數(shù)卻隨之下降.這表明濕空氣中水分子進入到潤滑油中后,限制了Oil A中摩擦改進劑的減摩能力.因為水分子進入潤滑油之后,由于水分子的高極性,其可與潤滑油中的添加劑分子進行競爭,從而影響添加劑分子附著在接觸表面上的效率.隨著相對濕度的增加,兩種潤滑油的磨損都隨之增加.另外,研究中的兩個相對濕度測試條件下,Oil B的磨損量始終高于Oil A.結(jié)合兩種潤滑油在不同滑滾比下的摩擦磨損性能,可以得出Oil A的摩擦學(xué)性能優(yōu)于Oil B的結(jié)論.

2.2 表面微點蝕結(jié)果

表4展示了兩種潤滑油在不同測試條件下進行微點蝕試驗后,滾子表面的微點蝕情況.隨著滑滾比的增加,Oil A在20%RH條件下測試時,滾子表面微點蝕程度并沒有發(fā)生明顯變化;而在60%RH測試時,當(dāng)滑滾比從0.5%增加至2%時,滾子表面微點蝕程度有所緩和,而滑滾比從2%增加至5%時,滾子表面微點蝕程度隨之惡化.同時,在滑滾比為0.5%和5%條件下,隨著相對濕度從20%增加至60%,滾子表面微點蝕程度愈加惡化;而在滑滾比為2%時,滾子表面微點蝕程度并沒有隨相對濕度的增加而惡化.

圖4 摩擦和磨損隨相對濕度和滑滾比變化的情況

表4 摩擦學(xué)試驗后滾子表面微點蝕情況

續(xù)表4 摩擦學(xué)試驗后滾子表面微點蝕情況

表4微點蝕程度描述解釋,No—沒有或者幾乎沒有發(fā)現(xiàn)微點蝕情況;Few—發(fā)現(xiàn)少數(shù)微點蝕情況;Severe—發(fā)現(xiàn)大量微點蝕情況.

對于Oil B,在20%RH條件下測試時,滑滾比的增加會使?jié)L子表面微點蝕程度惡化,而在60%RH條件下卻變化并不明顯.另外,在使用Oil B在三種滑滾比測試條件下測試時,隨著相對濕度的增加,滾子表面的微點蝕程度有明顯的緩解.所有這些結(jié)果都表明,滾子表面的微點蝕程度是一種受滑滾比和相對濕度雙重影響的復(fù)雜現(xiàn)象,且與摩擦和磨損性能的綜合影響相關(guān).

為了研究摩擦和磨損對滾子表面微點蝕程度的綜合影響,圖5對兩種潤滑油在不同測試條件下的摩擦磨損與微點蝕程度之間的關(guān)系.

圖5 表面微點蝕程度與摩擦磨損的關(guān)系

很明顯,在摩擦系數(shù)為0.06的最低水平下,大多數(shù)滾子表面沒有發(fā)現(xiàn)微點蝕現(xiàn)象;當(dāng)摩擦系數(shù)達到0.08的最高水平時,所有滾子表面都發(fā)現(xiàn)了大量的微點蝕情況.這似乎表明,隨著摩擦系數(shù)的增加,微點蝕程度隨之惡化.對于摩擦系數(shù)為0.07的滾子表面,情況并非如此.當(dāng)摩擦系數(shù)為0.07時,觀察到滾子表面出現(xiàn)了少量微點蝕或者沒有微點蝕現(xiàn)象.即便對于同一種潤滑油來說,在相同摩擦系數(shù)的作用下,滾子表面也展現(xiàn)出不同程度的微點蝕情況.例如,摩擦系數(shù)為0.07時,Oil A滾子表面出現(xiàn)了“少量微點蝕”和“無微點蝕”狀況(圖5中的實心方形和菱形符號),Oil B滾子表面也出現(xiàn)了“少量微點蝕”和“無微點蝕”狀況(圖5中的空心方形和菱形符號).這表明滾子表面的微點蝕程度存在某種摩擦依賴性.

在高磨損區(qū)域(磨損量在0.3至0.6 ×10-10m3之間),所有滾子表面上的微點蝕程度均為“無微點蝕”;而在最低磨損區(qū)域(磨損量在0到0.1×10-10m3之間),滾子表面觀察到了各種程度的微點蝕.這表明磨損的增加可以降低微點蝕水平.當(dāng)考慮其他磨損性能時,情況并非如此.例如,當(dāng)Oil A摩擦系數(shù)為0.07時,隨著磨損從0.05增加到0.07×10-10m3左右,微點蝕程度從“無微點蝕”惡化到“少量微點蝕”.因此,在不同的相對濕度和滑滾比條件下,滾子表面的微點蝕程度時摩擦與磨損性能的復(fù)雜組合影響.表5對這種影響進行了總結(jié).

表5 摩擦學(xué)試驗后滾子表面微點蝕情況與摩擦磨損和相對濕度的關(guān)系

表5表明:摩擦系數(shù)減小且磨損增加時,滾子表面微點蝕程度會隨之緩解(情況①).然而,當(dāng)摩擦系數(shù)沒有改變或增加且磨損增加時,滾子表面的微點蝕程度可能會緩解(情況②,④,⑥),也有可能惡化(情況③,⑤,⑦).可以將摩擦/磨損與微點蝕程度的關(guān)系總結(jié)為當(dāng)摩擦系數(shù)減小且磨損增加時,表面微點蝕程度會得到緩解;當(dāng)摩擦系數(shù)不變增加且磨損增加時,微點蝕程度的變化是不可預(yù)見的.但是,圖5和表5中的結(jié)果僅展示了微點蝕試驗后滾子表面的微點蝕程度與滾子摩擦磨損的關(guān)系,這可能與試驗在何時停止有關(guān),且與試驗過程中的摩擦系數(shù)以及磨損有關(guān).

2.3 微點蝕分析

給出了兩種機制來解釋磨損和微點蝕程度之間的關(guān)系,如圖6所示.微點蝕是在應(yīng)力作用下所形成的裂紋(small etching crack)擴展而成.圖6(a)中的機制表明,當(dāng)磨損率足夠高時,可以完全去除所形成的微點蝕,因而滾子表面不會展現(xiàn)出微點蝕;圖6(b)中的第二種機制表明,磨損率不足以完全去除形成的微點蝕,然后,由于表面應(yīng)力,殘留的微點蝕擴展為更大的微點蝕,因而滾子表面微點蝕程度惡化.

這兩種機制都表明,微點蝕的形成與裂紋的擴展速度和磨損率密切相關(guān),而裂紋的擴展速度取決于與摩擦系數(shù)相關(guān)的局部應(yīng)力.摩擦系數(shù)越高,裂紋的擴展速度越快,進而使微點蝕程度惡化.Oil A在相對濕度為60%條件下,當(dāng)SRR從0.5%增加到5%時,摩擦系數(shù)從0.07增加到0.08,且磨損從0.16增加到0.24×10-10m3.在摩擦系數(shù)和磨損的同時增加的情況下使微點蝕程度惡化.這種情況遵循了圖6(b)中的第二種機制,其中磨損率不足以完全去除裂紋擴展形成的微點蝕.比較Oil B在20%RH和60%RH條件下的微點蝕程度,在較高相對濕度條件下,磨損加劇而摩擦系數(shù)降低,并使微點蝕程度緩解,與圖6(a)中所示的第一種機制相關(guān).由于摩擦系數(shù)的降低,導(dǎo)致局部應(yīng)力水平的下降,進而使裂紋擴展速度下降,而磨損隨之增加能將所形成的微點蝕完全去除.

圖6 磨損與微點蝕程度之間的關(guān)系

2.4 短期試驗結(jié)果

為進一步研究磨損與表面微點蝕形成過程的關(guān)系,對兩種潤滑油在0.5%滑滾比和20%相對濕度條件下進行了5分鐘、30分鐘和60分鐘的短期試驗,試驗結(jié)果如表6所示.Oil A測試5分鐘后表面沒有發(fā)現(xiàn)微點蝕現(xiàn)象,但30分鐘試驗后表面發(fā)現(xiàn)了少量微點蝕,但60、150分鐘后表面沒有發(fā)現(xiàn)微點蝕現(xiàn)象.很明顯,Oil A從測試第5分鐘至第30分鐘內(nèi),磨損只增加了0.01×10-10m3,不足以將所形成的微點蝕完全去除(遵循圖6(a)機制),但60、150分鐘后的磨損足以將所形成的微點蝕全部去除(遵循圖6(b)機制).Oil B測試5分鐘后表面沒有發(fā)現(xiàn)微點蝕現(xiàn)象,但30、60、150分鐘試驗后表面發(fā)現(xiàn)了少量微點蝕.很明顯,Oil B從測試5分鐘后,磨損不足以將所形成的微點蝕完全去除(遵循圖6(b)機制).另外,測試60分鐘后,Oil B的表面微點蝕程度比Oil A要更加惡劣.因為Oil A中含有摩擦改進劑,其摩擦系數(shù)低于Oil B,因而Oil A的表面微點蝕擴展速度要低于Oil B.另外,盡管兩種潤滑油從30分鐘測試到60分鐘測試后的磨損增加量均為0.02×10-10m3,但Oil A的磨損增加率(磨損增加量占總磨損的比率)高于Oil B,更低的微點蝕擴展速度以及更高的磨損率使Oil A測試后的表面微點蝕程度優(yōu)于Oil B.

3 結(jié)語

針對兩種商用潤滑油,使用微點蝕測試機在不同滑滾比和相對濕度條件下,對其摩擦學(xué)性能(摩擦、磨損)與微點蝕程度的關(guān)系進行了研究,主要結(jié)論如下.

(1)較高的相對濕度和滑滾比總是導(dǎo)致較高的磨損,而摩擦系數(shù)的變化趨勢不一.

(2)Oil B始終比Oil A表現(xiàn)出更高的磨損和摩擦系數(shù),而微點蝕程度的變化趨勢卻不同.

(3)滾子表面微點蝕程度受摩擦磨損性能的綜合影響,為對這種影響進行深入分析,對磨損與微點蝕程度之間關(guān)系的兩種機理進行了說明.

(4)若磨損率高到足以消除因裂紋擴展(主要受摩擦系數(shù)的影響)而形成的微點蝕,則滾子表面不會形成微點蝕;若磨損率不足以完全消除已形成的微點蝕,則微點蝕會在摩擦力的作用下進行擴展,使表面微點蝕程度惡化.

(5)滑滾接觸表面上形成的潤滑膜及其相關(guān)摩擦化學(xué),也會影響裂紋的擴展和微點蝕的去除,需在后續(xù)工作中進一步研究.

表6 短期試驗后滾子磨損與表面微點蝕程度之間的關(guān)系