郭 晨 嚴志軍 鄒玉堂 徐久軍

(1.大連海事大學交通運輸工程學院 遼寧大連 116026；2.大連海事大學輪機工程學院 遼寧大連 116026;3.大連海事大學船舶與海洋工程學院 遼寧大連 116026)

潤滑被認為是降低無用摩擦和控制過度磨損的重要途徑，在延長設備使用壽命和保證工件可靠性上有巨大潛力[1-2]。在潤滑狀態(tài)的研究上，前人已經(jīng)做了很多工作,也探索出了多種試驗方法，例如光干涉法[3-5]、磁阻法[6-7]、電容法[8-9]以及電阻法[10-14]等。其中，光干涉法試驗結果比較可靠，但其試驗成本往往非常昂貴，并且其中一個接觸體必須為透光材質；磁阻法局限性在于傳感器對溫度變化較為敏感，其抗干擾能力不高；電容法僅適用于全膜流體潤滑狀態(tài)的研究，當摩擦副間有微凸體接觸時，測量結果不甚準確；而電阻法電路簡單，對材料和環(huán)境適應性強，是定性研究潤滑狀態(tài)的有效測試方法。

目前基于電阻法的潤滑狀態(tài)試驗裝置多采用單點接觸形式[10,13]，其局限性在于：電阻一般是在回轉或往復直線運動的試件上直接進行接線測量，有的設備還需要外接集流器，因此電阻信號受外界干擾較大，測量精度受限；單點接觸形式的摩擦副接觸狀態(tài)容易受振動影響而產(chǎn)生加載力和電阻的波動，裝置難以實現(xiàn)自適應調(diào)節(jié)，這也一定程度上增加了測試的難度。因此本文作者提出了一種基于電阻法的雙點接觸自適應摩擦試驗裝置。該裝置結合了摩擦因數(shù)法和接觸電阻法的優(yōu)點：既有摩擦因數(shù)法對潤滑狀態(tài)劃分上的直觀性，又有電阻法對摩擦副接觸狀態(tài)表征上的優(yōu)勢，為潤滑狀態(tài)研究試驗裝置的設計提供一種新的思路。

1 試驗裝置與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 試驗裝置介紹

圖1所示為雙點接觸摩擦試驗裝置結構示意圖，該裝置由5部分組成：加載機構、浮動支撐機構、夾具(兼做油槽)、摩擦副試件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。加載機構主要由微型手搖千斤頂和碟形彈簧組合而成，碟形彈簧將千斤頂施加的力傳遞給壓力傳感器，壓力傳感器再將力傳遞給浮動支撐機構；壓力經(jīng)浮動支撐機構自動調(diào)節(jié)平衡，使得雙下試件與上試件(軸徑部分)受力一致，構成摩擦副；待測試結果穩(wěn)定后打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即可對摩擦力、加載力以及平均接觸電阻進行實時測量和保存，通過換算即可得到摩擦因數(shù)。

圖1 雙點接觸摩擦試驗裝置結構示意Fig 1 Schematic of double-point contact friction test device

與現(xiàn)有的摩擦試驗裝置相比，該裝置有以下優(yōu)勢：(1)摩擦副采用雙點接觸，通過浮動支撐機構完成加載力的平衡自動調(diào)節(jié)功能，保證雙點接觸時兩側受力和潤滑狀態(tài)的一致性；(2)在相對靜止的雙下試件上進行接觸電阻的接線測量，線路布置簡單，抗干擾能力強；(3)采用自下而上的加載方式，降低了導軌與滑塊之間的摩擦以及裝置自重對測量的影響，提高了裝置的精度和結果的可靠性。

1.2 試驗原理

試驗時，上試件在電機的帶動下做回轉運動，此時雙下試件與上試件(軸徑部分)構成摩擦副，且摩擦副周圍存有適量的潤滑油。由于楔形效應，潤滑油流入楔形收斂間隙，形成有一定厚度和承載能力的潤滑膜，從而將摩擦副分隔開，此時接觸電阻值較大；隨著載荷的不斷增加，油膜厚度將逐漸減小，微凸體的接觸數(shù)目逐漸增多，因此接觸電阻也隨之有下降的趨勢；當載荷進一步增加，最終油膜被壓破，導致潤滑失效，則摩擦副間的微凸體大面積接觸，接觸電阻接近于0。

圖2所示為電阻測量原理，試驗中，加載力經(jīng)過浮動支撐機構自動調(diào)節(jié)平衡，使得摩擦副兩側受力一致。在兩下試件上接上電線，測量時上試件與下試件之間的接觸電阻值(實測電阻-電路電阻)信號通過電阻變送器轉化為電壓信號并向外輸出至數(shù)據(jù)采集卡，進而完成電阻信號的采集。

圖2 電阻測量原理Fig 2 Principle of resistance measurement

圖3所示為雙點接觸試驗裝置總體布置，試驗中摩擦力和加載力傳感器輸出信號經(jīng)過信號放大器進行調(diào)質和放大，之后再傳遞到數(shù)據(jù)采集卡，與圖2采集到的電阻信號一并被傳到計算機程序中，經(jīng)過程序數(shù)字濾波后，可對數(shù)據(jù)進行保存以待后續(xù)處理。

圖3 雙點接觸試驗裝置總體布置Fig 3 General layout of double-point contact device

2 實驗結果及分析

試驗采用的上試件與下試件分別為45鋼和H59黃銅材質，兩者直徑分別為50和8 mm，并且表面都經(jīng)過光整加工處理。試驗前測得在16 ℃下5W-40潤滑油動力黏度η0約為0.177 Pa·s。在無潤滑的情況下，測得上試件與下試件直接接觸時平均電阻為0.027 Ω。試驗采用控制變量法，電機輸出轉速分別設置為50和60 r/min，加載方式為在0.5～5.9 N范圍內(nèi)階梯加載。

2.1 電阻分析

圖4所示為50和60 r/min轉速下平均接觸電阻隨加載力的變化情況。

圖4 不同轉速下平均接觸電阻隨加載力的變化Fig 4 Variation of contact resistance withloading force at different speeds

由圖4可知，平均接觸電阻值隨著加載的增加呈現(xiàn)出整體下降的趨勢，并且在相同加載下，50 r/min始終比60 r/min的平均接觸電阻值要小。這說明在轉速不變的情況下，隨著加載力的增大，摩擦副間形成的流體膜受壓而逐漸變薄，微凸體接觸數(shù)目逐漸增多，平均接觸電阻隨之降低；而在同一加載力下，轉速越高，流體動壓效應越強，油膜厚度也會隨之增加，因此所測出的平均接觸電阻值也就越大。另外，每個轉速下的電阻曲線都出現(xiàn)了“平臺”(電阻緩慢變化的區(qū)域)，且50 r/min下的2個“平臺”較60 r/min下都更早出現(xiàn)。文獻[13]中研究接觸電阻-速度曲線也有類似平均接觸電阻出現(xiàn)緩慢變化的情況，并認為電阻發(fā)生緩慢變化的區(qū)域其潤滑狀態(tài)也發(fā)生了轉變。

2.2 摩擦因數(shù)分析

Stribeck曲線是通過研究徑向滑動軸承得到的，摩擦因數(shù)隨無量綱軸承特性數(shù)的增大呈現(xiàn)先平后降再升的變化過程[15-16]。文中試驗時，半徑分別為R1和R2的兩圓柱垂直接觸，根據(jù)接觸力學[17]，Hertz接觸等效半徑a可表示為

(1)

令加載力為F，單位面積載荷為p，有：

(2)

Stribeck曲線橫坐標軸承特性數(shù)可化為

(3)

式中：η為潤滑油動力黏度；U為滑動速度；p為接觸點區(qū)域單位面積載荷。

對于同一對摩擦副，上、下試件半徑R1、R2為定值，在一定范圍內(nèi)可認為潤滑油黏度為常數(shù)。定轉速下，若只改變加載力，根據(jù)式(3)和Stribeck曲線摩擦因數(shù)的變化特征，可以推斷：在某一區(qū)域內(nèi)隨著加載力的增加，摩擦因數(shù)先下降后上升，最后在某一值附近波動。因此，根據(jù)摩擦因數(shù)與加載力的關系即可對潤滑狀態(tài)進行初步劃分。

圖5所示為不同轉速下摩擦因數(shù)隨加載力的變化曲線。

圖5 不同轉速下摩擦因數(shù)隨加載力的變化Fig 5 Variation of friction coefficient with loadingforce at different speeds

隨著加載力的增加，摩擦因數(shù)均出現(xiàn)了先降再升后平的趨勢，這與結合式(3)和Stribeck 曲線所推測的摩擦因數(shù)變化特征相同。另外，摩擦因數(shù)曲線上均出現(xiàn)了“谷底”區(qū)，而50 r/min下“谷底”區(qū)出現(xiàn)更早。說明相同加載力下，轉速越低，流體動壓效應越不明顯，微凸體也就更容易接觸。因此50 r/min時加載力在2.5 N附近便發(fā)生大面積接觸，而60 r/min時，加載力在5 N附近時微凸體才大面積接觸，此時如圖4所示，各自的接觸電阻接近于0，說明兩者都已處于邊界潤滑狀態(tài)。

2.3 最小潤滑油膜數(shù)值計算

為確定不同參數(shù)對應的油膜理論厚度并確定潤滑狀態(tài)，文中利用Dowson提出的橢圓接觸最小油膜厚度計算公式[16,18]來對油膜厚度作進一步研究。

2個半徑分別為R1和R2的圓柱軸線垂直接觸時所產(chǎn)生的接觸面為橢圓形，根據(jù)Dowson公式，其量綱一膜厚參數(shù)H表達式為

H=f(k,G,W,U)

(4)

低速輕載情況下，根據(jù)鮑培德[19]提出的Dowson公式點接觸潤滑狀態(tài)改進圖，可得到加載力在2 N以內(nèi)時，接觸區(qū)處于Rl區(qū)，此時量綱一膜厚參數(shù)H表達式為

(5)

式中:Rx為運動平面綜合曲率半徑;Ry為與運動平面垂直方向綜合曲率半徑;U=η0u/(ERx)，表示量綱一速度參數(shù)；W=F/(ERx2)，表示量綱一載荷參數(shù)；η0為潤滑油動力黏度；E為試件綜合彈性模量；u為卷吸速度；F為接觸體之間的正壓力。

對于最小膜厚，有：

(6)

試驗中，Rx=4 mm、Ry=25 mm，潤滑油動力黏度η0=0.177 Pa·s，轉速為50 r/min，即卷吸速度u=0.131 m/s，代入式(6)可得到加載力與最小油膜厚度的關系。

圖6所示是按式(6)計算得出的加載力與最小膜厚的關系曲線，其中加載力已換算成單個試件的平均受力，且計算出的膜厚也是單個試件的最小膜厚。圖6顯示，當總加載力在1 N附近時，單個試件最小油膜厚度已經(jīng)在100 nm左右，而當總加載力在1.8 N附近時，單個試件最小油膜厚度已經(jīng)達到30 nm左右，且加載過程中膜厚在不斷減小。但圖4顯示，在加載力1 N附近平均接觸電阻出現(xiàn)了“平臺”。這說明對于點接觸摩擦副，一方面由于黏壓效應，高壓使得潤滑劑的黏度有所增高，因而油膜厚度會隨加載力的提高而緩慢減少；同時，高壓也使得接觸體產(chǎn)生彈性變形，因而潤滑油膜的承載能力有所提高，此時對應的圖5中摩擦因數(shù)正好處于“谷底”區(qū)。因此“平臺”與摩擦因數(shù)“谷底”存在一定關聯(lián)性。文獻[15]認為Stribeck曲線的谷底處于薄膜潤滑狀態(tài)，基體效應如吸附效應、薄膜的類固態(tài)變化、分子有序化和分子極性的支撐效應等，使得這一潤滑狀態(tài)能夠穩(wěn)定存在。

圖6 50 r/min下加載力與最小膜厚的關系Fig 6 Relation between loading force and minimumfilm thickness at 50 r/min

2.4 潤滑狀態(tài)劃分

圖7是將50 r/min轉速下平均接觸電阻與摩擦因數(shù)結合后所繪制的復合曲線圖，可以觀察到接觸電阻與摩擦因數(shù)的變化存在較好的關聯(lián)性：0.5 N加載后，摩擦因數(shù)與接觸電阻同步下降，且當加載力為1.5 N時，摩擦因數(shù)的“谷底”正好對應接觸電阻的“平臺”區(qū)域；當加載力為1.5～2.5 N時，摩擦因數(shù)逐漸增大，而接觸電阻不斷減??；而當加載力超過2.5 N時，摩擦因數(shù)在某一值附近波動，接觸電阻值接近于0 Ω。

對于潤滑狀態(tài)，由于0.5 N加載后，電阻發(fā)生了驟降，說明此時摩擦副表面存在少量微凸體的接觸，因此接觸區(qū)已處于混合潤滑狀態(tài)。當載荷在0.5～1.5 N之間時，接觸電阻與摩擦因數(shù)都在不斷下降，說明接觸區(qū)開始向邊界潤滑轉變，但仍處于弾流潤滑起主導的混合潤滑狀態(tài)；當載荷為1.5～2.5 N時，接觸電阻不斷減小直至接近于0 Ω，而摩擦因數(shù)不斷升高，說明接觸區(qū)已開始接近邊界潤滑狀態(tài)；最后載荷大于2.5 N時，接觸電阻值接近于0 Ω，說明此時已經(jīng)存在摩擦副的直接接觸，接觸區(qū)處于邊界潤滑狀態(tài)。結合Dowson的劃分方式[16,18]，即可對5W-40潤滑油在50 r/min下的潤滑狀態(tài)進行劃分，潤滑狀態(tài)劃分情況如圖7所示。

圖7 雙點接觸潤滑狀態(tài)Fig 7 Double-point contact lubrication state

3 結論

(1)提出一種基于電阻法的雙點接觸摩擦試驗裝置，該裝置采用自下而上的加載方式，利用浮動支撐機構實現(xiàn)加載力的自動調(diào)節(jié),在對相對靜止的試件上布置電路并進行電阻的測量，從而簡化了電路的設計,保證了測試的精度。

(2)采用試驗裝置得到的摩擦因數(shù)與電阻的變化存在較強的關聯(lián)性，例如摩擦因數(shù)處于“谷底”時接觸電阻正好處于“平臺”區(qū)域，且摩擦因數(shù)與接觸電阻最后同步趨于穩(wěn)定等，因此結合摩擦因數(shù)與接觸電阻可對潤滑狀態(tài)進行更加精確的劃分。

(3) 根據(jù)Dowson的潤滑狀態(tài)劃分方式，文中對雙點接觸下潤滑狀態(tài)進行了劃分，并繪制了相應的潤滑狀態(tài)圖。該裝置可用于潤滑狀態(tài)研究及潤滑油品質鑒定。