樊賽生,荊兆剛,郭 峰,栗心明

(青島理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院,山東 青島 266520)

潤滑油可有效減少機械零部件的摩擦、磨損，實現(xiàn)提高機械效率和降低能源消耗的目的.然而，在工程中，當(dāng)潤滑油供應(yīng)不足或存在乏油時兩個接觸表面油膜厚度變薄，增加了磨損風(fēng)險.上世紀(jì)70年代，Wedeven等[1]首次采用光干涉技術(shù)觀察到了乏油潤滑，建立入口距離(入口供油彎月邊界與接觸區(qū)邊界的距離)與膜厚降低之間的關(guān)系式.Guangteng等[2]通過光干涉試驗發(fā)現(xiàn)在極度乏油條件下流體動壓效應(yīng)幾乎消失，彈流接觸區(qū)處于干涸潤滑(Parched lubrication)狀態(tài).實際上在苛刻工況下運行的軸承、齒輪等零部件，一旦出現(xiàn)乏油，會導(dǎo)致潤滑油膜破裂以及過度的摩擦和磨損.而另一方面使用過量的潤滑油會導(dǎo)致摩擦力增大和攪油溫升等問題[3]，同時也會降低機械零件的使用壽命.高端裝備對潤滑有精確的要求，其中限量供油潤滑是摩擦學(xué)設(shè)計的趨勢之一.限量供油潤滑使用盡量少的潤滑油實現(xiàn)摩擦副的有效潤滑，零部件工作在減摩降磨的最佳狀態(tài)，降低攪油溫升和摩擦功耗，保護環(huán)境.高速軸承的油氣潤滑以及精密小尺寸零件和微器件[4-5]的潤滑都屬于限量供油潤滑.在限量供油條件下潤滑設(shè)計的重要影響因素是表面自集油效應(yīng)，即處于潤滑軌道兩側(cè)的潤滑油向接觸中心區(qū)回流并參加潤滑.自集油與固液間的潤濕性和油膜分離壓力等因素有關(guān).韓兵等[6]在低速條件下研究毛細(xì)力和分離壓力的補充供油機制，發(fā)現(xiàn)在滾道油層較薄時，毛細(xì)力和分離壓力有利于滾道補充供油.臧淑燕等[7]在面接觸限量供油條件下，發(fā)現(xiàn)潤滑油在表面能低的固體表面上形成離散油滴有利于表面自集油從而增加潤滑油膜承載.王茜等[8]基于熒光法研究限量供油下表面潤濕性對接觸區(qū)外油池分布和入口供油的影響，提出在低黏附的玻璃盤表面上潤滑劑容易向接觸中心區(qū)回流.Liu等[9]在限量供油的球盤模型中采用階梯潤濕性表面，改善潤滑油在潤滑軌道上的回流，可明顯增加膜厚，降低摩擦力.李哲等[10]對玻璃盤潤滑軌道兩側(cè)進行疏油處理，形成中央親油的條狀潤濕表面，提出在表面力驅(qū)動下潤滑軌道兩側(cè)潤滑油向接觸中心區(qū)回流，改善入口供油，促進面接觸限量潤滑下潤滑油膜的形成.劉成龍等[11]使用飛秒激光在摩擦表面制備梳齒溝槽陣列能定向輸送油滴，從而增強自集油性能.表面自集油效應(yīng)還受潤滑油回流時間的影響，速度增加回流時間減小，回油量減少，導(dǎo)致乏油.因此在限量供油下油膜厚度并不會隨速度的增加而單調(diào)增加[12]，而是增加到一定水平后減小，相應(yīng)的供油狀態(tài)由充分供油轉(zhuǎn)變?yōu)榉τ?相應(yīng)地，膜厚由增加轉(zhuǎn)為減小的對應(yīng)速度，稱作臨界速度.Damiens等[13]和Cann等[14]在定量供油潤滑條件下研究了臨界速度的影響因素.

在潤滑油中添加不同功能的添加劑，可以有效提升潤滑油的性能，滿足高端機械設(shè)備工作的需求.油性劑是潤滑油常用的添加劑，由極性非常強的長鏈型分子組成，可在摩擦表面形成吸附膜，在邊界潤滑狀態(tài)下發(fā)揮抗磨減摩的作用[15].硬脂酸是試驗研究中最常使用的油性劑.Jahanmir[16]使用球柱機測量摩擦系數(shù)，在正十六烷中添加碳原子數(shù)為12～18的羧酸，發(fā)現(xiàn)硬脂酸的摩擦系數(shù)最小.Kalin等[17]選用胺、醇、酰胺和脂肪酸作為添加劑添加到PAO (聚α-烯烴)中，發(fā)現(xiàn)硬脂酸在鋼表面形成疏油邊界層使彈流潤滑減摩效果最好.韓露娟等[18]在面接觸限量供油條件下，提出在玻璃盤表面的硬脂酸低表面能吸附膜使?jié)櫥壍郎系臐櫥碗x散分布，有助于潤滑油回流.油性劑在摩擦表面上吸附，形成的吸附膜具有較低的表面能，在一定的潤滑狀態(tài)下發(fā)生吸附膜和流體膜之間的滑移，導(dǎo)致流體膜的膜厚和摩擦系數(shù)降低[17-19].目前硬脂酸添加劑的研究大部分針對邊界潤滑進行，而針對限量供油潤滑的研究幾乎沒有.本文中使用實驗室自主研發(fā)的球-環(huán)點接觸油膜潤滑裝置，研究硬脂酸吸附在限量供油條件下對潤滑油潤滑性能以及潤滑軌道上潤滑油分布形態(tài)的影響.

1 試驗部分

1.1 試驗設(shè)備

試驗使用球-環(huán)點接觸油膜潤滑測量裝置，如圖1所示.鋼球與玻璃環(huán)內(nèi)表面接觸，并且鋼球與玻璃環(huán)分別被伺服電機獨立驅(qū)動，可實現(xiàn)不同的滑滾比.波長分別為640 nm(紅光)和525 nm(綠光)的激光源在接觸區(qū)產(chǎn)生油膜干涉圖經(jīng)顯微鏡放大后被CCD (電荷耦合器件)捕獲.其中平凹柱面透鏡使干涉條紋在卷吸速度與其垂直方向同時聚焦起到圖像校正作用[20]，獲得清晰的油膜干涉圖.使用雙色光干涉強度調(diào)制技術(shù)[21]對油膜干涉圖進行處理，獲得油膜厚度.在滑滾比下進行摩擦力測量，測量原理如圖2所示.當(dāng)兩接觸表面存在滑差時，拉壓力傳感器限制推力軸承回轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生電信號，經(jīng)放大器放大后通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C實時處理并顯示[22].

Fig.1 Ball-on-ring film lubrication measurement apparatus 圖1 球-環(huán)點接觸潤滑油膜測量裝置

1.2 試驗條件

試驗所用玻璃環(huán)為K9玻璃，內(nèi)徑為110 mm，表面粗糙度Ra=4 nm，在玻璃環(huán)工作表面鍍約20 nm厚的鉻膜；鋼球為GCr15軸承鋼，直徑為25.4 mm，表面粗糙度Ra=5 nm.采用等離子清洗機對玻璃環(huán)內(nèi)表面進行2 min的表面羥基化預(yù)處理，以增強硬脂酸的表面吸附，試驗條件列于表1中.表1中ξ為滑滾比，當(dāng)滑滾比ξ=0時，鋼球相對于玻璃環(huán)為純滾動；當(dāng)滑滾比等于±2時，鋼球相對于玻璃環(huán)為純滑動，除此之外玻璃環(huán)與鋼球為滑滾狀態(tài).ξ定義為ξ=(ur?ub)/ue，其中ue=(ur+ub)/2為卷吸速度，ur和ub分別表示為玻璃環(huán)和鋼球的線速度.

Fig.2 Principle of friction measurement圖2 摩擦力測量原理圖

表1 試驗條件Table 1 Experimental conditions

試驗采用兩種潤滑劑，一種是PAO10基礎(chǔ)油，另一種是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%硬脂酸的PAO10 (C18H36O2，Stearic acid，以下簡稱PAO10S).潤滑油特性列于表2中，兩種潤滑劑的動力黏度相差不到4%，由此可知硬脂酸不會影響基礎(chǔ)油本身黏度，硬脂酸特性列于表3中.

表2 潤滑油特性Table 2 Properties of lubricating oil

表3 硬脂酸特性Table 3 Properties of stearic acid

試驗采用微量進樣器實現(xiàn)定量供油.每次供油前，使鋼球與玻璃環(huán)處于接觸狀態(tài)，通過純滾動的方式預(yù)跑合10 min將潤滑油均勻布置到玻璃環(huán)軌道上.

2 結(jié)果與討論

2.1 硬脂酸吸附對油膜建立的影響

在載荷為16 N，供油量分別為5、10和20 μl，純滾條件下，PAO10和PAO10S在不同卷吸速度下油膜干涉圖如圖3所示.圖中入口區(qū)域出現(xiàn)彎月形的乏油區(qū)，白色虛線為入口油氣混合乏油邊界.l1為乏油邊界和接觸區(qū)邊緣之間的距離，l1越小乏油程度越嚴(yán)重；l2為接觸區(qū)入口乏油區(qū)的寬度，l1=0時，l2越大乏油越嚴(yán)重.與經(jīng)典的彈流油膜不同，接觸區(qū)明顯乏油時，接觸中心區(qū)域的油膜厚度明顯減小，即呈現(xiàn)出接觸區(qū)中心油膜“塌陷”現(xiàn)象(圖4).潤滑軌道上的油膜側(cè)脊是潤滑油在機械分離作用下遷移到潤滑軌道兩側(cè)形成的，在進入接觸區(qū)前，側(cè)脊處潤滑油向接觸區(qū)中心回流，回流量是影響乏油程度的重要因素.由圖3可知，供油量為5 μl時，隨著卷吸速度增加，PAO10的l1均小于PAO10S的l1，且PAO10的l1逐漸減少至0；卷吸速度為128 mm/s時，PAO10已出現(xiàn)l2，且l2隨卷吸速度增加而增加.對于PAO10S，卷吸速度為384 mm/s左右，出現(xiàn)l2.隨著供油量的增加，同一速度下的乏油程度逐漸減弱.在供油量為10和20 μl時，PAO10在卷吸速度分別為256和384 mm/s時出現(xiàn)了l2；然而PAO10S均在卷吸速度為384 mm/s時出現(xiàn)了l2.因此，在限量供油的條件下，PAO10S的入口油池優(yōu)于PAO10的入口油池，即硬脂酸加入有助于供油.

Fig.3 Oil film interferogram change with entrainment velocity under three oil supply quantities (load=16 N,ξ=0)圖3 三種供油量下油膜干涉圖隨卷吸速度變化(載荷為16 N,ξ=0)

Fig.4 Oil film profile of contact area under limited lubricant supply (oil supply=20 μl,load=16 N,ξ=0) 圖4 限量供油下接觸區(qū)油膜輪廓(供油量為20 μl，載荷為16 N，ξ=0)

圖5所示為限量供油條件下中心膜厚隨卷吸速度變化曲線圖.在不同供油條件下，PAO10和PAO10S的中心膜厚隨卷吸速度增加先增加后減小，對應(yīng)膜厚由高到低變化卷吸速度存在一臨界值，代表潤滑狀態(tài)由充分供油向乏油過渡[15].當(dāng)供油量為5 μl時，PAO10的臨界速度為96 mm/s，而PAO10S的臨界速度為256 mm/s.卷吸速度在1～96 mm/s之間，PAO10中心膜厚略大于PAO10S中心膜厚；卷吸速度在96～384 mm/s之間，PAO10S中心膜厚明顯大于PAO10中心膜厚；而當(dāng)卷吸速度在試驗的最高速度附近時，PAO10S的中心膜厚迅速降低，低于PAO10.當(dāng)供油量增加到10和20 μl時，PAO10的臨界速度增加，分別為192和256 mm/s；而PAO10S的臨界速度無明顯改變，仍然為256 mm/s.在膜厚隨速度開始下降區(qū)域，PAO10中心膜厚大于PAO10S中心膜厚；與供油量5 μl相似，速度達到試驗最高速度附近，PAO10S中心膜厚迅速下降，反而低于PAO10.總體來看，在限量供油條件下，PAO10和PAO10S中心膜厚存在差異，速度較低時，PAO10中心膜厚略大于PAO10S中心膜厚；而當(dāng)速度高于PAO10的臨界速度時，PAO10S中心膜厚大于PAO10中心膜厚；速度進一步提高，超過PAO10S的臨界速度時，PAO10S的膜厚出現(xiàn)迅速下降的現(xiàn)象.在限量供油潤滑狀態(tài)下，PAO10S能夠在一定工況范圍內(nèi)改善供油及潤滑狀態(tài).PAO10S中硬脂酸的加入使得摩擦副有抵抗乏油的能力.

由表2數(shù)據(jù)可知，PAO10和PAO10S黏度相差不大，但膜厚和乏油程度有明顯差別.油性劑的極性基團吸附在摩擦副表面，形成分子定向吸附膜具有低表面能，在充分供油狀態(tài)下吸附膜降低了潤滑油與固體表面的親和性，會誘發(fā)實際潤滑油卷吸量的減少，導(dǎo)致流體膜的承載能力和膜厚降低[12,14,17-19]；在乏油潤滑狀態(tài)下，摩擦副因表面能低而導(dǎo)致潤滑油呈非連續(xù)離散液滴形式分布，有利于潤滑油回流，對膜厚和乏油程度產(chǎn)生正面影響[18].

將圖5試驗中的載荷改為30 N，其他條件不變，對膜厚進行測量，如圖6所示，膜厚隨卷吸速度的變化與載荷為16 N時相似，即中心膜厚隨卷吸速度增加表現(xiàn)為先增加后減小.PAO10臨界速度皆小于PAO10S臨界速度.在相同供油量下，載荷為30 N時PAO10的臨界速度小于載荷為16 N時的臨界速度；除供油量為5 μl時，載荷為30 N條件下PAO10S的臨界速度小于載荷16 N時的臨界速度，其他供油量下PAO10S的臨界速度保持不變.

Fig.5 Central film change with entrainment velocity under three oil supply quantities:(a) 5 μl;(b) 10 μl;(c) 20 μl (load=16 N，ξ=0)圖5 三種供油量下中心膜厚隨卷吸速度變化：(a) 5 μl；(b) 10 μl；(c) 20 μl (載荷為16 N，ξ=0)

2.2 硬脂酸吸附對摩擦力的影響

為進一步探索硬脂酸添加劑對限量供油潤滑的影響，在載荷16 N，供油量分別為5、10和20 μl，滑滾比為ξ=0.1時進行了PAO10和PAO10S兩種潤滑劑摩擦系數(shù)隨卷吸速度變化的測量，如圖7所示.PAO10和PAO10S的摩擦系數(shù)隨卷吸速度增加均表現(xiàn)為先降低后增加.由圖7可知，在供油量為5 μl時，PAO10S的摩擦系數(shù)明顯小于PAO10的摩擦系數(shù)；由圖8可知，卷吸速度為128 mm/s時，PAO10接觸區(qū)中心有明顯的膜厚“塌陷”，且隨著卷吸速度增加膜厚“塌陷”范圍變大；而PAO10S在卷吸速度為128 mm/s時仍呈現(xiàn)經(jīng)典的彈流油膜，并無中心油膜厚度下降產(chǎn)生的“塌陷”；卷吸速度為256 mm/s時接觸區(qū)中心膜厚顯示出明顯“塌陷”.當(dāng)供油量為10 μl時，PAO10和PAO10S的摩擦系數(shù)差別變小.在供油量為20 μl時，在最高速度附近PAO10的摩擦系數(shù)小于PAO10S的摩擦系數(shù).總體來看，在不同供油量條件下，PAO10和PAO10S的摩擦系數(shù)表現(xiàn)不同，PAO10的摩擦系數(shù)隨供油量增加而降低，而PAO10S的摩擦系數(shù)隨供油量增加而增加.

圖9所示為中心膜厚隨卷吸速度變化曲線圖.在不同供油條件下，PAO10和PAO10S中心膜厚隨卷吸速度增加表現(xiàn)為先增加后降低，存在充分供油潤滑向乏油潤滑過渡的臨界速度.由圖7和圖9可知，在供油量為5 μl時，PAO10S的中心膜厚明顯大于PAO10的中心膜厚，而PAO10S摩擦系數(shù)明顯小于PAO10的摩擦系數(shù)；供油量為10 μl時，在128～384 mm/s速度范圍之間，PAO10S的中心膜厚大于PAO10的中心膜厚，而摩擦系數(shù)小于PAO10的摩擦系數(shù)；供油量為20 μl時，在卷吸速度為48～256 mm/s之間，PAO10S的中心膜厚與PAO10的中心膜厚差別不大，而卷吸速度大于256 mm/s時，PAO10S的中心膜厚小于PAO10的中心膜厚，摩擦系數(shù)大于PAO10的摩擦系數(shù).總體來看，在同一供油量下PAO10S和PAO10之間的中心膜厚和摩擦系數(shù)變化呈負(fù)相關(guān)性.因此當(dāng)PAO10S中心膜厚大于PAO10中心膜厚時，摩擦系數(shù)比PAO10摩擦系數(shù)低；相反，當(dāng)PAO10S中心膜厚小于PAO10中心膜厚時，摩擦系數(shù)比PAO10摩擦系數(shù)高.隨著供油量增加，PAO10S中心膜厚大于PAO10中心膜厚的范圍越來越小.

Fig.6 Central film changes with entrainment velocity under three oil supply quantities:(a) 5 μl;(b) 10 μl;(c) 20 μl (load=30 N，ξ=0)圖6 三種供油量下中心膜厚隨卷吸速度變化：(a) 5 μl；(b) 10 μl；(c) 20 μl (載荷為30 N，ξ=0)

Fig.7 Friction coefficient changes with entrainment velocity under different oil supply: (a) 5 μl;(b) 10 μl;(c) 20 μl (load=16 N，ξ=0.1)圖7 不同供油量下摩擦系數(shù)隨卷吸速度變化：(a) 5 μl;(b) 10 μl;(c) 20 μl (載荷為16 N，ξ=0.1)

Fig.8 Oil film interferograms with entrainment velocity under different oil supply (load=16 N,ξ=0.1)圖8 不同供油量下油膜干涉圖隨卷吸速度變化(載荷為16 N,ξ=0.1)

圖10所示為在載荷分別為16和30 N，供油量分別為5、10和20 μl，滑滾比為0.1時，在速度1～512 mm/s范圍內(nèi)PAO10和PAO10S平均摩擦系數(shù)的柱狀圖.與PAO10平均摩擦系數(shù)相比，在供油量為5 μl，載荷為16 N時，PAO10S降低50.03%，載荷為30 N時，PAO10S降低44.37%；在供油量為10 μl，載荷為16 N時，PAO10S降低7.13%，載荷為30 N時，PAO10S降低7.50%；在供油量為20 μl，載荷為16 N時，PAO10S降低7.01%，載荷為30 N時，PAO10S降低11.64%.總體來看，PAO10和PAO10S平均摩擦系數(shù)隨著供油量增加而降低，但PAO10平均摩擦系數(shù)降低幅度更大，說明當(dāng)基礎(chǔ)油沒有添加硬脂酸時平均摩擦系數(shù)受供油量的影響較大；當(dāng)載荷增加到30 N時，PAO10和PAO10S的平均摩擦系數(shù)總體增加，而PAO10S平均摩擦系數(shù)仍然小于PAO10的摩擦系數(shù)，說明基礎(chǔ)油添加硬脂酸使摩擦副平均摩擦系數(shù)降低.

Fig.9 Central film thickness with entrainment velocity under different oil supply: (a) 5 μl;(b) 10 μl;(c) 20 μl (load=16 N，ξ=0.1)圖9 不同供油量下中心膜厚隨卷吸速度變化：(a) 5 μl；(b) 10 μl；(c) 20 μl (載荷為16 N，ξ=0.1)

Fig.10 Average friction coefficient of PAO10 and PAO10S in the speed range from 1 mm/s to 512 mm/s (ξ=0.1)圖10 在速度1～512 mm/s范圍內(nèi)PAO10和PAO10S的平均摩擦系數(shù)(ξ=0.1)

2.3 結(jié)果討論

上述試驗結(jié)果顯示在限量供油潤滑狀態(tài)下，PAO10S總體的潤滑性能較PAO10潤滑性能好，說明添加硬脂酸有利于改善潤滑油的潤滑性能.為了解釋試驗結(jié)果，對試驗結(jié)束后玻璃環(huán)和鋼球表面的潤滑軌道進行拍攝，結(jié)果如圖11所示.

圖11所示為PAO10和PAO10S在玻璃環(huán)和鋼球潤滑軌道上的油層分布.由圖11(a)可知，PAO10在玻璃環(huán)和鋼球潤滑軌道上呈現(xiàn)連續(xù)的薄油膜分布，而且在玻璃環(huán)上側(cè)脊明顯；由圖11(b)可知，PAO10S在玻璃環(huán)和鋼球潤滑軌道上呈離散條狀分布.PAO10S在潤滑表面離散的分布狀態(tài)歸因于硬脂酸吸附降低了潤滑軌道的表面能，使?jié)櫥统霈F(xiàn)“反潤濕”現(xiàn)象.

為了進一步證明硬脂酸分子在潤滑表面的吸附，對鋼球表面附著硬脂酸進行FTIR光譜檢測.試驗步驟如下：采用試驗剛結(jié)束的鋼球，用正庚烷清洗，再用氮氣吹干；用硝酸鉀粉末搓洗鋼球表面；最后使用FTIR光譜儀檢測硝酸鉀粉末，結(jié)果如圖12所示.由圖12可知，～1 653和～1 457 cm?1出現(xiàn)特征紅外吸收峰，它們對應(yīng)于C=O伸縮振動，說明存在-COOH官能團，所以鋼球表面確實有硬脂酸分子的吸附.

Fig.11 Distribution of lubricant on the solid surfaces圖11 潤滑油在固體表面的分布

Fig.12 FTIR spectrum of stearic acid adsorption on the surface of the steel ball圖12 鋼球表面吸附硬脂酸的FTIR光譜圖

硬脂酸吸附在玻璃環(huán)和鋼球表面形成的低表面能潤滑軌道，可產(chǎn)生如下影響：(1)側(cè)泄增加，潤滑油在接觸區(qū)由于壓力梯度的作用更易向兩側(cè)泄漏；(2)卷吸量減少，摩擦副表面的吸附膜親和性降低，可誘發(fā)實際潤滑油卷吸量的減少；(3)潤滑軌道上潤滑油的回流增加，低表面能潤滑軌道有利于潤滑油經(jīng)接觸區(qū)機械分離后的回流，對供油產(chǎn)生正面影響；(4)低鋪展性，接觸區(qū)外的潤滑油不易由于鋪展而流失；(5)較早承載，潤滑軌道上形成離散條狀分布的潤滑油有利于在接觸區(qū)入口處較早的產(chǎn)生承載.在卷吸速度較低時，PAO10S產(chǎn)生較低膜厚主要受側(cè)泄增加和卷吸量減少的影響；在卷吸速度較高時，PAO10S產(chǎn)生抵抗乏油的能力主要因為回流量增加和入口局部較早的承載效應(yīng).因此，PAO10S和PAO10的膜厚和摩擦力表現(xiàn)不同，是這五種影響協(xié)同作用的結(jié)果.

3 結(jié)論

利用球-環(huán)點接觸油膜潤滑測量系統(tǒng)對PAO10和PAO10S進行膜厚和摩擦系數(shù)的測量，研究硬脂酸吸附在限量供油條件下對潤滑性能的影響.

a.在限量供油條件下，隨卷吸速度增大，油膜厚度先升高后降低，PAO10S的臨界速度大于PAO10的臨界速度.當(dāng)卷吸速度低于PAO10的臨界速度時，PAO10與PAO10S的膜厚差別不大.當(dāng)卷吸速度高于PAO10的臨界速度時，PAO10S較PAO10的膜厚明顯增大.

b.隨卷吸速度增加，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先降低后升高的U型變化.硬脂酸吸附使摩擦副整體摩擦系數(shù)降低.供油量越小，硬脂酸吸附的作用越顯著.

c.PAO10S在玻璃環(huán)內(nèi)表面和鋼球表面形成的吸附膜降低了表面能，因“反潤濕”而在潤滑軌道上形成離散條狀分布的潤滑油有利于入口區(qū)的供油，從而增強潤滑效果.