王曉靜

(河南輕工職業(yè)學(xué)院 ,河南 鄭州 450000)

表面微點(diǎn)蝕現(xiàn)象是滾動(dòng)軸承等滑滾接觸零件中常見(jiàn)的故障原因之一,微點(diǎn)蝕現(xiàn)象受到表面粗糙度、滑滾比(SRR)以及潤(rùn)滑劑物理化學(xué)性質(zhì)等多個(gè)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(diǎn)蝕現(xiàn)象的關(guān)系[1-4].通過(guò)添加摩擦改進(jìn)劑減少摩擦、降低摩擦熱,從而緩解表面微點(diǎn)蝕程度.通過(guò)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(lái)預(yù)測(cè)表面微點(diǎn)蝕程度.Cen等人[5,6]發(fā)現(xiàn),微點(diǎn)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(duì)濕度對(duì)摩擦學(xué)性能產(chǎn)生影響現(xiàn)已得到廣泛認(rèn)可.相對(duì)濕度對(duì)含有二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)添加劑的潤(rùn)滑油摩擦學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)水會(huì)加速微點(diǎn)蝕的形成,并導(dǎo)致磨損加劇,因?yàn)樗畷?huì)阻止ZDDP添加劑形成潤(rùn)滑保護(hù)膜,從而緩解摩擦副表面的微點(diǎn)蝕的形成及擴(kuò)張過(guò)程[7-9].在軸承接觸區(qū)域的高溫高壓作用下,潤(rùn)滑油中的水會(huì)形成水蒸氣,從而破壞形成的潤(rùn)滑膜,使軸承滾動(dòng)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(duì)微點(diǎn)蝕的形成機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究,但微點(diǎn)蝕的形成和去除過(guò)程與摩擦/磨損以及相對(duì)濕度之間的關(guān)系尚不明確.文章將研究受試潤(rùn)滑油在不同試驗(yàn)條件下的摩擦學(xué)性能,重點(diǎn)研究相對(duì)濕度和摩擦/磨損對(duì)微點(diǎn)蝕性能的綜合影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 微點(diǎn)蝕試驗(yàn)機(jī)

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

測(cè)試前,用注射器將受試潤(rùn)滑油注入試驗(yàn)腔,直至中心子的底部被淹沒(méi).因此,通過(guò)底部的兩個(gè)圓環(huán)和滾子的旋轉(zhuǎn),通過(guò)潤(rùn)滑油的供給來(lái)實(shí)現(xiàn)滾子和環(huán)滾道之間的潤(rùn)滑.摩擦力由位于軸上的應(yīng)變計(jì)測(cè)量,應(yīng)變計(jì)位于頂部軸上.使用應(yīng)變計(jì)對(duì)摩擦數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,采樣頻率為1赫茲.整個(gè)試驗(yàn)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(yàn)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(diǎn)蝕試驗(yàn)的采樣數(shù)據(jù)包括:主軸的加速過(guò)程、室內(nèi)加熱過(guò)程、加載過(guò)程和設(shè)計(jì)時(shí)間的“實(shí)際試驗(yàn)”過(guò)程、卸載和減速過(guò)程.前50 000個(gè)循環(huán)期間的數(shù)據(jù)缺口是由于加速和加熱過(guò)程造成的.試驗(yàn)最后的小落差(在770 K循環(huán)后)是由于卸載和減速過(guò)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(diǎn)蝕測(cè)試機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 測(cè)量過(guò)程中摩擦系數(shù)示例

學(xué)界常用磨損率來(lái)表征微點(diǎn)蝕試驗(yàn)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(yàn)時(shí)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(shí),由于本研究中設(shè)定的測(cè)試時(shí)間都為2.5小時(shí),將磨損量除以時(shí)間并不能反應(yīng)關(guān)于磨損的更多信息.將使用磨損量來(lái)表征滾子的磨損情況,在測(cè)量摩擦學(xué)試驗(yàn)后的滾子磨損時(shí),首先使用測(cè)量得到磨痕剖面深度分布情況,通過(guò)對(duì)剖面數(shù)據(jù)的分析,利用公式計(jì)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(cè)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(gè)積分中一個(gè)單元的尺寸.

1.2 測(cè)試材料及條件

微點(diǎn)蝕試驗(yàn)機(jī)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(rùn)滑油為兩種商用潤(rùn)滑油(Oil A和Oil B),其中,Oil A中含有摩擦改進(jìn)劑.微點(diǎn)蝕測(cè)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(cè)試條件

在微點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后,對(duì)受試潤(rùn)滑油的動(dòng)態(tài)黏度和總酸值(TAN)都進(jìn)行了測(cè)試.總酸值(TAN)測(cè)試采用IP177/ASTM D664標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)測(cè)試受試潤(rùn)滑油在添加KOH時(shí)電導(dǎo)率的變化而換算出TAN值,準(zhǔn)確度為±0.01%.動(dòng)態(tài)黏度測(cè)試采用ASTM D7042標(biāo)準(zhǔn),精確度為±0.1%,根據(jù)測(cè)試結(jié)果,可計(jì)算出運(yùn)動(dòng)黏度,并提供等同于ISO 3104或ASTM D445的測(cè)量結(jié)果.相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.很明顯,在不同相對(duì)濕度下測(cè)試后,兩種油的動(dòng)態(tài)黏度和總酸值沒(méi)有太大變化.這表明測(cè)試潤(rùn)滑油的整體性能不受測(cè)試條件的影響.因此,在后續(xù)的潤(rùn)滑油摩擦/磨損和微點(diǎn)蝕性能評(píng)估過(guò)程中,將不會(huì)討論潤(rùn)滑油的黏度及總酸值的影響.

表3 受試潤(rùn)滑油總體性質(zhì)

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦/磨損試驗(yàn)結(jié)果

在微點(diǎn)蝕試驗(yàn)機(jī)中對(duì)潤(rùn)滑油在三種不同的滑滾比和兩種不同的相對(duì)濕度條件下進(jìn)行了測(cè)試.圖4顯示了兩種潤(rùn)滑油在不同滑滾比和相對(duì)濕度測(cè)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(rùn)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(shí),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(jìn)劑,因而其摩擦系數(shù)低于Oil B是可以預(yù)見(jiàn)的.

隨著相對(duì)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(jìn)入到潤(rùn)滑油中后,限制了Oil A中摩擦改進(jìn)劑的減摩能力.因?yàn)樗肿舆M(jìn)入潤(rùn)滑油之后,由于水分子的高極性,其可與潤(rùn)滑油中的添加劑分子進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),從而影響添加劑分子附著在接觸表面上的效率.隨著相對(duì)濕度的增加,兩種潤(rùn)滑油的磨損都隨之增加.另外,研究中的兩個(gè)相對(duì)濕度測(cè)試條件下,Oil B的磨損量始終高于Oil A.結(jié)合兩種潤(rùn)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(diǎn)蝕結(jié)果

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

圖4 摩擦和磨損隨相對(duì)濕度和滑滾比變化的情況

表4 摩擦學(xué)試驗(yàn)后滾子表面微點(diǎn)蝕情況

續(xù)表4 摩擦學(xué)試驗(yàn)后滾子表面微點(diǎn)蝕情況

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

對(duì)于Oil B,在20%RH條件下測(cè)試時(shí),滑滾比的增加會(huì)使?jié)L子表面微點(diǎn)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(cè)試條件下測(cè)試時(shí),隨著相對(duì)濕度的增加,滾子表面的微點(diǎn)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(diǎn)蝕程度是一種受滑滾比和相對(duì)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(duì)滾子表面微點(diǎn)蝕程度的綜合影響,圖5對(duì)兩種潤(rùn)滑油在不同測(cè)試條件下的摩擦磨損與微點(diǎn)蝕程度之間的關(guān)系.

圖5 表面微點(diǎn)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(méi)有發(fā)現(xiàn)微點(diǎn)蝕現(xiàn)象;當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到0.08的最高水平時(shí),所有滾子表面都發(fā)現(xiàn)了大量的微點(diǎn)蝕情況.這似乎表明,隨著摩擦系數(shù)的增加,微點(diǎn)蝕程度隨之惡化.對(duì)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(shí),觀察到滾子表面出現(xiàn)了少量微點(diǎn)蝕或者沒(méi)有微點(diǎn)蝕現(xiàn)象.即便對(duì)于同一種潤(rùn)滑油來(lái)說(shuō),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(diǎn)蝕情況.例如,摩擦系數(shù)為0.07時(shí),Oil A滾子表面出現(xiàn)了“少量微點(diǎn)蝕”和“無(wú)微點(diǎn)蝕”狀況(圖5中的實(shí)心方形和菱形符號(hào)),Oil B滾子表面也出現(xiàn)了“少量微點(diǎn)蝕”和“無(wú)微點(diǎn)蝕”狀況(圖5中的空心方形和菱形符號(hào)).這表明滾子表面的微點(diǎn)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(diǎn)蝕程度均為“無(wú)微點(diǎn)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(diǎn)蝕.這表明磨損的增加可以降低微點(diǎn)蝕水平.當(dāng)考慮其他磨損性能時(shí),情況并非如此.例如,當(dāng)Oil A摩擦系數(shù)為0.07時(shí),隨著磨損從0.05增加到0.07×10-10m3左右,微點(diǎn)蝕程度從“無(wú)微點(diǎn)蝕”惡化到“少量微點(diǎn)蝕”.因此,在不同的相對(duì)濕度和滑滾比條件下,滾子表面的微點(diǎn)蝕程度時(shí)摩擦與磨損性能的復(fù)雜組合影響.表5對(duì)這種影響進(jìn)行了總結(jié).

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

表5表明:摩擦系數(shù)減小且磨損增加時(shí),滾子表面微點(diǎn)蝕程度會(huì)隨之緩解(情況①).然而,當(dāng)摩擦系數(shù)沒(méi)有改變或增加且磨損增加時(shí),滾子表面的微點(diǎn)蝕程度可能會(huì)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(diǎn)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(shí),表面微點(diǎn)蝕程度會(huì)得到緩解;當(dāng)摩擦系數(shù)不變?cè)黾忧夷p增加時(shí),微點(diǎn)蝕程度的變化是不可預(yù)見(jiàn)的.但是,圖5和表5中的結(jié)果僅展示了微點(diǎn)蝕試驗(yàn)后滾子表面的微點(diǎn)蝕程度與滾子摩擦磨損的關(guān)系,這可能與試驗(yàn)在何時(shí)停止有關(guān),且與試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦系數(shù)以及磨損有關(guān).

2.3 微點(diǎn)蝕分析

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

這兩種機(jī)制都表明,微點(diǎn)蝕的形成與裂紋的擴(kuò)展速度和磨損率密切相關(guān),而裂紋的擴(kuò)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(kuò)展速度越快,進(jìn)而使微點(diǎn)蝕程度惡化.Oil A在相對(duì)濕度為60%條件下,當(dāng)SRR從0.5%增加到5%時(shí),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(shí)增加的情況下使微點(diǎn)蝕程度惡化.這種情況遵循了圖6(b)中的第二種機(jī)制,其中磨損率不足以完全去除裂紋擴(kuò)展形成的微點(diǎn)蝕.比較Oil B在20%RH和60%RH條件下的微點(diǎn)蝕程度,在較高相對(duì)濕度條件下,磨損加劇而摩擦系數(shù)降低,并使微點(diǎn)蝕程度緩解,與圖6(a)中所示的第一種機(jī)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(jìn)而使裂紋擴(kuò)展速度下降,而磨損隨之增加能將所形成的微點(diǎn)蝕完全去除.

圖6 磨損與微點(diǎn)蝕程度之間的關(guān)系

2.4 短期試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步研究磨損與表面微點(diǎn)蝕形成過(guò)程的關(guān)系,對(duì)兩種潤(rùn)滑油在0.5%滑滾比和20%相對(duì)濕度條件下進(jìn)行了5分鐘、30分鐘和60分鐘的短期試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表6所示.Oil A測(cè)試5分鐘后表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微點(diǎn)蝕現(xiàn)象,但30分鐘試驗(yàn)后表面發(fā)現(xiàn)了少量微點(diǎn)蝕,但60、150分鐘后表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微點(diǎn)蝕現(xiàn)象.很明顯,Oil A從測(cè)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(diǎn)蝕完全去除(遵循圖6(a)機(jī)制),但60、150分鐘后的磨損足以將所形成的微點(diǎn)蝕全部去除(遵循圖6(b)機(jī)制).Oil B測(cè)試5分鐘后表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微點(diǎn)蝕現(xiàn)象,但30、60、150分鐘試驗(yàn)后表面發(fā)現(xiàn)了少量微點(diǎn)蝕.很明顯,Oil B從測(cè)試5分鐘后,磨損不足以將所形成的微點(diǎn)蝕完全去除(遵循圖6(b)機(jī)制).另外,測(cè)試60分鐘后,Oil B的表面微點(diǎn)蝕程度比Oil A要更加惡劣.因?yàn)镺il A中含有摩擦改進(jìn)劑,其摩擦系數(shù)低于Oil B,因而Oil A的表面微點(diǎn)蝕擴(kuò)展速度要低于Oil B.另外,盡管兩種潤(rùn)滑油從30分鐘測(cè)試到60分鐘測(cè)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(diǎn)蝕擴(kuò)展速度以及更高的磨損率使Oil A測(cè)試后的表面微點(diǎn)蝕程度優(yōu)于Oil B.

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)兩種商用潤(rùn)滑油,使用微點(diǎn)蝕測(cè)試機(jī)在不同滑滾比和相對(duì)濕度條件下,對(duì)其摩擦學(xué)性能(摩擦、磨損)與微點(diǎn)蝕程度的關(guān)系進(jìn)行了研究,主要結(jié)論如下.

(1)較高的相對(duì)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(shì)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(diǎn)蝕程度的變化趨勢(shì)卻不同.

(3)滾子表面微點(diǎn)蝕程度受摩擦磨損性能的綜合影響,為對(duì)這種影響進(jìn)行深入分析,對(duì)磨損與微點(diǎn)蝕程度之間關(guān)系的兩種機(jī)理進(jìn)行了說(shuō)明.

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

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

表6 短期試驗(yàn)后滾子磨損與表面微點(diǎn)蝕程度之間的關(guān)系