往复冲击对脂润滑成膜性能影响的试验研究.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：吕振东，谢伟东，韩一鸣，等往复冲击对脂润滑成膜性能影响的试验研究润滑与密封，（）：，（）：基金项目：国家自然科学基金项目（）；山东省自然科学基金项目（）收稿日期：；修回日期：作者简介：吕振东（），男，硕士研究生，研究方向为润滑脂的弹流和磨损试验。：。通信作者：王静（），女，博士，教授，主要研究方向为润滑理论和实验研究。：。往复冲击对脂润滑成膜性能影响的试验研究吕振东 谢伟东 韩一鸣 张明宇 王 静（东华大学机械工程学院 上海；中国科学院兰州化学物理研究所，固体润滑国家重点实验室 甘肃兰州）摘要：冲击现象广泛存在于工业链、滚动轴承等机械零部件中，严重的情况下会引起冲击磨损。为探究冲击载荷对脂润滑条件下成膜性能的影响，在点接触光干涉弹流试验台上对锂基脂润滑条件下的膜厚演化进行冲击试验研究。试验时钢球和玻璃盘的初始间隙设置为，冲击载荷按三角波往复变化。结果发现：在第一个冲击周期内，接触区存在大块的增稠剂纤维团，该纤维团造成接触区内的脂膜凹陷；随着冲击周期的增加，接触区内的大块增稠剂纤维团消失，脂膜厚度逐渐降低，润滑状态进入到薄膜润滑状态，最后发生了表面损伤；在任何一个冲击周期内，中心膜厚和最小膜厚大部分的时间都呈现固定值；中心膜厚随着冲击周期数的增加而减小，最小膜厚在最初的 个周期内变化很小，此后逐渐降低，最后为。关键词：脂润滑；成膜性能；往复冲击；光干涉技术中图分类号：（，；，）：，：；众多的脂润滑机械零部件工作在变载或者冲击载荷工况下，如链传动中的多边形效应会导致链条和链轮啮合时产生冲击，滚动轴承中的钢球与保持架之间会发生频繁的冲击碰撞。很多润滑学者研究了油润滑条件下的纯挤压弹流润滑问题，发现冲击载荷会引起油 膜 厚 度、压 力 乃 至 于 温 升 的 剧 烈 变 化。和 利用光干涉技术对钢球冲击玻璃盘进行研究，发现一个凹陷形状油膜出现在润滑油匮乏的接触中心。在数值分析方面，等阐明了表面形貌对加载过程中最大冲击压力的影响，以及初始冲击间隙、粗糙峰形状和尺寸对圆形粗糙峰变形的影响。等通过数值分析研究了自由落体冲击下点接触和椭圆接触中的热弹流润滑问题，发现接触区有显著的温升；而且随着椭圆比的增加，冲击回弹时间缩短，而环境油黏度越小，冲击回弹时间越长。等推导了点接触自由落体冲击的中心膜厚公式，发现中心膜厚的变化仅取决于几个参数。等采用数值分析方法求解了纯挤压运动过程中，乏油条件对等温弹流润滑特性的影响，发现相对富油条件而言，乏油条件下的中心压力、中心膜厚和最小膜厚相对都比较小。一些摩擦学者从磨损的角度对冲击现象进行了研究。在实验方面，石成霞等通过自制的冲击试验台，在干接触及有油润滑情况下用一个钢球往复冲击硬铝合金盘，发现润滑油的使用可以降低材料表面的塑性变形和磨损。卢磊磊和王静研究了冲击载荷作用下表面具有不锈钢焊层的 钢的表面损伤行为，发现随着冲击次数的不同，材料的损伤机制主要是黏着磨损、疲劳破碎及疲劳剥落。吉志宽等在重载荷冲击磨损试验机上对 钢试件进行海水润滑工况下的冲击磨损试验，发现冲击使试件表面发生了塑性变形和磨损，海水对试件表面造成了一定程度的腐蚀。以上研究都是在油润滑或海水润滑工况下完成的。润滑脂在现代装备运行过程中起着重要作用，在滚动轴承、齿轮、工业链的摩擦副中应用很多。迄今为止，关于有切向速度的脂润滑弹流问题的试验研究比较多。刘成龙等采用光干涉技术分析了粗细 种稠化剂纤维结构对润滑脂膜厚的影响，发现粗纤维结构的润滑脂稠化剂连续性好。等利用光干涉测量技术，观察了低速时增稠剂纤维团的动态变化及其对薄膜厚度的影响，发现在稳态低速纯滚动条件下，众多增稠剂纤维团集聚在接触区中，以相当厚的脂膜存在相当长的时间；在纯滚动往复运动下，润滑脂润滑在瞬态条件下的寿命远低于稳态条件下的寿命。等还观测到，在变速及变滑滚比的条件下，润滑脂的有效润滑时间显著缩短。然而，目前在纯冲击条件下对脂润滑的光干涉实验研究比较少。等通过球盘点接触光干涉试验机观察了润滑脂在极低速滚动 滑动或冲击条件下的行为，发现极低速的冲击会导致脂膜变厚；在低滑动速度条件下，可长时间保持富含增稠剂的膜厚和较低的摩擦力。冲击载荷影响着机械零部件的使用寿命，影响着润滑脂的润滑状态和成膜性能，目前国内外对冲击条件下的油润滑研究比较充分，但润滑脂的成膜性能试验研究较少。考虑到冲击载荷的多种形式，以及润滑脂的复杂润滑机制，冲击载荷对脂润滑条件下成膜性能的影响机制有待揭示。本文作者在球盘点接触试验台上，采用光干涉试验技术，研究了在往复冲击条件下自制润滑脂的弹流成膜性能，并研究润滑脂膜随冲击周期的变化以及表面损伤的发生过程。试验部分 试验设备及原理试验在自制的冲击载荷光弹流试验机上进行，采用光干涉技术测量润滑脂膜分布及厚度。如图 所示，试验机由载荷加载系统、运动控制系统、图像采集系统和机械本体等部分组成。试验中玻璃盘保持静止，钢球固定在夹具上，由电机旋转带动加载装置往复冲击玻璃盘，用高速彩色相机在显微镜下以每秒 帧的采样频率记录润滑脂膜的变化。如图 所示，试验中载荷的变化分为线性加载和线性减载 个阶段。玻璃盘和钢球之间的初始间隙设为。载荷从 开始增加，达到最大值 后开始减载，一直到；然后再重新加载。将载物平台与钢球置于初始位置，通过 程序控制，伺服电机按照设定规律正反转，实现钢球的循环冲击。图 球盘试验机结构示意 图 冲击载荷变化 试验材料与参数钢球材料为 钢，弹性模量为 ，泊松比为 ，直径为 ，精度 级。玻璃盘材料为，直径为 ，厚度为 ，弹性模 年第 期吕振东等：往复冲击对脂润滑成膜性能影响的试验研究 量为 ，泊松比为 。玻璃盘上镀有公称厚度为 的析光 膜和公称厚度为 的 垫层，镀层的表面粗糙度 。试验中最大冲击载荷为 ，对应的最大赫兹接触压力为 ，冲击频率为 。试验用润滑脂为自制的基础脂（未加入添加剂），润滑脂的具体参数如表 所示。表 润滑脂参数 组成及参数数值基础油增稠剂锂基皂基含量基础油黏度（）（）基础油黏度（）（）锥入度 （）等级 试验结果与讨论 光干涉图像分析图 所示为第 个冲击周期不同瞬时的光干涉图像和对应的中截面膜厚曲线。在第一个瞬时，钢球处于初始位置，此时的压力为，中心膜厚约为 。如图 （）所示，瞬时，接触区中心形成凹陷脂膜，这是由接触区中存在的增稠剂纤维所导致的，而非油润滑条件下由于挤压所产生的凹陷油膜现象，中心膜厚减小到 。在图 （）（）中，润滑脂纤维团清晰可见，接触区面积逐渐扩大，但是脂膜形状和厚度变化不大，中截面膜厚仅由 减小到 。图 （）中瞬间冲击载荷达到最大值 ，接触区面积达到最大。此后进入反弹阶段，图 （）中瞬时压力减小，接触区减小，中心膜厚增加至 。随着反弹过程的进行，图 （）所示瞬间，增稠剂纤维团在接触区中很难被看见，中心膜厚增加到 。在第一个冲击周期结束瞬间（见图 （），钢球回到初始位置，冲击载荷变为，钢球和玻璃盘仍然接触。光干涉照片中可见很多卸载产生的气泡，接触区周围全部都是比较小的气泡。图 第 周期不同瞬时的光干涉图像和中截面膜厚曲线 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）润滑与密封第 卷 图 给出了第 个冲击周期不同瞬时的光干涉图像和中截面膜厚曲线。在第一个瞬时，如图 （）所示，钢球处于初始位置，有很多气泡聚集在接触区周围。在图 （）所示瞬间，接触区中心膜厚迅速下降到 左右，图 （）（）中在接触区的脂膜仍大致呈水平分布，而没有出现油润滑条件下的冲击凹陷膜形状，且接触区里面也没有了明显的大块润滑脂纤维团。在图 （）中，压力达到最大值，接触区中心膜厚为 ，冲击开始进入反弹阶段。在图 （）、（）中，冲击载荷逐渐减小，接触区面积减小，中心膜厚并没有像图 （）、（）所示那样有明显的增加，仍然保持在 上下。图 （）所示瞬间，钢球回到初始位置，压力减小到，润滑脂团回到接触区周围，润滑脂得到补充，但接触区四周仍存在有大量气泡的气穴区，且气泡的整体尺寸大于图 （）中的气泡。图 第 周期不同瞬时的光干涉图像和中截面膜厚曲线 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）图 给出了第 个冲击周期不同瞬时的光干涉图像和中截面膜厚曲线。在这个周期中，接触区周围为气穴区所环绕。而在图 （）、（）、（）、（）和（）中，除了图片边缘的大气穴区，还有紧邻接触区的一个完整的气穴区。在这个周期中，接触区已经出现了明显的磨损痕迹。通过 次相同条件下的重复试验发现，磨损的位置随机出现于接触区中心及靠近中心的区域，磨损出现的时间在 周期之间。图 （）（）所示瞬间，接触区的中心膜厚很薄，膜厚在 左右。试验后发现磨损在两接触表面均有发生。年第 期吕振东等：往复冲击对脂润滑成膜性能影响的试验研究 图 第 周期不同瞬时的光干涉图像和中截面膜厚曲线 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）图 给出了在冲击载荷为最大值即 的 瞬时若干周期的光干涉图像，图 给出了对应的中心和最小膜厚对比，由此可以直观地看出润滑脂膜的变化过程。在第 个冲击周期，接触区中增稠剂纤维团清晰可见，此时的接触区中心膜厚最大，为 ，如图 所示。第 个冲击周期中心凹陷脂膜迅速减小，中心膜厚迅速降到 。随着冲击的进行，凹陷脂膜逐渐减小，中心膜厚持续降低。到第 个冲击周期在接触区仅能看到一点润滑脂纤维团，中心膜厚也下降到了 。此后一直到第 个冲击周期，中心凹陷现象消失，如图 （）（）所示，而接触区中心膜厚几乎没有变化。从第 个冲击周期开始，到第 个周期，接触区中心膜厚呈现线性下降趋势，如图 所示。在第 冲击周期左右，接触区的中心偏右下侧开始出现直接接触，如图 （）所示。随着冲击周期的进一步增加，磨损区域逐渐向周围扩展，如图 （）、（）所示。但是从第 冲击周期开始，接触区的中心膜厚似乎又达到了一种平衡，保持在 上下浮动，如图 所示。随周期的增加，载荷最大瞬时的中心膜厚呈阶梯式下降。最小膜厚在前 个周期变化不大，之后迅速下降，在 周期达到最小值即。润滑与密封第 卷图 不同周期同一时刻（）光干涉图像 （）：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）图 最大载荷时刻接触区中心膜厚和最小膜厚变化曲线 脂膜厚度分析图 给出了 个选定的冲击周期的中心膜厚变化。图 （）显示了第、个冲击周期的结果。每个周期的第一个瞬时中心膜厚都能恢复到 左右，说明在冲击的回弹阶段两接触处表面间存在润滑脂回流现象，在相邻 个冲击周期之间存在润滑脂有限程度的补充现象。在 ，第 个周期的膜厚最大，这是因为润滑条件处于富脂状态；第、周期的曲线近于重合，在冲击周期内的中程阶段曲线趋于水平，中心膜厚没有较大波动，但仍然可以看出 条曲线中第 周期的膜厚最大，随着冲击循环次数的增加，脂膜厚度在减小。图 （）给出了第、和 冲击周期的结果。在 ，第 个周期的膜厚最大，约为 ，到第 个周期后，膜厚减小至 。在第 个周期后，条曲线几乎相互重叠，且周期内没有明显的起伏变化，这说明在乏脂条件下，冲击过程中仅有一层非常薄的润滑膜保留在 个表面之间，所以冲击所造成的润滑脂运动不能引起周期内膜厚的变化；在 个冲击周期之间，润滑脂有明显的回流现象，说明脂膜分布仍是一个动态的过程，润滑脂中增稠剂纤维的分布并没有固 年第 期吕振东等：往复冲击对脂润滑成膜性能影响的试验研究 定位置。图 显示了 个选定的冲击周期的最小膜厚的变化。图 （）为第、和 冲击周期内的最小膜厚结果。由于冲击所造成的快速乏脂现象，增稠剂纤维团存在的时间较短，所以不同周期的最小膜厚变化不大，在 之间 条曲线完全重合。的不同周期最小膜厚的差异再次印证了脂膜分布的动态过程。图 （）中，随周期的增加，接触区中的脂膜厚度逐渐降低，在第 个冲击周期发生了直接接触，最小膜厚直接减小到。图 选定的不同周期内中心膜厚的变化 图 选定的不同周期内最小膜厚的变化 结论（）对冲击过程的光干涉图像和中截面膜厚分析发现，在冲击的起始阶段，接触区存在大块的增稠剂纤维团，该纤维团造成接触区内的脂膜凹陷，在一段时间冲击后，接触区内无明显的润滑脂纤维团，脂膜厚度逐渐降低，润滑状态进入到薄膜润滑状态，最后发生了表面损伤。（）随着冲击次数的增加，在载荷最大瞬时，接触区的中心膜厚呈阶梯式下降。在经过几个冲击周期后，一直到 个周期内，中心膜厚和最小膜厚趋于水平。第 个周期后发生表面损伤后，在接触区损伤区域外其他位置，润滑脂膜保持了几乎不变的极低的厚度。（）比较不同周期的中心膜厚和最小膜厚变化曲线可以得出，在任何一个冲击周期内，中心膜厚和最小膜厚大部分的时间都呈现固定值。中心膜厚随着冲击周期数的增加而减小，最小膜厚在最初的 个周期内变化很小，此后逐渐降低，最后为。参考文献 张涛，陈晓阳，顾家铭，等高速角接触球轴承保持架不稳定运动机理分析振动与冲击，（）：，（）：，（）：，（）：，润滑与密封第 卷 ，：，：，（）：，：，：，（）：石成霞，王静，陈凡秀，等重冲击载荷作用下硬铝合金的损伤行为研究润滑与密封，（）：，（）：卢磊磊，王静表面具有焊层的 钢冲击磨损的实验研究润滑与密封，（）：，（）：吉志宽，王静，许桢 钢在 种润滑状态下的冲击损伤行为材料保护，（）：，（）：刘成龙，张玉萌，栗心明，等润滑脂纤维结构对弹流油膜影响的试验研究摩擦学学报，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，年第 期吕振东等：往复冲击对脂润滑成膜性能影响的试验研究