(安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽馬鞍山 243002)

油-氣潤(rùn)滑主要是利用高速氣流推動(dòng)潤(rùn)滑油以精細(xì)液滴形式噴至潤(rùn)滑表面并形成潤(rùn)滑油膜層。其中，高速氣流具有輸送潤(rùn)滑油、冷卻散熱、阻隔外界雜質(zhì)和減小攪油溫升等作用[1]。油-氣潤(rùn)滑常用于高速、重載以及高溫等惡劣工況，在連鑄機(jī)、中厚板軋機(jī)和帶鋼軋機(jī)等軸承的潤(rùn)滑系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用。目前對(duì)油-氣潤(rùn)滑的研究主要集中在氣液兩相流形成機(jī)制[2-4]，油-氣潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5-6]，以及油-氣潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)高速軸承潤(rùn)滑特性的影響[7-8]等方面。

點(diǎn)接觸作為一種高副接觸，由于接觸面積小、接觸應(yīng)力大，其摩擦、磨損與潤(rùn)滑問(wèn)題一直是研究人員研究的重要方向。目前對(duì)點(diǎn)接觸的研究，多數(shù)主要集中在表面微織構(gòu)對(duì)點(diǎn)接觸摩擦特性的影響[9-13]，熱彈流潤(rùn)滑特性和沖擊微動(dòng)磨損行為對(duì)點(diǎn)接觸的影響[14-15]，以及點(diǎn)接觸許用應(yīng)力的試驗(yàn)研究[16]等。將油-氣潤(rùn)滑運(yùn)用于球/盤(pán)點(diǎn)接觸部位，并對(duì)該潤(rùn)滑方式下的摩擦特性進(jìn)行研究，目前尚未得到廣泛開(kāi)展。油-氣潤(rùn)滑能夠改變摩擦副間的接觸狀態(tài)，導(dǎo)致接觸部位摩擦行為和承載能力發(fā)生變化，研究油-氣潤(rùn)滑對(duì)高副接觸行為的影響具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文作者針對(duì)點(diǎn)接觸副進(jìn)行了油-氣潤(rùn)滑條件下滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，通過(guò)與滴油潤(rùn)滑以及干摩擦試驗(yàn)進(jìn)行比較，探討油-氣潤(rùn)滑模式對(duì)點(diǎn)接觸副摩擦行為的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

潤(rùn)滑油選用長(zhǎng)城卓力(L-HM46號(hào))抗磨液壓油，產(chǎn)品主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 潤(rùn)滑油參數(shù)

試驗(yàn)采用球/盤(pán)點(diǎn)接觸旋轉(zhuǎn)摩擦磨損方式，盤(pán)試樣選用Q235鋼，尺寸為φ50×5 mm，球試件材料為GCr15軸承鋼，尺寸為φ9.52 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

圖1所示為油-氣潤(rùn)滑試驗(yàn)中噴嘴安放位置示意圖。

圖1 油-氣潤(rùn)滑試驗(yàn)噴嘴安放示意圖

其中，α為噴嘴軸線與水平面之間的夾角，保持30°不變；n為圓盤(pán)轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)方向與箭頭方向一致。以球/盤(pán)空載時(shí)接觸點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，x、z坐標(biāo)方向如圖所示，y坐標(biāo)軸垂直向外。噴嘴軸線和球/盤(pán)接觸點(diǎn)位于xOz平面中，軸線與盤(pán)平面相交于點(diǎn)p，pO距離為4 mm。試驗(yàn)中選用直通式噴嘴，噴嘴內(nèi)徑尺寸為φ2.5 mm。滴油潤(rùn)滑試驗(yàn)時(shí)，潤(rùn)滑油從噴嘴末端滴至盤(pán)試件上表面；油-氣潤(rùn)滑試驗(yàn)時(shí)，潤(rùn)滑油依靠高壓氣體輸送至接觸區(qū)附近。

表2給出了試驗(yàn)采用的具體工況參數(shù)。文中分別進(jìn)行了干摩擦、滴油潤(rùn)滑和油-氣潤(rùn)滑模式下的球/盤(pán)副摩擦磨損試驗(yàn)。首先進(jìn)行點(diǎn)接觸干滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，然后調(diào)整供油量進(jìn)行滴油潤(rùn)滑試驗(yàn)，最后分別改變供油量和供氣速度，進(jìn)行油-氣潤(rùn)滑下點(diǎn)接觸滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以上試驗(yàn)均在相同環(huán)境中進(jìn)行。

表2 試驗(yàn)工況

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)在美國(guó)生產(chǎn)的MFT-3000型旋轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)中球/盤(pán)副安裝位置如圖2所示。下試件圓盤(pán)固定在工作臺(tái)夾具中，依靠電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；球試件安裝在端部空心的銷軸套筒內(nèi)，由空心螺帽擰緊固定；載荷施加在銷軸上部。

圖2 點(diǎn)接觸試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)開(kāi)始前，先后利用400號(hào)氧化鋁耐水砂紙和W20金相砂紙對(duì)下試件進(jìn)行細(xì)化打磨。然后將下試件依次放在丙酮、乙醇溶液、蒸餾水中利用超聲波清洗儀清洗，并用吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行烘干。最后，利用精密分析天平稱量其質(zhì)量。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)中的計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲取瞬時(shí)摩擦因數(shù)，同時(shí)對(duì)球/盤(pán)副滑動(dòng)摩擦過(guò)程中的油液進(jìn)行采集。試驗(yàn)結(jié)束后，按照試驗(yàn)前相同步驟對(duì)下試件進(jìn)行清洗、烘干和稱量等操作，計(jì)算試樣磨損質(zhì)量。采用Rtec白光干涉形貌儀觀察下試件的磨痕形貌，獲得磨痕寬度、深度和粗糙度等信息。利用VIC-T分析式鐵譜儀制取磨粒譜片，應(yīng)用鐵譜顯微鏡觀察磨粒形狀。在掃描電子顯微鏡(JSM-6490LV)下觀測(cè)磨痕的微觀形貌，利用其自帶的電子能譜對(duì)磨痕區(qū)域元素成分進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損特性

試驗(yàn)所測(cè)不同工況下摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖3(a)、(b)所示。圖3(c)給出了不同工況下試件滑動(dòng)摩擦達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的平均摩擦因數(shù)(400～1 200 s)，圖3(d)所示為不同工況下試件的磨損質(zhì)量。在進(jìn)行滴油潤(rùn)滑試驗(yàn)時(shí)，在供油量分別為0.2、0.4、0.6和0.8 mL/min時(shí)，摩擦因數(shù)隨供油量的增加沒(méi)有發(fā)生明顯變化，平均摩擦因數(shù)在0.047 9～0.049 2之間。在供油量為0.2 mL/min時(shí)摩擦因數(shù)相對(duì)較小為0.047 9，故關(guān)于滴油潤(rùn)滑摩擦因數(shù)隨供油量的變化不再贅述，以供油量為0.2 mL/min下滴油潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，展開(kāi)油-氣潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析。

圖3 不同工況下的摩擦因數(shù)和磨損質(zhì)量

圖3(a)所示為干摩擦、滴油潤(rùn)滑和油-氣潤(rùn)滑3種模式下摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。其中滴油潤(rùn)滑和油-氣潤(rùn)滑供油量均為0.2 mL/min，油-氣潤(rùn)滑供氣速度為4 m/s?？梢钥闯觯汗┯土繛?.2 mL/min時(shí)油-氣潤(rùn)滑和干摩擦下的摩擦因數(shù)有相同的變化趨勢(shì)，都經(jīng)歷了磨合期向穩(wěn)定磨損期的轉(zhuǎn)變。油-氣潤(rùn)滑時(shí)，在磨合期(0～400 s)，摩擦因數(shù)急劇上升，波動(dòng)較大；進(jìn)入穩(wěn)定磨損期(400～1 200 s)后，摩擦因數(shù)保持在0.4左右,同時(shí)由于磨損表面粗糙度不斷變化，導(dǎo)致摩擦因數(shù)在小范圍內(nèi)波動(dòng)[17]。這主要是由于供油量不足，油-氣潤(rùn)滑形成的氣液兩相流沿噴嘴末端向外輸送時(shí)，大部分潤(rùn)滑油經(jīng)噴嘴輸出時(shí)被氣流吹散，只有極少數(shù)細(xì)微液滴被輸送至接觸部位，導(dǎo)致潤(rùn)滑狀態(tài)較差，試件產(chǎn)生的磨損(如圖3(c)所示)達(dá)到145 mg。滴油潤(rùn)滑試驗(yàn)中，由于潤(rùn)滑油不受流動(dòng)空氣的干擾，以滴狀落下的潤(rùn)滑油，在圓盤(pán)的帶動(dòng)下被輸送并粘附在接觸部位，潤(rùn)滑效果較好，平均摩擦因數(shù)為0.048 9，磨損質(zhì)量為2 mg，磨損較輕微。由圖3(a)、(c)、(d)可知,油-氣潤(rùn)滑與滴油潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)果相比，由于供油量不足，其潤(rùn)滑性能遠(yuǎn)低于滴油潤(rùn)滑，試件發(fā)生的摩擦磨損較滴油潤(rùn)滑嚴(yán)重。

圖3(b)給出了油-氣潤(rùn)滑試驗(yàn)中(供氣速度為4 m/s)在不同供油量下摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。可見(jiàn)，隨供油量增加摩擦因數(shù)下降。從圖3(c)、(d)也可看出：油-氣潤(rùn)滑時(shí)隨供油量增加減摩降磨效果顯著提升，其中供油量為0.2、0.4、0.6 mL/min時(shí)，平均摩擦因數(shù)分別為0.384 1、0.115 6和0.083 2；當(dāng)供油量增加到0.8 mL/min時(shí)，較多的潤(rùn)滑油沿噴嘴被輸送至接觸部位，潤(rùn)滑狀況較好，滑動(dòng)摩擦在整個(gè)過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，平均摩擦因數(shù)達(dá)0.050 3，磨損質(zhì)量為2 mg。這表明油-氣潤(rùn)滑時(shí)，在供油量為0.8 mL/min時(shí)，接觸部位易形成較好的潤(rùn)滑油膜層。

比較圖3(c)中供油量為0.8 mL/min時(shí)的平均摩擦因數(shù)可知，不同供氣速度下的平均摩擦因數(shù)均很小；當(dāng)供氣速度為4 m/s時(shí)，平均摩擦因數(shù)為0.050 3，與滴油潤(rùn)滑下的平均摩擦因數(shù)0.048 9相差不大；當(dāng)供氣速度為8 m/s時(shí)，平均摩擦因數(shù)為0.035 8，遠(yuǎn)低于滴油潤(rùn)滑下的摩擦因數(shù)。結(jié)合圖3(c)和圖3(d)可知，在油-氣潤(rùn)滑方式下，供油量為0.8 mL/min時(shí)，改變供氣速度為8 m/s，其潤(rùn)滑性能較滴油潤(rùn)滑好，摩擦因數(shù)大幅下降，低于滴油潤(rùn)滑。

2.2 磨痕形貌分析

圖4和表3給出了干摩擦、供油量為0.2 mL/min時(shí)滴油以及油-氣潤(rùn)滑下磨痕表面形貌和磨痕參數(shù)值。由圖4(b)可看出，滴油潤(rùn)滑條件下，潤(rùn)滑性能較好，磨損輕微，磨痕寬度和深度分別為420、3.4 μm。油-氣潤(rùn)滑方式下由于供油量不足，故呈現(xiàn)出和干摩擦相似的表面形貌，磨痕寬度為2 550 μm，深度為140 μm,粗糙度為2.4 μm(如表3所示)，其磨痕表面形貌變化十分明顯。在油-氣潤(rùn)滑下，磨痕粗糙度為2.4 μm，較干摩擦下5.1 μm小。 這是由于氣流帶動(dòng)磨粒脫離接觸部位，減少了三體磨粒磨損的發(fā)生。

圖4 不同工況下磨痕形貌

工況磨痕寬度B/μm磨痕深度h/μm磨痕粗糙度Ra/μm干摩擦2 8001705.1滴油潤(rùn)滑 4203.40.26油-氣潤(rùn)滑2 5501402.4

滴油潤(rùn)滑和油-氣潤(rùn)滑試驗(yàn)在不同供油量下的磨痕表面形貌如表4所示，表5給出了不同潤(rùn)滑工況下磨痕的寬度、深度以及粗糙度等磨損參數(shù)。

由表4、5可看出：在滴油潤(rùn)滑條件下，磨痕形貌參數(shù)隨供油量的增加變化較小；磨痕寬度在420～520 μm之間變化，深度在3～5 μm之間變化；潤(rùn)滑油膜承擔(dān)絕大部分載荷，因此試件滑動(dòng)摩擦后表面磨損輕微，磨痕參數(shù)較小。在油-氣潤(rùn)滑條件下，在供氣速度為4 m/s時(shí)，隨著供油量的增加，磨痕寬度、深度以及粗糙度快速下降，磨痕寬度由2 550 μm減小到530 μm，深度由140 μm減小到5.8 μm。因此，在同一供氣速度下，油-氣潤(rùn)滑隨供油量增加，接觸部位潤(rùn)滑油量得以提升，潤(rùn)滑狀況明顯得到改善，磨痕寬度、深度以及粗糙度均減小。

由表4可看出，供油量較少時(shí)，油-氣潤(rùn)滑下的磨痕深度和寬度明顯大于滴油潤(rùn)滑，隨著供油量的增加，兩者間差距減小，但滴油潤(rùn)滑的效果仍好于油-氣潤(rùn)滑。這是由于供油量較少時(shí)，形成的油氣兩相流中潤(rùn)滑油較少，大部分潤(rùn)滑油被氣流吹散，只有極少數(shù)被輸送至接觸部位，因此磨痕深度和寬度明顯大于滴油潤(rùn)滑；隨著供油量的增加，壓縮空氣帶動(dòng)潤(rùn)滑油鋪展，試件表面潤(rùn)滑油層厚度增加，潤(rùn)滑狀況明顯得到改善，磨痕寬度、深度以及粗糙度均大幅減小，但相同供油量下試件表面潤(rùn)滑油層厚度仍低于滴油潤(rùn)滑，試件磨損程度仍較滴油潤(rùn)滑時(shí)嚴(yán)重。

表4 不同供油量下的磨痕表面形貌

表5 磨痕磨損的相關(guān)參數(shù)

表6和表7給出了油-氣潤(rùn)滑供油量為0.8 mL/min時(shí)，不同供氣速度下的磨痕表面形貌以及磨損參數(shù)?？梢?jiàn)，試件磨痕寬度和深度均隨著供氣速度的增加而增大，而磨痕沿寬度方向粗糙度變化并不明顯。這是因?yàn)樵诠┯土砍渥銜r(shí)，隨供氣速度增大，圓盤(pán)表面聚集的潤(rùn)滑油鋪展得更稀薄，使得接觸部位供油層厚度減小，摩擦阻力減小；同時(shí)摩擦副間油膜厚度變薄，承載能力下降，因而磨痕寬度和深度輕微增大。

表6 不同供氣速度下磨痕形貌

表7 磨痕磨損的相關(guān)參數(shù)

比較圖4、表4、表6所示的不同工況下的磨痕形貌可看出，在油-氣潤(rùn)滑條件下磨痕表面有溝痕產(chǎn)生，并在兩側(cè)形成隆起，與滴油潤(rùn)滑以及干摩擦下磨痕相似。這主要是在滑動(dòng)過(guò)程中接觸表面發(fā)生彈性形變，隨滑動(dòng)摩擦的進(jìn)行，試件發(fā)生塑性變形，有大顆粒從材料表面脫落，接觸部位軟材料在硬顆粒的擠壓與滑動(dòng)作用下，產(chǎn)生塑性形變向兩邊隆起擴(kuò)展形成溝槽，即犁溝效應(yīng)，從而導(dǎo)致摩擦副中間部位磨痕最深。依據(jù)磨損的基本原理，可判定為磨粒磨損[17]。

2.3 磨粒形狀和磨痕元素組成分析

圖5示出了干摩擦、滴油潤(rùn)滑以及油-氣潤(rùn)滑3種方式下的磨粒形狀(在鐵譜顯微鏡下放大50倍)?？梢钥闯?，磨損產(chǎn)生的磨粒以片狀或者塊狀小磨粒為主，伴隨著極少數(shù)長(zhǎng)條狀切削磨粒，磨粒顏色均呈現(xiàn)銀白色。其中，在油-氣潤(rùn)滑條件下，磨損產(chǎn)生的磨粒體積較小呈碎屑狀，與滴油潤(rùn)滑下產(chǎn)生的磨粒相同。在干摩擦下產(chǎn)生的磨粒體積較大，并以片狀或塊狀形式存在。這主要是在該條件下，摩擦副間接觸狀態(tài)較差，摩擦力反復(fù)作用使接觸部位的材料產(chǎn)生大塊脫落，導(dǎo)致磨粒體積較大。在潤(rùn)滑工況相對(duì)較好的滴油潤(rùn)滑時(shí)，摩擦接觸表面發(fā)生小的變形和刮擦作用，導(dǎo)致小磨粒產(chǎn)生。依據(jù)磨粒形狀，可判定為磨粒磨損[18]。

圖5 不同潤(rùn)滑工況下磨屑形狀(50X)

油-氣潤(rùn)滑系統(tǒng)工作時(shí)，利用高壓氣體將潤(rùn)滑油以精細(xì)油滴形式輸送至潤(rùn)滑點(diǎn)區(qū)域，高壓氣體起到輸送潤(rùn)滑油的同時(shí)，對(duì)摩擦副間散熱狀況也有較好的改善作用[1]。圖6所示為盤(pán)試件在不同潤(rùn)滑模式下磨痕的SEM形貌，并在圖中方框區(qū)域進(jìn)行EDS檢測(cè)。根據(jù)磨痕表面EDS能譜可知，在油-氣潤(rùn)滑、干摩擦以及滴油潤(rùn)滑條件下磨痕區(qū)域元素組成相同，均僅含F(xiàn)e、C 2種元素，無(wú)氧元素存在,表明磨損過(guò)程中沒(méi)有鐵系氧化物生成。這是由于鐵的氧化物生成是隨高溫和低溫轉(zhuǎn)變過(guò)程逐級(jí)進(jìn)行的，高溫轉(zhuǎn)變?yōu)镕e-FeO-Fe3O4-Fe2O3，而在試驗(yàn)較低的滑動(dòng)速度以及載荷下，摩擦副間溫度較低，摩擦生熱不足以引起磨損機(jī)制發(fā)生改變[19]，油-氣潤(rùn)滑的冷卻散熱功效對(duì)摩擦副溫升影響不明顯，不同工況下磨痕區(qū)域元素成分沒(méi)有明顯變化。

圖6 磨痕表面形貌以及EDS檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)油-氣潤(rùn)滑工況下，當(dāng)供油量不足時(shí)，隨供油量增加摩擦因數(shù)、磨損質(zhì)量、磨痕深度與寬度以及粗糙度均逐漸減小，但潤(rùn)滑性能較滴油潤(rùn)滑差；當(dāng)供油量充足時(shí)(如文中的供油量0.8 mL/min)，調(diào)整供氣速度，其潤(rùn)滑性能優(yōu)于滴油潤(rùn)滑，摩擦因數(shù)較滴油潤(rùn)滑小。

(2)試件磨痕深度、寬度和粗糙度隨油-氣潤(rùn)滑供油量增加快速減小，在磨痕兩側(cè)觀察到有隆起產(chǎn)生；摩擦副間潤(rùn)滑工況相對(duì)較好時(shí)，改變供氣速度，磨痕參數(shù)變化相對(duì)較小。

(3)較低滑動(dòng)速度以及載荷下，點(diǎn)接觸滑動(dòng)摩擦不會(huì)發(fā)生氧化磨損，油-氣潤(rùn)滑模式對(duì)摩擦副間冷卻散熱狀況影響不明顯，與滴油潤(rùn)滑以及干摩擦下磨損機(jī)制相同，均為磨粒磨損；磨屑主要以碎屑狀或者片狀形式存在，并伴隨極少數(shù)長(zhǎng)條狀磨粒。