羅敏敏,鐘林*,,王國(guó)榮,廖文玲,魏剛

(1. 西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,成都 610500; 2. 西南石油大學(xué) 能源裝備研究院,成都 610500;3. 成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院,成都 611730)

滑動(dòng)軸承具有承載能力大,耐用性能優(yōu)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備中。但在潤(rùn)滑不良、高溫或沖擊載荷作用下,滑動(dòng)軸承接觸表面的摩擦磨損成為制約其工作性能和使用壽命的重要因素?；诖?研究人員從摩擦副材料選擇,表面處理,結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面,取得了一定的研究成果。特別是近年來(lái)仿生表面技術(shù)的提出,結(jié)合表面織構(gòu)在不同工況下的工作機(jī)理[1-3],為摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究提供了新思路與方法。

Kango等[4]開(kāi)展了表面織構(gòu)對(duì)滑動(dòng)軸承承載力和溫度場(chǎng)分布的研究,證明了表面織構(gòu)位于滑動(dòng)軸承收斂區(qū)域時(shí),其承載力均優(yōu)于光滑或全織構(gòu)軸承。Brizmer等[5]建立了滑動(dòng)軸承動(dòng)壓潤(rùn)滑理論模型,分析了表面織構(gòu)分布方式對(duì)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑性能的影響及軸承參數(shù)對(duì)最優(yōu)織構(gòu)參數(shù)的影響,結(jié)果表明,對(duì)有限長(zhǎng)滑動(dòng)軸承,表面織構(gòu)可以減小軸承偏位角,提高軸承的潤(rùn)滑性能;軸承偏心率小于0.3時(shí),全尺寸分布及部分區(qū)域分布織構(gòu)均能提高軸承的潤(rùn)滑性能,但偏心率更大時(shí),織構(gòu)對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的提高并無(wú)明顯效果。Meng等[6]通過(guò)建立復(fù)合織構(gòu)化滑動(dòng)軸承幾何模型,在考慮空化效應(yīng)的基礎(chǔ)上分析了復(fù)合凹坑織構(gòu)對(duì)滑動(dòng)軸承動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的影響,結(jié)果表明,相比于簡(jiǎn)單凹坑織構(gòu),復(fù)合表面織構(gòu)對(duì)滑動(dòng)軸承動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的提升更大。Sinanoglu等[7]針對(duì)不同織構(gòu)化的滑動(dòng)軸承進(jìn)行了研究,結(jié)果表明梯形表面織構(gòu)對(duì)承載力的影響優(yōu)于鋸齒形織構(gòu)。Cupillard等[8]利用網(wǎng)格變形技術(shù)對(duì)徑向滑動(dòng)軸承進(jìn)行研究,結(jié)果表明,織構(gòu)最優(yōu)深度與油膜厚度有較大關(guān)系,油膜厚度越大,所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)織構(gòu)深度越大。Tala-Ighil等[9]開(kāi)展的穩(wěn)態(tài)工況下表面織構(gòu)對(duì)徑向滑動(dòng)軸承性能影響的數(shù)值理論研究也表明,合理選取織構(gòu)尺寸、深度和凹坑數(shù)目都有利于提升軸承的性能,且織構(gòu)的分布區(qū)域更重要。

牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承作為牙輪鉆頭的關(guān)鍵零部件之一,是傳遞扭矩和運(yùn)動(dòng)形式的主要橋梁,其工作性能對(duì)牙輪鉆頭的工作性能和使用壽命有重要的影響[10]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)研究表明,牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的失效主要是摩擦磨損?；诖?研究者從潤(rùn)滑介質(zhì)[11]、表面處理[12]和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[13]等方面開(kāi)展了工作。文獻(xiàn)[14-17]結(jié)合當(dāng)前仿生表面織構(gòu)技術(shù)在摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究成果,率先提出將仿生表面技術(shù)引入鉆頭滑動(dòng)軸承表面,探索了一種新的鉆頭滑動(dòng)軸承壽命提升的方法,證實(shí)了將仿生表面織構(gòu)引入鉆頭滑動(dòng)軸承表面的可行性,但結(jié)合牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的實(shí)際工況,開(kāi)展織構(gòu)尺寸、分布形式等參數(shù)的優(yōu)選是將表面織構(gòu)應(yīng)用于鉆頭滑動(dòng)軸承表面的前提基礎(chǔ)。

牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承采用復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂,在工作中基本不會(huì)產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤(rùn)滑,將上述研究結(jié)果應(yīng)用于牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承領(lǐng)域存在一定的局限性。目前表面織構(gòu)對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承全尺寸的試驗(yàn)研究也僅僅將織構(gòu)加工于軸徑外表面[18],未能通過(guò)試驗(yàn)方法分析織構(gòu)加工于軸套或軸徑表面的優(yōu)劣性。因此,現(xiàn)通過(guò)開(kāi)展模擬工況下牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承單元摩擦學(xué)試驗(yàn),對(duì)比分析橢圓凹坑布置對(duì)軸承減磨性能的影響。

1 單元摩擦學(xué)試驗(yàn)

1.1 試樣和試驗(yàn)設(shè)備

采用MDW-1型立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承單元摩擦學(xué)試驗(yàn),結(jié)合軸承摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式,采用銷(xiāo)-盤(pán)摩擦副(圖1)模擬鉆頭滑動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng),其中銷(xiāo)、盤(pán)尺寸分別為?8 mm×12 mm、內(nèi)徑30 mm×外徑54 mm×10 mm。

試驗(yàn)中,銷(xiāo)模擬滑動(dòng)軸承軸徑,其材質(zhì)與實(shí)際工況下軸徑材料相同,為20CrNiMo,且表面經(jīng)滲碳處理后硬度為60HRC,精拋光處理后表面粗糙度Ra=0.8 μm;盤(pán)模擬滑動(dòng)軸承軸套,其材質(zhì)與實(shí)際工況下軸套材料相同,為鈹青銅,接觸表面強(qiáng)化處理后表面硬度為36HRC,拋光后表面粗糙度Ra=0.8 μm,20CrNiMo和鈹青銅材料的主要物理性能見(jiàn)表1。

此外,為了保證試驗(yàn)條件下銷(xiāo)、盤(pán)的接觸方式與實(shí)際工況下滑動(dòng)軸承的接觸方式類(lèi)似(即線接觸),試樣加工過(guò)程中將銷(xiāo)的接觸表面加工成圓弧形,盤(pán)的接觸表面加工成平行表面。試驗(yàn)中,銷(xiāo)通過(guò)夾具與試驗(yàn)機(jī)主軸相連并隨之旋轉(zhuǎn),盤(pán)通過(guò)定位銷(xiāo)釘固定于摩擦副平臺(tái)上,從而實(shí)現(xiàn)二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。二者間的接觸壓力由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)加載,其表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦因數(shù)由扭矩傳感器測(cè)量得出的摩擦扭矩經(jīng)換算后獲得。試驗(yàn)中所需的環(huán)境溫度由加熱裝置提供,并通過(guò)溫度傳感器測(cè)量,進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。銷(xiāo)、盤(pán)試樣磨損量為試驗(yàn)前后經(jīng)清洗、烘干、測(cè)量得到的試樣質(zhì)量平均差值。試驗(yàn)完成后通過(guò)EDS、白光干涉儀和體式顯微鏡對(duì)試樣觀察后進(jìn)行表面形貌和元素成分對(duì)比分析。

1.2 試驗(yàn)條件

由于開(kāi)展的是模擬工況下的牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承單元試驗(yàn),因此試驗(yàn)工況需根據(jù)實(shí)際工況參數(shù)計(jì)算得到。結(jié)合文獻(xiàn)[10]中牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承徑向載荷與鉆壓之間的關(guān)系,在保證試驗(yàn)工況下銷(xiāo)-盤(pán)表面接觸壓力與實(shí)際工況下相同的基礎(chǔ)上,可通過(guò)Hertz等效應(yīng)力計(jì)算不同鉆壓下銷(xiāo)-盤(pán)間所需的加載力,即

(1)

式中:σ為表面接觸應(yīng)力,Pa;F為載荷,N;B為接觸寬度,m;R1、R2分別為兩試件接觸點(diǎn)的曲率半徑,m;E1、E2分別為兩試件材料的彈性模量,Pa;μ1、μ2為兩試件材料的泊松比。

不同條件下銷(xiāo)-盤(pán)間所需的加載力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。此外,為避免溫度和速度等參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,試驗(yàn)中的環(huán)境溫度和試樣間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度均與實(shí)際工況相同,即溫度為100～120 ℃,速度為0.29 m/s(對(duì)應(yīng)滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速為120 r/min)。試驗(yàn)中摩擦副表面之間采用的潤(rùn)滑介質(zhì)為牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承專用復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂,密度ρ=890 kg/m3,動(dòng)力黏度η=0.142 Pa·s。

表2 不同條件下銷(xiāo)-盤(pán)間所需的加載力

1.3 橢圓凹坑加工

主要研究橢圓凹坑布置對(duì)鉆頭滑動(dòng)軸承減磨性能的影響。通過(guò)分析與本文相似的鉆頭軸承以及橢圓織構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)[19-20],并根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際工況、試樣材料最終選定如表3所示參數(shù)。橢圓凹坑布置方式如圖2所示。利用納秒激光打標(biāo)機(jī)(激光功率20 W,波長(zhǎng)1 064 nm)將表面凹坑織構(gòu)分別加工于銷(xiāo)、盤(pán)的接觸表面,其形貌如圖3所示,即對(duì)應(yīng)于牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承軸徑外表面和軸套內(nèi)表面。

表3 橢圓凹坑布置及參數(shù)

圖2 軸承不同表面的橢圓凹坑布置方式

圖3 橢圓凹坑位于銷(xiāo)、盤(pán)表面的三維形貌

1.4 試驗(yàn)方法

在保證試驗(yàn)溫度和相對(duì)滑動(dòng)速度相等的條件下,選擇模擬工況為:試驗(yàn)徑向載荷435 N,環(huán)境溫度110 ℃,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速180 r/min(對(duì)應(yīng)實(shí)際工況下鉆壓9 t,溫度110 ℃,轉(zhuǎn)速120 r/min)。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性,相同工況下試驗(yàn)時(shí)間為3 h(10 800 s),重復(fù)3次,取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)比摩擦因數(shù)、磨損量和試樣表面形貌研究橢圓凹坑布置對(duì)鉆頭滑動(dòng)軸承減磨性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 織構(gòu)加工區(qū)域?qū)δΣ翆W(xué)性能的影響

不同橢圓凹坑布置對(duì)試樣平均摩擦因數(shù)的影響如圖4所示。從圖4中可以看出,相比于無(wú)橢圓凹坑試樣,橢圓凹坑布置為A,B和C狀態(tài)時(shí)試樣的平均摩擦因數(shù)更小,布置為D狀態(tài)時(shí)平均摩擦因數(shù)最大。

圖4 橢圓凹坑布置對(duì)平均摩擦因數(shù)的影響

試驗(yàn)前后試樣的磨損量如圖5所示,從圖5中可以看出,相比于無(wú)橢圓凹坑試樣,橢圓凹坑試樣的磨損量變化規(guī)律與平均摩擦因數(shù)規(guī)律基本相同,且橢圓凹坑布置不同時(shí)對(duì)銷(xiāo)、盤(pán)磨損量的影響規(guī)律也與平均摩擦因數(shù)類(lèi)似,完全符合摩擦學(xué)的基本定律。由圖4和圖5可知,復(fù)合鋰基脂潤(rùn)滑下,橢圓凹坑對(duì)鉆頭滑動(dòng)軸承的摩擦學(xué)性能有明顯影響,且橢圓凹坑在軸承上不同分布的影響規(guī)律不同。當(dāng)橢圓凹坑同時(shí)加工于滑動(dòng)軸承軸徑外表面和軸套內(nèi)表面且成交錯(cuò)分布時(shí),其潤(rùn)滑減磨效果最優(yōu);橢圓凹坑僅加工于滑動(dòng)軸承軸徑外表面時(shí)其潤(rùn)滑減磨效果不明顯;當(dāng)橢圓凹坑同時(shí)加工于軸徑外表面和軸套內(nèi)表面且成平行分布時(shí),橢圓凹坑的存在對(duì)鉆頭軸承的摩擦學(xué)性能有負(fù)面影響。

圖5 橢圓凹坑布置對(duì)磨損量的影響

試驗(yàn)后對(duì)試樣進(jìn)行EDS元素分析和表面形貌測(cè)量,結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 橢圓凹坑不同布置條件下銷(xiāo)表面EDS分析

圖7 盤(pán)試樣表面磨痕

由圖6可知,相比于橢圓凹坑試樣,橢圓凹坑不會(huì)改變脂潤(rùn)滑下銷(xiāo)、盤(pán)試樣表面間的混合潤(rùn)滑狀態(tài),由于銷(xiāo)和盤(pán)存在直接接觸區(qū)域,因此,銷(xiāo)表面一直有鈹青銅。由圖7可知,無(wú)橢圓凹坑盤(pán)表面在垂直速度方向上的犁溝和磨痕明顯多于盤(pán)表面存在橢圓凹坑的情況,且盤(pán)表面存在橢圓凹坑時(shí),兩橢圓凹坑區(qū)域之間的磨痕相較于橢圓凹坑區(qū)域內(nèi)部更多且更深。

為進(jìn)一步分析橢圓凹坑對(duì)試樣摩擦磨損的影響機(jī)理,采用白光干涉儀對(duì)盤(pán)表面形貌進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,當(dāng)試樣表面未加工橢圓凹坑時(shí),觀測(cè)區(qū)域內(nèi)盤(pán)表面基本被磨損;當(dāng)試樣表面存在橢圓凹坑時(shí),盤(pán)表面磨痕則呈相間分布,布置為A狀態(tài)時(shí)磨痕數(shù)最少但磨痕較寬,布置為B狀態(tài)時(shí)磨痕數(shù)增加但磨痕寬度減小,布置為C狀態(tài)時(shí)磨痕數(shù)最少且最窄,布置為D狀態(tài)時(shí)磨痕數(shù)最多且較寬。所以,試樣表面無(wú)橢圓凹坑時(shí),盤(pán)表面的犁溝和刮擦現(xiàn)象最嚴(yán)重,其次依次是C,B,A,D布置方式,很好地對(duì)應(yīng)了試樣摩擦因數(shù)和磨損量的關(guān)系。這主要是由于布置為C狀態(tài)時(shí)可以發(fā)揮盤(pán)橢圓凹坑捕獲磨屑和補(bǔ)充潤(rùn)滑介質(zhì),銷(xiāo)試樣橢圓凹坑補(bǔ)充潤(rùn)滑介質(zhì)的作用機(jī)理,布置為B狀態(tài)能起到捕獲磨屑和補(bǔ)充潤(rùn)滑介質(zhì)的作用機(jī)理,而布置為A狀態(tài)時(shí)只有捕獲磨屑的作用機(jī)理;布置為D狀態(tài)時(shí),上下兩橢圓凹坑在不斷重合和分開(kāi)的過(guò)程中,潤(rùn)滑介質(zhì)在兩橢圓凹坑間來(lái)回運(yùn)動(dòng),增加了磨屑擴(kuò)散到其他區(qū)域的可能性,繼而對(duì)摩擦學(xué)性能造成負(fù)面影響。

圖8 橢圓凹坑不同布置時(shí)盤(pán)試樣表面三維形貌圖

2.2 橢圓凹坑尺寸對(duì)摩擦學(xué)性能的影響

當(dāng)布置方式為B狀態(tài)和C狀態(tài)分布時(shí),橢圓凹坑尺寸參數(shù)變化對(duì)試樣摩擦因數(shù)的影響如圖9所示。

圖9 橢圓凹坑短軸尺寸對(duì)摩擦因數(shù)的影響規(guī)律

從圖9中可看出,當(dāng)布置方式為B狀態(tài)分布時(shí),隨橢圓凹坑尺寸的增大,試樣的摩擦因數(shù)先減小后增大。這主要由于橢圓凹坑加工于盤(pán)表面時(shí),隨橢圓凹坑尺寸的增大,存儲(chǔ)的潤(rùn)滑脂更多,有利于向摩擦表面補(bǔ)充更多的潤(rùn)滑介質(zhì);但橢圓凹坑尺寸增加到一定程度會(huì)破壞摩擦副之間潤(rùn)滑介質(zhì)的流動(dòng)性和油膜的連續(xù)性,繼而對(duì)摩擦學(xué)性能造成負(fù)面影響。當(dāng)布置方式為C狀態(tài)分布時(shí),隨橢圓凹坑尺寸的增大,試樣的摩擦因數(shù)逐漸增大,且增幅越來(lái)越大。這主要由于銷(xiāo)的硬度大于盤(pán)的硬度,當(dāng)銷(xiāo)表面存在橢圓凹坑時(shí),將導(dǎo)致其局部區(qū)域被擠壓而進(jìn)入盤(pán)表面,增大摩擦磨損,且橢圓凹坑尺寸越大,銷(xiāo)被壓入盤(pán)表面越深,繼而在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中增加對(duì)盤(pán)的刮切作用,如圖10所示。

圖10 不同橢圓凹坑尺寸對(duì)盤(pán)表面刮切影響示意圖

3 結(jié)論

為探究橢圓凹坑布置對(duì)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承減磨性能的影響,采用納秒激光打標(biāo)機(jī)加工橢圓凹坑,橢圓凹坑長(zhǎng)軸為600 μm,深度為20 μm保持不變,短軸范圍為200～500 μm。利用MDW-1型立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在速度0.29 m/s,試驗(yàn)載荷為435 N工況下開(kāi)展牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承單元摩擦學(xué)試驗(yàn),分析得出如下結(jié)論:

1) 在測(cè)試工況下,橢圓凹坑尺寸相同時(shí),相比于無(wú)橢圓凹坑試樣,橢圓凹坑加工于盤(pán)和銷(xiāo)表面且交錯(cuò)分布時(shí),其潤(rùn)滑減磨效果最優(yōu),橢圓凹坑只加工于銷(xiāo)表面或僅加工于盤(pán)表面時(shí)潤(rùn)滑減磨效果不明顯,橢圓凹坑同時(shí)加工于銷(xiāo)、盤(pán)表面且平行分布時(shí)則增加了二者的摩擦磨損。

2) 在測(cè)試工況下,隨橢圓凹坑短軸尺寸的增加,橢圓凹坑分別加工于銷(xiāo)、盤(pán)表面且交錯(cuò)分布時(shí)其摩擦因數(shù)不斷增大,而橢圓凹坑僅加工于盤(pán)表面時(shí)其摩擦因數(shù)先減小后增加。