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1、! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
2、! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! “ “ “ “ 第九篇 轴承微动磨损及其防护措施 第一章轴承微动磨损 第一节微动摩擦学的基本概念和实例 一、 基本概念 为区别于传统的滑动和滚动， 微动 （!“#$%） 所示 也 显示 %:， #、$表示球试样直径 *11:） 51
3、*$ 第二章微动磨损防护措施 切向刚度同样对微动有着重要的影响。在微动过程中， 切向刚度由开始的 !“#$!% 增加到 &“#$!%， 变化如图 ( ! ( )! 所示。在金属与金属直接接触之前， 我们只能认为 聚苯乙烯薄膜在微动过程中发生硬化， 厚度减小， 从而导致刚度增加。 薄膜在不同微动幅度下的摩擦特性如图 ( ! ( )* 所示， 在位移幅值为 )+!% 时， 摩 擦系数缓慢增长 （如图 ( ! ( )“ 所示） ， 但薄膜始终粘贴在金属表面 （如图 ( ! ( )& 所 示） ， 金属表面不发生任何损伤。当位移幅值增加到 !+!% 时， 摩擦系数在 ) + 次循环 左右迅速增长到 +
4、,- 随后降为 +,&， 接触中心薄膜撕裂， 金属表面发生磨损 （如 ( ! ( )& 所示） ； 当位移幅值增加到 &+!% 时， 摩擦系数发生突增的时间减少， 薄膜撕裂和金属表面 磨损加剧。 图 ( ! ( )!聚苯乙烯薄膜切向刚度 随微动时间的变化 （薄膜厚度 &+!%， !./ *+#） 当改变法向压力大小和薄膜厚度时， 我们可以看到类似的变化。例如， 在其他条件 相同时， 增加压力或减小薄膜厚度时， 摩擦系数发生突变所需的时间减少， 薄膜的寿命降 低 （如图 ( ! ( )0 所示） 。如果以循环次数 )+“次循环作为薄膜破坏的参考标准， 从而我 们可以得到给定厚度的聚苯乙烯薄膜破坏
5、与法向压力和微动位移幅值的关系 （如图 ( ! ( )1 所示） ： 当微动位移幅值增大时， 所能承受的法向压力减小， 反之， 当法向压力增大 时， 所能承受的微动位移幅值减小。 从上可以看到， 虽然 234!和聚苯乙烯薄膜的润滑机理不同， 但它们都能极大的降低 摩擦系数， 尤其是在微动初期。我们认为， 增加薄膜与基体的结合强度， 是提高抗微动损 伤能力的关键所在。 +)! 第九篇轴承微动磨损及其防护措施 图 ! “ # “ $%聚苯乙烯薄膜 !&“ “ “ # 变化曲线 （薄膜厚度 (!)， !*+ %(,） $# 第二章微动磨损防护措施 图 ! “ # “ $%聚苯乙烯薄膜摩擦系数变化曲线
6、 （薄膜厚度 &!(， !)* +,） 二、 半固体润滑 最主要的半固体润滑剂是润滑脂， 并被广泛应用于各种工业摩擦副。但是， 由于润 滑脂通常是由稠化剂和矿物油组成， 其组织结构和流变特性复杂， 使用时对脂的供应和 薄膜形成机理更缺乏深入了解。微动的滑移速度极低， 即使在高频下， 其速度一般也不 会超过 $(-.， 因此很难形成动力润滑膜。 润滑脂在微动实例中的应用主要集中在绳索机构， 使用后发现寿命明显提高。近年 来， 作者对于脂润滑工况下的微动磨损特性进行了较为系统的研究。 （一） 机械参数的影响 摩擦力特性随微动位移幅值的变化如图 ! “ # “ $/ 所示。我们发现微动初期， 不管
7、位移幅度如何， 摩擦系数较低， 不到 0$ 如图 ! “ # “ $! （1） 所示 。但是， 随着微动循环次 数的增加， 对于位移幅值为 $!( 的较小幅度的微动， 类似于干态工况， 摩擦力增加， 与位 移幅值 “ 的变化直至趋向线性关系； 随着位移幅值的提高 （如 “ * 2 +!(） ， 微动后期的 摩擦力增加， 到位移幅值达到 &!( 时， 摩擦力突然降低， 并保持一个相对稳定的状态， 摩 擦系数较低； 当微动位移幅值提高到 $!( 时， 摩擦力开始升高， 同时再降低所需的循环 次数都减小； 随着微动位移幅值的进一步提高， 摩擦力的起伏基本消失， 摩擦系数保持一 个较低的恒值。 与干态
8、相比， 位移幅值较小时， 摩擦力的变化特性差异相对较小， 随着位移幅值的增 加， 其差异也随之增大 如图 ! “ # “ $! （3） 所示 。 频率对滑移区的微动特性的影响如图 ! “ # “ # 所示。不管频率为 &45、 $45 或 #$# 第九篇轴承微动磨损及其防护措施 !“#$%， 微动过程中都可以得到一个最大值基本相同的摩擦系数。不过随着频率的升高， 摩擦力开始增加的时间延缓， 但这个凸起 （相对具有一个较高的摩擦系数） 的宽度增加。 从中可以看到， 频率的提高， 不利于润滑效果的改善。 图 & ( )#聚苯乙烯薄膜接触 表面的光学显微观测 （薄膜厚度 #!*， !+, -!.）
9、-)( 第二章微动磨损防护措施 图 ! “ # “ $%聚苯乙烯薄膜摩擦系数变化曲线 图 ! “ # “ $&聚苯乙烯薄膜薄膜破坏与法向压力和位移幅值的关系 $# 第九篇轴承微动磨损及其防护措施 图 ! “ # “ $%润滑脂在不同位移幅值下的 !&“ “ “ # 变化曲线 （! ( )*+） ,$# 第二章微动磨损防护措施 图 ! “ # “ $!润滑脂摩擦系数的变化曲线 图 ! “ # “ #%润滑脂频率对摩擦系数的影响 接触体的形状同样对微动特性产生影响。例如， 同样对于球 “ 平面接触， 如果选用 较大直径的球， 在其他参数相同的情况下， 润滑效果明显降低， 发生摩擦系数再降低所需 &
10、$# 第九篇轴承微动磨损及其防护措施 的微动位移幅值增加。与图 ! “ # “ $% 相比， 直径为 &( 的球大约为 )!( 而直径为 $( 的球需要 $)!( 幅度左右 （如图 ! “ # “ #$ 所示） 。法向压力对微动特性的影响 与上述情况类似， 大致上随着法向压力的增加， 润滑效果降低。 图 ! “ # “ #$接触几何体大小对 !*“ “ “ # 曲线的影响 （二） 材料参数的影响 在均质材料构成的接触副 （如 +, “ -).+, “ -)、 )#$ 钢.)#$ 钢） 中， 接触粘着 倾向增强， 发生摩擦系数再降低所需的微动位移幅值大大增加。如图 ! “ # “ # 所示， 在
11、 -$# 第二章微动磨损防护措施 相同工况下 !“#$ 钢球%!“#$ 钢面微动时， 在位移幅值为 !$!& 时尚未有摩擦系数再降 低的迹象发生。 图 ( “ ( “润滑脂工况下接触副特性 对 !) ( “ ( # 曲线的影响 （三） 接触界面的观测 为了观测润滑脂在接触界面的变化特性， 我们设计了一个玻璃试样 （球面半径为 “*&） 与低合金钢组成的摩擦副， 利用玻璃材料透明特性， 我们可以通过显微摄像机跟 踪接触界面的变化过程。 根据我们的观测， 在润滑脂条件下， 微动大致可分为以下四个过程 （如图 ( “ ( “+ 所示） ： #, 在微动初期， 接触表面基本上呈黑色， 表明润滑脂充满接
12、触界面， 摩擦系数约为 $,$!， 润滑效果优良。 “, 润滑脂被部分溢出， 金属界面开始发生直接接触， 破坏部分呈白色， 观测到油滴状 物从微动方向排出， 摩擦系数增加。在这一过程中， 润滑脂被稀化， 发生分油现象。 +, 白色部分即破坏部分逐渐扩大， 更多的油滴状物从四周排出， 白色部分由于氧化 逐渐变为黑色。 *, 破坏部分扩展到整个接触区域， 呈黑色， 油滴状物排出现象基本消失， 微动处于相 对稳定状态， 摩擦系数约为 $,-。 .#“ 第九篇轴承微动磨损及其防护措施 图 ! “ # “ #$接触界面的润滑脂的演变过程 （玻璃%& 钢接触， ! ( ) *!+， “,( -*.， #
13、( -/0） （四） 损伤分析 对微动试验后的试样显微检测表明： 在较小微动位移幅值时， 表面破坏形貌基本类 似与干态工况， 磨损主要集中在接触边缘， 接触中心损伤轻微 （如图 ! “ # “ #&1 所示） ， 不 过在有润滑脂时磨损深度略大于干态工况； 随着微动位移幅度的增加， 润滑工况下接触 磨损加剧， 如在位移幅值为 *!+ 时中心最大磨损深度达 2*!+ （如图 ! “ # “ #&3 所示） ； 当微动位移幅值超过一定幅值时， 相对于干态工况， 接触磨损明显减轻 （如图 ! “ # “ #&4 所示） 。 !-# 第二章微动磨损防护措施 图 ! “ # “ #$润滑脂工况下不同微动
14、 幅度时微动斑三维形貌图 （! %& ()， “ & ( $， # & *+） 我们可以得出， 润滑脂的使用作为减缓接触磨损的一种方法在小位移幅值微动时效 果甚微， 反而加速接触磨损， 接触界面油的存在在这种接触工况下并不起到润滑作用， 反 而具有挖坑效应， 即被分离的油渗透到微裂纹， 在微动挤压作用下从表面剥离。只有当 微动幅度达到一个临界值时， 润滑脂开始起到润滑减摩的效果。 (# 第九篇轴承微动磨损及其防护措施 三、 液体润滑 包括水在内的所有液体都可以作为润滑剂用于减少摩擦， 尤其在微动的初期。但是 在大多数情况下， 像海水一样的液体往往会引起腐蚀从而导致磨损率增加， 而且， 由于被
15、腐蚀磨屑在接触表面的堆积导致摩擦系数升高。因此， 大部分液体润滑的研究工作都集 中在润滑油上。 在早期的工作中， 润滑油主要通过限制氧气的侵入达到防止微动腐蚀， 同时降低摩 擦系数和接触粘着。在滑移区， !“#$ 及其合作者发现粗糙表面的摩擦系数明显降低， 随 后 %#& 得到类似的结果， 并指出含有 ()*+, 添加剂的润滑油可以极大地减少摩擦磨 损。 在微动试验中， 油的粘度是一个非常重要的指标。一些研究认为与高粘度的润滑油 相比， 低粘度的润滑油由于更容易进入接触界面从而具有较强的抗微动损伤的能力。然 而， 也有一些学者得到了相反的结论， 即由于高粘度的油具有较强的限制氧气侵入的能 力，
16、 从而具有较好的抗微动损伤的能力。-./“#0 通过测试不同的润滑油， 研究了它们的 粘度和边界膜特性对中碳钢材料微动磨损的影响， 他发现粘度对磨损体积的影响取决于 边界膜特性， 但是其影响程度小于边界膜特性。例如， 当微动位移幅值达到一个临界值 时， 微动损伤明显降低， 这个现象几乎与油的粘度无关， 仅取决于油的边界膜特性。 12344 和 %5$“# 等的实验研究发现在微动位移幅值较低时， 摩擦系数高于干态， 尤 其对于高粘度的润滑油， 随着位移幅值的增加， 稳态时的摩擦系数迅速降低， 远小于干 态， 尤其对于粘度较低的润滑油。6#4$0 等也发现了类似的现象， 在低位移幅值时， 机械 磨损占主要地位， 随着微动位移幅值的增加， 磨损率由高变到低。 同其他润滑油一样， 润滑油膜对法向压力相当敏感， 有足够的证据表明油膜的有效 性随着法向压力的增加而降低。 7(7( 第二章微动磨损防护措施