潤(rùn)滑油含水時(shí)添加劑對(duì)軸承性能的影響

李貞，方智敏，王文

(上海大學(xué) 機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

工程實(shí)際應(yīng)用表明潤(rùn)滑劑中含水對(duì)軸承疲勞壽命的危害非常大，如何消除或減少水對(duì)軸承的負(fù)面影響是提高其疲勞壽命的關(guān)鍵。合理選用潤(rùn)滑油是解決這一問(wèn)題的有效途徑之一。而不同潤(rùn)滑油添加劑的抗磨減摩和極壓性能及對(duì)軸承疲勞壽命的影響機(jī)理各不相同。

文獻(xiàn)[1-2]認(rèn)為鋼球中的微裂紋起著毛細(xì)血管的作用，將水吸到裂紋底部，在底部形成氫脆和電化學(xué)腐蝕，從而加速裂紋的萌生和擴(kuò)展，降低軸承的疲勞壽命。文獻(xiàn)[3]指出潤(rùn)滑劑中的水達(dá)到飽和時(shí)樣本的疲勞壽命會(huì)顯著下降,并指出有些添加劑能夠阻止?jié)櫥椭兴挠泻τ绊懀绠愇齑己鸵环N咪唑啉衍生物。文獻(xiàn)[4]的試驗(yàn)表明，在乳化液壓油中添加0.1%的二異丙基氨基乙醇(IPAE)能夠消除潤(rùn)滑劑中1%海水的大部分有害影響。文獻(xiàn)[5]通過(guò)疲勞試驗(yàn)指出硼酸酯能緩和極壓添加劑的腐蝕性，有利于提高潤(rùn)滑油的抗疲勞點(diǎn)蝕能力。文獻(xiàn)[6]通過(guò)研究十八胺對(duì)接觸疲勞的影響發(fā)現(xiàn)，隨著十八胺含量的增加，潤(rùn)滑油的抗接觸疲勞能力得到提高。

下文針對(duì)2種典型的潤(rùn)滑油添加劑：酸性添加劑T202(二烷基二硫代磷酸鋅)和堿性添加劑T406(苯三唑十八胺)，通過(guò)試驗(yàn)研究在潤(rùn)滑油含水時(shí)其對(duì)軸承摩擦磨損性能及疲勞壽命的影響。

1 摩擦磨損試驗(yàn)

通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)分別在潤(rùn)滑油不含水和含水的工況下研究T202和T406的摩擦磨損特性。對(duì)鋼球的磨斑進(jìn)行檢測(cè)分析，初步得出2種添加劑的摩擦磨損特性及水對(duì)其摩擦學(xué)特性的影響。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備、試件及材料

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)在MMW-1型立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，根據(jù)GB 3142—1982《潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法(四球法)》選擇試驗(yàn)用摩擦副類型為四球式摩擦副，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。下3球固定不動(dòng)，加載系統(tǒng)對(duì)上、下鋼球施加載荷，上球在指定速度下旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)至設(shè)定的時(shí)間停機(jī)，卸下油盒，用顯微鏡檢測(cè)下3球的磨斑直徑。

1—四球油盒；2—壓環(huán)；3—鎖緊螺母；4—擋油環(huán)；5—彈簧夾頭；6—鋼球墊；7—鉑電阻套；8—鉑電阻

1.1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)使用材料為GCr15且公差等級(jí)為G3的鋼球,外徑為12.7 mm。試驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃左右。設(shè)定上球轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，試驗(yàn)時(shí)間為10 s；試驗(yàn)用潤(rùn)滑油組成見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用潤(rùn)滑油組成

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

當(dāng)載荷為294 N 時(shí)，添加劑摩擦學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，D為實(shí)測(cè)的磨斑直徑，pm為接觸區(qū)平均油膜承載壓力。由表2可知，載荷為294 N時(shí)T202和T406都表現(xiàn)出一定的耐磨性，磨斑直徑及摩擦因數(shù)均比不含添加劑時(shí)要小。加入5%水對(duì)其摩擦性能均有一定的負(fù)面影響，磨斑直徑及摩擦因數(shù)均出現(xiàn)不同程度的增加，但含添加劑的油品性能依然優(yōu)于不含添加劑的油品。

表2 添加劑的摩擦學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)GB 3142—1982，通過(guò)試驗(yàn)可求得不同潤(rùn)滑狀況下油膜強(qiáng)度FB及補(bǔ)償直徑D補(bǔ)。計(jì)算可得添加劑承載能力相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 油膜強(qiáng)度 FB試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Dh為Hertz接觸直徑，即鋼球變形形成的凹面直徑

(1)

當(dāng)垂直方向載荷為F時(shí)，每個(gè)球所受載荷為

F1=0.408F，

(2)

校正載荷為

(3)

接觸區(qū)的平均油膜承載壓力pm為

(4)

式中：S為磨損面積。

由表3可以看出，在前3組不含水的工況中，第2組油膜強(qiáng)度最高；第3組油膜強(qiáng)度相對(duì)第1組略高。在后3組含5%水的工況下，第5組油膜強(qiáng)度最高；第4組與第6組油膜強(qiáng)度相當(dāng)。縱向比較水對(duì)添加劑性能的影響發(fā)現(xiàn)，水對(duì)油膜的承載能力有負(fù)面影響，加入5%水后油膜的強(qiáng)度均有所下降。結(jié)合表2可知，T202在含水的工況下仍有很好的摩擦學(xué)性能；T406在含水的工況下摩擦學(xué)性能良好，但油膜承載能力一般。

2 疲勞壽命試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究含水工況下添加劑的效能，在滾子-鋼球壽命試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了多組完全疲勞壽命試驗(yàn)。研究水及含水工況下添加劑對(duì)軸承疲勞壽命的影響。

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在滾子-鋼球壽命試驗(yàn)機(jī)(圖2)上進(jìn)行。傳動(dòng)桿與滾子通過(guò)鍵槽連接，傳動(dòng)桿帶動(dòng)滾子旋轉(zhuǎn)，3個(gè)鋼球在2個(gè)錐環(huán)形成的滾道內(nèi)繞滾子做行星運(yùn)動(dòng)，通過(guò)杠桿加載裝置將載荷施加到加載蓋上，加載蓋壓在錐環(huán)上，使鋼球與滾子產(chǎn)生點(diǎn)接觸。

1—支承軸；2—保持架；3—滾子；4—傳動(dòng)桿；5—加載蓋；6—加載桿；7—上錐環(huán)；8—鋼球；9—下錐環(huán)；10—載荷

試驗(yàn)機(jī)主要通過(guò)測(cè)試圓柱滾子的磨損情況和疲勞壽命來(lái)評(píng)價(jià)添加劑對(duì)疲勞壽命的影響。采用光學(xué)顯微鏡觀察點(diǎn)蝕坑形貌;應(yīng)用掃描電鏡(SEM)觀察滾子磨損表面;采用能量色散X射線光譜儀(EDS)分析滾子接觸表面磨痕的化學(xué)成分。

該試驗(yàn)機(jī)的滾子最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4 100 r/min，滾子和鋼球處的最大應(yīng)力為5.3 GPa。給潤(rùn)滑油中加入不同的添加劑，采用油瓶循環(huán)滴油潤(rùn)滑方式將油滴到滾子與鋼球的接觸部位上，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的最大振動(dòng)幅值自動(dòng)控制試驗(yàn)機(jī)的停機(jī)。

2.1.2 試件

試驗(yàn)機(jī)中的滾子、鋼球和錐環(huán)均選用標(biāo)準(zhǔn)件。其中鋼球是上海鋼球廠生產(chǎn)的直徑20 mm的軸承鋼鋼球，錐環(huán)為31305圓錐滾子軸承外圈，滾子是SKF生產(chǎn)的Φ18 mm×26 mm的圓柱滾子。

2.1.3 潤(rùn)滑油添加劑

試驗(yàn)用潤(rùn)滑油為32#礦物油，添加劑選用T202和T406。試驗(yàn)分4組，每組測(cè)試5次。第1組為32#礦物油；第2組為32#礦物油+5%水；第3組為32#礦物油+5%水+2%T202；第4組為32#礦物油+5%水+1%T406。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 疲勞壽命及其Weibull分布

表4給出了試驗(yàn)測(cè)試滾子的完全疲勞壽命時(shí)間，其疲勞壽命Weibull分布圖如圖3所示。

表4 試驗(yàn)滾子完全疲勞壽命時(shí)間 h

圖3 疲勞壽命試驗(yàn)Weibull分布圖

求解得出Weibull分布統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。從疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果看，水的加入會(huì)明顯降低滾子的疲勞壽命，降幅約為52%。T202的加入不能提高含水工況下滾子的疲勞壽命；相反，加入T202后滾子的疲勞壽命降低了約19%。而T406的加入則可以使?jié)L子的疲勞壽命有明顯的提高，其壽命基本與加水之前相當(dāng)。

表5 疲勞壽命試驗(yàn)Weibull統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.2.2 試樣表面及成分分析

對(duì)滾子的磨痕表面進(jìn)行SEM分析，試驗(yàn)后滾子表面形貌如圖4所示。由圖4可以看出，含水時(shí)滾子表面的磨損情況比不含水時(shí)嚴(yán)重。

圖4 滾子表面形貌(SEM照片)

對(duì)滾子表面進(jìn)行EDS成分分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，第1，2，4組只發(fā)現(xiàn)Fe，Cr和C等試件本身所含元素，并未發(fā)現(xiàn)O元素，也就是說(shuō)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由水引起的氧化反應(yīng)。對(duì)第3組試樣磨痕表面進(jìn)行EDS分析時(shí)發(fā)現(xiàn)了T202的特征元素P，S和Zn(表6)，說(shuō)明在試驗(yàn)過(guò)程中T202在滾子的表面形成了較為穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)膜；對(duì)第4組試樣磨痕表面進(jìn)行EDS分析時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)T406的特征元素N(表7)，說(shuō)明潤(rùn)滑油中的添加劑沒(méi)有在滾子表面生成穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)膜。

表6 第3組滾子磨痕處EDS分析

表7 第4組滾子磨痕處EDS分析

2.2.3 添加劑對(duì)滾子壽命影響機(jī)理分析

T406是含氮添加劑，其中的氮原子與金屬可以形成配位鍵，或在摩擦過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成有機(jī)氮化合物及聚合物等，形成較為穩(wěn)定的保護(hù)膜，這種吸附膜十分牢固，其失效溫度較高，因此其具有較好的抗磨性能。但在采用能量色散X射線光譜儀分析(EDS)滾子接觸表面磨痕的化學(xué)成分時(shí)，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)N元素，說(shuō)明滾子表面沒(méi)有生成化學(xué)反應(yīng)膜。因此，T406的作用機(jī)理是由于其具有弱堿性，可以中和油中H+，從而減小水對(duì)金屬的腐蝕作用，起到延緩疲勞裂紋形成和擴(kuò)展的作用，從而提高滾子的疲勞壽命。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在潤(rùn)滑油含水的工況下T202降低了滾子的疲勞壽命，降幅為19%。這可能是由于T202在摩擦產(chǎn)生的高溫下會(huì)分解出羧酸基(RCOOH)，其含有的腐蝕性因子可促使微裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而降低軸承的疲勞壽命。

由于T406顯堿性可以中和一部分H+，而T202顯酸性增加了H+含量，從潤(rùn)滑油含水工況下2種添加劑對(duì)滾子疲勞壽命影響的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,T406提高了潤(rùn)滑油含水工況下滾子的疲勞壽命，而T202卻降低了含水工況下滾子的疲勞壽命,由文獻(xiàn)[7-8]知，H+是影響滾子疲勞壽命的一個(gè)重要因素。原因是在含水工況下，水分先于比它大很多的油分子通過(guò)毛細(xì)作用力被吸附到微小的疲勞裂紋表面，水中的H+通過(guò)微裂紋進(jìn)入滾子表層產(chǎn)生氫脆直接導(dǎo)致滾子疲勞失效。

3 結(jié)論

(1) 水對(duì)32#礦物油、32#礦物油+2%T202及32#礦物油+1%T406的摩擦學(xué)性能均有一定的負(fù)面影響，可降低軸承的疲勞壽命。

(2) T202的摩擦學(xué)性能優(yōu)越，有很好的抗磨性及極壓性能，并且在含水的工況下依然表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能。但是T202對(duì)含水工況下軸承的疲勞壽命有負(fù)效應(yīng)，可能是由于T202呈酸性，增加了潤(rùn)滑油中的H+離子,而H+有一定的腐蝕性。

(3) T406摩擦學(xué)性能良好，可以在一定程度上改善潤(rùn)滑環(huán)境。在含水工況下T406的極壓性能一般，與不含添加劑時(shí)油膜的承載能力相當(dāng)。但在含水工況下T406能夠顯著地提高軸承的疲勞壽命，這可能是因其含有堿性基團(tuán)，對(duì)H+起到一定的中和作用，降低了H+對(duì)軸承壽命的負(fù)面影響，從而可提高軸承的疲勞壽命。