高速鐵路軸箱軸承納米潤(rùn)滑脂摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究

尹延經(jīng)，何強(qiáng)，楊立芳，王世峰，牛青波

（1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.安陽(yáng)工學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

高速鐵路是指新建鐵路營(yíng)運(yùn)速度250 km／h以上或改建鐵路營(yíng)運(yùn)速度200 km／h以上的鐵路系統(tǒng)［1］。軸箱軸承作為鐵道車輛走行傳動(dòng)裝置的重要組成部分，可將車體重量和載荷傳遞給輪對(duì)，減少摩擦、降低運(yùn)行阻力。高速鐵路軸箱軸承采用脂潤(rùn)滑方式潤(rùn)滑［2］，潤(rùn)滑脂性能直接影響軸箱軸承的可靠性和壽命。與國(guó)外同類型產(chǎn)品相比，鐵道車輛滾動(dòng)軸承IV型潤(rùn)滑脂的極壓和抗磨性能已不能滿足高速鐵路軸箱軸承長(zhǎng)壽命、高極壓、低摩擦等性能要求［3］。納米顆粒具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性，納米潤(rùn)滑技術(shù)受到摩擦學(xué)研究領(lǐng)域廣泛關(guān)注［4］，將其作為高速鐵路軸箱軸承潤(rùn)滑脂添加劑可提高潤(rùn)滑脂的極壓、抗磨性能［5］，對(duì)研究高速鐵路軸箱軸承的潤(rùn)滑脂具有重要參考價(jià)值。

1 納米潤(rùn)滑脂合成

選用的WS2納米顆粒呈片狀（圖1a），硬度小，平均粒度（APS）為60 nm，具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能［6］；選用的Si3N4納米顆粒成球狀（圖1b），硬度大，平均粒度為20 nm，具有一定的摩擦學(xué)性能和抗氧化性能［7］。采用某公司鐵路軸箱軸承潤(rùn)滑脂作為基礎(chǔ)脂，其與IV型潤(rùn)滑脂、國(guó)外鐵路軸承潤(rùn)滑脂的理化參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。室溫下，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的WS2和Si3N4納米顆粒加入基礎(chǔ)脂中，在超聲波作用下攪拌，再用三輥研磨機(jī)研磨3遍，制備成納米潤(rùn)滑脂。

圖1 納米顆粒形貌

表1 鐵路軸承潤(rùn)滑脂性能參數(shù)對(duì)照表

2 試驗(yàn)及檢測(cè)

2.1 試驗(yàn)方案

基礎(chǔ)脂中WS2納米顆粒添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0.5%，1.0%，1.5%和2.0%；Si3N4納米顆粒添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0.1%，0.2%，0.3%和0.4%。采用完全析因試驗(yàn)方案［8］，見(jiàn)表2。

表2 完全析因試驗(yàn)方案表 w，%

2.2 檢測(cè)方法

采用杠桿式四球機(jī)，依據(jù)SH／T 0202—1992《潤(rùn)滑脂極壓性能測(cè)定法（四球機(jī)法）》，測(cè)量納米潤(rùn)滑脂的最大無(wú)卡咬載荷PB，測(cè)量2次并取較小值，試驗(yàn)后測(cè)量PB值對(duì)應(yīng)的鋼球磨斑直徑。采用MRS-10P四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，按照SH／T 0204—1992《潤(rùn)滑脂抗磨性能測(cè)定法（四球機(jī)法）》，對(duì)納米潤(rùn)滑脂進(jìn)行抗磨性能測(cè)試，試驗(yàn)條件：主軸轉(zhuǎn)速1 200 r／min，試驗(yàn)時(shí)間60 min，試驗(yàn)溫度75℃，試驗(yàn)載荷（392±2）N。抗磨性能試驗(yàn)后，測(cè)得納米潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)（重復(fù)3次，取平均值）。用丙酮清洗鋼球磨斑，采用精度為0.01 mm的直讀式顯微鏡測(cè)量鋼球磨斑直徑，采用JSM-6380LV掃描電鏡（SEM）觀察磨斑形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 WS2納米顆粒在基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂中的極壓抗磨特性

PB值隨WS2納米顆粒添加量變化曲線如圖2所示。WS2納米潤(rùn)滑脂PB值及其對(duì)應(yīng)的鋼球磨斑直徑如圖3所示。由圖2可知，在一定范圍內(nèi)，潤(rùn)滑脂PB值隨著WS2納米顆粒添加量的增加而增大，當(dāng)其達(dá)到一定值時(shí)，PB值反而降低，最大PB值相對(duì)于基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂的PB值（940 N）提高了21%；僅考慮潤(rùn)滑脂PB值，其最佳添加量為1.0%～2.0%。由圖3可知，潤(rùn)滑脂PB值對(duì)應(yīng)的磨斑直徑隨著WS2納米顆粒添加量的增加而增大，WS2納米顆粒提高了潤(rùn)滑脂油膜強(qiáng)度，結(jié)合WS2納米顆粒的形貌及物理特性，這是由于納米顆粒潤(rùn)滑機(jī)理中的薄膜潤(rùn)滑機(jī)理作用效果。

圖2 P B值隨WS2納米顆粒添加量的變化曲線

圖3 磨斑直徑隨WS2添加量變化，%

WS2納米顆粒對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)的影響曲線如圖4所示。由圖可知，當(dāng)WS2納米顆粒添加量小于1.5%時(shí)，潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)隨著添加量的增加而降低；當(dāng)WS2納米顆粒添加量大于1.5%時(shí)，摩擦因數(shù)升高。僅考慮潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)的影響，其最佳添加量為1.0% ～2.0%。其中WS2納米顆粒添加量為1.5%時(shí)，潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)最小，相對(duì)于基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)0.082 6，其值降低了17.1%。由此可見(jiàn)，WS2納米顆粒可顯著改善基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂的抗磨減摩和抗極壓性能。

圖4 WS2納米顆粒對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)的影響

3.2 Si3 N4納米顆粒在基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂中的極壓抗磨特性

潤(rùn)滑脂PB值及所對(duì)應(yīng)的鋼球磨斑直徑隨Si3N4納米顆粒添加量的變化曲線分別如圖5和圖6所示。由圖5可知，Si3N4納米顆粒添加量小于0.1%時(shí)，潤(rùn)滑脂PB值隨著添加量的增加而增大；當(dāng)添加量在0.1% ～0.3%時(shí)，PB值反而降低；當(dāng)添加量大于0.3%時(shí)，PB值保持不變。僅考慮潤(rùn)滑脂PB值，其添加量應(yīng)小于0.2%。Si3N4納米顆粒添加量為0.1%時(shí)，相對(duì)于基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂，其PB值提高了6.4%。由圖6可知，潤(rùn)滑脂PB值對(duì)應(yīng)的磨斑直徑先增加，再減小，然后再增加。先增加是由于Si3N4納米顆粒提高了基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂的油膜強(qiáng)度，載荷增加；再減小是由于載荷減小和納米顆粒輕微團(tuán)聚現(xiàn)象造成的；最后增加是由于納米顆粒含量增加，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，不利于接觸表面形成潤(rùn)滑油膜，在相同載荷作用下，鋼球接觸區(qū)域嚴(yán)重磨損。

圖5 P B值隨Si3 N4納米顆粒添加量的變化曲線

圖6 磨斑直徑隨Si3 N4添加量的變化曲線

Si3N4納米顆粒對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)的影響曲線如圖7所示。由圖可知，Si3N4納米顆粒添加量小于0.1%時(shí)，潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)隨著添加量的增加而降低；添加量大于0.1%時(shí)，摩擦因數(shù)升高；當(dāng)添加量為0.1%時(shí)，潤(rùn)滑脂的摩擦因數(shù)最小，相對(duì)于基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂降低了8.2%。Si3N4納米顆粒對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)降低量大于PB值提高量，結(jié)合Si3N4納米顆粒的形貌及物理特性，這是由于納米顆粒潤(rùn)滑機(jī)理中的類滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑機(jī)理的作用效果。由此可見(jiàn)，Si3N4納米顆粒在一定程度上可改善基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂的極壓抗磨特性。

圖7 Si3 N4納米顆粒對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)的影響

3.3 WS2-Si3 N4復(fù)合納米顆粒在基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂中的極壓特性

試驗(yàn)測(cè)得的復(fù)合納米顆粒潤(rùn)滑脂PB值見(jiàn)表3，其中，WS2納米顆粒添加量為因素A，Si3N4納米顆粒添加量為因素B，雙因素重復(fù)試驗(yàn)方差分析見(jiàn)表4。表中，r為因素水平A的個(gè)數(shù)；s為因素水平B的個(gè)數(shù)；t為試驗(yàn)次數(shù)。

表3 復(fù)合納米潤(rùn)滑脂的P B值

表4 雙因素試驗(yàn)方差分析表

由表3可得，僅考慮潤(rùn)滑脂極壓性能，A1501潤(rùn)滑脂的PB值最高，相對(duì)于基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂PB值，其值提高了36.2%。

由表4中公式計(jì)算可得FA＝50.997 21，取精度α ＝0.005，F(xiàn)α（r－1，rs（t－1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FA＞6.3，因此，在復(fù)合納米潤(rùn)滑脂中，WS2納米顆粒添加量對(duì)PB值的影響顯著；FB＝48.634 4，取精度α ＝0.005，F(xiàn)α（s－1，rs（t－1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FB＞6.3，因此，在復(fù)合納米潤(rùn)滑脂中，Si3N4納米顆粒添加量對(duì)PB值的影響顯著；FA×B＝5.345 19，取精度α＝0.005，F(xiàn)α（（r－1）（s－1），rs（t－1））＝F0.005（9，16），查F分布表可得F0.005（9，16） ＝4.38，由于FA×B＝5.345 19＞4.38，因此，對(duì)于復(fù)合納米潤(rùn)滑脂的PB值，Si3N4和WS2納米顆粒交互作用效應(yīng)顯著。

3.4 WS2-Si3 N4復(fù)合納米顆粒在基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂中的抗磨減摩特性

復(fù)合納米顆粒潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)見(jiàn)表5，雙因素?zé)o重復(fù)試驗(yàn)方差分析表同表4。

由表5可知，僅考慮潤(rùn)滑脂抗磨減摩性能，1501潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)最低，相對(duì)于基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)，其摩擦因數(shù)降低了21.2%。

表5 復(fù)合納米潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)

由表4中公式計(jì)算可得FA＝96.889 47，取精度α＝0.005，F(xiàn)α（r-1，rs（t-1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FA＞6.3，因此，在復(fù)合納米潤(rùn)滑脂中，WS2納米顆粒添加量對(duì)摩擦因數(shù)的影響顯著；FB＝267.087 4，取精度α＝0.005，F(xiàn)α（s-1，rs（t-1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FB＞6.3，因此，在復(fù)合納米潤(rùn)滑脂中，Si3N4納米顆粒添加量對(duì)摩擦因數(shù)的影響顯著；FA×B＝13.325 52，取精度α＝0.005，F(xiàn)α（（r-1）（s-1），rs（t-1））＝F0.005（9，32），查F分布表可得F0.005（9，32）＝3.45，由于FA×B＞3.45，因此，對(duì)于復(fù)合納米潤(rùn)滑脂的摩擦因數(shù)，Si3N4和WS2納米顆粒交互作用效應(yīng)顯著。

3.5 鋼球磨斑形貌分析

4種典型試樣鋼球磨斑SEM圖如圖8所示。由圖可知，基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂鋼球磨斑表面粗糙度大，且有疲勞剝落，磨損嚴(yán)重；添加0.1%的Si3N4納米顆粒，在一定程度上磨斑形貌得以改善，紋路勻稱，表面粗糙度降低，無(wú)嚴(yán)重凸起和凹陷，壓痕輕微，疲勞剝落減少，提高了潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑性能；添加1.5%的WS2納米顆粒，磨斑形貌明顯改善，紋路勻稱，表面粗糙度降低，且并無(wú)疲勞剝落；添加1.5%的WS2納米顆粒和0.1%的Si3N4納米顆粒比只添加單一納米顆粒的磨斑表面粗糙度更低，且無(wú)疲勞剝落，因此，復(fù)合納米顆粒可顯著改善基礎(chǔ)脂的潤(rùn)滑性能。

圖8 鋼球磨斑的SEM圖

4 結(jié)論

（1）一定范圍內(nèi)，潤(rùn)滑脂PB值隨納米顆粒添加量的增加而增大，達(dá)到一定值時(shí)，PB值降低。相對(duì)于基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂，添加1.5%的WS2納米顆粒的潤(rùn)滑脂PB值提高了21%，添加0.1%的Si3N4納米顆粒的潤(rùn)滑脂PB值提高了6.4%。

（2）一定范圍內(nèi)，潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)隨納米顆粒添加量的增加而降低，達(dá)到一定值時(shí)，摩擦因數(shù)增大。相對(duì)于基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂，添加1.5%的WS2納米顆粒的潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)降低了17.1%，添加0.1%的Si3N4納米顆粒的納米潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)降低了8.2%。

（3）相對(duì)于基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂，在其中添加1.5%的WS2納米顆粒和0.1%的Si3N4納米顆粒時(shí)，其PB值提高了36.2%，摩擦因數(shù)降低了21.2%，鋼球磨斑直徑為0.44 mm，復(fù)合納米潤(rùn)滑脂的極壓性能和抗磨減摩性能得以改善，WS2和Si3N4納米顆粒交互作用效應(yīng)顯著。