油槽參數對船閘底樞軸承摩擦磨損性能的影響

徐翔，董江安，趙新澤，黃柏軍

油槽參數對船閘底樞軸承摩擦磨損性能的影響

徐翔，董江安，趙新澤*，黃柏軍

（三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

為了研究油槽參數對船閘底樞球軸承的摩擦磨損性能的影響，在底樞軸瓦表面分別開設不同數目、深度和寬度的圓弧形油槽，使用自主研究制造的球面磨損試驗機對材料進行測試，并結合磨損后的表面形貌和磨損量比較分析其摩擦磨損性能。其結果表明，圓弧形油槽的開設可以改善底樞摩擦副的潤滑性能，油槽數目越多，軸瓦磨損量越小，其磨損表面形貌磨痕深度和數量越小，當油槽數目為6條時，底樞軸瓦的磨損量最小、其磨損后的表面形貌最光滑。油槽深度的增加可以改善摩擦副的磨損情況，而過高的油槽深度則不利于摩擦副的磨合，當油槽深度為0.75 mm時，軸瓦的磨損情況最小、其耐磨性能最好。同樣，在一定范圍內，隨著油槽寬度的增加，軸瓦磨損量會有所減小，而過高的油槽寬度則不利于減輕軸瓦的磨損，當油槽寬度為3.0 mm時，軸瓦的耐磨性能最好、在相同時間內磨損量最小。

油槽參數；底樞軸瓦；磨損量；表面形貌；摩擦性能

人字船閘底樞摩擦副是船閘的核心運轉件，其質量的好壞直接影響到船閘的安全運行及使用壽命，在船閘工程中，底樞摩擦副是技術人員研究的重要課題[1]。近年來，隨著水運事業的不斷發展，船閘過往越來越頻繁，處于重要航道上的閘門每天開啟次數達到45～50次，開放閘次的增加，加劇了人字閘門底樞摩擦副的磨損[2]。一旦磨損程度達到需要維修、更換的地步，船閘所在航線將被迫停運，將會造成巨大經濟損失，影響水運事業的發展。為了增加船閘整體使用壽命，延長船閘大修周期，縮短檢修時間，開展對閘門底樞運轉件磨損狀況分析具有極大的經濟和社會意義[3]。

油槽結構可以有效地改善摩擦副的摩擦磨損性能，因此受到相關行業的廣泛關注，周光武等[4]考慮了多油槽幾何結構和橡膠彈性變形對潤滑性能的影響，建立了實際工況下的水潤滑橡膠合金軸承彈流潤滑數學模型，數值計算了油槽半徑對潤滑性能的影響，研究表明水膜壓力和最小膜厚均隨油槽半徑的增大而減小，承載能力隨油槽半徑和過度圓弧半徑的增大而減小，摩擦系數隨油槽半徑的增大顯著增加。尹必峰[5]采用MATLAB編程計算方法來分析油槽角度、深寬比對缸套－活塞環間潤滑摩擦性能的影響規律，得出結論，隨著油槽角度的增大，最小膜厚比逐漸增大，其潤滑效果也越來越好，最佳的油槽角度為60°，最佳油槽的深寬比范圍為0.05～0.08。王優強[6]采用有限元分析的方法，在軸承上建立圓弧形、矩形和燕尾型三種形式的油槽來研究分析油槽形狀對軸承力學性能的影響，結果表明，燕尾槽軸承的應變值最大，圓弧形最小，矩形槽軸承的應變主要集中在兩尖角處，燕尾槽軸承的應變主要分布在水槽上面兩棱角處，而圓弧槽軸承的應變分布相對較分散。

然而，目前關于底樞球軸承材料表面開槽的研究還比較少，大多數研究都是以理論或仿真分析為主，試驗研究相對較少，圓弧形油槽對底樞球軸承潤滑性能的影響這一方面研究也比較少。針對上述研究現狀，本文加工了具有不同參數的圓弧形油槽軸瓦試件，使用球面磨損試驗機進行模擬試驗，研究油槽的數目、深度和寬度對底樞球軸承脂潤滑性能的影響，并通過表面形貌及磨損量的變化來探討，為相關研究提供實驗基礎。

1 試驗設計

1.1 實驗設備

本文使用自主研制的球面磨損試驗臺進行模擬試驗，如圖1所示，其轉速范圍0～7 r/min，加載力范圍0～2000 N，最大測試扭矩為12 N·m。試驗運行時，45號鋼材料的蘑菇頭試樣通過銷固定在固定板上靜止不動，而錫青銅材料的軸瓦在電機驅動下在蘑菇頭表面上做回轉運動，通過扭矩傳感器可以測得扭矩、通過壓力傳感器測量出壓力，根據式（1）、式（2）可計算出摩擦力和摩擦系數為：

式中：為試樣旋轉半徑，m。

試驗過程中，每0.1 s采集一次轉速、扭矩、壓力和摩擦系數。

圖1 球面摩擦磨損試驗機

1.2 試驗材料

目前用于實際和研究的配對副材料有：蘑菇頭材料為鍛40Cr（表面淬火HRC45～50），軸瓦材料為38CrMoAlA[7]；蘑菇頭材料為QT5007（正火），軸瓦材料為38CrMoAlA（滲氮0.6 mm，HV900）和三環FZ5(3)[8]；蘑菇頭材料為40Cr，軸瓦材料為黃銅基鑲嵌式自潤滑材料Fz5(3)和38CrMoAlA[9]；此外，R. A. Daniel[10-11]還分析了其它新型耐磨材料的磨損情況；徐濤[12]分析研究了WC-10Co-4Cr和CoCrW涂層的磨損特性。

本次試驗中蘑菇頭材料采用45鋼，軸瓦材料為錫青銅，試件球面尺寸為半徑25 mm。在軸瓦摩擦表面分別加工不同參數（表1）的圓弧形油槽，試樣材料的性能參數如表2所示。

1.3 試驗設計

為了研究油槽數目對底樞軸承潤滑性能的影響，設計了油槽深度均為0.25 mm，油槽寬度均為2 mm，而油槽數目分別為3、4、5、6條的四組軸瓦試樣，即試樣①②③④。為了研究油槽深度對底樞軸承潤滑性能的影響，設計了油槽數目均為3，油槽寬度均為2 mm，而油槽深度分別為0.25、0.5、0.75和1 mm的四組軸瓦試樣，即試樣①⑤⑥⑦。為了研究不同油槽寬度對底樞球軸承脂潤滑性能的影響，設計了油槽數目均為3，油槽深度均為0.25 mm，而油槽寬度分別為2、2.5、3和3.5 mm的四組軸瓦試樣，即試樣①⑧⑨⑩。上述試驗都在轉速5 r/min、壓力1500 N下進行，潤滑條件均為脂潤滑，每種條件下單次試驗時間為5 h，每件試樣共運行25 h。

表1 軸瓦開油槽參數

表2 試樣材料及性能參數

2 結果分析

2.1 磨損量分析

試驗測得磨損量變化趨如圖2所示，隨著油槽數目增加，軸瓦磨損量有所減小，當油槽數目為6條時底樞潤滑性能最好、磨損量最小。

圖2 不同油槽參數的軸瓦磨損量隨時間變化關系

從圖2（a）中可以看出：油槽數目為3條時磨損量最大；隨著油槽數目的增加，在相同運行條件下，磨損量有所減小；當油槽數目為6時，底樞軸瓦的磨損量最小。這是由于在低速工況下，圓弧形油槽的開設能夠更快地將潤滑脂帶入到摩擦表面，形成潤滑膜，油槽的數目越多，形成有效潤滑膜的速度越快。當然，油槽數目過多，會造成軸瓦和蘑菇頭的接觸面積變小，從而造成摩擦副比壓過大，會加劇底樞的磨損，因此需要合理的選擇開設油槽數目。

從圖2（b）中可以看出：不同深度的油槽對底樞軸瓦的磨損有較大的影響；當油槽深度為0.25 mm時軸瓦磨損情況最嚴重；隨著油槽深度的增加，磨損情況有所減小；當油槽深度為0.75 mm時，磨損量最小，其潤滑效果最佳；當油槽深度進一步加大到1 mm時，磨損量開始增加。這是因為在轉速較低時，油槽深度為0.75 mm的油槽可以更好地形成潤滑膜，而當油槽深度過大時，底樞在運行時會過早地形成潤滑膜，阻礙摩擦副的磨合過程，導致試驗后試樣材料表面粗糙度較大，從而加劇軸瓦的磨損使得軸瓦磨損量增大。

從圖2（c）中可以看出：油槽寬度對底樞的磨損同樣具有一定的影響；當油槽寬度為2.0 mm時，摩擦副的接觸面積最大，摩擦副充分磨合，導致磨損量較大；隨著油槽寬度的增加，摩擦副的接觸面積有所減小；當油槽寬度達到3.0 mm的時候，磨損量達到最小；進一步使油槽寬度變大達到3.5 mm時，其磨損量相比較于3 mm寬度的油槽會有所增大。這說明，在一定范圍內，油槽寬度的增加可以改善底樞摩擦副的潤滑性能，當寬度過大時，會使得油膜厚度變厚的區域增多，從而使得該區域的承載能力變小，承載能力變小，會使得摩擦系數增大，進而會使摩擦副磨損加劇，導致磨損量變大。

2.2 表面形貌分析

為進一步探究不同參數的油槽對軸承磨損影響變化的原因，選擇磨損后軸瓦試樣表面進行表面形貌分析，分析結果如圖3～圖5所示。

從圖3中可以看出：3條油槽的表面明顯粗糙，且磨痕較多，磨痕深度也最大；而4、5和6條油槽的磨損表面形貌相比較于3條油槽的表面光滑；其中6條油槽的摩擦表面磨痕最小，最大磨損深度也最小。這與磨損量測量結果相符，即油槽數目的增多可以改善摩擦副的潤滑性能，可以改善摩擦副的磨損情況，降低軸瓦的磨損量，從而提高底樞軸瓦的使用壽命。

圖3 不同數目油槽磨損后表面形貌圖

圖4 不同油槽深度磨損后表面形貌圖

圖5 不同寬度油槽磨損后表面形貌圖

將圖3（a）與圖4作比較，可以明顯看到：油槽深度為0.5 mm和0.75 mm試樣的表面形貌明顯比0.25 mm試樣光滑，且磨痕也少，最大磨痕深度較淺；其中0.75 mm試樣磨損表面比0.5 mm試樣更加光滑，磨痕數量和磨痕深度要更加小一些；而當油槽深度增大到1.00 mm時，磨損后的表面形貌比0.75 mm的試樣要粗糙，磨痕數量變多，磨痕深度變大。可以分析出，隨著油槽深度的增加，底樞軸瓦試樣磨損情況會有所減輕，當油槽深度超過0.75 mm時，過高的油槽深度會增加油膜厚度，不利于底樞摩擦副的充分磨合，導致摩擦副承載能力變小，磨損情況會開始變嚴重，這與磨損量數據分析結果一致，最佳油槽深度為0.75 mm。

將圖3（a）和圖5作比較，可以看出：油槽寬度為2.0 mm時磨損后的表面比2.5 mm和3.0 mm試樣要粗糙；其中3.0 mm試樣磨損后的表面最光滑，磨痕數量和磨痕深度最小；當油槽寬度為3.5 mm時，其磨損表面比油槽寬度為3.0 mm油槽的磨損表面粗糙。這說明，油槽寬度可以提高軸瓦的耐磨性，在一定范圍內，油槽寬度越大，軸瓦磨損表面粗糙度越輕微，而當油槽寬度過高時，磨損表面開始變得更粗糙、磨痕深度變大。在本次試驗中，油槽寬度為3.0 mm的油槽對于提高軸瓦耐磨性，減輕軸瓦磨損的效果最佳。

3 結論

本文通過自主研制的球面摩擦磨損試驗機研究了底樞球軸承表面不同參數的圓弧形油槽對軸瓦磨損性能的影響，通過磨損量和表面形貌對磨損性能進行分析，得出以下結論：

（1）軸瓦表面開設圓弧形油槽可以提高軸瓦的耐磨性，油槽的數目越多，耐磨性越好，在相同時間內軸瓦磨損量最小。當油槽數目為6條時，磨損量達到最小，其耐磨性能最佳。

（2）圓弧形油槽深度對軸瓦材料的摩擦性能有較大影響，在一定范圍內，油槽的深度越大，底樞軸承的脂潤滑性能越高，而油槽的深度過深，會阻礙底樞摩擦副的磨合過程，導致摩擦副表面粗糙度增大，加大底樞軸瓦的磨損。當油槽深度為0.75 mm時摩擦性能達到最佳。

（3）圓弧形油槽的寬度對底樞軸承的磨損具有一定的影響。試驗表明，油槽寬度為3 mm的圓弧形油槽可以有效地降低軸瓦材料的磨損量、提高軸瓦材料的磨損性能。

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Influence of Oil Groove Parameters on the Friction and Wear of Lock Bottom Bearings

XU Xiang，DONG Jiang’an，ZHAO Xinze，HUANG Baijun

( College of Mechanical & Power Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China)

In order to study the influence of oil groove parameters on the friction and wear of the ball bearings of the lock bottom, some arc-shaped oil grooves of different numbers, depth and width are respectively set on the surface of the bottom bearing shells. The materials were tested by using a self-developed spherical wear tester, and the friction and wear properties were analyzed on the basis of the change of wearing surface and wear loss. The results show that the arc-shaped oil groove can improve the lubrication of the friction pair of the bottom pivot; the wear of the bearing shell become smaller when the number of oil grooves increases, and thus the depth and the number of the on the wearing surface decrease correspondingly. When the number of oil grooves is 6, the wear of the bottom pivot bearings is the smallest and the surface is the smoothest. The increase of the oil groove depth can reduce the wear of the friction pair, while the excessive oil groove depth is not conducive to the compatibility of the friction pair. When the oil groove depth is 0.75mm, the wear of the bearing shells is the smallest and the wear resistance is the best. Similarly, within a certain range, as the width of the oil groove increases, the wear of the bearing shells will decrease, and the excessive oil groove width will not help to reduce the wear of the bearing shells. When the oil groove width is 3.0 mm, the wear resistance of the bearing shells is the best, and the wear of the is minimal within the same time period.

oil groove parameter；bottom bearing shell；wear loss；wearing surface；friction

TH137.7；TV663

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.012

1006－0316 (2020) 02－0069－06

2019－07－05

湖北省技術創新專項（重大項目）（2016AAA076）；水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室（三峽大學）開放基金（2017KJX01，2017KJX06）

徐翔（1981－），男，湖北鄂州人，博士，副教授，主要研究方向為摩擦學及表面工程。

趙新澤（1964－），男，湖北潛江人，博士，教授，主要研究方向為摩擦學。