基于雙點接觸電阻法的潤滑狀態(tài)研究*

郭 晨 嚴(yán)志軍 鄒玉堂 徐久軍

(1.大連海事大學(xué)交通運輸工程學(xué)院 遼寧大連 116026；2.大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院 遼寧大連 116026;3.大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 遼寧大連 116026)

潤滑被認(rèn)為是降低無用摩擦和控制過度磨損的重要途徑，在延長設(shè)備使用壽命和保證工件可靠性上有巨大潛力[1-2]。在潤滑狀態(tài)的研究上，前人已經(jīng)做了很多工作,也探索出了多種試驗方法，例如光干涉法[3-5]、磁阻法[6-7]、電容法[8-9]以及電阻法[10-14]等。其中，光干涉法試驗結(jié)果比較可靠，但其試驗成本往往非常昂貴，并且其中一個接觸體必須為透光材質(zhì)；磁阻法局限性在于傳感器對溫度變化較為敏感，其抗干擾能力不高；電容法僅適用于全膜流體潤滑狀態(tài)的研究，當(dāng)摩擦副間有微凸體接觸時，測量結(jié)果不甚準(zhǔn)確；而電阻法電路簡單，對材料和環(huán)境適應(yīng)性強，是定性研究潤滑狀態(tài)的有效測試方法。

目前基于電阻法的潤滑狀態(tài)試驗裝置多采用單點接觸形式[10,13]，其局限性在于：電阻一般是在回轉(zhuǎn)或往復(fù)直線運動的試件上直接進(jìn)行接線測量，有的設(shè)備還需要外接集流器，因此電阻信號受外界干擾較大，測量精度受限；單點接觸形式的摩擦副接觸狀態(tài)容易受振動影響而產(chǎn)生加載力和電阻的波動，裝置難以實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，這也一定程度上增加了測試的難度。因此本文作者提出了一種基于電阻法的雙點接觸自適應(yīng)摩擦試驗裝置。該裝置結(jié)合了摩擦因數(shù)法和接觸電阻法的優(yōu)點：既有摩擦因數(shù)法對潤滑狀態(tài)劃分上的直觀性，又有電阻法對摩擦副接觸狀態(tài)表征上的優(yōu)勢，為潤滑狀態(tài)研究試驗裝置的設(shè)計提供一種新的思路。

1 試驗裝置與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 試驗裝置介紹

圖1所示為雙點接觸摩擦試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置由5部分組成：加載機構(gòu)、浮動支撐機構(gòu)、夾具(兼做油槽)、摩擦副試件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。加載機構(gòu)主要由微型手搖千斤頂和碟形彈簧組合而成，碟形彈簧將千斤頂施加的力傳遞給壓力傳感器，壓力傳感器再將力傳遞給浮動支撐機構(gòu)；壓力經(jīng)浮動支撐機構(gòu)自動調(diào)節(jié)平衡，使得雙下試件與上試件(軸徑部分)受力一致，構(gòu)成摩擦副；待測試結(jié)果穩(wěn)定后打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即可對摩擦力、加載力以及平均接觸電阻進(jìn)行實時測量和保存，通過換算即可得到摩擦因數(shù)。

圖1 雙點接觸摩擦試驗裝置結(jié)構(gòu)示意Fig 1 Schematic of double-point contact friction test device

與現(xiàn)有的摩擦試驗裝置相比，該裝置有以下優(yōu)勢：(1)摩擦副采用雙點接觸，通過浮動支撐機構(gòu)完成加載力的平衡自動調(diào)節(jié)功能，保證雙點接觸時兩側(cè)受力和潤滑狀態(tài)的一致性；(2)在相對靜止的雙下試件上進(jìn)行接觸電阻的接線測量，線路布置簡單，抗干擾能力強；(3)采用自下而上的加載方式，降低了導(dǎo)軌與滑塊之間的摩擦以及裝置自重對測量的影響，提高了裝置的精度和結(jié)果的可靠性。

1.2 試驗原理

試驗時，上試件在電機的帶動下做回轉(zhuǎn)運動，此時雙下試件與上試件(軸徑部分)構(gòu)成摩擦副，且摩擦副周圍存有適量的潤滑油。由于楔形效應(yīng)，潤滑油流入楔形收斂間隙，形成有一定厚度和承載能力的潤滑膜，從而將摩擦副分隔開，此時接觸電阻值較大；隨著載荷的不斷增加，油膜厚度將逐漸減小，微凸體的接觸數(shù)目逐漸增多，因此接觸電阻也隨之有下降的趨勢；當(dāng)載荷進(jìn)一步增加，最終油膜被壓破，導(dǎo)致潤滑失效，則摩擦副間的微凸體大面積接觸，接觸電阻接近于0。

圖2所示為電阻測量原理，試驗中，加載力經(jīng)過浮動支撐機構(gòu)自動調(diào)節(jié)平衡，使得摩擦副兩側(cè)受力一致。在兩下試件上接上電線，測量時上試件與下試件之間的接觸電阻值(實測電阻-電路電阻)信號通過電阻變送器轉(zhuǎn)化為電壓信號并向外輸出至數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)而完成電阻信號的采集。

圖2 電阻測量原理Fig 2 Principle of resistance measurement

圖3所示為雙點接觸試驗裝置總體布置，試驗中摩擦力和加載力傳感器輸出信號經(jīng)過信號放大器進(jìn)行調(diào)質(zhì)和放大，之后再傳遞到數(shù)據(jù)采集卡，與圖2采集到的電阻信號一并被傳到計算機程序中，經(jīng)過程序數(shù)字濾波后，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以待后續(xù)處理。

圖3 雙點接觸試驗裝置總體布置Fig 3 General layout of double-point contact device

2 實驗結(jié)果及分析

試驗采用的上試件與下試件分別為45鋼和H59黃銅材質(zhì)，兩者直徑分別為50和8 mm，并且表面都經(jīng)過光整加工處理。試驗前測得在16 ℃下5W-40潤滑油動力黏度η0約為0.177 Pa·s。在無潤滑的情況下，測得上試件與下試件直接接觸時平均電阻為0.027 Ω。試驗采用控制變量法，電機輸出轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為50和60 r/min，加載方式為在0.5～5.9 N范圍內(nèi)階梯加載。

2.1 電阻分析

圖4所示為50和60 r/min轉(zhuǎn)速下平均接觸電阻隨加載力的變化情況。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下平均接觸電阻隨加載力的變化Fig 4 Variation of contact resistance withloading force at different speeds

由圖4可知，平均接觸電阻值隨著加載的增加呈現(xiàn)出整體下降的趨勢，并且在相同加載下，50 r/min始終比60 r/min的平均接觸電阻值要小。這說明在轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨著加載力的增大，摩擦副間形成的流體膜受壓而逐漸變薄，微凸體接觸數(shù)目逐漸增多，平均接觸電阻隨之降低；而在同一加載力下，轉(zhuǎn)速越高，流體動壓效應(yīng)越強，油膜厚度也會隨之增加，因此所測出的平均接觸電阻值也就越大。另外，每個轉(zhuǎn)速下的電阻曲線都出現(xiàn)了“平臺”(電阻緩慢變化的區(qū)域)，且50 r/min下的2個“平臺”較60 r/min下都更早出現(xiàn)。文獻(xiàn)[13]中研究接觸電阻-速度曲線也有類似平均接觸電阻出現(xiàn)緩慢變化的情況，并認(rèn)為電阻發(fā)生緩慢變化的區(qū)域其潤滑狀態(tài)也發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

2.2 摩擦因數(shù)分析

Stribeck曲線是通過研究徑向滑動軸承得到的，摩擦因數(shù)隨無量綱軸承特性數(shù)的增大呈現(xiàn)先平后降再升的變化過程[15-16]。文中試驗時，半徑分別為R1和R2的兩圓柱垂直接觸，根據(jù)接觸力學(xué)[17]，Hertz接觸等效半徑a可表示為

(1)

令加載力為F，單位面積載荷為p，有：

(2)

Stribeck曲線橫坐標(biāo)軸承特性數(shù)可化為

(3)

式中：η為潤滑油動力黏度；U為滑動速度；p為接觸點區(qū)域單位面積載荷。

對于同一對摩擦副，上、下試件半徑R1、R2為定值，在一定范圍內(nèi)可認(rèn)為潤滑油黏度為常數(shù)。定轉(zhuǎn)速下，若只改變加載力，根據(jù)式(3)和Stribeck曲線摩擦因數(shù)的變化特征，可以推斷：在某一區(qū)域內(nèi)隨著加載力的增加，摩擦因數(shù)先下降后上升，最后在某一值附近波動。因此，根據(jù)摩擦因數(shù)與加載力的關(guān)系即可對潤滑狀態(tài)進(jìn)行初步劃分。

圖5所示為不同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)隨加載力的變化曲線。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)隨加載力的變化Fig 5 Variation of friction coefficient with loadingforce at different speeds

隨著加載力的增加，摩擦因數(shù)均出現(xiàn)了先降再升后平的趨勢，這與結(jié)合式(3)和Stribeck 曲線所推測的摩擦因數(shù)變化特征相同。另外，摩擦因數(shù)曲線上均出現(xiàn)了“谷底”區(qū)，而50 r/min下“谷底”區(qū)出現(xiàn)更早。說明相同加載力下，轉(zhuǎn)速越低，流體動壓效應(yīng)越不明顯，微凸體也就更容易接觸。因此50 r/min時加載力在2.5 N附近便發(fā)生大面積接觸，而60 r/min時，加載力在5 N附近時微凸體才大面積接觸，此時如圖4所示，各自的接觸電阻接近于0，說明兩者都已處于邊界潤滑狀態(tài)。

2.3 最小潤滑油膜數(shù)值計算

為確定不同參數(shù)對應(yīng)的油膜理論厚度并確定潤滑狀態(tài)，文中利用Dowson提出的橢圓接觸最小油膜厚度計算公式[16,18]來對油膜厚度作進(jìn)一步研究。

2個半徑分別為R1和R2的圓柱軸線垂直接觸時所產(chǎn)生的接觸面為橢圓形，根據(jù)Dowson公式，其量綱一膜厚參數(shù)H表達(dá)式為

H=f(k,G,W,U)

(4)

低速輕載情況下，根據(jù)鮑培德[19]提出的Dowson公式點接觸潤滑狀態(tài)改進(jìn)圖，可得到加載力在2 N以內(nèi)時，接觸區(qū)處于Rl區(qū)，此時量綱一膜厚參數(shù)H表達(dá)式為

(5)

式中:Rx為運動平面綜合曲率半徑;Ry為與運動平面垂直方向綜合曲率半徑;U=η0u/(ERx)，表示量綱一速度參數(shù)；W=F/(ERx2)，表示量綱一載荷參數(shù)；η0為潤滑油動力黏度；E為試件綜合彈性模量；u為卷吸速度；F為接觸體之間的正壓力。

對于最小膜厚，有：

(6)

試驗中，Rx=4 mm、Ry=25 mm，潤滑油動力黏度η0=0.177 Pa·s，轉(zhuǎn)速為50 r/min，即卷吸速度u=0.131 m/s，代入式(6)可得到加載力與最小油膜厚度的關(guān)系。

圖6所示是按式(6)計算得出的加載力與最小膜厚的關(guān)系曲線，其中加載力已換算成單個試件的平均受力，且計算出的膜厚也是單個試件的最小膜厚。圖6顯示，當(dāng)總加載力在1 N附近時，單個試件最小油膜厚度已經(jīng)在100 nm左右，而當(dāng)總加載力在1.8 N附近時，單個試件最小油膜厚度已經(jīng)達(dá)到30 nm左右，且加載過程中膜厚在不斷減小。但圖4顯示，在加載力1 N附近平均接觸電阻出現(xiàn)了“平臺”。這說明對于點接觸摩擦副，一方面由于黏壓效應(yīng)，高壓使得潤滑劑的黏度有所增高，因而油膜厚度會隨加載力的提高而緩慢減少；同時，高壓也使得接觸體產(chǎn)生彈性變形，因而潤滑油膜的承載能力有所提高，此時對應(yīng)的圖5中摩擦因數(shù)正好處于“谷底”區(qū)。因此“平臺”與摩擦因數(shù)“谷底”存在一定關(guān)聯(lián)性。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為Stribeck曲線的谷底處于薄膜潤滑狀態(tài)，基體效應(yīng)如吸附效應(yīng)、薄膜的類固態(tài)變化、分子有序化和分子極性的支撐效應(yīng)等，使得這一潤滑狀態(tài)能夠穩(wěn)定存在。

圖6 50 r/min下加載力與最小膜厚的關(guān)系Fig 6 Relation between loading force and minimumfilm thickness at 50 r/min

2.4 潤滑狀態(tài)劃分

圖7是將50 r/min轉(zhuǎn)速下平均接觸電阻與摩擦因數(shù)結(jié)合后所繪制的復(fù)合曲線圖，可以觀察到接觸電阻與摩擦因數(shù)的變化存在較好的關(guān)聯(lián)性：0.5 N加載后，摩擦因數(shù)與接觸電阻同步下降，且當(dāng)加載力為1.5 N時，摩擦因數(shù)的“谷底”正好對應(yīng)接觸電阻的“平臺”區(qū)域；當(dāng)加載力為1.5～2.5 N時，摩擦因數(shù)逐漸增大，而接觸電阻不斷減??；而當(dāng)加載力超過2.5 N時，摩擦因數(shù)在某一值附近波動，接觸電阻值接近于0 Ω。

對于潤滑狀態(tài)，由于0.5 N加載后，電阻發(fā)生了驟降，說明此時摩擦副表面存在少量微凸體的接觸，因此接觸區(qū)已處于混合潤滑狀態(tài)。當(dāng)載荷在0.5～1.5 N之間時，接觸電阻與摩擦因數(shù)都在不斷下降，說明接觸區(qū)開始向邊界潤滑轉(zhuǎn)變，但仍處于弾流潤滑起主導(dǎo)的混合潤滑狀態(tài)；當(dāng)載荷為1.5～2.5 N時，接觸電阻不斷減小直至接近于0 Ω，而摩擦因數(shù)不斷升高，說明接觸區(qū)已開始接近邊界潤滑狀態(tài)；最后載荷大于2.5 N時，接觸電阻值接近于0 Ω，說明此時已經(jīng)存在摩擦副的直接接觸，接觸區(qū)處于邊界潤滑狀態(tài)。結(jié)合Dowson的劃分方式[16,18]，即可對5W-40潤滑油在50 r/min下的潤滑狀態(tài)進(jìn)行劃分，潤滑狀態(tài)劃分情況如圖7所示。

圖7 雙點接觸潤滑狀態(tài)Fig 7 Double-point contact lubrication state

3 結(jié)論

(1)提出一種基于電阻法的雙點接觸摩擦試驗裝置，該裝置采用自下而上的加載方式，利用浮動支撐機構(gòu)實現(xiàn)加載力的自動調(diào)節(jié),在對相對靜止的試件上布置電路并進(jìn)行電阻的測量，從而簡化了電路的設(shè)計,保證了測試的精度。

(2)采用試驗裝置得到的摩擦因數(shù)與電阻的變化存在較強的關(guān)聯(lián)性，例如摩擦因數(shù)處于“谷底”時接觸電阻正好處于“平臺”區(qū)域，且摩擦因數(shù)與接觸電阻最后同步趨于穩(wěn)定等，因此結(jié)合摩擦因數(shù)與接觸電阻可對潤滑狀態(tài)進(jìn)行更加精確的劃分。

(3) 根據(jù)Dowson的潤滑狀態(tài)劃分方式，文中對雙點接觸下潤滑狀態(tài)進(jìn)行了劃分，并繪制了相應(yīng)的潤滑狀態(tài)圖。該裝置可用于潤滑狀態(tài)研究及潤滑油品質(zhì)鑒定。