凹坑織構位置對81107軸承摩擦磨損性能的影響

金志浩，趙 琛，龍日升，張義民

（沈陽化工大學裝備可靠性研究所，遼寧 沈陽 110142）

1 引言

在機械運動中，因摩擦磨損造成的能源損耗約占設備總能耗的1∕3。因此，如何經濟、高效和可控地減少機械系統的摩擦磨損，一直是科學研究的熱點。摩擦磨損是軸承的主要失效形式之一。相關研究表明，摩擦副表面并不是越光滑，它的摩擦性能就越好[1]。合理的織構分布能顯著改善摩擦副的潤滑和承載能力，發揮積極的減摩作用。

綜合目前的研究結果來看，不同的試樣材料、潤滑條件以及表面織構的形狀（如凹坑、溝槽、橢圓）、幾何參數（如直徑、寬度、深度）、排布方式、位置分布等都對摩擦副的摩擦磨損有顯著影響[2-5]。文獻[6]對理想織構分布、加劇摩擦磨損的織構分布以及無影響的織構分布進行了研究，發現凹坑體積太小或者分布太稀疏，不能產生任何效果；凹坑尺寸太大或者密度太大又會導致承載面積減小，摩擦磨損性能惡化。文獻[7]建立了平行滑塊的表面織構模型，分析了表面織構對滑塊承載能力的影響。結果表明：全寬度織構分布對提高軸承的承載能力沒有幫助，部分寬度織構分布能產生較大的承載力。當凹坑密度為0.13時承載力達到最大。文獻[8]發現通過適當的表面織構幾何形狀和表面織構位置分布可以改善軸承表面的接觸特性，從而提高滑動軸承系統的摩擦性能。文獻[9]通過有限元建模，研究了9種織構對浮環軸承承載性能的影響。結果發現：在橫紋、經度紋和各向同性紋中，橫紋對浮環軸承性能的影響最大，經度紋的影響較小。文獻[10]研究了恒定載荷條件下，圓柱形織構的不同位置分布對滑動軸承承載能力的影響。結果表明：由于空化效應，全織構分布在接觸區無法產生流體動力承載能力。當織構位于接觸壓力場的下降部分時，局部織構可在軸承內產生流體動力升力；當徑向滑動軸承在流體動壓區和空化區時，局部織構分布能起到微弱的積極作用，而全織構分布反而起到了消極作用。文獻[11]研究了凹坑織構的三種相對位置對軸承摩擦磨損性能的影響，并通過數值模擬和往復式摩擦試驗進行對比，發現合適的微凹坑相對位置可以在一定程度上提高軸承的摩擦磨損性能。

然而，上述文獻都圍繞平面滑塊或滑動軸承不同位置分布的織構進行研究，關于貧油條件下織構位置對滾動軸承摩擦磨損性能影響的研究尚未見報道。選用81107-TN 型推力圓柱滾子軸承作為研究對象，在貧油條件下對8種不同位置分布的凹坑織構試樣進行摩擦磨損試驗。

通過對平均摩擦系數、磨損量和磨損表面進行對比，探討了織構位置以及面積率對軸承摩擦磨損性能的影響。這將為滾動軸承的滾道設計和優化提供重要參考。

2 織構制備及試驗過程

2.1 織構制備

推力圓柱滾子軸承的滾子和軸圈之間屬于線接觸。正常運轉時，滾子端部的應力高于接觸中心的應力，外側應力略高于內側應力[12]。因此，將滾道區域等分為四個同心圓，研究了1∕4 內側、1∕2內側、3∕4內側、1∕4外側、1∕2外側、3∕4外側、雙側以及全織構分布即8種不同位置分布下軸承的摩擦磨損性能，如表1所示。凹坑織構采用等距交錯[13]的方式排布，陣列角度為1.5°。根據團隊前期的試驗研究和參考文獻的試驗數據[14]，在軸圈表面加工直徑300μm，深度15μm 的凹坑織構。為了減小誤差，消除試驗過程的不確定因素，每組試樣在相同條件下重復進行三次，取平均值作為最終結果。因此，試驗共消耗9×3=27個81107型推力圓柱滾子軸承。

表1 凹坑織構的試樣分組Tab1.Groups of Pits Textured Bearings

軸承打標及打標前的處理過程如下：

①先用超聲波清洗軸承出廠的潤滑油，然后用烘干機熱風吹干。

②用激光打標機（PL100-30W，沈陽賽普貝司）在軸圈上進行激光蝕刻。激光填充掃描的方式，如圖1（a）所示。通過試驗前期不斷地摸索織構形貌與激光加工參數的規律，以凹坑邊緣和底部相對平滑為目標，最終確定的打標參數如下：線間距0.001μm，激光功率3W，頻率80kHz，打標速度200mm∕s，打標次數7次。

圖1 81107TN型軸承滾道表面制備的凹坑單元Fig.1 Pit Units on the Raceway of 81107TN Bearing

③為了去掉軸承織構化后凹坑邊緣的熔融物，用金相磨拋機（MP-2，萊州蔚儀）依次使用400目、800目、1200目、2000目的紗紙進行拋磨。

④將拋磨后的軸圈放在裝有丙酮溶液的超聲波清洗機中清洗15min，再用熱風吹干。軸圈，座圈以及保持架的重量用電子天平（Ohaus EX225D，精度0.1mg，0.01mg可讀）稱量。為了減小誤差，每個試件稱量三次，結果取平均值。

2.2 試驗過程

采用MMW-1A立式萬能摩擦磨損試驗機（濟南華興）進行試驗。為了縮短試樣貧油階段的工作時間，并讓滾道表面產生明顯的磨損失效，通過前期一系列的摸索試驗，最終確定的試驗機參數如下：試驗力4000N，軸承轉速250r∕min，試驗時間18000s。試驗前在“軸圈-保持架-座圈”系統中滴入12.1mg 的潤滑油（HX7-PLUS SW-30，殼牌），試驗過程中不再添加。整個試驗過程81107TN型軸承共旋轉1.35×106圈。試驗后用三維非接觸形貌儀（VK-X1050，Keyence，日本）對軸承的軸圈和座圈表面進行表征。完成后將整個軸承放在裝丙酮溶液的超聲波清洗機中清洗10min，熱風吹干后再用電子天平稱量試驗后軸圈、座圈及保持架的重量。試驗過程使用的設備，如圖2所示。

圖2 試驗過程使用的設備Fig.2 Equipments Used in this Work

3 結果與討論

3.1 內側、外側及雙側分布對摩擦系數的影響

在凹坑深度和直徑相同的情況下，內側、外側及雙側織構分布的軸承摩擦系數曲線，如圖3所示。

圖3 內側、外側及雙側摩擦系數對比圖Fig.3 Friction Coefficient Curves Between Inner and Outer Sides

對于內側織構分布而言，如圖3（a）所示。在試驗前期（0～6000）s，1∕4內側分布、1∕2內側分布和無織構分布的摩擦系數比較平緩且差異性較小，3∕4內側分布波動較大且直接呈上升趨勢。整體來看，1∕4內側分布的摩擦系數最低且是唯一比無織構摩擦系數低的分布；1∕2內側分布在15000s達到峰值，平均摩擦系數比無織構軸承的大；3∕4內側分布是四種織構中摩擦系數最大的，也最先達到峰值。外側織構分布摩擦系數，如圖3（b）所示。在試驗前期（0～8500）s，1∕4外側分布、1∕2外側分布、3∕4外側分布及無織構分布的摩擦系數曲線不僅穩定且差異不大。試驗后期（8000～18000）s，外側織構分布的軸承均比無織構軸承摩擦系數低。其中，1∕4外側分布摩擦系數最低，3∕4外側分布略高，1∕2外側織構分布最高，但仍略低于無織構分布的摩擦系數。

雙側織構、全織構和無織構分布軸承的摩擦系數曲線，如圖3（c）所示。顯然，雙側織構和全織構分布摩擦系數曲線的波動性很大，呈波動上升的狀態，且前者的平均摩擦系數略微高于后者。無織構分布的摩擦系數明顯低于雙側織構和全織構分布的摩擦系數。

對比圖3（a）、圖3（b）兩圖可以發現，與外側分布相比，內側分布前期軸承的磨合時間較短，但摩擦系數曲線差異性較大。1∕4側分布的摩擦系數較低。雙側和全織構的摩擦系數相當，曲線基本吻合，且均高于光滑軸承。

綜上所述，對于同一側（外側或者內側）織構，相比面積率比較大的織構，面積率小的織構分布能起到積極的減摩作用。這是因為凹坑織構減小了摩擦副的接觸面積，而增大了接觸壓強。在載荷較大的情況下，面積率大的軸圈表面容易產生接觸疲勞剝落，出現點蝕坑和犁溝，增大接觸表面的摩擦因數[15]，所以，面積率大的織構化軸承摩擦系數較大。

3.2 同一面積率下不同分布對摩擦系數的影響

凹坑織構半徑、深度和面積率相同的條件下，1∕4側、1∕2側、3∕4側的內外側摩擦系數的對比，如圖4所示。

圖4 1∕4側、1∕2側、3∕4側對比圖Fig.4 Friction Coefficients Curves of 1∕4 Side、1∕2 Side、3∕4 Side

1∕4側分布的摩擦系數均比無織構分布的摩擦系數低，外側分布的摩擦系數比內側分布的小很多，且內側分布的波動性比外側更大，如圖4（a）所示；1∕2外側分布的摩擦系數遠低于內側分布，無織構的摩擦系數正好介于二者之間，且1∕2內側分布的摩擦系數曲線波動非常大，如圖4（b）所示；3∕4外側分布摩擦系數比其余兩種織構的摩擦系數要低，3∕4內側的平均摩擦系數非常高且波動非常大，如圖4（c）所示。顯然，在面積率相同的條件下，外側分布的摩擦系數均比內側分布低；1∕4側和1∕2側分布摩擦系數曲線的差異不大，3∕4側分布摩擦系數曲線的差異較大。

這可能是由于以下兩點原因造成的：

①在摩擦副旋轉過程中，系統中的潤滑油在離心力的作用下多集中于外側，外側織構分布的軸承潤滑效果更好；

②應力對摩擦副的承載能力以及表面摩擦因數有一定的影響。根據滾動體應力分布的特點，1∕4 側和1∕2 側織構分布在應力相差較小的區域，而3∕4 側織構分布在應力相差較大的區域[15]。因此，應力相差大的織構化軸承，摩擦系數曲線差異性也大。

3.3 凹坑織構對磨損量的影響

軸圈磨損量，如圖5（a）所示。由圖可知，與無織構軸承相比，1∕4側分布、雙側分布以及全織構軸承的磨損量較少，而1∕2側和3∕4側分布軸承的磨損量較大；外側織構分布的磨損量均比內側織構分布的磨損量小。“軸圈-保持架-座圈”整個系統的平均摩擦系數圖，如圖5（b）所示。

圖5 軸圈磨損量和摩擦系數對比圖Fig.5 Wear Losses of Shaft Rings and Friction Coefficients of Bearings

顯然，外側分布和1∕4內側分布的平均摩擦系數比無織構軸承低，其余分布均比無織構軸承高。其中，1∕4外側分布的平均摩擦系數最低而3∕4內側分布的平均摩擦系數最高。

對比兩圖可以發現，1∕2外側與3∕4外側分布磨損量比無織構軸承高，但是平均摩擦系數比無織構軸承低；雙側分布及全織構分布的磨損量比無織構軸承低，但是平均摩擦系數比無織構軸承略高；1∕2內側分布及3∕4內側分布的磨損量和摩擦系數均比無織構軸承高。只有1∕4側分布摩擦系數和磨損量均比無織構軸承的低。尼龍膜的“保護”作用和凹坑“收集”作用是影響軸圈磨損量的主要因素。尼龍膜主要分布在外側區域，少數分布在內側區域，因此1∕4側織構分布的磨損量較低，此時尼龍膜的“保護”作用大于凹坑的“收集作用”；3∕4側分布由于凹坑數目多，凹坑收集的磨屑為軸圈提供二次潤滑，所以磨損量低，凹坑的“收集作用”大于尼龍膜的“保護”作用；而1∕2側分布，兩種因素都沒有發揮積極的作用，因此磨損量較高。

3.4 凹坑織構表面表征分析

8種不同織構分布的軸圈未清洗表面，如圖6所示。顯然，不論是何種分布和有無織構，尼龍膜均主要集中在外側區域。1∕4外側分布幾乎可以全覆蓋，這也是1∕4外側分布摩擦系數低的原因之一。清洗后的織構表面，如圖7所示。

圖6 不同位置織構分布軸承的軸圈磨損表面Fig.6 Worn Surfaces of Shaft Rings of Bearings with Different Pits Distributions

圖7 清洗之后的軸圈磨損表面Fig.7 Cleaned Worn Surfaces of Shaft Rings of Bearings

高溫區多集中于滾道的內側和中間區域，少數分布在外側，且靠近軸圈外側應力比較大的區域，部分凹坑邊緣出現壓潰現象。

3.5 討論

在整個摩擦磨損試驗中，前期由于潤滑油的作用，各軸承的摩擦系數均維持在0.005左右。隨著潤滑油的逐漸消耗，摩擦系數開始呈緩慢上升趨勢。期間儲存在凹坑里的潤滑油起到二次潤滑的作用。

當潤滑油消耗殆盡，軸承逐漸進入干摩擦階段，此時在軸圈外側會形成一層尼龍膜，軸承鋼（軸圈與滾子）之間的相互摩擦變成了軸承鋼（軸圈）與P66尼龍（尼龍膜）之間的摩擦，后者摩擦系數更大。這是導致軸承后期整體摩擦系數呈上升趨勢的原因。

結合圖3和圖5可以發現，在貧油條件下，1∕4外側分布的平均摩擦系數最低，磨損量也最低，是8種分布中摩擦性能最好的分布。1∕2內側和3∕4內側分布平均摩擦系數和磨損量都遠遠的超過了無織構分布，是8種分布中摩擦性能最差的分布。原因有以下三點：

（1）凹坑邊緣會增大表面應力和粗糙度。因此，在應力相當的內側區域或者外側區域，面積率比較大的織構分布摩擦系數比較高。

（2）尼龍粉在離心力的作用下逐漸向外側運動，使得凹坑織構中填滿了尼龍磨屑。而尼龍磨屑具有良好的耐磨性，從而減小了軸承的摩擦磨損。

（3）尼龍膜主要覆蓋在外側區域，減少了滾動體和軸圈的直接接觸，所以外側區域軸圈的磨損量較低，面積率比較大的織構磨損量較高。

此外，摩擦試驗后軸圈表面發現有凹坑邊緣壓潰、點蝕和疲勞剝落的現象，如圖6、圖7所示。

這是因為在磨損過程中，滾子受到很大的周期性變化的應力作用，單位時間內有18個滾子會通過軸圈的某一點，在轉速為250r∕min，時間為18000s的工況下，應力循環次數達到1.35×106。此時，軸圈表面沿凹坑邊緣產生疲勞裂紋，進而擴展形成磨屑，造成軸圈磨損。

4 結論

（1）在貧油條件下，凹坑織構相對位置對軸承的摩擦系數有很大影響。對于同一側的織構分布，面積率越小，軸承的減摩性能越好；在面積率相同的條件下，外側織構分布的軸承比內側分布摩擦系數低。

（2）通過系統摩擦系數以及磨損量的對比發現，1∕4外側分布是所有分布中摩擦性能最好的，摩擦系數和磨損量均比無織構軸承小。1∕2內側和3∕4內側分布是摩擦性能最差的，摩擦系數和磨損量遠遠超過了無織構軸承。雙側織構分布雖然也能改善軸承的摩擦磨損，但不是最優的分布。

（3）軸承摩擦磨損過程產生的尼龍膜是影響摩擦性能的重要因素，尼龍膜可以起到保護軸圈，減少磨損量的作用，主要分布在軸圈外側區域。高溫區主要集中于中間和內側區域。