油-气润滑对点接触副滑动摩擦行为的影响*

(安徽工业大学机械工程学院 安徽马鞍山 243002)

油-气润滑主要是利用高速气流推动润滑油以精细液滴形式喷至润滑表面并形成润滑油膜层。其中，高速气流具有输送润滑油、冷却散热、阻隔外界杂质和减小搅油温升等作用[1]。油-气润滑常用于高速、重载以及高温等恶劣工况，在连铸机、中厚板轧机和带钢轧机等轴承的润滑系统中已得到广泛应用。目前对油-气润滑的研究主要集中在气液两相流形成机制[2-4]，油-气润滑系统设计[5-6]，以及油-气润滑技术对高速轴承润滑特性的影响[7-8]等方面。

点接触作为一种高副接触，由于接触面积小、接触应力大，其摩擦、磨损与润滑问题一直是研究人员研究的重要方向。目前对点接触的研究，多数主要集中在表面微织构对点接触摩擦特性的影响[9-13]，热弹流润滑特性和冲击微动磨损行为对点接触的影响[14-15]，以及点接触许用应力的试验研究[16]等。将油-气润滑运用于球/盘点接触部位，并对该润滑方式下的摩擦特性进行研究，目前尚未得到广泛开展。油-气润滑能够改变摩擦副间的接触状态，导致接触部位摩擦行为和承载能力发生变化，研究油-气润滑对高副接触行为的影响具有非常重要的现实意义。本文作者针对点接触副进行了油-气润滑条件下滑动摩擦试验，通过与滴油润滑以及干摩擦试验进行比较，探讨油-气润滑模式对点接触副摩擦行为的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

润滑油选用长城卓力(L-HM46号)抗磨液压油，产品主要参数见表1。

表1 润滑油参数

试验采用球/盘点接触旋转摩擦磨损方式，盘试样选用Q235钢，尺寸为φ50×5 mm，球试件材料为GCr15轴承钢，尺寸为φ9.52 mm。

1.2 试验方法

图1所示为油-气润滑试验中喷嘴安放位置示意图。

图1 油-气润滑试验喷嘴安放示意图

其中，α为喷嘴轴线与水平面之间的夹角，保持30°不变；n为圆盘转速，旋转方向与箭头方向一致。以球/盘空载时接触点O为坐标原点，x、z坐标方向如图所示，y坐标轴垂直向外。喷嘴轴线和球/盘接触点位于xOz平面中，轴线与盘平面相交于点p，pO距离为4 mm。试验中选用直通式喷嘴，喷嘴内径尺寸为φ2.5 mm。滴油润滑试验时，润滑油从喷嘴末端滴至盘试件上表面；油-气润滑试验时，润滑油依靠高压气体输送至接触区附近。

表2给出了试验采用的具体工况参数。文中分别进行了干摩擦、滴油润滑和油-气润滑模式下的球/盘副摩擦磨损试验。首先进行点接触干滑动摩擦试验，然后调整供油量进行滴油润滑试验，最后分别改变供油量和供气速度，进行油-气润滑下点接触滑动摩擦试验。为保证试验数据的准确性，以上试验均在相同环境中进行。

表2 试验工况

1.3 摩擦磨损试验

试验在美国生产的MFT-3000型旋转摩擦磨损试验机上进行。试验中球/盘副安装位置如图2所示。下试件圆盘固定在工作台夹具中，依靠电机带动工作台的旋转运动；球试件安装在端部空心的销轴套筒内，由空心螺帽拧紧固定；载荷施加在销轴上部。

图2 点接触试验台

试验开始前，先后利用400号氧化铝耐水砂纸和W20金相砂纸对下试件进行细化打磨。然后将下试件依次放在丙酮、乙醇溶液、蒸馏水中利用超声波清洗仪清洗，并用吹风机进行烘干。最后，利用精密分析天平称量其质量。试验过程中，试验机中的计算机自动获取瞬时摩擦因数，同时对球/盘副滑动摩擦过程中的油液进行采集。试验结束后，按照试验前相同步骤对下试件进行清洗、烘干和称量等操作，计算试样磨损质量。采用Rtec白光干涉形貌仪观察下试件的磨痕形貌，获得磨痕宽度、深度和粗糙度等信息。利用VIC-T分析式铁谱仪制取磨粒谱片，应用铁谱显微镜观察磨粒形状。在扫描电子显微镜(JSM-6490LV)下观测磨痕的微观形貌，利用其自带的电子能谱对磨痕区域元素成分进行分析。

2 结果与讨论

2.1 摩擦磨损特性

试验所测不同工况下摩擦因数随时间的变化曲线如图3(a)、(b)所示。图3(c)给出了不同工况下试件滑动摩擦达到稳定时的平均摩擦因数(400～1 200 s)，图3(d)所示为不同工况下试件的磨损质量。在进行滴油润滑试验时，在供油量分别为0.2、0.4、0.6和0.8 mL/min时，摩擦因数随供油量的增加没有发生明显变化，平均摩擦因数在0.047 9～0.049 2之间。在供油量为0.2 mL/min时摩擦因数相对较小为0.047 9，故关于滴油润滑摩擦因数随供油量的变化不再赘述，以供油量为0.2 mL/min下滴油润滑试验结果为基准，展开油-气润滑试验结果的对比分析。

图3 不同工况下的摩擦因数和磨损质量

图3(a)所示为干摩擦、滴油润滑和油-气润滑3种模式下摩擦因数随时间的变化曲线。其中滴油润滑和油-气润滑供油量均为0.2 mL/min，油-气润滑供气速度为4 m/s。可以看出：供油量为0.2 mL/min时油-气润滑和干摩擦下的摩擦因数有相同的变化趋势，都经历了磨合期向稳定磨损期的转变。油-气润滑时，在磨合期(0～400 s)，摩擦因数急剧上升，波动较大；进入稳定磨损期(400～1 200 s)后，摩擦因数保持在0.4左右,同时由于磨损表面粗糙度不断变化，导致摩擦因数在小范围内波动[17]。这主要是由于供油量不足，油-气润滑形成的气液两相流沿喷嘴末端向外输送时，大部分润滑油经喷嘴输出时被气流吹散，只有极少数细微液滴被输送至接触部位，导致润滑状态较差，试件产生的磨损(如图3(c)所示)达到145 mg。滴油润滑试验中，由于润滑油不受流动空气的干扰，以滴状落下的润滑油，在圆盘的带动下被输送并粘附在接触部位，润滑效果较好，平均摩擦因数为0.048 9，磨损质量为2 mg，磨损较轻微。由图3(a)、(c)、(d)可知,油-气润滑与滴油润滑试验结果相比，由于供油量不足，其润滑性能远低于滴油润滑，试件发生的摩擦磨损较滴油润滑严重。

图3(b)给出了油-气润滑试验中(供气速度为4 m/s)在不同供油量下摩擦因数随时间的变化规律。可见，随供油量增加摩擦因数下降。从图3(c)、(d)也可看出：油-气润滑时随供油量增加减摩降磨效果显著提升，其中供油量为0.2、0.4、0.6 mL/min时，平均摩擦因数分别为0.384 1、0.115 6和0.083 2；当供油量增加到0.8 mL/min时，较多的润滑油沿喷嘴被输送至接触部位，润滑状况较好，滑动摩擦在整个过程中处于稳定状态，平均摩擦因数达0.050 3，磨损质量为2 mg。这表明油-气润滑时，在供油量为0.8 mL/min时，接触部位易形成较好的润滑油膜层。

比较图3(c)中供油量为0.8 mL/min时的平均摩擦因数可知，不同供气速度下的平均摩擦因数均很小；当供气速度为4 m/s时，平均摩擦因数为0.050 3，与滴油润滑下的平均摩擦因数0.048 9相差不大；当供气速度为8 m/s时，平均摩擦因数为0.035 8，远低于滴油润滑下的摩擦因数。结合图3(c)和图3(d)可知，在油-气润滑方式下，供油量为0.8 mL/min时，改变供气速度为8 m/s，其润滑性能较滴油润滑好，摩擦因数大幅下降，低于滴油润滑。

2.2 磨痕形貌分析

图4和表3给出了干摩擦、供油量为0.2 mL/min时滴油以及油-气润滑下磨痕表面形貌和磨痕参数值。由图4(b)可看出，滴油润滑条件下，润滑性能较好，磨损轻微，磨痕宽度和深度分别为420、3.4 μm。油-气润滑方式下由于供油量不足，故呈现出和干摩擦相似的表面形貌，磨痕宽度为2 550 μm，深度为140 μm,粗糙度为2.4 μm(如表3所示)，其磨痕表面形貌变化十分明显。在油-气润滑下，磨痕粗糙度为2.4 μm，较干摩擦下5.1 μm小。 这是由于气流带动磨粒脱离接触部位，减少了三体磨粒磨损的发生。

图4 不同工况下磨痕形貌

工况磨痕宽度B/μm磨痕深度h/μm磨痕粗糙度Ra/μm干摩擦2 8001705.1滴油润滑 4203.40.26油-气润滑2 5501402.4

滴油润滑和油-气润滑试验在不同供油量下的磨痕表面形貌如表4所示，表5给出了不同润滑工况下磨痕的宽度、深度以及粗糙度等磨损参数。

由表4、5可看出：在滴油润滑条件下，磨痕形貌参数随供油量的增加变化较小；磨痕宽度在420～520 μm之间变化，深度在3～5 μm之间变化；润滑油膜承担绝大部分载荷，因此试件滑动摩擦后表面磨损轻微，磨痕参数较小。在油-气润滑条件下，在供气速度为4 m/s时，随着供油量的增加，磨痕宽度、深度以及粗糙度快速下降，磨痕宽度由2 550 μm减小到530 μm，深度由140 μm减小到5.8 μm。因此，在同一供气速度下，油-气润滑随供油量增加，接触部位润滑油量得以提升，润滑状况明显得到改善，磨痕宽度、深度以及粗糙度均减小。

由表4可看出，供油量较少时，油-气润滑下的磨痕深度和宽度明显大于滴油润滑，随着供油量的增加，两者间差距减小，但滴油润滑的效果仍好于油-气润滑。这是由于供油量较少时，形成的油气两相流中润滑油较少，大部分润滑油被气流吹散，只有极少数被输送至接触部位，因此磨痕深度和宽度明显大于滴油润滑；随着供油量的增加，压缩空气带动润滑油铺展，试件表面润滑油层厚度增加，润滑状况明显得到改善，磨痕宽度、深度以及粗糙度均大幅减小，但相同供油量下试件表面润滑油层厚度仍低于滴油润滑，试件磨损程度仍较滴油润滑时严重。

表4 不同供油量下的磨痕表面形貌

表5 磨痕磨损的相关参数

表6和表7给出了油-气润滑供油量为0.8 mL/min时，不同供气速度下的磨痕表面形貌以及磨损参数。可见，试件磨痕宽度和深度均随着供气速度的增加而增大，而磨痕沿宽度方向粗糙度变化并不明显。这是因为在供油量充足时，随供气速度增大，圆盘表面聚集的润滑油铺展得更稀薄，使得接触部位供油层厚度减小，摩擦阻力减小；同时摩擦副间油膜厚度变薄，承载能力下降，因而磨痕宽度和深度轻微增大。

表6 不同供气速度下磨痕形貌

表7 磨痕磨损的相关参数

比较图4、表4、表6所示的不同工况下的磨痕形貌可看出，在油-气润滑条件下磨痕表面有沟痕产生，并在两侧形成隆起，与滴油润滑以及干摩擦下磨痕相似。这主要是在滑动过程中接触表面发生弹性形变，随滑动摩擦的进行，试件发生塑性变形，有大颗粒从材料表面脱落，接触部位软材料在硬颗粒的挤压与滑动作用下，产生塑性形变向两边隆起扩展形成沟槽，即犁沟效应，从而导致摩擦副中间部位磨痕最深。依据磨损的基本原理，可判定为磨粒磨损[17]。

2.3 磨粒形状和磨痕元素组成分析

图5示出了干摩擦、滴油润滑以及油-气润滑3种方式下的磨粒形状(在铁谱显微镜下放大50倍)。可以看出，磨损产生的磨粒以片状或者块状小磨粒为主，伴随着极少数长条状切削磨粒，磨粒颜色均呈现银白色。其中，在油-气润滑条件下，磨损产生的磨粒体积较小呈碎屑状，与滴油润滑下产生的磨粒相同。在干摩擦下产生的磨粒体积较大，并以片状或块状形式存在。这主要是在该条件下，摩擦副间接触状态较差，摩擦力反复作用使接触部位的材料产生大块脱落，导致磨粒体积较大。在润滑工况相对较好的滴油润滑时，摩擦接触表面发生小的变形和刮擦作用，导致小磨粒产生。依据磨粒形状，可判定为磨粒磨损[18]。

图5 不同润滑工况下磨屑形状(50X)

油-气润滑系统工作时，利用高压气体将润滑油以精细油滴形式输送至润滑点区域，高压气体起到输送润滑油的同时，对摩擦副间散热状况也有较好的改善作用[1]。图6所示为盘试件在不同润滑模式下磨痕的SEM形貌，并在图中方框区域进行EDS检测。根据磨痕表面EDS能谱可知，在油-气润滑、干摩擦以及滴油润滑条件下磨痕区域元素组成相同，均仅含Fe、C 2种元素，无氧元素存在,表明磨损过程中没有铁系氧化物生成。这是由于铁的氧化物生成是随高温和低温转变过程逐级进行的，高温转变为Fe-FeO-Fe3O4-Fe2O3，而在试验较低的滑动速度以及载荷下，摩擦副间温度较低，摩擦生热不足以引起磨损机制发生改变[19]，油-气润滑的冷却散热功效对摩擦副温升影响不明显，不同工况下磨痕区域元素成分没有明显变化。

图6 磨痕表面形貌以及EDS检测结果

3 结论

(1)油-气润滑工况下，当供油量不足时，随供油量增加摩擦因数、磨损质量、磨痕深度与宽度以及粗糙度均逐渐减小，但润滑性能较滴油润滑差；当供油量充足时(如文中的供油量0.8 mL/min)，调整供气速度，其润滑性能优于滴油润滑，摩擦因数较滴油润滑小。

(2)试件磨痕深度、宽度和粗糙度随油-气润滑供油量增加快速减小，在磨痕两侧观察到有隆起产生；摩擦副间润滑工况相对较好时，改变供气速度，磨痕参数变化相对较小。

(3)较低滑动速度以及载荷下，点接触滑动摩擦不会发生氧化磨损，油-气润滑模式对摩擦副间冷却散热状况影响不明显，与滴油润滑以及干摩擦下磨损机制相同，均为磨粒磨损；磨屑主要以碎屑状或者片状形式存在，并伴随极少数长条状磨粒。