基于SRV的重载轴承润滑脂摩擦磨损性能模拟评定方法研究

2024-03-05赵启龙苏怀刚娄文静张如良王晓波

摩擦学学报 2024年2期

赵启龙, 姜程, 苏怀刚, 娄文静, 张如良, 王晓波*

(1. 山东科技大学材料科学与工程学院, 山东青岛 266590;2. 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室, 甘肃兰州 730000;3. 青岛市资源化学与新材料研究中心青岛市高端装备润滑技术重点实验室, 山东青岛 266000)

在工业生产装备大型化、重载化以及精密化发展的过程中，轴承作为旋转部件的支撑部分地位越来越突出. 润滑脂作为适用于轴承滚动体和轴承圈的重要组成部分[1]对于改善轴承润滑状态、降低摩擦磨损至关重要；因此研究润滑脂在不同条件下的减摩抗磨性能表现，建立工况对应性良好的润滑脂评价技术对轴承和装备运行的可靠性具有重要意义. 当前润滑油脂摩擦磨损性能评定过程中四球试验机[2]、UMT摩擦试验机[3]、针盘摩擦试验机[4]和SRV摩擦试验机等模拟试验设备应用普遍，尤其是SRV试验机在水平、垂直以及倾斜等模式下集点、线和面等多种摩擦副接触形式于一体的往复或旋转模式，使得其在润滑材料摩擦磨损性能筛选与评定方面得到广泛的应用. 李皓琳等[5]在研究杂环离子润滑剂时，采用SRV球盘接触模式评价了ILs在钢/钛合金表面的摩擦学性能. 罗海棠等[6]基于SRV球盘接触形式设计测试方案，开展了汽车发动机油燃油经济性测试、车用齿轮油的摩擦学性能测试. 张嘉莹等[7]在研究双组分超分子凝胶时应用SRV试验机评价了超分子凝胶润滑剂的减摩抗磨性能.Zhang等[8]采用SRV-IV型摩擦磨损试验机，研究了负载对铜纳米颗粒摩擦性能的影响. Kumar等[9]研究六方氮化硼颗粒抗磨性时，采用四球试验机，SRV试验机进行了摩擦磨损性能测试. Saini等[10]采用四球试验机和SRV试验机研究了不同形态的碳质纳米颗粒在润滑油中的摩擦学性能. Kumar等[11]采用SRV球盘模式，探索了功能化的多壁碳纳米管加入润滑油后的摩擦学性能变化. 产品经过初步筛选后往往采用FE8轴承摩擦磨损试验台[12]、FE9轴承寿命试验台[13]和FZG齿轮试验台[14]等大型台架设备进行产品推广前的磨损性能最终评定，因此模拟试验与台架试验之间的相关性越来越受关注. 张博等[15]在评价汽轮机油摩擦性能时认为“四球法”、“FZG法”和“SRV法”之间具有线性相关性. Faruck等[16]采用SRV试验机与FZG齿轮试验台，研究了离子液体作为抗磨损和极压润滑剂添加剂的潜力. 史永刚等[17]在评价发动机变速箱油摩擦学性能时探讨了SRV试验机法与变速箱台架试验结果的相关性. 石啸[18]用MTM牵引力试验机和齿轮箱传动效率测定装置对齿轮油摩擦学性能及传动效率进行了测定，考察了基础油对齿轮传动效率的影响. 杨鹤等[19]采用SRV模拟试验评定Mack T-9台架试验柴油机油的抗磨性能，并对两者之间的相关性进行了研究.郭圣刚等[20]应用SRV试验机，研究了热冲击循环台架试验后气体发动机油的摩擦磨损性能变化. 李进等[21]在考察燃料油润滑性时研究了柴油机油球柱润滑评定仪(BOCLE)测试结果与油泵台架考核结果之间的相关性. 研究报道中主要基于SRV球盘摩擦副点接触形式开展研究，而与重载工况下圆柱滚子轴承实际接触形式更接近的柱-盘摩擦系统研究较少，不利于进一步发展工况适用性强的润滑材料测试技术；因此本研究中拟通过SRV柱盘摩擦接触形式下的摩擦学试验结果与FE8轴承台架试验磨损结果的相关性研究，建立更适用于重载轴承用润滑脂在摩擦副表界面的抗磨减摩性能分析方法，从而提高润滑脂产品配方筛选效率，节约台架试验成本.

1 试验及分析方法

1.1 试验仪器

本试验中采用德国Optimol SRV试验机：载荷范围0.003~2.5 kN，温度–35~200 ℃，往复频率1~511 Hz，往复行程0.01~5 mm；上试件滚子采用AISI 52100轴承钢圆柱滚子，规格尺寸为φ6 mm×8 mm，硬度60±2 HRC，粗糙度Ra为0.025±0.005 µm；下试件采用AISI 52100轴承钢试验盘，尺寸规格φ24 mm×7.88 mm，硬度62±1 HRC，粗糙度0.035 μm

1.2 试验样品

本试验中选取适用于重载工况的市售商品润滑脂A (壳牌S2V220)、润滑脂B (美孚XHP222)、润滑脂C (中科润美STR51)及实验室自制润滑脂D (东营顺利化工有限责任公司的工业级12-羟基硬脂酸锂与荆门石化股份有限公司的MVI500矿物油质量比9:1混合后搅拌加热升温至220 ℃炼化30 min，冷却至室温成脂)为开展润滑脂摩擦磨损评价方法的标准试验样品.样品基本信息列于表1中.

表1 样品信息Table 1 Sample information

1.3 试验方法

本试验中基于SRV-V摩擦试验机线性往复运动形式，上试件圆柱滚子与下试盘呈线接触，接触线与运动轨迹线呈α=10°夹角(详见图1，接触线为圆柱滚子的轴向延伸方向，在该方向接触位置上圆柱滚子与下试盘之间无油脂储存区域，沿该方向做往复运动会将润滑剂彻底推出摩擦副接触区，润滑脂为半固态膏状体，流动性差无法及时回复，会导致干摩擦，影响测试结果，因此布置接触线与运动轨迹线呈α=10°夹角，使滚子圆弧面与运动方向形成油脂存储区，以保证试验过程中有充足的润滑脂参与试验)，在低频、大载荷、特定温度和特定位移下进行线性往复滑动摩擦，考察不同润滑脂重载工况下的抗摩擦磨损性能；采用皮尔逊相关系数法对试验结果与FE8轴承台架摩擦磨损试验结果进行相关性分析，确定最优试验参数；并对最优试验参数下的试验结果进行重复性分析，确定重载轴承润滑脂SRV圆柱滚子/圆盘线接触微动摩擦性能评定方法的可靠性.

Fig. 1 SRV test machine and schematic of roller/disk contact mode图1 SRV试验机及滚子/圆盘接触方式示意图

1.4 重复性分析方法

重复性试验是1种对测试结果的随机性进行分析的试验，重复性用变异系数CV来判断. 试验所得测量结果为xi(i=1，2，···，n)，试验样本标准偏差SD(xi)用贝塞尔公式计算：

式中：n为测量次数，应该尽量大，一般不少于6次；为xi的平均值

1.5 相关性分析方法

相关性分析是指对2个变量之间线性关系的描述与量度[22]，是分析客观事物之间关系的数量分析方法[23].本文中应用皮尔逊相关系数法分析摩擦磨损试验结果与台架试验磨损结果的相关性，对于容量为n的样本，相关系数计算公式如下：

式中：xi、yi为开展相关性分析的两变量的变量值，xi=[x1，x2，···，xn]，yi=[y1，y2，···，yn]；分别为xi、yi的平均值，相关系数rxy表示2个变量x、y之间的线性相关程度，取值在-1~+1之间. 相关系数rxy>0表示两变量存在正的线性相关关系，rxy<0表示两变量存在负的线性相关关系；变量的相关强度由相关系数绝对值|rxy|的取值范围来判断：|rxy|>0.8表示两变量之间具有较强的线性相关关系，|rxy|<0.3，表示两变量之间的线性相关关系较弱[23].

2 结果与讨论

本试验中考察了载荷、温度、往复频率以及位移对SRV微动摩擦磨损试验结果的影响，详细情况如下：

2.1 温度对重载润滑脂微动摩擦磨损试验结果的影响

在载荷1.2 kN，往复频率25 Hz，位移1.0 mm试验条件下，分别在-10、0、25、50、80和100 ℃温度下进行磨损试验30 min，考察温度变化对A、B、C和D这4种润滑脂微动摩擦磨损性能的影响.

图2 给出了A、B、C和D这4种润滑脂在不同温度下摩擦系数、磨痕宽度、平均磨痕深度以及磨损体积的变化趋势：通过图2(a)这4种润滑脂在不同温度下的摩擦系数变化可以看出，当温度低至-10 ℃时，各润滑脂摩擦系数均较高，B润滑脂在该温度下出现卡咬，升高试验温度4种润滑脂摩擦系数均呈下降趋势，润滑脂A、B和C在50 ℃之后摩擦系数开始迅速升高，而润滑脂D在50~80 ℃摩擦系数趋于平稳，80 ℃以后出现上升趋势；由图2(b)温度-磨痕宽度变化趋势能够看出，润滑脂B、C在25 ℃以后出现转折，润滑脂A在50 ℃后出现转折，润滑脂D磨痕宽度受温度变化影响最小；由图2(c)温度-磨痕深度变化趋势看出各润滑脂低温下磨痕深度均较大，随着温度升高出现先降低后小幅增加趋势，润滑脂B、C在25 ℃以后出现转折，润滑脂A在50 ℃后出现转折，润滑脂D在80 ℃以后出现转折；由图2(d)载荷-磨体积变化趋势可以看出，润滑脂A、B和C在25 ℃下磨损体积最小，润滑脂D在50 ℃下磨损量最小；说明各温度下的摩擦系数均能反应重载轴承润滑脂的减摩抗磨性能特征，对于重载润滑脂来说25~50 ℃下各润滑脂的减摩抗磨性能最优. 由表2所列各温度下的磨损体积与FE8台架磨损量结果相关性分析结果可以看出，25~100 ℃相关度均为强相关，并且相关系数差别不大，故采用SRV圆柱/圆盘线接触形式表征重载润滑脂润滑性能时温度参数范围应在25 ℃以上，具体温度可根据重载润滑脂应用环境温度工况在25~100 ℃之间选择. 润滑脂是由稠化剂、基础油和添加剂组成的结构复杂的半固态非牛顿流体，具有独特的流变特性. 不同润滑脂受稠化剂和制备工艺等影响，胶体结构存在明显差异，由图3扫描电镜(SEM)结果可以看出复合锂基润滑脂A、B及自制单锂基润滑脂D稠化剂均为双螺旋绳状缠绕的纤维结构，磺酸钙基润滑脂C稠化剂为片状结构包覆在绳状纤维结构，并在间隙处堆积球形颗粒结构；当温度降低时，润滑脂结构强度增大，导致润滑脂在低温下受力离开摩擦接触区后难以及时回复，产生润滑不良，摩擦磨损层度加剧；不同的组成结构随温度的变化趋势不同，导致低温下润滑脂的流动差异更加明显，从而使得摩擦磨损变化趋势不一致，试验结果与台架试验相关性降低. 本文中考虑台架在室温下运行，且25 ℃相关系数最大，故在进一步试验中确定温度参数为25 ℃.

Fig. 2 Grease performance test at 1.2 kN, 1 mm and 25 Hz：(a) friction coefficient; (b) wear width;(c) average wear track depth; (d) wear volume图2 润滑脂在1.2 kN，1 mm，25 Hz条件下的性能测试：(a)摩擦系数；(b)磨痕宽度；(c)平均磨痕深度；(d)磨损体积

Fig. 3 SEM micrographs of the microstructure of the thickener图3 稠化剂显微结构的SEM照片

表2 不同温度下润滑脂磨损体积与FE8台架磨损量相关性Table 2 Correlation between wear volume of grease and wear amount of FE8 at different temperatures

2.2 载荷对重载润滑脂微动摩擦磨损试验结果的影响

在温度25 ℃，频率25 Hz，位移1 mm试验条件下，分别在100、200、400、600、800、1 000、1 200和1 500 N载荷下进行试验30 min，考察载荷与A、B、C和D这4种润滑脂微动摩擦磨损性能的关系，然后再对4种润滑脂进行综合比较.

图4 给出了A、B、C和D这4种润滑脂不同载荷下摩擦系数、磨痕宽度、平均磨痕深度和磨损体积的变化趋势：通过图4(a)载荷-摩擦系数变化可以看出，在初始阶段100 N载荷下4种润滑脂摩擦系数均较高，增加试验载荷后4种润滑脂摩擦系数均呈现降低趋势，达到最低点后出现转折，继续增加试验载荷摩擦系数开始上升，不同润滑脂的转折点存在明显差异，样品D在载荷400 N时达到最低值然后开始迅速升高，样品A转折点为载荷600 N时，样品B载荷转折点为1 kN时，样品C转折点为在载荷1.2 kN时；结合图4(b~d)的变化趋势可以看出，在初始阶段低载荷下各润滑脂磨损均较低，区分不明显；增加试验载荷后磨痕宽度、磨痕深度和磨损体积等各项磨损指标值均增大，当载荷增加到600 N以后各磨损参数值区分性越来越明显，当载荷达到1.5 kN时润滑脂D出现卡咬；说明低载荷时的摩擦系数并不能真实反映摩擦副表界面的摩擦磨损状况，而600 N以上的高载荷试验条件下的摩擦系数真实反映了重载轴承润滑脂的减摩抗磨性能特征；故SRV表征重载润滑脂润滑性能时载荷参数至少应达到600 N，载荷过高时个别产品卡咬无法完成试验，所以载荷参数也不能设置过高. 对不同载荷下4种产品的磨损体积与台架试验磨损结果相关性进行分析，结果列于表3中：高载荷下SRV试验法与FE8台架试验结果相关性高，在1 kN载荷下相关系数达到了0.953；低载下相关度低，在100和200 N载荷甚至出现了负相关情况；产生该现象的原因一方面是润滑脂中的极压抗磨组分在低载荷下不能有效发挥作用，如磺酸钙基脂中的纳米碳酸钙颗粒；另一方面是在较低的试验载荷下试验滚子与试验盘接触刚度不够，测量时摩擦副之间产生振动，导致试验过程中摩擦力矩不稳定，出现测量误差，这些共同导致了低载荷下的试验结果与台架试验相关性差，故在进一步的试验考察中，选择相关系数最高的1 kN载荷作为试验参数模拟重载轴承的服役工作状态.

表3 不同载荷下润滑脂磨损体积与FE8台架磨损量相关性Table 3 Correlation between wear volume of grease and wear amount of FE8 bench under different loads

2.3 往复频率对重载润滑脂微动摩擦磨损试验结果的影响

设置载荷1 kN，温度25 ℃，位移1.0 mm，分别在5、15、25、50和75 Hz条件下试验30 min，考察往复频率变化对A、B、C和D这4种润滑脂微动摩擦磨损性能的影响.

图5 给出了润滑脂A、B、C和D在不同往复频率下的摩擦系数、磨痕宽度、平均磨痕深度和磨损体积的变化趋势，摩擦系数及各磨损参数值均随着往复频率的增加而增大，尤其是往复频率达到40 Hz以后各参数增大趋势加快；通过相关系数分析可以看出，不同往复速率下的磨损体积与磨损量相关性存在明显差异(表4)，低频段相关性差，高频段相关性强，在频率50 Hz时相关系数最大0.959，相关性最强. 产生该现象的原因分析如下：当试验滚子与试验圆盘产生滑动摩擦时，频率越高线速度越大，单位时间内润滑脂回流

Fig. 5 Grease performance test at 1 kN，25 ℃，1 mm：(a) friction coefficient; (b) wear width;(c) average wear track depth; (d) wear volume图5 润滑脂在1 kN，25 ℃，1 mm条件下的性能测试：(a)摩擦系数；(b)磨痕宽度；(c)平均磨痕深度；(d)磨损体积

表4 不同往复频率下润滑脂磨损体积与FE8台架磨损量相关性Table 4 Correlation between wear volume of grease and wear amount of FE8 bench at different reciprocating frequencies

至摩擦副表面的量就越少，所以高频往复运动对摩擦副表界面油膜的破坏远大于低频往复运动，高频下的磨损量也就越大；尽管4种润滑脂磨损量随着频率的变化趋势相似，但由于4种润滑脂稠化剂类型不同，胶体结构存在差异，在不同剪切速率下对抗剪切效果不同；本文中进一步采用旋转流变仪在剪切速率1~100 s-1之间进行变速扫描，得到4种润滑脂的润滑脂剪切速率-应力曲线图，如图6所示，从图6中可以看出润滑脂A在高频段和中频段分别与润滑脂B和润滑脂D出现了穿插交点，故当往复速率变化后，稠度等级相似润滑脂的回复速度变化趋势并不一致，润滑效果相对趋势也就发生变化，摩擦磨损试验结果同台架试验之间的相关性相应变低，本文中在进一步的试验考察中，将往复频率参数设置为50 Hz.

Fig. 6 Shear rate-stress curve of a rotary rheometer图6 旋转流变仪剪切速率-应力曲线图

2.4 位移对重载润滑脂微动摩擦磨损试验结果的影响

在载荷1 kN，往复频率50 Hz，温度25 ℃试验条件下，在0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 mm位移下试验30 min，考察不同位移条件下A、B、C和D这4种润滑脂微动摩擦磨损性能与台架试验的相关性，结果详见图7和表5.

Fig. 7 Grease performance test at 1kN，25 ℃，50 Hz：(a) friction coefficient; (b) wear width;(c) average wear track depth; (d) wear volume图7 润滑脂在1kN，25 ℃，50 Hz条件下的性能测试：(a)摩擦系数；(b)磨痕宽度；(c)平均磨痕深度；(d)磨损体积

表5 不同位移润滑脂磨损体积与FE8台架磨损量相关性Table 5 Correlation between wear volume of grease with different strokes and wear amount of FE8

图7 给出了润滑脂A、B、C和D在不同位移行程下的摩擦系数、磨痕宽度、平均磨痕深度和磨损体积的变化趋势，通过图7(a)可以看出A、C摩擦系数随位移增加略有下降，B、D摩擦系数几乎无变化，说明位移对摩擦系数测试结果无影响；图7(b~d)可以看出随着位移的增加磨痕宽度、磨痕深度和磨损体积均增加，说明位移变大，线速度增加，磨损量增大. 结合表5中不同位移下的磨损体积与FE8台架磨损量结果相关性分析发现，0.1 mm位移条件下几种润滑脂在试验盘上的磨损体积与FE8台架试验结果中度相关，当位移量达到0.5 mm以上时均为强相关，且0.5~1.5 mm之间相关系数差别不大，所以圆柱/圆盘接触形式下SRV表征重载润滑脂润滑性能时位移参数范围可以根据轴承参数在0.5~1.5 mm之间选择，本文中在进一步的试验考察中，设置位移参数为1.0 mm.

2.5 重复性分析

本试验在优选试验参数温度25 ℃，载荷1 kN，频率50 Hz，位移1 mm条件下，对4种样品进行6次重复性测试(表6)，计算变异系数CV，由计算结果可知润滑脂A变异系数5.26%、润滑脂B变异系数6.02%、润滑脂C变异系数4.75%和润滑脂D变异系数6.61%，该方法对4种产品试验结果的变异系数均远小于10%，为弱变异性，说明该试验方法结果离散程度小，重复性良好.

表6 重复性测试数据Table 6 Repeatable test data

2.6 不同试验方法与FE8台架结果相关性分析

采用SH/T 0204-1992四球试验机法、NB/SH/T 0721-2016 SRV球盘试验法和本试验方法对4种润滑脂进行测试，测试结果列于表7中；利用四球试验机(厦门天机制造)自带的光学显微镜观察四球试验钢球磨斑形貌，详见图8；利用美国KLA-Tencor公司生产的非接触式三维表面轮廓仪观察SRV球盘试验法及本实验法磨痕形貌，详见图9和图10. 由图8，图9和图10磨痕形貌图特征可以看出SRV圆柱滚子/圆盘摩擦磨损测试方法所得磨痕形状狭长，更接近圆柱滚子轴承服役过程中沿轴向产生的微动滑动磨损形貌. 应用IBM SPSS 22软件对不同试验方法测试结果与FE8轴承台架结果进行相关性分析，由表7中Pearson相关系数结果可以看出，圆柱滚子/圆盘SRV摩擦磨损测试方法试验结果与FE8轴承台架结果的对应性优于四球机磨斑直径法(SH/T 0204-1992)以及SRV球滚子-圆盘接触试验法(NB/SH/T 0721)，SRV柱/盘法对重载轴承润滑脂抗磨损性能预测更可靠.