凹坑织构位置对81107轴承摩擦磨损性能的影响

金志浩，赵 琛，龙日升，张义民

（沈阳化工大学装备可靠性研究所，辽宁 沈阳 110142）

1 引言

在机械运动中，因摩擦磨损造成的能源损耗约占设备总能耗的1∕3。因此，如何经济、高效和可控地减少机械系统的摩擦磨损，一直是科学研究的热点。摩擦磨损是轴承的主要失效形式之一。相关研究表明，摩擦副表面并不是越光滑，它的摩擦性能就越好[1]。合理的织构分布能显著改善摩擦副的润滑和承载能力，发挥积极的减摩作用。

综合目前的研究结果来看，不同的试样材料、润滑条件以及表面织构的形状（如凹坑、沟槽、椭圆）、几何参数（如直径、宽度、深度）、排布方式、位置分布等都对摩擦副的摩擦磨损有显著影响[2-5]。文献[6]对理想织构分布、加剧摩擦磨损的织构分布以及无影响的织构分布进行了研究，发现凹坑体积太小或者分布太稀疏，不能产生任何效果；凹坑尺寸太大或者密度太大又会导致承载面积减小，摩擦磨损性能恶化。文献[7]建立了平行滑块的表面织构模型，分析了表面织构对滑块承载能力的影响。结果表明：全宽度织构分布对提高轴承的承载能力没有帮助，部分宽度织构分布能产生较大的承载力。当凹坑密度为0.13时承载力达到最大。文献[8]发现通过适当的表面织构几何形状和表面织构位置分布可以改善轴承表面的接触特性，从而提高滑动轴承系统的摩擦性能。文献[9]通过有限元建模，研究了9种织构对浮环轴承承载性能的影响。结果发现：在横纹、经度纹和各向同性纹中，横纹对浮环轴承性能的影响最大，经度纹的影响较小。文献[10]研究了恒定载荷条件下，圆柱形织构的不同位置分布对滑动轴承承载能力的影响。结果表明：由于空化效应，全织构分布在接触区无法产生流体动力承载能力。当织构位于接触压力场的下降部分时，局部织构可在轴承内产生流体动力升力；当径向滑动轴承在流体动压区和空化区时，局部织构分布能起到微弱的积极作用，而全织构分布反而起到了消极作用。文献[11]研究了凹坑织构的三种相对位置对轴承摩擦磨损性能的影响，并通过数值模拟和往复式摩擦试验进行对比，发现合适的微凹坑相对位置可以在一定程度上提高轴承的摩擦磨损性能。

然而，上述文献都围绕平面滑块或滑动轴承不同位置分布的织构进行研究，关于贫油条件下织构位置对滚动轴承摩擦磨损性能影响的研究尚未见报道。选用81107-TN 型推力圆柱滚子轴承作为研究对象，在贫油条件下对8种不同位置分布的凹坑织构试样进行摩擦磨损试验。

通过对平均摩擦系数、磨损量和磨损表面进行对比，探讨了织构位置以及面积率对轴承摩擦磨损性能的影响。这将为滚动轴承的滚道设计和优化提供重要参考。

2 织构制备及试验过程

2.1 织构制备

推力圆柱滚子轴承的滚子和轴圈之间属于线接触。正常运转时，滚子端部的应力高于接触中心的应力，外侧应力略高于内侧应力[12]。因此，将滚道区域等分为四个同心圆，研究了1∕4 内侧、1∕2内侧、3∕4内侧、1∕4外侧、1∕2外侧、3∕4外侧、双侧以及全织构分布即8种不同位置分布下轴承的摩擦磨损性能，如表1所示。凹坑织构采用等距交错[13]的方式排布，阵列角度为1.5°。根据团队前期的试验研究和参考文献的试验数据[14]，在轴圈表面加工直径300µm，深度15µm 的凹坑织构。为了减小误差，消除试验过程的不确定因素，每组试样在相同条件下重复进行三次，取平均值作为最终结果。因此，试验共消耗9×3=27个81107型推力圆柱滚子轴承。

表1 凹坑织构的试样分组Tab1.Groups of Pits Textured Bearings

轴承打标及打标前的处理过程如下：

①先用超声波清洗轴承出厂的润滑油，然后用烘干机热风吹干。

②用激光打标机（PL100-30W，沈阳赛普贝司）在轴圈上进行激光蚀刻。激光填充扫描的方式，如图1（a）所示。通过试验前期不断地摸索织构形貌与激光加工参数的规律，以凹坑边缘和底部相对平滑为目标，最终确定的打标参数如下：线间距0.001µm，激光功率3W，频率80kHz，打标速度200mm∕s，打标次数7次。

图1 81107TN型轴承滚道表面制备的凹坑单元Fig.1 Pit Units on the Raceway of 81107TN Bearing

③为了去掉轴承织构化后凹坑边缘的熔融物，用金相磨抛机（MP-2，莱州蔚仪）依次使用400目、800目、1200目、2000目的纱纸进行抛磨。

④将抛磨后的轴圈放在装有丙酮溶液的超声波清洗机中清洗15min，再用热风吹干。轴圈，座圈以及保持架的重量用电子天平（Ohaus EX225D，精度0.1mg，0.01mg可读）称量。为了减小误差，每个试件称量三次，结果取平均值。

2.2 试验过程

采用MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机（济南华兴）进行试验。为了缩短试样贫油阶段的工作时间，并让滚道表面产生明显的磨损失效，通过前期一系列的摸索试验，最终确定的试验机参数如下：试验力4000N，轴承转速250r∕min，试验时间18000s。试验前在“轴圈-保持架-座圈”系统中滴入12.1mg 的润滑油（HX7-PLUS SW-30，壳牌），试验过程中不再添加。整个试验过程81107TN型轴承共旋转1.35×106圈。试验后用三维非接触形貌仪（VK-X1050，Keyence，日本）对轴承的轴圈和座圈表面进行表征。完成后将整个轴承放在装丙酮溶液的超声波清洗机中清洗10min，热风吹干后再用电子天平称量试验后轴圈、座圈及保持架的重量。试验过程使用的设备，如图2所示。

图2 试验过程使用的设备Fig.2 Equipments Used in this Work

3 结果与讨论

3.1 内侧、外侧及双侧分布对摩擦系数的影响

在凹坑深度和直径相同的情况下，内侧、外侧及双侧织构分布的轴承摩擦系数曲线，如图3所示。

图3 内侧、外侧及双侧摩擦系数对比图Fig.3 Friction Coefficient Curves Between Inner and Outer Sides

对于内侧织构分布而言，如图3（a）所示。在试验前期（0～6000）s，1∕4内侧分布、1∕2内侧分布和无织构分布的摩擦系数比较平缓且差异性较小，3∕4内侧分布波动较大且直接呈上升趋势。整体来看，1∕4内侧分布的摩擦系数最低且是唯一比无织构摩擦系数低的分布；1∕2内侧分布在15000s达到峰值，平均摩擦系数比无织构轴承的大；3∕4内侧分布是四种织构中摩擦系数最大的，也最先达到峰值。外侧织构分布摩擦系数，如图3（b）所示。在试验前期（0～8500）s，1∕4外侧分布、1∕2外侧分布、3∕4外侧分布及无织构分布的摩擦系数曲线不仅稳定且差异不大。试验后期（8000～18000）s，外侧织构分布的轴承均比无织构轴承摩擦系数低。其中，1∕4外侧分布摩擦系数最低，3∕4外侧分布略高，1∕2外侧织构分布最高，但仍略低于无织构分布的摩擦系数。

双侧织构、全织构和无织构分布轴承的摩擦系数曲线，如图3（c）所示。显然，双侧织构和全织构分布摩擦系数曲线的波动性很大，呈波动上升的状态，且前者的平均摩擦系数略微高于后者。无织构分布的摩擦系数明显低于双侧织构和全织构分布的摩擦系数。

对比图3（a）、图3（b）两图可以发现，与外侧分布相比，内侧分布前期轴承的磨合时间较短，但摩擦系数曲线差异性较大。1∕4侧分布的摩擦系数较低。双侧和全织构的摩擦系数相当，曲线基本吻合，且均高于光滑轴承。

综上所述，对于同一侧（外侧或者内侧）织构，相比面积率比较大的织构，面积率小的织构分布能起到积极的减摩作用。这是因为凹坑织构减小了摩擦副的接触面积，而增大了接触压强。在载荷较大的情况下，面积率大的轴圈表面容易产生接触疲劳剥落，出现点蚀坑和犁沟，增大接触表面的摩擦因数[15]，所以，面积率大的织构化轴承摩擦系数较大。

3.2 同一面积率下不同分布对摩擦系数的影响

凹坑织构半径、深度和面积率相同的条件下，1∕4侧、1∕2侧、3∕4侧的内外侧摩擦系数的对比，如图4所示。

图4 1∕4侧、1∕2侧、3∕4侧对比图Fig.4 Friction Coefficients Curves of 1∕4 Side、1∕2 Side、3∕4 Side

1∕4侧分布的摩擦系数均比无织构分布的摩擦系数低，外侧分布的摩擦系数比内侧分布的小很多，且内侧分布的波动性比外侧更大，如图4（a）所示；1∕2外侧分布的摩擦系数远低于内侧分布，无织构的摩擦系数正好介于二者之间，且1∕2内侧分布的摩擦系数曲线波动非常大，如图4（b）所示；3∕4外侧分布摩擦系数比其余两种织构的摩擦系数要低，3∕4内侧的平均摩擦系数非常高且波动非常大，如图4（c）所示。显然，在面积率相同的条件下，外侧分布的摩擦系数均比内侧分布低；1∕4侧和1∕2侧分布摩擦系数曲线的差异不大，3∕4侧分布摩擦系数曲线的差异较大。

这可能是由于以下两点原因造成的：

①在摩擦副旋转过程中，系统中的润滑油在离心力的作用下多集中于外侧，外侧织构分布的轴承润滑效果更好；

②应力对摩擦副的承载能力以及表面摩擦因数有一定的影响。根据滚动体应力分布的特点，1∕4 侧和1∕2 侧织构分布在应力相差较小的区域，而3∕4 侧织构分布在应力相差较大的区域[15]。因此，应力相差大的织构化轴承，摩擦系数曲线差异性也大。

3.3 凹坑织构对磨损量的影响

轴圈磨损量，如图5（a）所示。由图可知，与无织构轴承相比，1∕4侧分布、双侧分布以及全织构轴承的磨损量较少，而1∕2侧和3∕4侧分布轴承的磨损量较大；外侧织构分布的磨损量均比内侧织构分布的磨损量小。“轴圈-保持架-座圈”整个系统的平均摩擦系数图，如图5（b）所示。

图5 轴圈磨损量和摩擦系数对比图Fig.5 Wear Losses of Shaft Rings and Friction Coefficients of Bearings

显然，外侧分布和1∕4内侧分布的平均摩擦系数比无织构轴承低，其余分布均比无织构轴承高。其中，1∕4外侧分布的平均摩擦系数最低而3∕4内侧分布的平均摩擦系数最高。

对比两图可以发现，1∕2外侧与3∕4外侧分布磨损量比无织构轴承高，但是平均摩擦系数比无织构轴承低；双侧分布及全织构分布的磨损量比无织构轴承低，但是平均摩擦系数比无织构轴承略高；1∕2内侧分布及3∕4内侧分布的磨损量和摩擦系数均比无织构轴承高。只有1∕4侧分布摩擦系数和磨损量均比无织构轴承的低。尼龙膜的“保护”作用和凹坑“收集”作用是影响轴圈磨损量的主要因素。尼龙膜主要分布在外侧区域，少数分布在内侧区域，因此1∕4侧织构分布的磨损量较低，此时尼龙膜的“保护”作用大于凹坑的“收集作用”；3∕4侧分布由于凹坑数目多，凹坑收集的磨屑为轴圈提供二次润滑，所以磨损量低，凹坑的“收集作用”大于尼龙膜的“保护”作用；而1∕2侧分布，两种因素都没有发挥积极的作用，因此磨损量较高。

3.4 凹坑织构表面表征分析

8种不同织构分布的轴圈未清洗表面，如图6所示。显然，不论是何种分布和有无织构，尼龙膜均主要集中在外侧区域。1∕4外侧分布几乎可以全覆盖，这也是1∕4外侧分布摩擦系数低的原因之一。清洗后的织构表面，如图7所示。

图6 不同位置织构分布轴承的轴圈磨损表面Fig.6 Worn Surfaces of Shaft Rings of Bearings with Different Pits Distributions

图7 清洗之后的轴圈磨损表面Fig.7 Cleaned Worn Surfaces of Shaft Rings of Bearings

高温区多集中于滚道的内侧和中间区域，少数分布在外侧，且靠近轴圈外侧应力比较大的区域，部分凹坑边缘出现压溃现象。

3.5 讨论

在整个摩擦磨损试验中，前期由于润滑油的作用，各轴承的摩擦系数均维持在0.005左右。随着润滑油的逐渐消耗，摩擦系数开始呈缓慢上升趋势。期间储存在凹坑里的润滑油起到二次润滑的作用。

当润滑油消耗殆尽，轴承逐渐进入干摩擦阶段，此时在轴圈外侧会形成一层尼龙膜，轴承钢（轴圈与滚子）之间的相互摩擦变成了轴承钢（轴圈）与P66尼龙（尼龙膜）之间的摩擦，后者摩擦系数更大。这是导致轴承后期整体摩擦系数呈上升趋势的原因。

结合图3和图5可以发现，在贫油条件下，1∕4外侧分布的平均摩擦系数最低，磨损量也最低，是8种分布中摩擦性能最好的分布。1∕2内侧和3∕4内侧分布平均摩擦系数和磨损量都远远的超过了无织构分布，是8种分布中摩擦性能最差的分布。原因有以下三点：

（1）凹坑边缘会增大表面应力和粗糙度。因此，在应力相当的内侧区域或者外侧区域，面积率比较大的织构分布摩擦系数比较高。

（2）尼龙粉在离心力的作用下逐渐向外侧运动，使得凹坑织构中填满了尼龙磨屑。而尼龙磨屑具有良好的耐磨性，从而减小了轴承的摩擦磨损。

（3）尼龙膜主要覆盖在外侧区域，减少了滚动体和轴圈的直接接触，所以外侧区域轴圈的磨损量较低，面积率比较大的织构磨损量较高。

此外，摩擦试验后轴圈表面发现有凹坑边缘压溃、点蚀和疲劳剥落的现象，如图6、图7所示。

这是因为在磨损过程中，滚子受到很大的周期性变化的应力作用，单位时间内有18个滚子会通过轴圈的某一点，在转速为250r∕min，时间为18000s的工况下，应力循环次数达到1.35×106。此时，轴圈表面沿凹坑边缘产生疲劳裂纹，进而扩展形成磨屑，造成轴圈磨损。

4 结论

（1）在贫油条件下，凹坑织构相对位置对轴承的摩擦系数有很大影响。对于同一侧的织构分布，面积率越小，轴承的减摩性能越好；在面积率相同的条件下，外侧织构分布的轴承比内侧分布摩擦系数低。

（2）通过系统摩擦系数以及磨损量的对比发现，1∕4外侧分布是所有分布中摩擦性能最好的，摩擦系数和磨损量均比无织构轴承小。1∕2内侧和3∕4内侧分布是摩擦性能最差的，摩擦系数和磨损量远远超过了无织构轴承。双侧织构分布虽然也能改善轴承的摩擦磨损，但不是最优的分布。

（3）轴承摩擦磨损过程产生的尼龙膜是影响摩擦性能的重要因素，尼龙膜可以起到保护轴圈，减少磨损量的作用，主要分布在轴圈外侧区域。高温区主要集中于中间和内侧区域。