使用含超細(xì)金剛石-石墨粉的潤(rùn)滑脂減少滾動(dòng)軸承的疲勞磨損
使用含超細(xì)金剛石-石墨粉的潤(rùn)滑脂減少滾動(dòng)軸承的疲勞磨損
- 2021/1/8 14:00:54
滾動(dòng)軸承的使用壽命與減少滾動(dòng)體、保持架和套圈的磨損密切相關(guān)。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸承零件均受到不同程度的各種磨損，從而導(dǎo)致軸承失效。與軸承組件運(yùn)轉(zhuǎn)相關(guān)的多種因素會(huì)導(dǎo)致磨粒磨損、滾動(dòng)體和套圈的疲勞磨損、表面擦傷和硬化(由潤(rùn)滑不足所導(dǎo)致的高溫引起)、滾動(dòng)體和套圈在滑動(dòng)過(guò)程中的磨損、保持架兜孔和引導(dǎo)面的磨損和破壞、微動(dòng)腐蝕。
在正常條件和運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，軸承通常由于接觸面的疲勞損傷而失效。潤(rùn)滑劑及其合理的選擇由影響軸承壽命的單獨(dú)因子來(lái)表示。在大多數(shù)情況下，軸承零件的疲勞失效始于套圈表面。通過(guò)減小接觸區(qū)域中的摩擦力，疲勞裂紋的形成過(guò)程會(huì)從表面向深處轉(zhuǎn)移，從而延長(zhǎng)了軸承支承在疲勞失效開始前的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。
改善潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑性能的方法之一是引入各種添加劑。近年來(lái)，具有特殊性能的納米材料粉體受到了大量關(guān)注。粒徑為10 ~ 60nm的超細(xì)材料(如金剛石-石墨粉(UDD-G))能在接觸區(qū)域中形成屏蔽層，降低摩擦因數(shù)，改變表面微觀幾何形態(tài)并降低接觸應(yīng)力，已被廣泛使用。這些物質(zhì)已作為各種摩擦單元用潤(rùn)滑劑成分中的功能添加劑。本文給出了UDD-G摩擦學(xué)特性研究以及將UDD-G用于軸承潤(rùn)滑脂成分可能性的試驗(yàn)研究的獨(dú)特結(jié)果。該研究的目的是探究潤(rùn)滑脂中的超細(xì)金剛石-石墨粉的耐磨和減摩性能。
1、試驗(yàn)研究
在模擬裝配有軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上對(duì)潤(rùn)滑劑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了比較評(píng)估(圖1)。試樣是帶有圓錐滾子的7206A型角接觸球軸承，其軸向載荷為1 ~2.5 kN。軸承內(nèi)圈以960r/min的轉(zhuǎn)速單向旋轉(zhuǎn)。
圖1 軸承的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>
選擇鋰基潤(rùn)滑脂TSIATIM-201(類似于美國(guó)產(chǎn)品NLGI- 2)作為潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)脂。
用作添加劑的超細(xì)金剛石-石墨粉是通過(guò)在二氧化碳中使用爆轟法合成的含碳縮合產(chǎn)物( TU 40 -2067910-01-91)。加入潤(rùn)滑劑的粉體是粒徑為7 ~60 nm的碳混合物。石墨占爆炸產(chǎn)物的比例高達(dá)80%，其余為高度分散的類金剛石相。潤(rùn)滑劑成分中粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%最理想。
通過(guò)軸承的磨損量和摩擦力矩的大小來(lái)評(píng)估固體添加劑在潤(rùn)滑劑中的應(yīng)用效果。磨損通過(guò)重量分析法確定，每3h試驗(yàn)一次。試驗(yàn)前先測(cè)量軸承重量，然后在軸承中填充試驗(yàn)潤(rùn)滑劑。接觸區(qū)域的摩擦力由應(yīng)變計(jì)確定。
利用ELCUT軟件包建立圓柱滾子在摩擦力存在時(shí)與滑動(dòng)區(qū)接觸的計(jì)算機(jī)模型，對(duì)軸承接觸零件的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了研究。對(duì)沿接觸區(qū)域的切向應(yīng)力和法向應(yīng)力以及其在滾道深度上的分布進(jìn)行了評(píng)估。考慮到作用于接觸區(qū)域的切向載荷，對(duì)滾子在彈性基底上滑動(dòng)時(shí)的接觸模型進(jìn)行探究，表層變形的條件滿足了材料彈性特性的假設(shè)(圖2)。
圖2 滾子-套圈接觸模型的計(jì)算圖
所提出的接觸模型基于Hertz接觸理論和彈性流體動(dòng)力學(xué)接觸理論的規(guī)定，并考慮了邊界摩擦模式下滾子軸承的工況。接觸面設(shè)置在滾子與內(nèi)圈滾動(dòng)面之間。在接觸區(qū)域中存在一個(gè)由彈性變形所形成的矩形的Hertz平臺(tái)，該平臺(tái)的寬度為2a,長(zhǎng)度為l,與滾子的長(zhǎng)度相等。
接觸區(qū)域包括2個(gè)區(qū)域:
擠壓區(qū)，位于圓柱體擠壓的一側(cè);
滑動(dòng)區(qū)，發(fā)生摩擦的地方。
劃分這2個(gè)區(qū)域的點(diǎn)C的坐標(biāo)確定為
式中:a為接觸區(qū)域的半寬，由Hertz公式定義; μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù); v為泊松比。
圓柱體與平面靜態(tài)接觸時(shí)平臺(tái)寬度的大小計(jì)算為
式中: R為圓柱半徑;
為彈性系數(shù);vi為泊松比;Ei為材料的彈性模量。
2、結(jié)果
研究表明，加入添加劑UDD-G可顯著提高市售潤(rùn)滑劑TSIATIM-201的質(zhì)量。使用標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑劑和改性潤(rùn)滑劑的軸承磨損試驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示。
（a）無(wú)添加劑
（b）添加UDD-G
圖3 使用潤(rùn)滑劑TSIATIM-201的軸承的磨損隨時(shí)間的變化情況
由圖可知，添加UDD-G的潤(rùn)滑脂具有較好的抗磨性能。與無(wú)添加劑的相比，添加UDD-G的TSIATIM-201潤(rùn)滑脂的磨損量減少了1.7 ~1.8倍。
圖4中接觸區(qū)域上切向應(yīng)力τ隨深度L
材料深度L( μum)
(a) μ =0.13
材料深度L( um)
(b) μ = 0.09
圖4 摩擦因數(shù)下的不同 內(nèi)圈深度的切向應(yīng)力分布
的變化的相關(guān)性通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬滾子與滾道表面之間的接觸而得到。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取與表面切向載荷相應(yīng)的摩擦力。注意到使用添加UDD-G的潤(rùn)滑脂使剪切應(yīng)力降至13%。
3、 討論
對(duì)于使用潤(rùn)滑脂的軸承，最常見的是邊界摩擦模式。當(dāng)載荷增加、相對(duì)滑動(dòng)速度減小時(shí)，滑動(dòng)表面之間潤(rùn)滑膜的厚度隨之減小。在這種情況下，接觸應(yīng)力分布接近于沒有潤(rùn)滑劑的接觸情況。圖4所示的不同摩擦力值下滾子與滾道接觸的建模結(jié)果表明，滑動(dòng)區(qū)域中摩擦力的增加導(dǎo)致最大切向應(yīng)力沿摩擦力方向向表面移動(dòng)，此時(shí)最大剪切應(yīng)力將位于淺層或直接位于表面。在有滑動(dòng)和自由滑動(dòng)的條件下(f>0.05)，裂紋會(huì)在靠近表面或在表面上擴(kuò)展。
通過(guò)在邊界摩擦模式下引人UDD-G可顯著改善潤(rùn)滑脂的性能。在流體摩擦條件下，不溶且化學(xué)惰性的UDD-G粉體不會(huì)影響潤(rùn)滑劑成分的變化。在大量潤(rùn)滑劑中，粉體微弱地表現(xiàn)出其性能。隨著潤(rùn)滑層厚度的減小，當(dāng)過(guò)渡到邊界摩擦?xí)r，粉體顆粒由于生產(chǎn)方法而具有較大的表面能，對(duì)金屬表面的粘附能力開始顯現(xiàn)出來(lái)。UDD-G的粒徑很小，可滲人潤(rùn)滑脂的結(jié)構(gòu)框架中，從而導(dǎo)致邊界膜硬化并增加了抗斷裂性。
如仿真結(jié)果所示，在接觸區(qū)域中存在具有良好減摩性能的潤(rùn)滑劑可將切向應(yīng)力降低至18%~20%，將接觸區(qū)域下的最大切向應(yīng)力向內(nèi)移動(dòng)，從而減緩接觸表面疲勞裂紋的形成，進(jìn)而增加運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。
4、結(jié)論
對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果進(jìn)行分析后得出結(jié)論:將超細(xì)金剛石-石墨粉引人TSIATIM-201潤(rùn)滑脂中作為添加劑，可提高其耐磨和減摩性能。對(duì)滾子與滾道的摩擦接觸進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)果證實(shí)了超分散金剛石-石墨粉可提高潤(rùn)滑脂的質(zhì)量。
基于研究結(jié)果，含UDD-G的潤(rùn)滑脂可將軸承使用壽命提高1.5 ~2倍。