使用含超細金剛石-石墨粉的潤滑脂減少滾動軸承的疲勞磨損
使用含超細金剛石-石墨粉的潤滑脂減少滾動軸承的疲勞磨損
- 2021/1/8 14:00:54
滾動軸承的使用壽命與減少滾動體、保持架和套圈的磨損密切相關。在運轉過程中，軸承零件均受到不同程度的各種磨損，從而導致軸承失效。與軸承組件運轉相關的多種因素會導致磨粒磨損、滾動體和套圈的疲勞磨損、表面擦傷和硬化(由潤滑不足所導致的高溫引起)、滾動體和套圈在滑動過程中的磨損、保持架兜孔和引導面的磨損和破壞、微動腐蝕。
在正常條件和運轉模式下，軸承通常由于接觸面的疲勞損傷而失效。潤滑劑及其合理的選擇由影響軸承壽命的單獨因子來表示。在大多數(shù)情況下，軸承零件的疲勞失效始于套圈表面。通過減小接觸區(qū)域中的摩擦力，疲勞裂紋的形成過程會從表面向深處轉移，從而延長了軸承支承在疲勞失效開始前的運轉時間。
改善潤滑脂潤滑性能的方法之一是引入各種添加劑。近年來，具有特殊性能的納米材料粉體受到了大量關注。粒徑為10 ~ 60nm的超細材料(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)并降低接觸應力，已被廣泛使用。這些物質已作為各種摩擦單元用潤滑劑成分中的功能添加劑。本文給出了UDD-G摩擦學特性研究以及將UDD-G用于軸承潤滑脂成分可能性的試驗研究的獨特結果。該研究的目的是探究潤滑脂中的超細金剛石-石墨粉的耐磨和減摩性能。
1、試驗研究
在模擬裝配有軸承運轉的實驗室設備上對潤滑劑的摩擦學性能進行了比較評估(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。軸承內圈以960r/min的轉速單向旋轉。
圖1 軸承的試驗模型
選擇鋰基潤滑脂TSIATIM-201(類似于美國產品NLGI- 2)作為潤滑劑的基礎脂。
用作添加劑的超細金剛石-石墨粉是通過在二氧化碳中使用爆轟法合成的含碳縮合產物( TU 40 -2067910-01-91)。加入潤滑劑的粉體是粒徑為7 ~60 nm的碳混合物。石墨占爆炸產物的比例高達80%，其余為高度分散的類金剛石相。潤滑劑成分中粉體的質量分數(shù)為1%最理想。
通過軸承的磨損量和摩擦力矩的大小來評估固體添加劑在潤滑劑中的應用效果。磨損通過重量分析法確定，每3h試驗一次。試驗前先測量軸承重量，然后在軸承中填充試驗潤滑劑。接觸區(qū)域的摩擦力由應變計確定。
利用ELCUT軟件包建立圓柱滾子在摩擦力存在時與滑動區(qū)接觸的計算機模型，對軸承接觸零件的應力狀態(tài)進行了研究。對沿接觸區(qū)域的切向應力和法向應力以及其在滾道深度上的分布進行了評估。考慮到作用于接觸區(qū)域的切向載荷，對滾子在彈性基底上滑動時的接觸模型進行探究，表層變形的條件滿足了材料彈性特性的假設(圖2)。
圖2 滾子-套圈接觸模型的計算圖
所提出的接觸模型基于Hertz接觸理論和彈性流體動力學接觸理論的規(guī)定，并考慮了邊界摩擦模式下滾子軸承的工況。接觸面設置在滾子與內圈滾動面之間。在接觸區(qū)域中存在一個由彈性變形所形成的矩形的Hertz平臺，該平臺的寬度為2a,長度為l,與滾子的長度相等。
接觸區(qū)域包括2個區(qū)域:
擠壓區(qū)，位于圓柱體擠壓的一側;
滑動區(qū)，發(fā)生摩擦的地方。
劃分這2個區(qū)域的點C的坐標確定為
式中:a為接觸區(qū)域的半寬，由Hertz公式定義; μ為滑動摩擦因數(shù); v為泊松比。
圓柱體與平面靜態(tài)接觸時平臺寬度的大小計算為
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、結果
研究表明，加入添加劑UDD-G可顯著提高市售潤滑劑TSIATIM-201的質量。使用標準潤滑劑和改性潤滑劑的軸承磨損試驗的結果如圖3所示。
（a）無添加劑
（b）添加UDD-G
圖3 使用潤滑劑TSIATIM-201的軸承的磨損隨時間的變化情況
由圖可知，添加UDD-G的潤滑脂具有較好的抗磨性能。與無添加劑的相比，添加UDD-G的TSIATIM-201潤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 內圈深度的切向應力分布
的變化的相關性通過計算機模擬滾子與滾道表面之間的接觸而得到。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)獲取與表面切向載荷相應的摩擦力。注意到使用添加UDD-G的潤滑脂使剪切應力降至13%。
3、 討論
對于使用潤滑脂的軸承，最常見的是邊界摩擦模式。當載荷增加、相對滑動速度減小時，滑動表面之間潤滑膜的厚度隨之減小。在這種情況下，接觸應力分布接近于沒有潤滑劑的接觸情況。圖4所示的不同摩擦力值下滾子與滾道接觸的建模結果表明，滑動區(qū)域中摩擦力的增加導致最大切向應力沿摩擦力方向向表面移動，此時最大剪切應力將位于淺層或直接位于表面。在有滑動和自由滑動的條件下(f>0.05)，裂紋會在靠近表面或在表面上擴展。
通過在邊界摩擦模式下引人UDD-G可顯著改善潤滑脂的性能。在流體摩擦條件下，不溶且化學惰性的UDD-G粉體不會影響潤滑劑成分的變化。在大量潤滑劑中，粉體微弱地表現(xiàn)出其性能。隨著潤滑層厚度的減小，當過渡到邊界摩擦時，粉體顆粒由于生產方法而具有較大的表面能，對金屬表面的粘附能力開始顯現(xiàn)出來。UDD-G的粒徑很小，可滲人潤滑脂的結構框架中，從而導致邊界膜硬化并增加了抗斷裂性。
如仿真結果所示，在接觸區(qū)域中存在具有良好減摩性能的潤滑劑可將切向應力降低至18%~20%，將接觸區(qū)域下的最大切向應力向內移動，從而減緩接觸表面疲勞裂紋的形成，進而增加運轉時間。
4、結論
對實驗室研究結果進行分析后得出結論:將超細金剛石-石墨粉引人TSIATIM-201潤滑脂中作為添加劑，可提高其耐磨和減摩性能。對滾子與滾道的摩擦接觸進行計算機模擬，結果證實了超分散金剛石-石墨粉可提高潤滑脂的質量。
基于研究結果，含UDD-G的潤滑脂可將軸承使用壽命提高1.5 ~2倍。