“萬靈霸潤滑油添加劑的摩擦學(xué)行為

1、“萬靈霸”潤滑油添加劑的摩擦學(xué)行為北方交通大學(xué) 曾昭翔 洪建萍北京廣播器材廠 董玲巧摘 要通過交叉滾子磨損、四球磨損及彈流膜厚測試等幾種實驗方法，對比在潤滑油中加入“萬靈霸”添加劑前后的摩擦學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)該添加劑具有優(yōu)良的綜合性能。在潤滑油中加入少量“萬靈霸”，能大幅度地加大摩擦副的載荷而不發(fā)生卡咬；在乏油條件和高溫狀態(tài)下能維持正常磨損；在油中混入水的惡劣工況下仍能保持良好的潤滑性能；在18#雙曲線齒輪油中加入該添加劑，可提高潤滑油的粘壓系數(shù)，從而改善齒輪、滾動軸承、凸輪挺桿等高應(yīng)力摩擦副的潤滑和磨損狀態(tài)。推廣使用“萬靈霸”潤滑油添加劑，能使國民經(jīng)濟各部門取得顯著的經(jīng)濟效益。 一、引言 任何機器

2、都是由若干運動副組成的，在其相對運動的表面總會產(chǎn)生摩擦磨損。大多數(shù)機器的工作性能和使用壽命常常決定于磨損狀況。據(jù)國內(nèi)大量的統(tǒng)計表明機器的絕大多數(shù)故障也都是由于磨損引起的。為了減少摩擦、減輕磨損、延長機器使用壽命，必須根據(jù)機器的使用要求和工作參數(shù)正確地進行摩擦學(xué)設(shè)計，其中除采用適當(dāng)?shù)牟牧虾凸に嚧胧┩?，保證摩擦面得到良好的潤滑是一項最基本的工作。最理想的是實現(xiàn)液體摩擦潤滑，然而液體靜壓潤滑需要一套復(fù)雜的系統(tǒng)，在一般情況下使用并不合算；液體動壓潤滑膜厚對相對速度、潤滑油的溫度-粘度的變化十分敏感，特別是在低速下難于實現(xiàn)液體潤滑；彈性流體動壓潤滑膜較薄，完全的彈性流體潤滑只在特定條件下才能實現(xiàn)。因此，

3、邊界潤滑狀況對絕大多數(shù)機器的工作可靠性和使用壽命起著極為重要的作用。邊界潤滑是指潤滑劑與金屬表面所生成的吸附膜或反應(yīng)膜(統(tǒng)稱邊界膜)之間的摩擦潤滑狀態(tài)。通過邊界膜的減摩耐磨作用延長機器使用壽命。顯然，邊界膜越緊韌牢固，減摩耐磨作用越明顯。鑒于邊界潤滑機理在大多數(shù)機器中的重要性和普遍性，因而推廣使用一種性能優(yōu)良、能改善和提高邊界膜性能的添加劑將對國計民生具有重要的技術(shù)經(jīng)濟意義。 本文通過一些基礎(chǔ)試驗，論證萬靈霸潤滑油添加劑的摩擦學(xué)行為，供同行們討論參考，并請對其不妥之處給予指正。 二、試驗研究 1交叉滾子磨損試驗 在便攜式磨損試驗機上安裝相互垂直交叉的兩個圓柱滾子，其材料和尺寸分別為GCrl5，

4、HRC-58，ø10×10及GCrl5，HRC=63，ø 50×10。小圓柱滾子固定不動，大圓柱滾子以480rmin的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。通過放大率為35的杠桿系統(tǒng)由小到大逐級加載。每級載荷試驗3min，測量小圓柱滾子表面橢圓磨痕的長軸尺寸。 試驗分A、B兩組進行。A組使用10#機械油，8組使用10#機械油加5的“萬靈霸”添加劑。兩組均以相同的油量，浸大圓柱滾子對磨擦副進行潤滑。試驗結(jié)果如表l所示。表l載荷(b一4.44N)1234510摩痕尺寸A組(mm)B組注：試驗滾子摩擦副法向載荷應(yīng)以上表中的數(shù)值乘以杠桿比。 在A組試驗過程中，載荷加到3級時，運轉(zhuǎn)30s，摩

5、擦面上潤滑油開始冒煙。3min后取下觀察，發(fā)現(xiàn)磨痕尺寸已顯著增大，且有燒傷的痕跡。載荷加到4級時，運轉(zhuǎn)min，油盒中的潤滑油變黑。載荷加到5級時，剛開始運轉(zhuǎn)即發(fā)生燒結(jié)，同時電機因過載而出現(xiàn)打火現(xiàn)象。B組試驗，即10#油加入“萬靈霸”添加劑一直進行順利，觀察試件表面的磨痕尺寸變化不大，即使加載至l0級均未出現(xiàn)過熱及其它異常磨損現(xiàn)象。 將表l中的數(shù)據(jù)繪成磨損曲線，就可以看出兩者呈現(xiàn)完全不同的走向，如圖l所示。其磨痕尺寸與載荷的關(guān)系，A組試驗按指數(shù)規(guī)律變化，而8組數(shù)據(jù)的分布基本上為Y=C 126的水平線，顯示出在B組試驗中，其摩擦副仍具有較大的潛力。 將試驗潤滑油取樣做磨粒的鐵譜分析，可看出兩組實驗

6、中摩擦副磨損狀態(tài)的顯著差別。圖2、3分別是A、B兩組試驗條件下，載荷同為4×444N時，油樣中磨粒在旋轉(zhuǎn)式譜片上大粒子區(qū)的沉積狀態(tài)。在圖2中，磨粒已發(fā)生堆砌，反映磨粒濃度已相當(dāng)高；磨粒長軸尺寸較大，表面已呈現(xiàn)深深的擦傷痕跡，顯示磨損已發(fā)生在摩擦表面的深層結(jié)構(gòu)；具有磁性特征的黑色氧化物(Fe304)與磨粒沉積在一起，表明磨粒脫落時摩擦表面伴有高溫出現(xiàn)。圖3所示為同樣加載條件下加入5的萬靈霸后，油樣中磨粒的沉積狀態(tài)，顯示出大小磨粒的低比例特征，最大磨粒尺寸l2 m左右，呈光亮的薄片狀。鐵譜磨粒分析表明，該實驗條件下摩擦副處于正常磨損狀態(tài)。 2潤滑膜的承載能力 上述實驗所展示的基本現(xiàn)象，促

7、使人們?nèi)シ治黾尤搿叭f靈霸”添加劑能顯著改善摩擦面磨損狀態(tài)的原因。我們按國家標(biāo)準(zhǔn)(GB3142-82)“潤滑劑承載能力測定法”，應(yīng)用四球機磨損實驗測試468機械油在加入5的“萬靈霸”前后的最大無卡咬負荷PB值。四個直徑為127mm、材料為GCrl5的I級軸承鋼球，按等邊四面體方式安裝，通過杠桿系統(tǒng)逐級加載。上球在試驗機主軸帶動下，以l450rmin速度旋轉(zhuǎn)，下面三 圖2 A組油樣中的磨粒特征球固定不動由試驗油浸沒潤滑，每級載荷實驗los，測量并計算下面三球的平均磨痕直徑后，更換鋼球增加一級載荷實驗，直至平均直徑不大于補償直徑5時，得到PB值。因此PB值可視為鋼球接觸區(qū)能存在潤滑膜而不發(fā)生卡咬條件

8、下的最大載荷。它反映潤滑膜的承載強度。經(jīng)多次試驗，測得46#油的PB值為50kg(室溫t：20)，加入5的“萬靈霸”后，測得PB值為71kg(室溫t=21)?？梢姡怯捎诩尤搿叭f靈霸”添加劑后潤滑膜強度的增大，方才顯示出圖l所示兩條曲線的不同特征的。進一步說，無論交叉滾子磨損試驗或四球機磨損試驗，其相對速度都是固定不變的，根據(jù)Stribeck提出的摩擦特性曲線1，在試驗過程中隨著負荷的逐級增加，無量綱參數(shù)-試驗油粘度，V-相對速度，w-法向載荷)逐漸減小，于是摩擦狀態(tài)也在發(fā)生過渡：液體潤滑混合潤滑邊界潤滑。最終是邊界膜的潤滑性和強度決定著試件磨損狀態(tài)的變化。邊界潤滑的特征是摩擦表面的微凸體通

9、過邊界膜承受接觸面的全部載荷。因此邊界膜的生成機理和性能對減摩耐磨十分關(guān)鍵。機械油與金屬表面的邊界膜是靠分子吸引力形成的，強度較弱，溫度高時易脫附。在試驗中的表現(xiàn)是載荷不大時邊界膜尚能承受，使磨損處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，測試試件的磨痕不大，但當(dāng)負荷加大時，接觸面上微凸體刺破邊界膜，形成金屬之間直接接觸，產(chǎn)生局部高溫，邊界膜很快瓦解，形成更大面積的金屬直接接觸，如此惡性循環(huán)以致磨損不斷加劇。根據(jù)試驗中的表現(xiàn)，可認為機械油中加入“萬靈霸”添加劑后與金屬表面能生成耐高溫的堅韌的化學(xué)反應(yīng)膜，能承受更大的負荷而不破裂，因而體現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。 3邊界膜的熱穩(wěn)定性 由上可知，邊界膜的熱穩(wěn)定性對磨擦副的磨損

10、狀態(tài)具有重要意義。機器一旦出現(xiàn)潤滑故障，供油不暢或油路不通，若邊界膜的熱穩(wěn)定性不好，即刻便可發(fā)生嚴(yán)重事故。為了探索“萬靈霸”添加劑的熱穩(wěn)定性，我們曾在大圓粒滾子表面浸油后，撤去油盒作“乏油潤滑”試驗。在乏油狀態(tài)的l0#油的A組試驗中，加載至3級時，即發(fā)生燒結(jié)，而在加入5的“萬靈霸”的8組乏油試驗條件下，加載至l0級時雖基礎(chǔ)油冒煙，但摩擦試件照樣運轉(zhuǎn)，磨痕并未顯著增大。顯示出加入該添加劑之后所生成的邊界膜具有很好的熱穩(wěn)定性。這一事實表明一旦出現(xiàn)潤滑故障，機械設(shè)備在一定時間內(nèi)尚能維持正常工作，而不致發(fā)生嚴(yán)重事故。 4抗乳化性能 實際生產(chǎn)中的機械設(shè)備，難免在其潤滑系統(tǒng)中混入水，如露天作業(yè)時的雨水、冷

11、卻水系統(tǒng)的滲漏，都是隨時可能出現(xiàn)的。潤滑油中混入水，將使油品乳化變質(zhì)，也容易使油中的添加劑分解變質(zhì)或結(jié)團沉淀，從而惡化潤滑條件。日本土崎工廠為研究柴油機磨損故障的診斷技術(shù)，就是以潤滑油中加入水為強化手段，誘發(fā)異常磨損來縮短實驗時間的2。然而，“萬靈霸”添加劑具有獨特的抗乳化的良好性能。在10#油中加入5的“萬靈霸”后再加入自來水，在交叉滾子磨損潤滑試驗中，仍能承受l0級載荷。盡管因摩擦熱使水不斷地汽化但運轉(zhuǎn)仍保持正常，檢驗滾子上的磨痕尺寸也未發(fā)現(xiàn)明顯增大和其他異?，F(xiàn)象。這一試驗在證明該添加劑與金屬表面生成的邊界膜的耐熱性的同時，還進一步揭示了該添齊及其所生成的邊界膜與水無親合力。 5粘壓特性

12、為了探討“萬靈霸”添加劑對潤滑油粘壓特性的影響，我們應(yīng)用TLTI型彈流試驗臺實測l8#雙曲線齒輪油在加入5“萬靈霸”前后的膜厚值。 試驗的基本原理是用直徑為254mm的鋼球與平晶圓盤在18#雙曲線齒輪油潤滑下相接觸，用氦氖激光照射，在接觸區(qū)的油膜上下表面反射形成相干光。通過顯微鏡可觀察到光干涉產(chǎn)生的牛頓環(huán)?？梢宰C明3，組成牛頓環(huán)的相鄰明暗圓圈之間所反映的膜厚差為的(4n)其中為氦氖激光的波長(6328A)，n為試驗油的折射率。當(dāng)平晶圓盤轉(zhuǎn)動鋼球與之純滾動時，球與盤的接觸中心便發(fā)生“暗”與“明”之間的交替變化。每變化一次，膜厚增加(k4n)。記錄并計算不同速度V條件下球與盤接觸中心油膜厚度hc值

13、，即可在圖上表示出hcv關(guān)系，如圖4所示。 A組為未加“萬靈霸”時測出的數(shù)據(jù)，8組為加入“萬靈霸”后測出的數(shù)據(jù)。根據(jù)圖上表明的試驗結(jié)果，取同一旋轉(zhuǎn)速度V查取中心膜厚hc時，B線上的數(shù)值總是高于A線上數(shù)值。對照有量鋼表達式進行分析：在R(鋼球半徑)、E(接觸體材料綜合彈性模量)、w(法向載荷)、n(試驗油粘度，“萬靈霸”比18。油粘度略低，因其量僅5，故對粘度的影響忽略不計)均不變的條件下進行的A、B兩次試驗，測出hc的不同數(shù)值，唯一的解釋是Q(粘壓系數(shù))的變化。即在加入“萬靈霸”添加劑后，提高了l8#油的粘壓系數(shù)。根據(jù)這一判斷，可認為“萬靈霸”添加劑可以改善齒輪、滾輪軸承、凸輪挺桿等高副接觸件

14、的彈性流體動力潤滑性能。圖5所示為試驗過程中拍攝的加入“萬靈霸”后18#雙曲線齒輪油對試件的彈流潤滑狀態(tài)。圖示接觸中心暗與明的變化，反映彈流潤滑膜厚的增大過程。三、結(jié)語 國民經(jīng)濟各個部門都在使用各式各樣的機器，絕大多數(shù)機器都存在邊界潤滑機理，因而堅韌牢固的邊界膜對減輕機器的磨損、延長使用壽命具有重要性和普遍意義。邊界潤滑膜的性能主要取決于潤滑油添加劑的成分及其特征。在不了解“萬靈霸”配方的情況下，我們通過幾項實驗探索其摩擦學(xué)行為。實驗表明： 1在通常使用的機械油中加入“萬靈霸”添加劑后，因能與金屬表面生成堅韌的邊界膜，可在原來潤滑油所能承受載荷的基礎(chǔ)上大幅度增大載荷而不發(fā)生卡咬現(xiàn)象； 2該類邊

15、界膜具有良好的熱穩(wěn)定性，能在乏油條件和產(chǎn)生高溫的情況下維持摩擦副正常磨損狀態(tài)； 3該類添加劑能使?jié)櫥途哂辛己玫目谷榛阅?，在潤滑油中混入水的惡劣工況下，仍能保持優(yōu)良的潤滑效果，所生成的邊界膜與水無親合性： 4該添加劑加入18#雙曲線齒輪油后呈現(xiàn)粘壓系數(shù)增大現(xiàn)象，可能是該添加劑元素與l84雙曲線齒輪油本身的添加劑交互作用的結(jié)果。這一特性對減輕高接觸應(yīng)力摩擦副容易出現(xiàn)的擦傷、改善其潤滑狀態(tài)具有重要意義。 綜上所述，“萬靈霸”是一種綜合性能優(yōu)良的潤滑油添加劑。在一般潤滑油中加入少量該添加劑是提高普通潤滑油品應(yīng)用檔次的有效而簡易的途徑，也是對付惡劣工況發(fā)生時(如缺油、滲水等)防止機器設(shè)備即刻發(fā)生磨損事故的可行辦法。 我國鐵路在國民經(jīng)濟各部門中是一個用油大戶，大量的能源消耗于克服摩擦阻力，采用好的潤滑油添加劑是一項重要的節(jié)約措施。鐵路有許多設(shè)備需要保證良好的潤滑，以貨車車輛為例，全路擁有40多萬輛(每節(jié)車輛4根軸8套軸承)，即300多萬套軸承，其中滑動與滾動軸承約各占一半。隨著鐵路重載、高速運輸?shù)陌l(fā)展，軸承的潤滑越發(fā)成為關(guān)鍵。建議在車軸油中、軸承脂中加入“萬靈霸”添加劑，試用后推廣，可望減少當(dāng)前容易出現(xiàn)的燃軸事故和滾動軸承元件擦傷、剝