油潤滑微孔SiC表面極限PV值特性試驗(yàn)*

白少先 陳俊杰 王 菁

(浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 浙江杭州 310012)

摩擦副材料的極限PV值是限制軸承、密封等零部件高參數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，高壓、高速下潤滑表面的急劇磨損容易導(dǎo)致零件的直接失效和壽命下降，影響零部件的可靠性和壽命。表面微孔的流體動壓可產(chǎn)生明顯的流體動壓效應(yīng)，明顯減小摩擦和磨損[1-2]，為提高摩擦副的極限PV值提供了潛在途徑。

微孔的流體動壓效應(yīng)和減磨作用取決于微孔形狀、幾何參數(shù)、分布形式、空化效應(yīng)等多種因素。國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，存在一個優(yōu)化孔型尺寸使得摩擦扭矩最小，超過臨界尺寸后密封容易發(fā)生磨損失效[3-4]，徑向局部開孔比全部開孔摩擦更低、發(fā)熱更小[5-6]；對幾何形狀[7-9]、排布方式[9-11]、槽深[12]、潤滑介質(zhì)[13-14]等影響因素的研究發(fā)現(xiàn)，通過合理的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)取值可有效提高表面的潤滑狀態(tài)，表現(xiàn)出明顯的抗磨和減摩效果。然而，速度較低時(shí)油潤滑微孔表面溫升高于光滑表面，出現(xiàn)增摩現(xiàn)象[15-16]，導(dǎo)致表面磨損的增加。目前，對于高參數(shù)零件摩擦表面設(shè)計(jì)，不僅要求穩(wěn)定工作時(shí)的低磨損率，而且要求提高極限PV值以避免啟停等極端條件下潤滑表面的劇烈磨損失效，提高零件的可靠性和使用壽命。

本文作者開展油潤滑條件下表面微孔摩擦副極限PV值試驗(yàn)，分別對光滑表面、圓孔表面、橢圓孔表面進(jìn)行了對比測試分析?？紤]空化效應(yīng)影響，對不同微孔結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行潤滑狀態(tài)分析，獲得了微孔試件表面的壓力分布，并對摩擦因數(shù)、溫度和表面磨損形貌進(jìn)行了試驗(yàn)測量，獲得了不同載荷工況下微孔表面磨損失效的臨界轉(zhuǎn)速和極限PV值的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方法

在HDM-摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行油潤滑環(huán)/環(huán)極限PV值試驗(yàn)，如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)載荷范圍為0～19 600 N，轉(zhuǎn)速范圍為0～3 000 r/min，可對摩擦因數(shù)、溫度、扭矩、轉(zhuǎn)速、載荷參數(shù)進(jìn)行記錄測量。試驗(yàn)?zāi)Σ粮庇伸o止下試件和旋轉(zhuǎn)上試件組成，上試件表面加工有微孔。試件浸入潤滑油中，下試件施加載荷，上試件隨驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)行油潤滑條件下的極限PV值摩擦磨損性能對比試驗(yàn)。試驗(yàn)中潤滑油選用32號機(jī)械油。

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig 1 Schematic of the ring-on-ring testing

如圖2所示，試件材料均為SiC。上試件上層的圓環(huán)面是摩擦接觸面，內(nèi)徑16 mm，外徑23 mm。試件表面進(jìn)行研磨處理，粗糙度0.2 μm，平面度0.8 μm。在上試件圓環(huán)表面加工圓形微孔和橢圓微孔型槽結(jié)構(gòu)，表1給出了微孔尺寸參數(shù)。圖3示出了采用激光加工后的微孔表面，其中圓形微孔采用局部開孔，橢圓微孔分別為局部開孔和全開孔分布。

圖2 SiC試件Fig 2 Images of SiC samples (a)upper ring;(b) bottom ring

表1 上試件表面微孔幾何參數(shù)Table 1 Dimple parameters of upper rings

圖3 上試件表面微孔結(jié)構(gòu)Fig 3 Micro-pored surface structures of upper rings (a)smooth surface;(b) circle-pored surface;(c)ellipse-pored surface 1;(d) ellipse-pored surface 2

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)中分別施加載荷1 500、2 000、2 500和3 000 N進(jìn)行測試 ，摩擦表面名義接觸壓力分別達(dá)到7.0、9.3、11.6和14.0 MPa。試驗(yàn)時(shí),起始轉(zhuǎn)速120 r/min，每3 min增加100 r/min，實(shí)時(shí)監(jiān)測摩擦因數(shù)和潤滑油溫度。當(dāng)摩擦因數(shù)突然大幅增加，意味著摩擦表面發(fā)生劇烈磨損，即認(rèn)為達(dá)到摩擦副材料的極限PV值。

PV值的計(jì)算公式為

(1)

式中：F為載荷；n為轉(zhuǎn)速；do、di分別為接觸面的外徑和內(nèi)徑。

根據(jù)SiC/SiC材料的常用極限PV值17.5 MPa·m/s[17]，載荷1 500 N工況下，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 226 r/min時(shí)試件表面磨損失效。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤滑狀態(tài)分析

表面微孔的承載能力直接影響摩擦副表面的受力狀況和接觸狀態(tài)，進(jìn)而影響表面的摩擦磨損。考慮空化效應(yīng)，對試驗(yàn)工況條件下的摩擦表面承載能力和流量特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，保證流量守恒[18]。

考慮液膜發(fā)生空化，液體潤滑雷諾方程為

(2)

式中：h為密封端面間膜厚；p為密封端面間壓力；pc為液膜空化壓力，取pc=30 kPa；ω為旋轉(zhuǎn)角速度。

開啟力w的表達(dá)式為

(3)

泄漏率q的表達(dá)式為

(4)

圖4所示是轉(zhuǎn)速3 000 r/min，載荷1 500 N，膜厚5 μm時(shí)，不同微孔試件表面的壓力分布?？梢钥闯?，孔區(qū)產(chǎn)生完全空化，橢圓微孔表面的流體潤滑壓力峰值高于圓孔表面，局部開孔表面高于全開孔表面；橢圓孔表面1壓力最大峰值在3.82，橢圓孔表面2最大壓力峰值在2.36，圓孔表面壓力峰值在1.86。

圖4 微孔試件表面壓力分布(ω=3 000 r/min)Fig 4 Pressure distribution of micro-pored surfaces at 3 000 r/min (a) circle-pored surface;(b) ellipse-pored surface 1;(c)ellipse-pored surface 2

圖5所示是轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，不同微孔試件承載能力和徑向流量隨膜厚的變化曲線?？梢钥闯觯瑘A孔表面和橢圓微孔表面2沒有流動動壓承載能力，甚至表現(xiàn)為負(fù)載荷；對于橢圓微孔表面1承載能力在3.5 μm時(shí)達(dá)到最高值35 N。原因在于，試驗(yàn)參數(shù)條件下，摩擦面線速度低，動壓效應(yīng)弱，與孔區(qū)的空化效應(yīng)相抵消，并出現(xiàn)負(fù)載荷現(xiàn)象。相對于試驗(yàn)中1 500 N以上的載荷，流體膜的承載力可以忽略，理論上摩擦面實(shí)際處于邊界潤滑狀態(tài)。但是，考慮到摩擦表面波度遠(yuǎn)高于表面粗糙度，摩擦面實(shí)際形成混合潤滑狀態(tài)。

圖5 微孔表面承載力和流量曲線Fig 5 Load and flow rate curves of micro-pored surfaces (a)load;(b)flow rate

另一方面，從圖5中可以看出，橢圓微孔表面表現(xiàn)出明顯的從外徑到內(nèi)徑的徑向流體泵送能力，隨著膜厚的增加，橢圓微孔表面1的徑向泵送量增加到0.2 mL/min；而圓形微孔表面的泵送量微弱，并呈現(xiàn)內(nèi)徑向外徑方向泵送。理論上，潤滑油的泵送可以降低潤滑區(qū)的溫升，進(jìn)而提高表面的耐磨損性能。

2.2 摩擦曲線

圖6所示是載荷1 500 N條件下不同微孔試件的摩擦因數(shù)和溫度隨時(shí)間和轉(zhuǎn)速的變化。

圖6 1 500 N下微孔試件的摩擦因數(shù)與溫升曲線Fig 6 Friction coefficient(a) and temperature rise curves (b) of micro-pored surfaces at 1 500 N

可以看出，隨著時(shí)間和轉(zhuǎn)速的增加，油溫持續(xù)升高，摩擦因數(shù)開始時(shí)相對平穩(wěn)。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定數(shù)值后，摩擦因數(shù)突然增加，意味著表面發(fā)生劇烈磨損。對于光滑表面、圓孔表面、局部橢圓微孔表面1和全橢圓微孔表面2，對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速分別是520、320、1 020和720 r/min，所對應(yīng)的PV值分別為7.4、4.6、14.6和10.3 MPa· m/s。這說明，在1 500 N載荷條件下，圓形微孔增加了表面摩擦磨損，而橢圓微孔降低了表面摩擦磨損。另外，相對于光滑表面，圓形微孔可使摩擦副的極限PV值下降超過60%。

圖7所示是載荷3 000 N條件下不同微孔試件的摩擦因數(shù)和溫度隨時(shí)間和轉(zhuǎn)速的變化。與1 500 N載荷工況類似，隨著時(shí)間和轉(zhuǎn)速的增加，油溫持續(xù)升高，摩擦因數(shù)開始時(shí)相對平穩(wěn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定數(shù)值后，摩擦因數(shù)突然增加。所不同的是，對于光滑表面、圓孔表面、局部橢圓微孔表面1和全橢圓微孔表面2，對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速分別是220、420、620和220 r/min，所對應(yīng)的PV值分別為6.3、12.1、17.8和6.3 MPa·m/s。這表明圓形微孔表現(xiàn)出了減少摩擦磨損的效果，而全橢圓微孔表面2的耐磨性下降?？梢姡吔鐫櫥瑮l件下，表面微孔既可能呈現(xiàn)減摩效果，也可出現(xiàn)增摩現(xiàn)象。另外，相對于光滑表面，橢圓微孔1可使極限PV值提高到2倍以上。

圖7 3 000 N下微孔試件的摩擦因數(shù)與溫升曲線Fig 7 Friction coefficient(a)and temperature rise curves (b) of micro-pored surfaces at 3 000 N

2.3 表面磨損

圖8所示是載荷3 000 N條件下，上試件表面的損傷情況?？梢钥闯?，光滑表面和微孔表面的磨損表現(xiàn)出不同的特征，光滑表面表現(xiàn)為整個表面的磨損，微孔表面的磨損主要發(fā)生在非孔區(qū)和靠近內(nèi)徑側(cè)的區(qū)域。圖9示出了下試件的表面磨損情況，可以清晰地看到，與光滑表面上試件配對的下試件出現(xiàn)了非正常磨損的劇烈損傷環(huán)帶，這一損傷主要是局部高溫產(chǎn)生的膠合磨損。

圖8 上試件表面損傷Fig 8 Worn surfaces of upper rings (a)smooth surface;(b)circle-pored surface; (c)ellipse-pored surface 1;(d)ellipse-pored surface 2

圖9 下試件表面損傷Fig 9 Worn surfaces of bottom rings tested against smooth surface(a),circle-pored surface(b), ellipse-pored surface 1(c)and ellipse-pored surface 2(d)

2.4 極限PV值

圖10所示是油潤滑條件下SiC/SiC材料1 500、2 000、2 500、3 000 N 4種載荷下平均極限PV值試驗(yàn)結(jié)果。光滑表面、圓孔表面、橢圓孔表面1、橢圓孔表面2的極限PV值分別為7.5、10.7、12.3、12.8 MPa·m/s?？梢?，整體上微孔表面呈現(xiàn)出提高極限PV值的趨勢，圓孔表面、局部橢圓微孔表面1、全橢圓微孔表面2的極限PV值分別比光滑表面提高了43%、64%和70%；載荷對極限PV值的影響明顯，試驗(yàn)中呈現(xiàn)不確定性，光滑表面、圓孔表面、局部橢圓微孔表面1、全橢圓微孔表面2的極限PV值偏差分別達(dá)到24%、77%、47%和62%，意味著表面微孔結(jié)構(gòu)并不能確保整體上提高摩擦副的耐磨性能。

圖10 SiC/SiC摩擦副材料4種載荷下平均極限PV值Fig 10 Average limit PV value of frictional couple SiC/SiC under four loads

3 結(jié)論

(1) 油潤滑條件下，微孔表面整體呈現(xiàn)出提高SiC摩擦副極限PV值的潛在趨勢，圓形微孔和橢圓微孔均可使極限PV值提高，文中試驗(yàn)中平均極限PV值最大提高70%以上，橢圓微孔最大可使摩擦副的極限PV值提高到2倍以上。

(2) 微孔表面的極限PV值隨載荷的變化呈現(xiàn)明顯的波動和不確定性。邊界潤滑條件下，表面微孔不僅可以出現(xiàn)減摩效果，而且也可出現(xiàn)增摩現(xiàn)象，文中試驗(yàn)中圓形微孔可使摩擦副的極限PV值下降超過60%。