使用含超细金刚石-石墨粉的润滑脂减少滚动轴承的疲劳磨损
使用含超细金刚石-石墨粉的润滑脂减少滚动轴承的疲劳磨损
- 2021/1/8 14:00:54
滚动轴承的使用寿命与减少滚动体、保持架和套圈的磨损密切相关。在运转过程中，轴承零件均受到不同程度的各种磨损，从而导致轴承失效。与轴承组件运转相关的多种因素会导致磨粒磨损、滚动体和套圈的疲劳磨损、表面擦伤和硬化(由润滑不足所导致的高温引起)、滚动体和套圈在滑动过程中的磨损、保持架兜孔和引导面的磨损和破坏、微动腐蚀。
在正常条件和运转模式下，轴承通常由于接触面的疲劳损伤而失效。润滑剂及其合理的选择由影响轴承寿命的单独因子来表示。在大多数情况下，轴承零件的疲劳失效始于套圈表面。通过减小接触区域中的摩擦力，疲劳裂纹的形成过程会从表面向深处转移，从而延长了轴承支承在疲劳失效开始前的运转时间。
改善润滑脂润滑性能的方法之一是引入各种添加剂。近年来，具有特殊性能的纳米材料粉体受到了大量关注。粒径为10 ~ 60nm的超细材料(如金刚石-石墨粉(UDD-G))能在接触区域中形成屏蔽层，降低摩擦因数，改变表面微观几何形态并降低接触应力，已被广泛使用。这些物质已作为各种摩擦单元用润滑剂成分中的功能添加剂。本文给出了UDD-G摩擦学特性研究以及将UDD-G用于轴承润滑脂成分可能性的试验研究的独特结果。该研究的目的是探究润滑脂中的超细金刚石-石墨粉的耐磨和减摩性能。
1、试验研究
在模拟装配有轴承运转的实验室设备上对润滑剂的摩擦学性能进行了比较评估(图1)。试样是带有圆锥滚子的7206A型角接触球轴承，其轴向载荷为1 ~2.5 kN。轴承内圈以960r/min的转速单向旋转。
图1 轴承的试验模型
选择锂基润滑脂TSIATIM-201(类似于美国产品NLGI- 2)作为润滑剂的基础脂。
用作添加剂的超细金刚石-石墨粉是通过在二氧化碳中使用爆轰法合成的含碳缩合产物( TU 40 -2067910-01-91)。加入润滑剂的粉体是粒径为7 ~60 nm的碳混合物。石墨占爆炸产物的比例高达80%，其余为高度分散的类金刚石相。润滑剂成分中粉体的质量分数为1%最理想。
通过轴承的磨损量和摩擦力矩的大小来评估固体添加剂在润滑剂中的应用效果。磨损通过重量分析法确定，每3h试验一次。试验前先测量轴承重量，然后在轴承中填充试验润滑剂。接触区域的摩擦力由应变计确定。
利用ELCUT软件包建立圆柱滚子在摩擦力存在时与滑动区接触的计算机模型，对轴承接触零件的应力状态进行了研究。对沿接触区域的切向应力和法向应力以及其在滚道深度上的分布进行了评估。考虑到作用于接触区域的切向载荷，对滚子在弹性基底上滑动时的接触模型进行探究，表层变形的条件满足了材料弹性特性的假设(图2)。
图2 滚子-套圈接触模型的计算图
所提出的接触模型基于Hertz接触理论和弹性流体动力学接触理论的规定，并考虑了边界摩擦模式下滚子轴承的工况。接触面设置在滚子与内圈滚动面之间。在接触区域中存在一个由弹性变形所形成的矩形的Hertz平台，该平台的宽度为2a,长度为l,与滚子的长度相等。
接触区域包括2个区域:
挤压区，位于圆柱体挤压的一侧;
滑动区，发生摩擦的地方。
划分这2个区域的点C的坐标确定为
式中:a为接触区域的半宽，由Hertz公式定义; μ为滑动摩擦因数; v为泊松比。
圆柱体与平面静态接触时平台宽度的大小计算为
式中: R为圆柱半径;
为弹性系数;vi为泊松比;Ei为材料的弹性模量。
2、结果
研究表明，加入添加剂UDD-G可显著提高市售润滑剂TSIATIM-201的质量。使用标准润滑剂和改性润滑剂的轴承磨损试验的结果如图3所示。
（a）无添加剂
（b）添加UDD-G
图3 使用润滑剂TSIATIM-201的轴承的磨损随时间的变化情况
由图可知，添加UDD-G的润滑脂具有较好的抗磨性能。与无添加剂的相比，添加UDD-G的TSIATIM-201润滑脂的磨损量减少了1.7 ~1.8倍。
图4中接触区域上切向应力τ随深度L
材料深度L( μum)
(a) μ =0.13
材料深度L( um)
(b) μ = 0.09
图4 摩擦因数下的不同 内圈深度的切向应力分布
的变化的相关性通过计算机模拟滚子与滚道表面之间的接触而得到。根据试验数据获取与表面切向载荷相应的摩擦力。注意到使用添加UDD-G的润滑脂使剪切应力降至13%。
3、 讨论
对于使用润滑脂的轴承，最常见的是边界摩擦模式。当载荷增加、相对滑动速度减小时，滑动表面之间润滑膜的厚度随之减小。在这种情况下，接触应力分布接近于没有润滑剂的接触情况。图4所示的不同摩擦力值下滚子与滚道接触的建模结果表明，滑动区域中摩擦力的增加导致最大切向应力沿摩擦力方向向表面移动，此时最大剪切应力将位于浅层或直接位于表面。在有滑动和自由滑动的条件下(f>0.05)，裂纹会在靠近表面或在表面上扩展。
通过在边界摩擦模式下引人UDD-G可显著改善润滑脂的性能。在流体摩擦条件下，不溶且化学惰性的UDD-G粉体不会影响润滑剂成分的变化。在大量润滑剂中，粉体微弱地表现出其性能。随着润滑层厚度的减小，当过渡到边界摩擦时，粉体颗粒由于生产方法而具有较大的表面能，对金属表面的粘附能力开始显现出来。UDD-G的粒径很小，可渗人润滑脂的结构框架中，从而导致边界膜硬化并增加了抗断裂性。
如仿真结果所示，在接触区域中存在具有良好减摩性能的润滑剂可将切向应力降低至18%~20%，将接触区域下的最大切向应力向内移动，从而减缓接触表面疲劳裂纹的形成，进而增加运转时间。
4、结论
对实验室研究结果进行分析后得出结论:将超细金刚石-石墨粉引人TSIATIM-201润滑脂中作为添加剂，可提高其耐磨和减摩性能。对滚子与滚道的摩擦接触进行计算机模拟，结果证实了超分散金刚石-石墨粉可提高润滑脂的质量。
基于研究结果，含UDD-G的润滑脂可将轴承使用寿命提高1.5 ~2倍。