（机械制造及其自动化专业论文）高速枢轴止推轴承摩擦学特性试验研究.pdf

摘要 高速枢轴止推轴承摩擦学特性试验研究 摘要 陶瓷轴承因其高硬度、高强度、耐腐蚀、耐磨、低密度及高温下的优良力学性能等优点而广泛 应用于仪器仪表行业。近年来它正向着高转速、高寿命方向发展，并已用于超高速旋转机械，如立 式储能飞轮系统的下支撑。本文借助于自行研制的基于真实枢轴止推轴承试样的高速摩擦磨损专用 试验机，进行了枢轴止推轴承的摩擦学特性试验，迸一步探索枢轴表面成膜机理、新型润滑油添加 剂选择及其减摩抗磨协调效应，并为陶瓷轴承的工程应用提供摩擦学基础数据。 研制了一种带挤压油膜阻尼器的新型高速枢轴止推轴承摩擦磨损装置。它由高速电机驱动，采 用变频器实现o - - 9 0 0 0 0 r p m 无级调速；通过杠杆，以砝码调节试件轴向载荷。试验结果表明：该试验 装置很好的解决了高速转动引起的振动，并具有操作简单、启动快捷、工作转速和轴向载荷易调等 突出优势。 开展了不同工况( 低速轻载，低速重载，高速轻载，高速重载) ，四种润滑剂配方( 2 l 号添 加剂，2 1 号添加剂+ 1 2 号添加剂，1 3 号添加剂，2 1 号添加剂+ l 3 号添加剂) 下枢轴止推 轴承的摩擦磨损试验。试验结果表明，2 1 号添加剂+ l 3 号添加剂在不同工况下均表现出良好的 摩擦学性能。2 1 号添加剂+ l 3 号添加剂的复配具有明显的协同效应。2 1 号添加剂+ 1 2 号添 加剂的复配具有一定的协同效应。在本文中的试验条件下，枢轴的磨损形式为主要磨料磨损和少量 的疲劳点蚀和摩擦化学腐蚀。( 出于商业保密要求，添加剂用l ，2 ，3 号代替) 关键词：高速枢轴止推轴承，摩擦磨损，添加剂，协同效应 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fh i g h s p e e dp i v o tt h r u s tb e a r i n g a bs t r a c t t h ec e r a m i cb e a r i n gi sw i d e l ya p p l i e di ni n s t r u m e n tb e c a m eo fi t sh i g hh a r d n e s s ，h i g hs t r e n g t h ，g o o d c o r r o s i v er e s i s t a n c e ，w e a rr e s i s t a n c e ，l o wd e n s i t ya n de x c e l l e n tm e c h a n i c a 2p r o p e r t i e si nh i g ht e m p e r a t u r e r e c e n t l y ，i ti sa d v a n c i n gt ol e v e l so fh i g hs p e e da n dl o n g e rs e r v i c el i f ea n di t h a sb e e nu s e dt os u p e r t a i l - w a g g i n gm a c h i n e ss u c ha st h eu n d e rb r a c i n go fs t o r e de n e r g yf l y w h e e ls y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et r i b o l o g ya t t r i b u t et e s t i n go fp i v o tt h r u s tb e a r i n gb a s e do nt h es p e c i a l f r i c t i o na n da b r a s i o nt e s t i n gm a c h i n ew i t hh i g hs p e e d w ea l s om a k ef u r t h e re x p l o r a t i o no ff i l m f o r m i n g m e c h a n i s mo ft h ep i v o t i n gs u r f a c e ，t h es e l e c t i o no fn e wp a n e ml u b r i c a t i n go i la d d i t i v e ，a n t if r i c t i o na n d r e s i s t a n tt ow e a rc o o r d i n a t i o ne f f e c t s m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ra l s op r o v i d e st h eb a s i ct r i b o l o g yd a t af o r p r o j e c ta p p l i c a t i o no fc e r a m i cb e a r i n g i nt h i sp a p e r ，an e wp a t t e r no ff r i c t i o na n dw e a r i n ge q u i p m e n tw i t hh i g hs p e e dp i v o tj e w e lb e a r i n gi s s t u d i e d i ti sd r i v e nb yh i g hs p e e dm o t o r , r e g u l a t i n gs t e p l e s ss p e e df r o m0t o9 0 0 0 0r r a i nb yf r e q u e n c y c o n v e r t e ra n da d j u s t i n gt h ea x i a ll o a db ym e a n so fl e v e r t h et e s tr e s u l t ss h o w st h a t t h i sm e t h o ds o l v e st h e p r o b l e mo fs h a k i n gw h e ni ti sa th i g hs p e e da n di th a ss o m es p e c i a la d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l eo p e r a t i o n ， s h o r t c u ts t a r t u p ，e a s ya d j u s t m e n to ft h et a s ks p e e da n da x i a ll o a d s a n dw ea l s oc a r r i e do u ts e v e r a lf r i c t i o n a n dw e a r i n ge x p e r i m e n t sb a s e d0 1 1d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( 1 0 ws p e e da n dl i g h tl o a d ，l o ws p e e da n d h e a v yl o a d ，h i g hs p e e da n dl i g h tl o a d ，h i g hs p e e da n dh e a v yl o a d ) a n df o u rc o m p o s i t o n so fl u b r i c a n t s ( 2 1 ，2 1 + 1 2 ，1 3 ，2 1 + l 3 ) t h et e s tr e s u l t ss h o w st h a tt h e r ei sa ne x c e l l e n t t r i b o l o g yp e r f o r m a n c e t ot h et y p eo f2 1 + l 3 a no b v i o u ss y n e r g i s t i ce f f e c tt ot h et y p eo f2 l + 1 3a n ds o m ed e f i n i t e s y n e r g i s t i ce f f e c tt o t h et y p eo f2 1 + 1 2 t h em a i nw e a r i n gm o d a l i t yo fp i v o ti sa b r a s i v ew e a ra n d t h e r ea r ea l s os o m ef a t i g u ep i t t i n ga n dc h e m i c a lc o r r o s i o nf o rt h i st y p eo fs t e e l ，( s e r i a ln u m b e ri n s t e a do f a d d i t i v e sf o rt h ed e m a n do fs e c u r i t y ) k e yw o r d s ：h i g hs p e e dp i v o tt h r u s tb e a r i n g ，f r i c t i o na n dw e a r , a d d i t i v e ，s y n e r g i s t i ce f f e c t i i 学位论文独创性声明 本人声萌所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取彳寻的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书丽使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名。髟劫目 嗍叫一门 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中圆科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 随着科技的发展，对轴承的要求越来越高，结构小型化，尺寸精密化，速度上要求高速化，温 度上要求高温化，高真空、防腐蚀等更加苛刻的工况条件也日益增多，钢制轴承的某些性能已无法 满足。工程陶瓷如氮化硅、碳化硅及氧化铝等具有极好的耐热、耐腐蚀和耐磨损等性能，能用于其 它许多金属和非金属所不能承受的恶劣工况，因而成为人们研究开发和应用的热门材料。 氧化铝( a i 。0 。) 是工程陶瓷中的一种典型材料，也是最普遍、最便宜的材料。它很早就用于纺 织机械上的导线器、石化行业上的机械密封环等耐磨件，在无冲击载荷的平稳表面上显出低的摩擦 系数。一般而言，氧化铝陶瓷轴承即指宝石轴承。宝石，俗称刚玉，主要化学成分是a i z 0 。它是稳 定的a - a i ：0 。结构，是以氧离子构成的密排六方结构，而铝离子填充于三分之二的八面体间隙中。因 此，它具有金属材料无法比拟的高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨、耐高温、可在苛刻条件下使用等 优点【1 翻。 目前氧化铝陶瓷轴承已应用于手表、检流计、电压表以及其他一些仪器仪表中。它结构比较简 单，寿命较长，做出的仪器灵敏度较高。在其他的一些高速高温场合中也得到应用。枢轴止推轴承 同样广泛应用于各类仪器仪表中，它具有结构简单、寿命长、摩擦功耗低等优点。近年来，国际上 正努力将此轴承用作超高速转子的支撑件，如立式储能1 l 轮系统的下支撑，这使得枢轴止推轴承在 大p v 值工况下的摩擦磨损特性研究日趋活跃1 3 - 6 1 。 与一般的轴承相比较，氧化铝陶瓷轴承有着很多优点。它冈为与钢之间的摩擦系数小，所以在 转动过程运动较平稳，可以提高仪器仪表的灵敏度；因为硬度较大，所以比较耐磨，可以大大延长 仪器仪表的使用寿命：因为线膨胀系数比较小，对温度的反应不明显，所以可以提高仪器仪表的精 度。另外氧化铝陶瓷轴承比较耐腐蚀，使得仪器仪表的性能比较稳定。当然，它也有一些缺点，材 料比较硬，质地比较脆，难以加工。 对于传统的金属配副，特别是在一般工况下的摩擦学特性，人们进行了各种试验，取得一系列 相关参数，认识和基本了解了其摩擦磨损行为和磨损机制，找到了一些能满足工业应用的润滑剂配 方。对于混合型材料配副，特别是金属与工程陶瓷的配副早期研究较少，近来随着陶瓷材料的不断 发展，相关研究不断增多。到目前为止，人们对其摩擦学行为的认识还很不充分。主要原因是：结 构陶瓷种类繁多，性能各异，对环境、工况依赖性大，导致实验数据缺乏可比性，磨损机理难以统 一等问题。 以a i ：0 。陶瓷为主的结构陶瓷摩擦学性能的研究只是近二十年的事。虽然，部分学者对其摩擦学 特性进行了一些试验并得到相关数据，但总体而言，还存在很大的不足。目前对氧化铝陶瓷轴承的 接触应力分析，结构匹配设计，阻尼油的润滑性能，添加剂复配效应，摩擦副表面的摩擦化学反应 机理有一些较为系统的研究，取得了阶段性成果，部分揭示了氧化铝陶瓷轴承的润滑机理，对氧化 铝陶瓷轴承的摩擦学设计有积极意义。但是，到目前为止，人们对枢轴止推轴承的摩擦磨损与润滑 方面的研究还很不充分，特别是高速情况下氧化铝陶瓷轴承的摩擦学特性分析，枢轴表面成膜机理 探索、新型润滑油添加剂选择及其复配减摩抗磨协同效应最佳配比、定载荷，工作转速下氧化铝 陶瓷轴承磨损寿命等问题尚需进一步试验研究，并为枢轴止推轴承的工程应用提供摩擦学基础数据。 东南大学硕一 ：学位论文 1 2 国内外研究现状与存在问题分析 工程陶瓷作为现代高科技新材料，发展很快，技术也目益成熟。它具有耐磨、耐高温、耐腐蚀、 无磁性、密度低、热胀系数小、弹性系数大等一系列优点，用陶瓷材料做成的陶瓷轴承很适合于在 高速、高温、耐腐蚀等特殊环境下工作。因此陶瓷作为继金属和塑料之后的第三代新型工程材料日 益引起人们的关注。将陶瓷、轴承钢和塑料的一些力学性能进行对比，可以看出：陶瓷材料的密度 和热膨胀系数分别是轴承钢的4 0 和2 5 左右，而弹性模量是轴承钢的1 5 倍左右。因此陶瓷材料具 有作轴承的理想性能：质量轻、热膨胀系数小、硬度高、高温强度好、在高温下良好的尺寸稳定性、 耐腐蚀性强、高弹性模量、绝磁性好和绝缘性好。鉴于陶瓷材料的这些显著优点，陶瓷材料已广泛 应用于汽车、化学、机械、航空航天和核工业等领域，陶瓷摩擦学己成为摩擦学研究的热点。a 1 ：0 s 作为其中一类重要的陶瓷材料，也渐渐成为人们研究的重点。 人们针对a 1 ：0 3 陶瓷一钢摩擦副的摩擦学性能开展了大量研究，取得了一些成果：对应于干摩擦， 目前己研究过的配磨副有：a 1 ：0 3 q t ( 球墨铸铁) 、h t ( 灰口铸铁) 、t 8 钢、4 5 钢”8 。斯松华等”1 发现 a 1 。0 。钢的摩擦副磨损体积排列为t b q t h t 。进一步对a 1 2 0 s t 8 摩擦副中a 1 。0 。磨面能谱分析表明， 含有8 3 3 1 f e ，1 6 6 9 a 1 。这说明钢的磨屑以片层交卺形式“粘附”在a 1 ：0 。表面，形成“迁移膜”。 观察a 1 2 0 。铸铁摩擦副中铸铁s e m 图，发现铸铁表面被a 1 2 0 。硬质点“犁沟”而塑性变形，此表层石 墨随之变形挤出，在摩擦表面起到润滑作用。 赵兴中等叫川考察了a 1 ：0 3 不锈钢、a t ：0 3 4 5 钢在干摩擦以及水和2 0 # 机械油润滑下的摩擦磨损 特性，发现润滑油对a 1 。0 。陶瓷副的摩擦学特性有明显的改善作用；斯松华等n 引探讨了在不同滑动条 件下同氧化铝对摩的灰铸铁中石墨的减摩抗磨作用；m e n gh u a 3 j 等考察了a 1 。0 。奥氏体不锈钢在 t u r b on 4 6 润滑下的摩擦学特性，发现在载荷为3 0 n 以下，摩擦系数先有一个平稳区，后迅速增加，而 奥氏体不锈钢的磨损率随着滑动速度的增加而减小；g b a r t e l t u 刮等考察了a 1 ：o j l o o c r 6 在十六烷润 滑下随载荷增加摩擦系数和磨损率的变化曲线；d h i i w a n g ，k - h z u mg a h r u “1 6 1 发现a 1 2 0 。l o o c r 6 配副在矿物油润滑时，a 1 。0 。的表面粗糙度对其摩擦学特性有显著影响；s h i n y as a s a k i u “等研究了 a 1 ：0 。a 1 2 0 。在甲醇，丙酮，苯，己烷，p h 值可调的水润滑下的摩擦学特性，发现丙酮润滑下的摩擦学综 合性能相对好一些，在p h 值可调的水润滑下，摩擦系数和磨损表现呈相反趋势。 蒋书运旧。”。研究了 a 1 2 0 。t 8钢基于大庆石蜡基中性油 5 0 0 s n ，在 t 3 0 5 ，t 3 0 6 ，t 3 0 9 ，t 3 2 1 ，t 3 5 1 ，t 4 0 5 ，t 4 0 6 ，t 4 5 1 ，m o s 2 ，金微油添加剂及氟醚油，氟氯碳油，聚乙二醇合 成润滑油下的摩擦学性能，发现在各种添加剂作用下的枢轴磨损率排列为 t 3 0 6 m o s 2 t 3 0 9 t 3 5 1 t 3 2 1 t 3 0 5 金微油 t 3 6 1 。从试验数据看t 3 0 5 ，t 3 6 1 ，金微油是较为理想的 抗磨添加剂。在t 3 0 6 作用下枢轴球面的磨损形式主要为疲劳磨损，且出现严重的犁沟现象，主要原 因是疲劳磨损脱落的氧化铁硬化层犁削球头表面所致；在m o s 2 作用下主要的磨损形式为疲劳磨损， 且随着含量的增加，其磨损率也随着增大，磨损状况加剧；在t 3 5 1 作用下出现较轻的犁削磨损，在 t 3 6 1 ，t 3 0 5 ，和金微油的作用下，摩擦副生成良好的极压膜，磨损率低，表面较为光滑，称为“化 学抛光”。t 3 0 5 是含s 、p 、r l 的复合抗磨添加剂，添加剂与摩擦副表面发生摩擦化学反应，生成硫， 磷化合物，微极压抗磨薄膜，对宝石轴承而言硫磷酸含氮衍生物具有良好的摩擦学特性，是有效的 添加剂。此外，蒋书运进一步研究了a 1 2 0 。t 8 摩擦副在大庆石蜡基中性油5 0 0 s n 中，油性剂膦酸酯 t 4 5 l 、极压抗磨剂磷酸三甲酚酯t 3 0 6 复配作用下的摩擦学性能。试验数据表明：早期油性剂t 4 5 1 起减摩作用，而随着试验时间增长接触区温度逐渐升高，t 4 5 1 化学吸附能力减弱，其动摩擦因数渐 增。伴随油性剂部分脱吸的同时，将出现局部闪温，使t 3 0 6 发生摩擦化学反应，在金属表面形成高 熔点、低抗剪强度的软质金属化合物薄层，使摩擦副的动摩擦冈数减小，其存在最佳配比，在完成 的试验中2 t 4 5 1 和1 t 3 0 6 复配效果最佳。( 磷酸三甲酚酯t 3 0 6 、硫代磷酸三苯酯t 3 0 9 、硫磷酸含 氮衍生物t 3 0 5 、二丁基二硫代氨基甲酸铝t 3 5 1 、硫代化异_ j 烯t 3 2 1 、硼酸盐t 3 6 1 、m o s 2 和金微油 ( 一种进口润滑添加剂) 、硫化棉籽油t 4 0 5 、苯三唑脂肪酸胺盐t 4 0 6 、磷酸酯t 4 5 1 ) 2 第一章绪论 总结文献的研究结果发现，目前a l 。0 。陶瓷一钢摩擦副的摩擦学性能研究有一些进展，从a 1 ：0 。陶 瓷配副的优选，润滑油，单体添加剂及复配效应最佳比例的选择到成膜机理的粗步探索有了一些基础 理论和数据。同时，也揭示出尚有一些问题值得深入研究： 1 ) 高速情况下的氧化铝陶瓷轴承的摩擦学特性。 2 ) 新型润滑油添加剂及其复配效应。 3 ) 继续研究润滑膜成膜机理。 1 3 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 研制基于真实枢轴止推轴承试样的高速摩擦磨损专用试验机 新研制的枢轴止推轴承专用高速摩擦磨损机，拟采用高速电主轴驱动，由变频器实现无级变速， 设计转速o - - 9 0 0 0 0 r p m ，采用挤压油膜阻尼器减弱高速转动引起的振动，通过杠杆，利用砝码加载， 此试验台具有操作方便，启动快捷等突出优势。 ( 2 ) 在室温条件下，开展不同工况下枢轴止推轴承的摩擦学性能研究 基于真实的枢轴止推轴承开展其摩擦磨损性能研究，特别是轻重载荷、高低转速下不同润滑剂 配方下的摩擦学特性研究，进一步研究添加剂的协同作用。 ( 3 ) 研究枢轴表面成膜机理 进一步探索枢轴球头表面在不同润滑剂配方下的摩擦学性能，分析和研究其摩擦和磨损机制， 为下一代氧化铝陶瓷轴承的设计提供数据支撑。 3 东南大学硕士学位论立 第二章高速枢轴止推轴承摩擦磨损试验装置研制 2 1 概述 当耵枢轴止推轴承已应用丁超高速机械装备，高速化向抠轴止推轴承的醯摩抗磨技术提出新的 挑战目前尚无抠轴止推轴承专用的摩擦磨损试验装置。虑当看到试验麓荷p 值较实际轴承大， 而v 值义偏小，从磨损机制看主要是踞料磨损 | 起的轴锗球头表面犁自0 现象，而实际氧化锡陶瓷轴 承运行试验袭现枢轴球头存在鞍为严重的疲劳磨损。据此有必要研制基于真实氧化铝陶瓷轴承试 样的高速摩擦蘑损专用试验机台架。提高枢轴转速研究氧化铝陶瓷轴承在添加荆作用f 的摩擦学 性能进一步探索添加剂协同效应并为下一代氧化铝陶瓷轴承的摩擦学设计提供有价值的试验数 据 2 2 试验装置的系统组成 试验装誊主要组成如凹2 1 所示：空气经过空气压缩器、储气罐、蹲干机进入油气麓生器形成 油雾对枢轴摩擦磨损试验台进行润滑：变频器驱动高速电土轴实现无级调速；玲却水泵对高速电主 轴实现冷却。 降千机 储气罐 空气压缩嚣 油气发生器 试验台 图2 l 试验装置系统组成 4 玲却水泵 变频嚣 第二章高速枢轴止推轴承摩擦磨损试验装置研制 2 3 主要部件设计 1 一电主轴：2 一电主轴固定环；3 一电主轴连接件；4 一试件；5 一阻尼体；6 一阻尼体座；7 一施力杠杆；8 一圆底座； 9 一顶盖；l o 一导向立柱；1 1 一阻尼体座外环；1 2 - - 陶瓷轴承 图2 2 试验台示意图 试验台拟采用高速电主轴驱动，由变频器实现无级变速，设计转速o - - 9 0 0 0 0 r p m ；通过杠杆砝码 对试件加载，即通过杠杆加砝码来调节施加在试件和止推轴承上的正压力。 2 3 1 高速枢轴驱动装置 驱动装置由变频器和电主轴以及电主轴连接件组成。电主轴通过电主轴连接件与试件相连，变 频器控制电主轴实现0 - - 9 0 0 0 0 r p m 无级调速。 ( 1 ) 变频器 试验装置使用无锡开源机床集团康狄电器有限公司生产的c d 2 0 0 0 a ( b ) 变频器。电机转速跟 电源频率成正比，改变电源频率即可改变电机转速，改变频率的同时相应改变供电电压，这样既可 以无级调速又可以实现节能目的。 5 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 高速电主轴 电主轴义称为内装式电机主轴单元，其主要特征是将电机置于主轴内部通过驱动电源直接驱动主 轴进行工作，实现了电机、主轴一体化的功能。 2 - - 3 所示为高速电主轴的结构示意图。 r f l t 图2 3 高速电主轴的结构示意图 本试验台设计要求的工作转速很高，拟采用无锡开源机床集团有限公司生产的4 s d 9 0 a 型号的电 主轴。其特点是：小型，高速，大功率，高刚性，可靠性高，使用寿命长，运行时振动小，噪音低， 转速稳定。表2 一l 给出了此电主轴的一些电气物理参数。 表2 一i 高速电主轴的参数 电压( v )频率h z转速r m i n电流( a ) 3 5 01 5 0 09 0 0 0 06 9 4 s d 9 0 a 功率( k w )润滑方式冷却方式 尺寸 2 5 油雾 水1 0 0 1 7 0 ( 3 ) 电主轴连接件结构如图2 4 所示。 图2 4 电主轴连接件 电主轴工作时必须进行润滑，为防止油液对试件污染，设计了中间带有圆盘的连接件。此种结 构利用高速旋转产生的离心力，将落在园盘上的油液向外甩出，保护了下面的枢轴止推轴承系统。 鉴于试验台设计转速高达9 0 0 0 0 r p m ，所以有必要对高速旋转的电主轴连接件进行强度校合。使用 a n s y s 软件建立电主轴连接件的圆盘实体模型，采用实体单元s o l i d 4 5 划分网格，给有限元模型施加 速度载荷进行静力学分析，计算其最大离心应力，并与电主轴连接件材料的强度极限比较，如图2 5 所示。 6 第二章高速枢轴止推轴承摩擦喜揖试验装置研制 图2 - 5 电主轴连接件离心应力分析 经计算所得最大离心廊力为0 1 2 8 g p a ，位于圆盘中心远远小于4 5 # 钢的强度极限6 0 0 g p a 一 2 3 2 止推轴承减振机构 如圈2 - 6 所示阻尼嚣组件的结构田。阻尼体安装在阻尼体座的孔中使阻尼体可以在一定的范 围内摆动：上面安装了弹簧组件均匀布置的三根弹簧通过弹簧组件的辅导向环将阻尼体固定在轴 心。在阻尼体和阻尼体座间隙之间充满阻尼油，当阻尼体园试件的振动而强小摆动时就台挤压阻尼 体间隙之间的阻尼油，形成一定的挤压阻尼；而同时在上面均匀布置的三根弹簧形成一定的弹性阻 尼，也起到消除据动的作用。当试件高速旋转而引起振动时，在挤压油膜阻尼和弹簧阻尼的作用下 能很好的清除园试件高速旋转引起的振动从而能提高试件转速，可靠的进行试验 撅 一阻尼体座：2 一阻尼体；3 一轴承： 图2 - 6 阻尼器组件结构图 东南大学碰士学位论文 2 3 3 试件载荷加载机构 施力杠杆、支座、阻尼体座外环和阻尼体座组成加载机构。阻尼体座外环用来支捧整个阻尼体 座，并被固定在圆底座上。阻尼体座在阻尼体座外环内可在垂直方向上下移动，以便于将载荷施加 到试件上。两侧的长槽用来装限位螺钉保证轴向无转动。载荷通过杠杆原理传递给阻尼体座，最后 传给试件。为了能在试件上加上大小合适的裁荷，必须考虑到阻尼体座、阻尼体等霉部件自身的重 量。 2 3 4 支撑和安全保护 如图2 - 7 所示，顶盖、圆底座和导向立柱共同构成实验台的支撵机构。圆底座是整个宴验台的 底架，其四周固定三根导向立柱，通过螺纹与顶盖连接构成- - i 作空间。在整个实验台设计中始终 要考虑的是保证上下垂直方向的同轴度。为了保证顶盖和圆底座之间的装配精度，可以借助于导向 立柱。立柱下端和上端光滑部分分b 与圆底板和顶盖连接。它们之间要满足一定的精度要求。保证 上下垂直方向的同轴度。试验台两侧安有5 m m 厚钢板。当试验发生意外时。它能够对操作人员进行 有效保护。 2 4 试验装置的研制 图2 7 支捧结构 试验装置研制完成厉试运行i o 小时，特别在最大工作转速9 0 0 0 0 r p m 运行1 小时，工作平稳， 所测试验数据满足精度要求。试验结果表明： 垂 第= 幸高速枢轴止推轴承摩攘磨损试验装置研制 ( 1 ) 试验台设计合理，启动快捷、操作简单完全能档满足设计要求在9 0 0 0 0 r p m 转速f ，工 作依然平稳。 ( 2 ) 挤压油膜阻尼器的采用，显著降低了高速转动引发的振动。 2 5 本章小结 田2 - - 8 试验台的实物图 设计井研制了一种基于真实止推轴承试样的高速枢轴止推轴承摩擦磨损试验装置。该试验装置 的最大特色为挤压油膜阻尼器，它能够减弱试件高速旋转引起的振动，从而在高转速时能够平稳的 进行试验。此外它由高速电主轴驱动，采用变频器实现o - - 9 0 0 0 0 r p m 无极调速；通过杠杆，以砝 码自由调节试件轴向载荷。试验结果表明：该试验装置具有操作简单、启动快捷、工作转速和轴向 载荷可谓等突出优势。 东南大学硕士学位论文 3 1概述 第三章枢轴止推轴承摩擦磨损试验 目前学者针对枢轴止推轴承试样开展了系列摩擦学特性试验研究，取得了一些阶段性成果， 并初步探索了枢轴止推轴承的润滑机理随1 8 ，1 9 1 。但是，人们对枢轴止推轴承的摩擦磨损与润滑方面的 研究还很不充分，特别是基于真实枢轴止推轴承试样的摩擦学特性分析，阻尼油的润滑性能，新型 润滑油添加剂选择及其复配减摩抗磨协同效应，枢轴表面成膜机理探索，摩擦副表面的摩擦化学反 应机理。这些数据对下一代氧化铝陶瓷轴承的摩擦学设计具有十分重要的意义。 3 2 载荷添加剂基本理论 众所周知，性能优良的润滑油可以使机械得到充分的润滑，减少摩擦和磨损，防止胶合，从而 提高机械效率，减少能源消耗，延长机械寿命。据估计，世界上大约有三分之一的能源消耗在摩擦 上，百分之八十的损坏零件是由磨损报废的。所以，提高润滑性能以减少摩擦、磨损，防止烧结， 对国民经济具有重要意义j 。 减少机械的摩擦和磨损，防止胶合是润滑油的基本功能之一，它取决于润滑油的润滑性能。为 了提高其润滑性能，除了改善影响基础油润滑性的各种理化性能外，更主要的是向矿物润滑油中加 入添加剂。添加剂是这样一种物质，在润滑油中加入少量这种物质，能改善油品的一种或多种物质， 甚至赋予润滑油以崭新的特性而得到更满意的使用性能。把可以减少摩擦和磨损，防止胶合的各种 添加剂，通称为“载荷添加剂”。 载荷添加剂按其作用性能可分为油性添加剂，抗磨添加剂和极压添加剂。相同粘度的润滑油， 其减摩作用往往不同，这是润滑油中存在的极性化合物不同的结果。这些极性化合物能通过物理吸 附牢同地吸附在摩擦面上。这种润滑油分子在摩擦表面的吸附力称为油性。为减少摩擦和磨损而在 低负荷下使用的添加剂称为油性剂。 在中等载荷及速度条件下，摩擦表面温度会升高，使油性剂在摩擦表面的吸附发生脱附。这时， 仅含油性剂的润滑油不再有效地降低摩擦和磨损，要使用那些在较高温度下能与新生金属表面作用 生成能防止摩擦表面胶合地化学吸附膜的表面活性物质。这样的表面活性物质称为抗磨添加剂 ( a n t i w e a ra g e n t s ，简称a w ) 。 在低速高载荷或高速冲击摩擦条件下，即在所谓极压条件下，摩擦面容易发生胶合，抗磨损添 加剂也无能为力。为防止胶合为目的而使用的添加剂称为极压添加剂( e x t r e m ep r e s s u r ea g e n t s ，简称 e p ) 。极压剂在摩擦表面与金属发生化学反应，生成剪切力和熔点都比原金属低的化合物，构成极压 膜，防止烧结。 必须指出，把载荷添加剂分为油性剂，抗磨损剂和极压剂并不是很严格的，三者之间很难明确 区分，抗磨损剂和极压剂往往也具有一定的减摩作用，抗磨损剂也能在一定程度上起到极压剂的作 用。一般情况下，把极压剂和抗磨剂统称为极压添加剂。为了更好地理解极压和抗磨添加剂的功效， 由必要对润滑的基本概念进行清晰的认识。 润滑的目的是减少摩擦，降低磨损。根据工作条件不同和润滑状况不同，一般分为流体润滑、 混合润滑、边界润滑( 如图3 1 1 2 0 1 ) 。流体润滑靠润滑剂在运动条件下建立起来的润滑油膜润滑，润 滑剂的主体性质如粘度和粘压性质起决定作用。流体润滑是以液体摩擦代替固体摩擦，因而摩擦系 数很小，理论上没有固体间的接触，磨损很小。当载荷增大或速度降低到一定程度，由于集中接触， 1 0 第三章枢轴止推轴承摩擦磨损试验 压力峰值极高，在载荷区接触部位产生的弹性变形很大，润滑油受到高压而粘度变大。当液体层不 能连续存在时，就会发生摩擦副间同体的接触。此时进入边界润滑，这时如果固体表面能够形成一 层表面膜也能起润滑作用，减少摩擦和磨损，这种膜叫边界膜。边界膜是由油中活性组分在固体表 面上形成的吸附膜或化学反应膜。载荷添加剂的加入是为了在边界润滑条件下形成性能良好的边界 膜。混合润滑实质上是流体润滑、边界润滑和固体接触的一种共存状态。在混合润滑状态里，流体 动力膜的连续性遭到破坏，摩擦系数发生明显变化，各种形式的磨损开始发生和发展。混合润滑的 磨损与摩擦学行为主要取决于边界摩擦状态，但是摩擦副的全部载荷却有相当一部分由弹性流体动 力润滑膜承担，它所造成的摩擦力很小，而且所造成的磨损更小。 lo - - 毫 叠 诺 宵晦 叠电 1o - i 1 旷 轴承特性璇警 1 旷 图3 1s t r e i b e c k 曲线 10 - ， 近几十年来，在添加剂的研究中，主要集中在抗磨剂( a w ) 和极压剂( e p ) 研究。它们分为 两类：即活性和非活性添加剂。活性添加剂主要是指能与金属表面发生化学反应形成一层保护膜的 添加剂。非活性添加剂主要是指通过自身或其分解产物沉积在金属表面形成保护膜的添加剂。典型 的活性添加剂化合物含有s ，p 或卤素元素。典型的非活性添加剂有硼化合物；硅化合物；铝化合物 竺【2 l 】 寸。 添加剂种类繁多，其性能各异。一般认为，添加剂分子在摩擦表面是以物理、化学吸附、化学 反应方式形成润滑膜而发挥作用。添加剂起初是吸附在金属表面，通常是吸附在金属表面的氧化物 上。在其它极性化合物存在时也可通过竞争吸附而降低添加剂的吸附。分子或极性基团的极性越大， 与极性基冈相连的碳链越长，吸附能力越强，抗磨极压作用越高。吸附于金属表面的抗磨或极压添 加剂在摩擦过程中会发生分解并与金属表面发应。当金属表面的氧化层被磨掉后，添加剂与新生金 属表面发应生成一层抗磨或极压膜。发应是在摩擦时产生的摩擦热和机械能活化作用下进行的。对 于载荷添加剂而言，油性添加剂通过极性非常强的长链分子，在常温条件下与金属表面形成吸附膜； 抗磨剂与金属表面起化学反应形成边界膜，这种发应一般不可逆；极压剂在高温高压条件下分解出 活性元素与金属表面形成厚的低剪切强度的金属化合物膜。必须指出：不同添加荆之间有时产生相 互制约作用，在几种添加剂复合作用时，必须注意它们之间的影响和综合应用效果【20 i 。如图3 2 所 不： 东南大学硕 二学位论文 3 3 试验材料与方法 3 3 1 试验试件与材料 o 5 。 卅， 薯1 口i 图3 2 添加剂的应用 i 重t 试验中所选用的试件分别为：t 8 钢制成的枢轴试件和单晶a l ：0 。( 刚玉) 制成的氧化铝陶瓷轴吞试 件，试件具体特性如下： 1 枢轴试件 本试验选用的枢轴试件材质是t 8 钢( 半径为1 0 m m ，表面粗糙度r 。为0 0 2 u m ，淬火硬度5 9 6 2 h r c ) 。t 8 钢密度为7 8 2 9 e r a 3 ，为共析钢，淬火回火后具有较高的硬度和耐磨性，但热硬性低，淬 透性差、加热时容易过热，变形也大，塑性强度也较低。常用于不受大冲击，需要较高硬度和耐磨 性的工具。 2 氧化铝陶瓷轴承 氧化铝陶瓷是一种a a 1 2 0 3 ( 刚玉) 为主晶相的陶瓷材料，它具有耐高温、强度大、硬度大、抗氧 化、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等优良性能。密度为3 9 8 9 c m 3 ，弹性模量为4 0 0 g p a ，抗弯强度为3 4 0 m p a ， 热膨胀系数为8 3x1 0 6 9 1 0 6 ，熔点为2 0 0 0 砣5 0 0 。在陶瓷轴承的磨损过程中，单晶氧化铝球 窝的磨损量相对于碳素工具钢枢轴来说，要小几个数每级，可认为是零磨损。 本试验的枢轴止推轴承结构，如图3 3 所示。在此枢轴止推轴承结构中，枢轴球头的半径r 2 大 于轴承球窝的半径r 1 ，这样的设计将枢轴由初始的点接触变为线接触，可使轴承的中心区域呈非接 触状态，球头和球窝之间的间隙可适度储存运行过程中形成的磨粒，避免严重的二次磨损 2 2 】。 图3 3 枢轴止推轴承结构示意图 1 2 第三章枢轴止推轴承摩擦磨损试验 3 。油品 机械零件抗磨损设计最有效的方法是在表面之间建立一层润滑膜，包括流体润滑膜、表面吸附 膜和化学反应膜等。为了减少摩擦与磨损，可在摩擦副表面之间引入润滑剂，形成润滑膜，使摩擦 阻力降低，这种措旄称为润滑。它是一种重要的减磨手段。它能在两个摩擦表面之间形成润滑剂膜， 承受部分或全部载荷，并将两表面分隔开，使物体之间的摩擦转化成具有较低剪切强度的油膜分子 之间的内摩擦，从而降低运动时的摩擦阻力、表面磨损和能量损失，使运动副运转平稳，提高效率 和寿命1 2 0 1 。 试验所用基础润滑油为大庆石蜡基中性油5 0 0 s n 。大庆石蜡基中性油5 0 0 s n 的合成是由甲基三 乙氧基硅烷、氯苯、金属钠为原料，甲苯为溶剂经转化工序，再由2 7 5 岗位水洗、脱甲苯、水解、 脱甲苯、平衡、精馏、脱色包装。大庆石蜡基中性油5 0 0 s n 在有机硅行业中占有重要地位，在电子 行业应用广泛，主要用于超高真空系统，近年来在电子、冶金、仪表等部门获得广泛的应用。表3 1 所示为大庆石蜡基中性油5 0 0 s n 的性能指标。 表3 1 大庆石蜡基中性油5 0 0 s n 的性能指标 项目质量指标试验方法 粘度等级( 按g b 3 1 4 1 )4 66 8 运动粘度( 4 0 c ) m m 2 s 4 1 1 5 0 66 1 2 7 4 8g b t 2 6 5 平均相对分予质量不小于3 8 0 4 2 0s h 厂r 0 2 2 01 色度号不人于0 51 og b t 6 5 4 0 倾点 c不高于99g b t 6 5 4 0 闪点( 开口) c 不低于2 2 02 3 0g b t 3 5 3 5 机械杂质肠无无g b t 5 1 l 水分慌无无g b t 2 6 0 中和值( m g k o h g ) 不大于0 0 lo 0 1g b h 4 9 4 5 灰分不大于 0 0 0 50 0 0 5g b t 5 0 8 残炭不大于0 0 20 0 3g b t 2 6 8 腐蚀试验( 铜片，1 0 0 ，3 h ) 级不大于11g b t 5 0 9 6 饱和蒸气压( 2 0 c ) k p a 不大于5 0 1 0 。91 0 1 0 9s h t 0 2 9 32 极限压力( 全压) k p a不人于 7 0 1 0 8 5 0 x 1 0 8 s h t 0 2 9 4 4 添加剂 在基础润滑油中加入各种添加剂是取得良好润滑效果的重要方法。当摩擦表面温度不太高时， 油性添加剂分子中的极性基团能够牢固地吸附在摩擦表面上，形成分层定向排列的分子栅，将摩擦 界面隔开，从而起到减摩抗磨作用。极压抗磨添加剂主要是通过与摩擦表面反应生成化学反应膜， 或由添加剂分子本身形成一层高粘性的聚合物膜，从而起到抗磨和提高承载能力的作用【2 4 】。 为了寻找合适的添加剂和得到在基础油中加入添加剂的比例含量关系，减少摩擦偶件之间的磨 损量，我们在本试验选用的添加剂为l 、2 、3 号添加剂。 3 3 2 试验设备 1 光电分析天平 试验采用美国丹佛t b - - 2 1 5 d 高精度电子分析天平，测取清洗吹干后的枢轴试件的重量损失。最 小测量单位为0 0 1 m g 。 1 3 东南大学硕士学位论文 2 光学显微镜 采用光学显微镜对试验后的枢轴球头表面和宝石轴承内表面进行观察。 3 超声波清洗仪 采用丙酮利用超声波清洗仪对试验前后枢轴进行清洗。 4 扫描电子显微镜 试验采用荷兰f e i 公司生产的s i r i o n 场发射扫描电镜( 配g e n e s i s6 0 s 能谱及o i m 4 0 0 0 电子背 散射衍射系统) 对试验清洗后的枢轴球头表面作表面形貌和表面成分分析。 3 3 3 试验方法 本试验在研制的基于真实宝石轴承试样的高速枢轴止推轴承摩擦磨损试验台上进行，对枢轴采 用称重法进行磨损量的测量。 试验试验温度：室温 相对湿度：( 5 0 5 ) 具体的试验步骤如下： 首先用光学显微镜观察枢轴球头表面和宝石轴承内表面，确定完好后再进行以下步骤。 a )用丙酮清洗液超声波清洗宝石轴承两次，每次2 0 分钟，烘干，装到试验台上。 b )加入一定量选配好的阻尼油，做好标记。 c )用丙酮清洗液超声波清洗枢轴两次，每次2 0 分钟，烘干；在室温、安静、密闭环境下用分 析天平称量其质量，记录数据。 d )根据所需载荷，挂上相应的砝码。 e ) 调整上下、左右间隙，保证枢轴的对中性。试运行观察枢轴阻尼器的振动情况，如无异常 方可正式试验。 f )停机后，将试样同样进行超声波清洗处理两次，烘干，称量，记录数据。 3 4 摩擦磨损试验 为进一步考察枢轴止推轴承的摩擦学性能，有必要进行一系列基于真实止推轴承试样的台架试 验。试样试验筛选出来的具有最佳协同效应的2 1 号添加剂+ 1 3 号添加剂和2 1 号添加剂+ 1 2 号添加剂为参考点，开展不同工况条件下的台架试验，详细考察枢轴止推轴承的摩擦学性能。下 面是在基于大庆石蜡基中性油5 0 0 s n 的四种润滑剂配方下：1 3 号添加剂，2 1 号添加剂+ 1 3 号添加剂，2 1 号添加剂+ 1 2 号添加剂，2 1 号添加剂；高低两种转速、重轻两种载荷工况下， 枢轴止推轴承的摩擦学性能。根据其1 = 况条件，基于s t r i b e c k 曲线，枢轴止推轴承基本处于边界润 滑状态。试验表明，a 1 。0 。轴承的磨损量相对t 8 钢枢轴来说，要小几个数量级，可以认为是零磨损， 因此主要以t 8 钢枢轴为对象，分析a 1 2 0 。t 8 摩擦副的摩擦学性能。 1 4 第三章枢轴止推轴承摩擦磨损试验 3 4 1 低速下添加剂对枢轴止推轴承的摩擦学性能影响 3 4 1 1 轻载荷下枢轴止推轴承的摩擦学性能 此种下况参数为：转速2 0 0 0 0 r m i n ，载荷6 n ，试验每运行2 小时测量枢轴质量一次，总运行时 间6 h 。磨损完成后对枢轴球头表面做扫描电镜( s e m ) 观察表面形貌和表面化学成分分析。为便于 观察，统一对枢轴球头全貌放大7 0 倍，典型局部形貌放大1 0 0 0 倍。 1 磨损性能分析 在低速轻载的工况下枢轴累计磨损量如图3 4 所示：磨损曲线明显分为