“万灵霸润滑油添加剂的摩擦学行为

1、“万灵霸”润滑油添加剂的摩擦学行为北方交通大学 曾昭翔 洪建萍北京广播器材厂 董玲巧摘 要通过交叉滚子磨损、四球磨损及弹流膜厚测试等几种实验方法，对比在润滑油中加入“万灵霸”添加剂前后的摩擦学参数，发现该添加剂具有优良的综合性能。在润滑油中加入少量“万灵霸”，能大幅度地加大摩擦副的载荷而不发生卡咬；在乏油条件和高温状态下能维持正常磨损；在油中混入水的恶劣工况下仍能保持良好的润滑性能；在18#双曲线齿轮油中加入该添加剂，可提高润滑油的粘压系数，从而改善齿轮、滚动轴承、凸轮挺杆等高应力摩擦副的润滑和磨损状态。推广使用“万灵霸”润滑油添加剂，能使国民经济各部门取得显著的经济效益。 一、引言 任何机器

2、都是由若干运动副组成的，在其相对运动的表面总会产生摩擦磨损。大多数机器的工作性能和使用寿命常常决定于磨损状况。据国内大量的统计表明机器的绝大多数故障也都是由于磨损引起的。为了减少摩擦、减轻磨损、延长机器使用寿命，必须根据机器的使用要求和工作参数正确地进行摩擦学设计，其中除采用适当的材料和工艺措施外，保证摩擦面得到良好的润滑是一项最基本的工作。最理想的是实现液体摩擦润滑，然而液体静压润滑需要一套复杂的系统，在一般情况下使用并不合算；液体动压润滑膜厚对相对速度、润滑油的温度-粘度的变化十分敏感，特别是在低速下难于实现液体润滑；弹性流体动压润滑膜较薄，完全的弹性流体润滑只在特定条件下才能实现。因此，

3、边界润滑状况对绝大多数机器的工作可靠性和使用寿命起着极为重要的作用。边界润滑是指润滑剂与金属表面所生成的吸附膜或反应膜(统称边界膜)之间的摩擦润滑状态。通过边界膜的减摩耐磨作用延长机器使用寿命。显然，边界膜越紧韧牢固，减摩耐磨作用越明显。鉴于边界润滑机理在大多数机器中的重要性和普遍性，因而推广使用一种性能优良、能改善和提高边界膜性能的添加剂将对国计民生具有重要的技术经济意义。 本文通过一些基础试验，论证万灵霸润滑油添加剂的摩擦学行为，供同行们讨论参考，并请对其不妥之处给予指正。 二、试验研究 1交叉滚子磨损试验 在便携式磨损试验机上安装相互垂直交叉的两个圆柱滚子，其材料和尺寸分别为GCrl5，

4、HRC-58，ø10×10及GCrl5，HRC=63，ø 50×10。小圆柱滚子固定不动，大圆柱滚子以480rmin的转速旋转。通过放大率为35的杠杆系统由小到大逐级加载。每级载荷试验3min，测量小圆柱滚子表面椭圆磨痕的长轴尺寸。 试验分A、B两组进行。A组使用10#机械油，8组使用10#机械油加5的“万灵霸”添加剂。两组均以相同的油量，浸大圆柱滚子对磨擦副进行润滑。试验结果如表l所示。表l载荷(b一4.44N)1234510摩痕尺寸A组(mm)B组注：试验滚子摩擦副法向载荷应以上表中的数值乘以杠杆比。 在A组试验过程中，载荷加到3级时，运转30s，摩

5、擦面上润滑油开始冒烟。3min后取下观察，发现磨痕尺寸已显著增大，且有烧伤的痕迹。载荷加到4级时，运转min，油盒中的润滑油变黑。载荷加到5级时，刚开始运转即发生烧结，同时电机因过载而出现打火现象。B组试验，即10#油加入“万灵霸”添加剂一直进行顺利，观察试件表面的磨痕尺寸变化不大，即使加载至l0级均未出现过热及其它异常磨损现象。 将表l中的数据绘成磨损曲线，就可以看出两者呈现完全不同的走向，如图l所示。其磨痕尺寸与载荷的关系，A组试验按指数规律变化，而8组数据的分布基本上为Y=C 126的水平线，显示出在B组试验中，其摩擦副仍具有较大的潜力。 将试验润滑油取样做磨粒的铁谱分析，可看出两组实验

6、中摩擦副磨损状态的显著差别。图2、3分别是A、B两组试验条件下，载荷同为4×444N时，油样中磨粒在旋转式谱片上大粒子区的沉积状态。在图2中，磨粒已发生堆砌，反映磨粒浓度已相当高；磨粒长轴尺寸较大，表面已呈现深深的擦伤痕迹，显示磨损已发生在摩擦表面的深层结构；具有磁性特征的黑色氧化物(Fe304)与磨粒沉积在一起，表明磨粒脱落时摩擦表面伴有高温出现。图3所示为同样加载条件下加入5的万灵霸后，油样中磨粒的沉积状态，显示出大小磨粒的低比例特征，最大磨粒尺寸l2 m左右，呈光亮的薄片状。铁谱磨粒分析表明，该实验条件下摩擦副处于正常磨损状态。 2润滑膜的承载能力 上述实验所展示的基本现象，促

7、使人们去分析加入“万灵霸”添加剂能显著改善摩擦面磨损状态的原因。我们按国家标准(GB3142-82)“润滑剂承载能力测定法”，应用四球机磨损实验测试468机械油在加入5的“万灵霸”前后的最大无卡咬负荷PB值。四个直径为127mm、材料为GCrl5的I级轴承钢球，按等边四面体方式安装，通过杠杆系统逐级加载。上球在试验机主轴带动下，以l450rmin速度旋转，下面三 图2 A组油样中的磨粒特征球固定不动由试验油浸没润滑，每级载荷实验los，测量并计算下面三球的平均磨痕直径后，更换钢球增加一级载荷实验，直至平均直径不大于补偿直径5时，得到PB值。因此PB值可视为钢球接触区能存在润滑膜而不发生卡咬条件

8、下的最大载荷。它反映润滑膜的承载强度。经多次试验，测得46#油的PB值为50kg(室温t：20)，加入5的“万灵霸”后，测得PB值为71kg(室温t=21)。可见，正是由于加入“万灵霸”添加剂后润滑膜强度的增大，方才显示出图l所示两条曲线的不同特征的。进一步说，无论交叉滚子磨损试验或四球机磨损试验，其相对速度都是固定不变的，根据Stribeck提出的摩擦特性曲线1，在试验过程中随着负荷的逐级增加，无量纲参数-试验油粘度，V-相对速度，w-法向载荷)逐渐减小，于是摩擦状态也在发生过渡：液体润滑混合润滑边界润滑。最终是边界膜的润滑性和强度决定着试件磨损状态的变化。边界润滑的特征是摩擦表面的微凸体通

9、过边界膜承受接触面的全部载荷。因此边界膜的生成机理和性能对减摩耐磨十分关键。机械油与金属表面的边界膜是靠分子吸引力形成的，强度较弱，温度高时易脱附。在试验中的表现是载荷不大时边界膜尚能承受，使磨损处于相对稳定的状态，测试试件的磨痕不大，但当负荷加大时，接触面上微凸体刺破边界膜，形成金属之间直接接触，产生局部高温，边界膜很快瓦解，形成更大面积的金属直接接触，如此恶性循环以致磨损不断加剧。根据试验中的表现，可认为机械油中加入“万灵霸”添加剂后与金属表面能生成耐高温的坚韧的化学反应膜，能承受更大的负荷而不破裂，因而体现出优良的摩擦学性能。 3边界膜的热稳定性 由上可知，边界膜的热稳定性对磨擦副的磨损

10、状态具有重要意义。机器一旦出现润滑故障，供油不畅或油路不通，若边界膜的热稳定性不好，即刻便可发生严重事故。为了探索“万灵霸”添加剂的热稳定性，我们曾在大圆粒滚子表面浸油后，撤去油盒作“乏油润滑”试验。在乏油状态的l0#油的A组试验中，加载至3级时，即发生烧结，而在加入5的“万灵霸”的8组乏油试验条件下，加载至l0级时虽基础油冒烟，但摩擦试件照样运转，磨痕并未显著增大。显示出加入该添加剂之后所生成的边界膜具有很好的热稳定性。这一事实表明一旦出现润滑故障，机械设备在一定时间内尚能维持正常工作，而不致发生严重事故。 4抗乳化性能 实际生产中的机械设备，难免在其润滑系统中混入水，如露天作业时的雨水、冷

11、却水系统的渗漏，都是随时可能出现的。润滑油中混入水，将使油品乳化变质，也容易使油中的添加剂分解变质或结团沉淀，从而恶化润滑条件。日本土崎工厂为研究柴油机磨损故障的诊断技术，就是以润滑油中加入水为强化手段，诱发异常磨损来缩短实验时间的2。然而，“万灵霸”添加剂具有独特的抗乳化的良好性能。在10#油中加入5的“万灵霸”后再加入自来水，在交叉滚子磨损润滑试验中，仍能承受l0级载荷。尽管因摩擦热使水不断地汽化但运转仍保持正常，检验滚子上的磨痕尺寸也未发现明显增大和其他异常现象。这一试验在证明该添加剂与金属表面生成的边界膜的耐热性的同时，还进一步揭示了该添齐及其所生成的边界膜与水无亲合力。 5粘压特性

12、为了探讨“万灵霸”添加剂对润滑油粘压特性的影响，我们应用TLTI型弹流试验台实测l8#双曲线齿轮油在加入5“万灵霸”前后的膜厚值。 试验的基本原理是用直径为254mm的钢球与平晶圆盘在18#双曲线齿轮油润滑下相接触，用氦氖激光照射，在接触区的油膜上下表面反射形成相干光。通过显微镜可观察到光干涉产生的牛顿环。可以证明3，组成牛顿环的相邻明暗圆圈之间所反映的膜厚差为的(4n)其中为氦氖激光的波长(6328A)，n为试验油的折射率。当平晶圆盘转动钢球与之纯滚动时，球与盘的接触中心便发生“暗”与“明”之间的交替变化。每变化一次，膜厚增加(k4n)。记录并计算不同速度V条件下球与盘接触中心油膜厚度hc值

13、，即可在图上表示出hcv关系，如图4所示。 A组为未加“万灵霸”时测出的数据，8组为加入“万灵霸”后测出的数据。根据图上表明的试验结果，取同一旋转速度V查取中心膜厚hc时，B线上的数值总是高于A线上数值。对照有量钢表达式进行分析：在R(钢球半径)、E(接触体材料综合弹性模量)、w(法向载荷)、n(试验油粘度，“万灵霸”比18。油粘度略低，因其量仅5，故对粘度的影响忽略不计)均不变的条件下进行的A、B两次试验，测出hc的不同数值，唯一的解释是Q(粘压系数)的变化。即在加入“万灵霸”添加剂后，提高了l8#油的粘压系数。根据这一判断，可认为“万灵霸”添加剂可以改善齿轮、滚轮轴承、凸轮挺杆等高副接触件

14、的弹性流体动力润滑性能。图5所示为试验过程中拍摄的加入“万灵霸”后18#双曲线齿轮油对试件的弹流润滑状态。图示接触中心暗与明的变化，反映弹流润滑膜厚的增大过程。三、结语 国民经济各个部门都在使用各式各样的机器，绝大多数机器都存在边界润滑机理，因而坚韧牢固的边界膜对减轻机器的磨损、延长使用寿命具有重要性和普遍意义。边界润滑膜的性能主要取决于润滑油添加剂的成分及其特征。在不了解“万灵霸”配方的情况下，我们通过几项实验探索其摩擦学行为。实验表明： 1在通常使用的机械油中加入“万灵霸”添加剂后，因能与金属表面生成坚韧的边界膜，可在原来润滑油所能承受载荷的基础上大幅度增大载荷而不发生卡咬现象； 2该类边

15、界膜具有良好的热稳定性，能在乏油条件和产生高温的情况下维持摩擦副正常磨损状态； 3该类添加剂能使润滑油具有良好的抗乳化性能，在润滑油中混入水的恶劣工况下，仍能保持优良的润滑效果，所生成的边界膜与水无亲合性： 4该添加剂加入18#双曲线齿轮油后呈现粘压系数增大现象，可能是该添加剂元素与l84双曲线齿轮油本身的添加剂交互作用的结果。这一特性对减轻高接触应力摩擦副容易出现的擦伤、改善其润滑状态具有重要意义。 综上所述，“万灵霸”是一种综合性能优良的润滑油添加剂。在一般润滑油中加入少量该添加剂是提高普通润滑油品应用档次的有效而简易的途径，也是对付恶劣工况发生时(如缺油、渗水等)防止机器设备即刻发生磨损事故的可行办法。 我国铁路在国民经济各部门中是一个用油大户，大量的能源消耗于克服摩擦阻力，采用好的润滑油添加剂是一项重要的节约措施。铁路有许多设备需要保证良好的润滑，以货车车辆为例，全路拥有40多万辆(每节车辆4根轴8套轴承)，即300多万套轴承，其中滑动与滚动轴承约各占一半。随着铁路重载、高速运输的发展，轴承的润滑越发成为关键。建议在车轴油中、轴承脂中加入“万灵霸”添加剂，试用后推广，可望减少当前容易出现的燃轴事故和滚动轴承元件擦伤、剥