高速鐵路軸箱軸承納米潤滑脂摩擦學性能試驗研究

尹延經，何強，楊立芳，王世峰，牛青波

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.安陽工學院，河南 安陽 455000）

高速鐵路是指新建鐵路營運速度250 km／h以上或改建鐵路營運速度200 km／h以上的鐵路系統［1］。軸箱軸承作為鐵道車輛走行傳動裝置的重要組成部分，可將車體重量和載荷傳遞給輪對，減少摩擦、降低運行阻力。高速鐵路軸箱軸承采用脂潤滑方式潤滑［2］，潤滑脂性能直接影響軸箱軸承的可靠性和壽命。與國外同類型產品相比，鐵道車輛滾動軸承IV型潤滑脂的極壓和抗磨性能已不能滿足高速鐵路軸箱軸承長壽命、高極壓、低摩擦等性能要求［3］。納米顆粒具有優異的物理化學特性，納米潤滑技術受到摩擦學研究領域廣泛關注［4］，將其作為高速鐵路軸箱軸承潤滑脂添加劑可提高潤滑脂的極壓、抗磨性能［5］，對研究高速鐵路軸箱軸承的潤滑脂具有重要參考價值。

1 納米潤滑脂合成

選用的WS2納米顆粒呈片狀（圖1a），硬度小，平均粒度（APS）為60 nm，具有優良的摩擦學性能［6］；選用的Si3N4納米顆粒成球狀（圖1b），硬度大，平均粒度為20 nm，具有一定的摩擦學性能和抗氧化性能［7］。采用某公司鐵路軸箱軸承潤滑脂作為基礎脂，其與IV型潤滑脂、國外鐵路軸承潤滑脂的理化參數對比見表1。室溫下，將不同質量分數的WS2和Si3N4納米顆粒加入基礎脂中，在超聲波作用下攪拌，再用三輥研磨機研磨3遍，制備成納米潤滑脂。

圖1 納米顆粒形貌

表1 鐵路軸承潤滑脂性能參數對照表

2 試驗及檢測

2.1 試驗方案

基礎脂中WS2納米顆粒添加量（質量分數）分別為0.5%，1.0%，1.5%和2.0%；Si3N4納米顆粒添加量（質量分數）分別為0.1%，0.2%，0.3%和0.4%。采用完全析因試驗方案［8］，見表2。

表2 完全析因試驗方案表 w，%

2.2 檢測方法

采用杠桿式四球機，依據SH／T 0202—1992《潤滑脂極壓性能測定法（四球機法）》，測量納米潤滑脂的最大無卡咬載荷PB，測量2次并取較小值，試驗后測量PB值對應的鋼球磨斑直徑。采用MRS-10P四球摩擦磨損試驗機，按照SH／T 0204—1992《潤滑脂抗磨性能測定法（四球機法）》，對納米潤滑脂進行抗磨性能測試，試驗條件：主軸轉速1 200 r／min，試驗時間60 min，試驗溫度75℃，試驗載荷（392±2）N。抗磨性能試驗后，測得納米潤滑脂摩擦因數（重復3次，取平均值）。用丙酮清洗鋼球磨斑，采用精度為0.01 mm的直讀式顯微鏡測量鋼球磨斑直徑，采用JSM-6380LV掃描電鏡（SEM）觀察磨斑形貌。

3 結果與討論

3.1 WS2納米顆粒在基礎潤滑脂中的極壓抗磨特性

PB值隨WS2納米顆粒添加量變化曲線如圖2所示。WS2納米潤滑脂PB值及其對應的鋼球磨斑直徑如圖3所示。由圖2可知，在一定范圍內，潤滑脂PB值隨著WS2納米顆粒添加量的增加而增大，當其達到一定值時，PB值反而降低，最大PB值相對于基礎潤滑脂的PB值（940 N）提高了21%；僅考慮潤滑脂PB值，其最佳添加量為1.0%～2.0%。由圖3可知，潤滑脂PB值對應的磨斑直徑隨著WS2納米顆粒添加量的增加而增大，WS2納米顆粒提高了潤滑脂油膜強度，結合WS2納米顆粒的形貌及物理特性，這是由于納米顆粒潤滑機理中的薄膜潤滑機理作用效果。

圖2 P B值隨WS2納米顆粒添加量的變化曲線

圖3 磨斑直徑隨WS2添加量變化，%

WS2納米顆粒對潤滑脂摩擦因數的影響曲線如圖4所示。由圖可知，當WS2納米顆粒添加量小于1.5%時，潤滑脂摩擦因數隨著添加量的增加而降低；當WS2納米顆粒添加量大于1.5%時，摩擦因數升高。僅考慮潤滑脂摩擦因數的影響，其最佳添加量為1.0% ～2.0%。其中WS2納米顆粒添加量為1.5%時，潤滑脂摩擦因數最小，相對于基礎潤滑脂摩擦因數0.082 6，其值降低了17.1%。由此可見，WS2納米顆粒可顯著改善基礎潤滑脂的抗磨減摩和抗極壓性能。

圖4 WS2納米顆粒對潤滑脂摩擦因數的影響

3.2 Si3 N4納米顆粒在基礎潤滑脂中的極壓抗磨特性

潤滑脂PB值及所對應的鋼球磨斑直徑隨Si3N4納米顆粒添加量的變化曲線分別如圖5和圖6所示。由圖5可知，Si3N4納米顆粒添加量小于0.1%時，潤滑脂PB值隨著添加量的增加而增大；當添加量在0.1% ～0.3%時，PB值反而降低；當添加量大于0.3%時，PB值保持不變。僅考慮潤滑脂PB值，其添加量應小于0.2%。Si3N4納米顆粒添加量為0.1%時，相對于基礎潤滑脂，其PB值提高了6.4%。由圖6可知，潤滑脂PB值對應的磨斑直徑先增加，再減小，然后再增加。先增加是由于Si3N4納米顆粒提高了基礎潤滑脂的油膜強度，載荷增加；再減小是由于載荷減小和納米顆粒輕微團聚現象造成的；最后增加是由于納米顆粒含量增加，團聚現象嚴重，不利于接觸表面形成潤滑油膜，在相同載荷作用下，鋼球接觸區域嚴重磨損。

圖5 P B值隨Si3 N4納米顆粒添加量的變化曲線

圖6 磨斑直徑隨Si3 N4添加量的變化曲線

Si3N4納米顆粒對潤滑脂摩擦因數的影響曲線如圖7所示。由圖可知，Si3N4納米顆粒添加量小于0.1%時，潤滑脂摩擦因數隨著添加量的增加而降低；添加量大于0.1%時，摩擦因數升高；當添加量為0.1%時，潤滑脂的摩擦因數最小，相對于基礎潤滑脂降低了8.2%。Si3N4納米顆粒對潤滑脂摩擦因數降低量大于PB值提高量，結合Si3N4納米顆粒的形貌及物理特性，這是由于納米顆粒潤滑機理中的類滾動軸承潤滑機理的作用效果。由此可見，Si3N4納米顆粒在一定程度上可改善基礎潤滑脂的極壓抗磨特性。

圖7 Si3 N4納米顆粒對潤滑脂摩擦因數的影響

3.3 WS2-Si3 N4復合納米顆粒在基礎潤滑脂中的極壓特性

試驗測得的復合納米顆粒潤滑脂PB值見表3，其中，WS2納米顆粒添加量為因素A，Si3N4納米顆粒添加量為因素B，雙因素重復試驗方差分析見表4。表中，r為因素水平A的個數；s為因素水平B的個數；t為試驗次數。

表3 復合納米潤滑脂的P B值

表4 雙因素試驗方差分析表

由表3可得，僅考慮潤滑脂極壓性能，A1501潤滑脂的PB值最高，相對于基礎潤滑脂PB值，其值提高了36.2%。

由表4中公式計算可得FA＝50.997 21，取精度α ＝0.005，Fα（r－1，rs（t－1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FA＞6.3，因此，在復合納米潤滑脂中，WS2納米顆粒添加量對PB值的影響顯著；FB＝48.634 4，取精度α ＝0.005，Fα（s－1，rs（t－1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FB＞6.3，因此，在復合納米潤滑脂中，Si3N4納米顆粒添加量對PB值的影響顯著；FA×B＝5.345 19，取精度α＝0.005，Fα（（r－1）（s－1），rs（t－1））＝F0.005（9，16），查F分布表可得F0.005（9，16） ＝4.38，由于FA×B＝5.345 19＞4.38，因此，對于復合納米潤滑脂的PB值，Si3N4和WS2納米顆粒交互作用效應顯著。

3.4 WS2-Si3 N4復合納米顆粒在基礎潤滑脂中的抗磨減摩特性

復合納米顆粒潤滑脂摩擦因數見表5，雙因素無重復試驗方差分析表同表4。

由表5可知，僅考慮潤滑脂抗磨減摩性能，1501潤滑脂摩擦因數最低，相對于基礎潤滑脂摩擦因數，其摩擦因數降低了21.2%。

表5 復合納米潤滑脂摩擦因數

由表4中公式計算可得FA＝96.889 47，取精度α＝0.005，Fα（r-1，rs（t-1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FA＞6.3，因此，在復合納米潤滑脂中，WS2納米顆粒添加量對摩擦因數的影響顯著；FB＝267.087 4，取精度α＝0.005，Fα（s-1，rs（t-1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FB＞6.3，因此，在復合納米潤滑脂中，Si3N4納米顆粒添加量對摩擦因數的影響顯著；FA×B＝13.325 52，取精度α＝0.005，Fα（（r-1）（s-1），rs（t-1））＝F0.005（9，32），查F分布表可得F0.005（9，32）＝3.45，由于FA×B＞3.45，因此，對于復合納米潤滑脂的摩擦因數，Si3N4和WS2納米顆粒交互作用效應顯著。

3.5 鋼球磨斑形貌分析

4種典型試樣鋼球磨斑SEM圖如圖8所示。由圖可知，基礎潤滑脂鋼球磨斑表面粗糙度大，且有疲勞剝落，磨損嚴重；添加0.1%的Si3N4納米顆粒，在一定程度上磨斑形貌得以改善，紋路勻稱，表面粗糙度降低，無嚴重凸起和凹陷，壓痕輕微，疲勞剝落減少，提高了潤滑脂潤滑性能；添加1.5%的WS2納米顆粒，磨斑形貌明顯改善，紋路勻稱，表面粗糙度降低，且并無疲勞剝落；添加1.5%的WS2納米顆粒和0.1%的Si3N4納米顆粒比只添加單一納米顆粒的磨斑表面粗糙度更低，且無疲勞剝落，因此，復合納米顆粒可顯著改善基礎脂的潤滑性能。

圖8 鋼球磨斑的SEM圖

4 結論

（1）一定范圍內，潤滑脂PB值隨納米顆粒添加量的增加而增大，達到一定值時，PB值降低。相對于基礎潤滑脂，添加1.5%的WS2納米顆粒的潤滑脂PB值提高了21%，添加0.1%的Si3N4納米顆粒的潤滑脂PB值提高了6.4%。

（2）一定范圍內，潤滑脂摩擦因數隨納米顆粒添加量的增加而降低，達到一定值時，摩擦因數增大。相對于基礎潤滑脂，添加1.5%的WS2納米顆粒的潤滑脂摩擦因數降低了17.1%，添加0.1%的Si3N4納米顆粒的納米潤滑脂摩擦因數降低了8.2%。

（3）相對于基礎潤滑脂，在其中添加1.5%的WS2納米顆粒和0.1%的Si3N4納米顆粒時，其PB值提高了36.2%，摩擦因數降低了21.2%，鋼球磨斑直徑為0.44 mm，復合納米潤滑脂的極壓性能和抗磨減摩性能得以改善，WS2和Si3N4納米顆粒交互作用效應顯著。