兩種航空潤滑脂對不同配副材料的摩擦學性能對比探究

鮑茂寬，鄭 帥，段小帥

（1.東北農業大學，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

潤滑脂廣泛應用于機械傳動部件，以齒輪為例，齒輪的應用環境比較復雜，對其要求也比較嚴格，這就要求潤滑脂的極壓性能，溫度特性比較好，因此研究出適用于多種復雜環境的潤滑脂越來越重要，國內外的齒輪潤滑脂已有許多成品，如埃索的 DYNAGEAR、美孚的 OGL-007、中石化的齒輪專用潤滑脂牌號有7412、7414等[1～4]。長城公司著重分析了稠化油及半流體脂的抗磨性能與極壓性能[5]。后勤工程學院分析了機械傳動部件專用潤滑脂的摩擦學性能以及潤滑機理[6～8]。上海大學將超細顆粒添加到潤滑脂中并分析其摩擦學性能[9]。

航空潤滑脂作為一種新型的潤滑脂，其具有多種牌號，可適用于不同的環境，本文選擇了兩種具有代表性的航空潤滑脂7011與7015，對其的摩擦學性能進行研究，同時為了形成對比，本文還選擇了兩種不同配副材料軸承鋼與不銹鋼，研究不同潤滑脂對不同配副材料的摩擦學行為的不同。

1 實驗設備

本文選用型號為MRS-10某公司的四球摩擦磨損試驗機，見圖1，評價7011航空潤滑脂的摩擦磨損性能。選用哈軸的GCr15軸承鋼球，首先利用丙酮將鋼球超聲清洗20分鐘，再將其安裝在四球機上進行實驗，記錄實驗數據。在使用CMM-20E型倒置金相顯微鏡測量磨斑直徑的大小，實驗結果取多次的平均值。

圖1 四球摩擦磨損試驗機Fig.1 The pattern of the four ball friction and wear testing machine

2 7011號潤滑脂的減摩抗磨性能研究

7011號潤滑脂擁有較好的極壓性能，適用于重載工況潤滑，如飛機的起落架軸承、螺桿、鏈條、齒輪等。應用溫度范圍廣，大致為-60～120℃，可以適用于比較惡劣的環境，性能與英國DTD900/4439的標準相當。

2.1 探究GC15軸承鋼的摩擦特性

2.1.1載荷條件對摩擦效果的影響

如圖2在304N載荷條件下的摩擦系數與時間曲線，從圖可以看出前半個小時摩擦系數比較大且波動較大，后半個小時摩擦系數有所下降，原因可能是開始時潤滑脂的粘滯阻力比較大導致摩擦系數較大，當機器運行一段時間后溫度上升，粘滯阻力下降，摩擦系數趨于穩定。

圖2 304N條件下摩擦系數與時間曲線Fig.2 The curve of the friction coefficient with time under the condition of the load of 304N

圖3為載荷與平均摩擦系數及磨斑直徑關系圖，從圖3（a）可以看出摩擦系數雖然有些波動但變化比較小，可見載荷對摩擦系數影響較小，7011的承載能力較強。從圖3（b）可以看出隨著載荷升高，磨斑直徑也在不斷升高，這符合摩擦學規律，磨斑直徑受載荷變化影響較大。

圖4為載荷變化條件下的磨斑金相圖，從圖中可以看出隨著載荷升高磨斑在不斷變大。

圖3 載荷與平均摩擦系數及磨斑直徑關系圖Fig.3 The graph of the load with the average friction coefficient and with the diameter of the wear scar

圖4 載荷變化條件下的磨斑金相圖Fig.4 The graph of wear scar under the condition of load transformation

2.1.2 轉速條件對摩擦效果的影響

圖5為轉速與平均摩擦系數及磨斑直徑關系圖，從圖5（a）可以看出摩擦系數隨轉速的升高而下降，原因可能是低轉速時未形成較完整的油膜，導致摩擦系數較大，當轉速提高時形成良好的油膜，摩擦系數下降。從圖5（b）可以看出磨斑直徑雖然有些波動但變化比較小，變化范圍：500μm～600μm，可見轉速對磨斑直徑影響較小。

圖5 轉速與平均摩擦系數及磨斑直徑關系圖Fig.5 The graph of the speed with the average friction coefficient and with the diameter of the wear scar

圖6為轉速變化條件下的磨斑金相圖，從圖中可以看出磨斑大小存在波動但無明顯的上升和下降的規律。

圖6 轉速變化條件下的磨斑金相圖Fig.6 The metallography graph of wear scar under the condition of changing speed

2.2 對比440C不銹鋼的摩擦特性

如圖7為摩擦材料為440C不銹鋼在載荷為392N轉速為1450rpm的工況下的摩擦系數與時間曲線，從圖可以看出摩擦系數變化波動巨大，且伴隨刺耳的響聲，到970S時四球摩擦磨損試驗機卡停，表示發生卡咬，且最高摩擦系數達到0.24，相比于下文的7015潤滑脂運行時間長且轉速和載荷都比較高，說明7011潤滑脂在承載能力上性能是比較優異的，同時也說明了440C不銹鋼不適用于行星滾柱絲杠的材料。

圖7 摩擦系數與時間曲線Fig.7 The curve of friction coefficient and time

3 7015號潤滑脂的減摩抗磨性能研究

7015號潤滑脂的應用溫度范圍較寬，具有耐高溫和高滴點的特點，被廣泛應用于如精密儀表、同步陀螺儀、伺服電機等精密儀器，不適用于重載工況下的齒輪及軸承的潤滑，其應用溫度范圍為-70～180℃，性能穩定，應用范圍廣。

3.1 探究GC15軸承鋼的摩擦特性

7015的承載能力較弱，不適用于高轉速、重載荷的工作條件，如圖8為四球摩擦磨損試驗機所能達到的最小轉速200rpm和最小載荷88N測量三分鐘的摩擦系數與時間曲線，可以看出摩擦系數突變且發生了卡咬，摩擦系數最高可達到0.4以上，且機器發生刺耳響聲，說明7015不適用于行星滾柱絲杠的工作條件。

圖8 摩擦系數與時間曲線Fig.8 The curve of friction coefficient and time

3.2 對比440C不銹鋼的摩擦特性

如圖9為440C不銹鋼在載荷為88N轉速為200rpm情況下的摩擦系數與時間曲線，從圖可以看出其規律與GC15軸承鋼在7015潤滑的情況相似，都是波動較大，且發出刺耳的響聲，說明無論是GC15軸承鋼還是440C不銹鋼其在7015潤滑脂潤滑的情況下，摩擦效果都不是很好，7015不適用于重載工況。

圖9 摩擦系數與時間曲線Fig.9 The curve of friction coefficient and time

4 結論

本文研究7011潤滑脂在行星滾柱絲杠材料為GC15軸承鋼條件下的摩擦效果，實驗控制轉速不變為1450rpm， 載荷為 206N、304N、392N、510N、598N 五種變換，得出規律為7011潤滑脂潤滑效果受載荷影響不大，磨斑直徑隨載荷的升高而增大，當控制載荷為392N 不變， 轉速為 800rpm、1000rpm、1200rpm、1450rpm、1600rpm五種變換，得出規律為7011潤滑脂潤滑效果受轉速影響，規律為隨轉速的升高摩擦系數在下降。

在7011潤滑脂作為潤滑劑條件下440C不銹鋼的摩擦效果，實驗條件控制為轉速為1450rpm，載荷為392N，實驗時間預設為3600s，實驗運行到970s時機器發生卡停，摩擦系數最高可達0.24，說明在此工況下440C不銹鋼的油膜破裂，導致機器卡停。

實驗條件設定為載荷為88N、轉速為200rpm，GC15軸承鋼、440C不銹鋼在7015潤滑脂潤滑條件下均發生卡咬，且機器發出刺耳的響聲，說明7015潤滑脂在該種工作條件下潤滑效果不佳。

[1]李輝.7408號半流體潤滑脂的研制[J].合成潤滑材料，1989，1.

[2]肖存亮.7414號齒輪潤滑脂的研制[J].合成潤滑材料，1997，4.

[3]盧現菊，蔡家成.TD機車牽引齒輪潤滑脂[J].合成潤滑材料，2003，3.

[4]呂英華，劉佩倉.一種重負荷開式齒輪潤滑脂及其制備方法：CN104164277A[P].2014.

[5]王國金，李梅，湯濤，等.半流體潤滑脂和稠化油的極壓抗磨性研究[J].潤滑與密封，2000，2.

[6]蔣明俊，董浚修.齒輪潤滑脂的摩擦化學[J].潤滑與密封，1997，6.

[7]蔣明俊，郭小川，姜秉新.半流體脂流變特性的研究[J].合成潤滑材料，1997，2.

[8]蔣明俊，董浚修.半流體脂的流變性與潤滑機理研究[J].潤滑與密封，1999，1.

[9]張玉偉，付尚發，陶德華.幾種超細粒子在半流體脂中的摩擦行為[J].潤滑與密封，2002，6.