淺談摩擦學在滾動軸承中的應用

郭浩，杜三明，雷建中，曲紅利

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室,河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039；4.河南科技大學高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室，河南 洛陽 471003；5.洛陽LYC軸承有限公司,河南 洛陽 471039)

摩擦學(Tribolgy)[1]作為一門新興學科，包含摩擦、磨損與潤滑科學，是主要研究摩擦磨損過程中作相對運動的摩擦副表面的摩擦磨損與潤滑理論并實踐的科學與技術(包括潤滑材料和潤滑方法、設計和計算、摩擦機理與故障診斷、監測和預報以及摩擦材料和表面狀態等)。摩擦學涉及數學(分析數學和計算數學)、機械學、物理學、表面工程學、材料學、化學、流體動力學、熱力學等多學科的知識[2]。摩擦與磨損是發生在接觸界面上的極其復雜的行為，受到工作參數、環境條件、摩擦副材料、潤滑技術等諸多因素的影響，各因素之間存在著復雜的耦合及相互作用，摩擦磨損過程具有不可逆性和耗散性，因此摩擦學具有復雜性、系統性和學科綜合性等特點[3-4]。

摩擦現象很早就被發現，但由于種種原因，摩擦學的研究進展非常緩慢，直到15世紀，達·芬奇介紹了在滑動軸承磨損方面的研究，得出磨損隨著載荷的增加而加劇的結論[5]；1785年，庫侖在前人研究的基礎上用機械嚙合概念解釋干摩擦，最終提出摩擦理論[2];19世紀，摩擦磨損研究沒有突出進展;20世紀,Hardy W B和Tomlinson G A先后提出了摩擦的“黏附理論”，認為作用在接觸表面間的分子黏著力產生摩擦力[3]。文獻[6]在用材料研究干摩擦過程中引用黏著概念，并在1950年正式提出了黏著理論。同一時期Fttchsel M提出干摩擦是一種接觸表面的變形過程和隨后金屬變形后的剝離過程[4]。泰伯認為剪切和犁削作用在摩擦行為中的作用即是摩擦的分子-機械二重性[2]。二戰后，隨著工業和科學技術的發展，機器工作條件向高速、重載方向發展，對機器零件的可靠性和使用壽命、機器的效率和能耗以及在特定環境(如高溫、腐蝕介質等)下的工作都提出了特殊要求，使人們對摩擦磨損潤滑方面的研究興趣增大。文獻[2]首先提出摩擦過程中接觸表面間金屬的轉移，并研究了轉移與磨損間的關系。文獻[7]研究了氧化磨損的動態特征，在磨損過程與遷移(被磨掉)之間建立了平衡狀態：摩擦時，軟金屬向硬金屬轉移，轉移的金屬迅速被氧化，直至氧化膜限制了金屬的進一步轉移，隨后氧化膜被磨掉，這是個循環往復的過程。關于物體潤滑的研究，學者們最初觀察到了流體動壓現象。1886年，Reynolds在總結以上現象的基礎上建立了表征流體潤滑膜力學性能的Reynolds方程，奠定了流體潤滑的理論基礎[8]。20世紀50年代電子計算機在科學上廣泛應用，接觸彈性流體動壓潤滑理論發展迅速。近些年，固體潤滑得到了長足的進展。關于磨損的研究，學者們于20世紀50年代提出黏著理論后，各種表面分析儀器相繼被應用，磨損研究迅速發展。在綜合研究摩擦、潤滑和磨損相互關系的過程中，摩擦學逐漸形成一門學科。目前，摩擦學的研究發展已經由靜態特性研究轉為動態過程研究，由定性關系轉為定量關系，由宏觀現象分析進入微觀機理研究，由單一學科分散研究逐漸轉為對摩擦學系統諸多影響因素進行多學科的綜合研究[4]，并且隨著工業的高速發展，摩擦學在工業中的應用越來越廣泛。我國摩擦學的研究興起于1956年，經過60多年的發展，在世界范圍內影響力越來越高。2017年9月，北京成功舉辦了第六屆世界摩擦學大會。

現階段，摩擦學研究可劃分為7個方向：材料摩擦磨損，潤滑理論及應用，生物及仿生摩擦學，微納摩擦學，表面工程摩擦學，工業摩擦學，摩擦學設計。滾動軸承作為重要的基礎件與上述摩擦學板塊密切相關，如軸承的設計(摩擦學設計)，軸承材料的摩擦磨損，軸承的潤滑，軸承套圈的表面處理(表面工程摩擦學)，軸承的應用(工業摩擦學)。由此可見，滾動軸承的發展離不開摩擦學。

1 摩擦學在滾動軸承中的應用

滾動軸承作為重要的基礎件，廣泛應用于各工業領域。滾動軸承中摩擦副較多，如滾動體與內外圈滾道面的摩擦,滾動體與保持架兜孔的摩擦,潤滑劑與滾動體的摩擦,潤滑劑與內外圈滾道面的摩擦,甚至密封圈的摩擦。按摩擦產生機理，滾動軸承摩擦又可分為純滾動摩擦、滑動摩擦(滾動接觸表面上的差動、自旋等滑動摩擦；滑動接觸部位的滑動摩擦包括滾動體與保持架兜孔之間的滑動；保持架與套圈引導面之間的滑動；滾子端面與套圈擋邊之間的滑動； 密封軸承中密封件與套圈之間的滑動等等)、潤滑劑的黏性阻滯摩擦。對照現階段摩擦學研究方向，從滾動軸承材料摩擦磨損(對應于摩擦學材料摩擦磨損方向)、滾動軸承設計(對應于摩擦學設計摩擦學方向)、滾動軸承表面處理(對應于表面工程摩擦學方向)以及滾動軸承的潤滑(對應于摩擦學潤滑理論及應用方向)4個方面論述摩擦學在滾動軸承中的應用。

1.1 材料的摩擦磨損

滾動軸承壽命很大程度受軸承材料性能的影響，尤其是苛刻環境下。然而，由于滾動軸承摩擦副較多，摩擦必產生磨損，磨損到一定程度，軸承就會失效。磨損失效是滾動軸承失效的主要形式之一[9]。文獻[10]研究了Cr4Mo4V磨損性能，認為材料表面黏著磨損及疲勞磨損的凹坑會引起表面裂紋；文獻[11]對滾動軸承WEC失效進行摩擦學分析，認為WEC失效是摩擦材料、摩擦機械和摩擦化學微平衡的產物。因此，研究軸承材料的摩擦磨損，探究軸承材料的磨損機理，從材料角度尋求減少滾動軸承磨損，是有效提高滾動軸承壽命的方法之一。

1.2 結構設計(設計摩擦學)

隨著滾動軸承的廣泛應用，尤其是苛刻條件下，對滾動軸承的設計提出了更高的要求。滾動軸承設計的宗旨應是滿足應用條件要求，如SKF公司開發的高速角接觸球軸承[12]，為滿足高轉速(dm·n=1.05×106mm·r/min)，軸承設計做出如下改變：改進溝道面輪廓形貌，改變接觸角，改進保持架兜孔形貌，最終減少球與溝道面間的滑動，減少保持架兜孔力，進而減少保持架與球的摩擦，最終開發出滿足要求的高性能軸承。NSK通過軸承密封設計開發的高性能低摩擦密封件如圖1所示[13]。滾動軸承的設計在滿足客戶要求的同時，實現了盡量減少各摩擦副摩擦的效果。由此可見，摩擦學的應用有助于改進滾動軸承的設計。

圖1 NSK新型軸承密封結構Fig.1 Sealing structure of new bearing developed by NSK

1.3 表面處理與摩擦學

隨著對滾動軸承失效的深入統計分析，其失效往往發生在套圈或滾動體的表層及次表層；另外，在世界范圍內節省能源、減少污染的背景下，滾動軸承表面處理技術發展迅速。文獻[14]認為滾動軸承表面處理技術是以后的發展趨勢。無論傳統的表面處理技術，如滲碳、滲氮、PVD和CVD，還是新興的表面處理技術，如離子注入、激光表面改性、超聲波表面改性等，均有性能評價即耐磨性，這必然要通過摩擦試驗。文獻[15-17]分別研究了N離子注入對9Cr18表層磨損性能影響,金屬離子注入對Cr4Mo4V磨損性能的影響以及ZnO復合層處理的M50表層磨損性能。不同N離子處理工藝9Cr18表層磨損量對比結果如圖2所示[12]。文獻[18]采用天然抗氧化劑進行表面處理，明顯降低了摩擦因數(圖3)。通過研究經表面處理的表層的摩擦學特性，可以掌握改性層的性能及損傷機理，最終改善表面處理工藝，提高軸承性能和壽命。因此，摩擦學在滾動軸承表面處理技術中應用廣泛。

圖2 不同N離子處理工藝9Cr18表層磨損量對比Fig.2 Comparison of surface wear amount of 9Cr18 by different N ion treatment processes

圖3 天然抗氧化劑處理軸承表面摩擦因數對比Fig.3 Comparison of friction coefficients on bearing surface treated with natural antioxidants

1.4 潤滑(摩擦學潤滑理論)

滾動軸承的優異性能離不開潤滑的作用。滾動軸承失效很大程度是由于潤滑失效，即潤滑狀態的改變(潤滑劑污染、潤滑油膜厚度的改變)。一般來說，滾動軸承潤滑良好，潤滑油膜能完全隔離滾動體與套圈,使之處于彈流潤滑狀態；然而，軸承實際運轉過程中，滾動軸承往往處于混合潤滑狀態,甚至潤滑失效時滾動軸承處于干摩擦狀態，這些都與滾動軸承潤滑理論中油膜厚度變化有關。潤滑理論在不斷發展和完善，并應用于滾動軸承，文獻[19]詳細論述了滾動軸承潤滑理論。文獻[20]研究認為：油膜厚度hT=hR(增稠劑材料)+hEHL(流體彈性動力潤滑膜)；通過定義潤滑脂壽命并依據壽命試驗結果提出換油時間經驗公式為

L10=2.7L01。

另外，滾動軸承應用環境多樣，沒有一種特定的潤滑劑能滿足所有滾動軸承的潤滑狀態，因此，滾動軸承的潤滑還包括潤滑劑研發及應用。如NTN在潤滑劑中添加抑制劑形成氧化膜抑制H進入鋼基體，使其壽命提高約4倍[21]。文獻[22]研究了油脂化學成分對滾動接觸疲勞磨損的影響，認為增加增稠劑的皂含量，可增加油膜厚度，減少接觸磨損(圖4)。

圖4 不同潤滑試驗的磨損體積Fig.4 Wear volume for different lubrication tests

由此可見，摩擦學中潤滑理論與滾動軸承潤滑密切相關，且摩擦學有助于為實際工況選擇合適的潤滑劑。

2 摩擦學在滾動軸承中應用展望

2.1 與國外知名軸承企業差距

世界知名軸承企業均較重視摩擦學在滾動軸承中的應用，并廣泛開展相關研究。2012年，SKF投資了1.8億歐元用于研發，許多重要創新都是摩擦學的成果，如SKF能效型軸承、永不磨損涂層、陶瓷軸承、銅和聚合物保持架、特殊應用的超光潔軸承、表面網紋、油脂和潤滑劑規格以及低摩擦密封件等[23]。Schaeffler公司歷來重視摩擦學并已制定了軸承的摩擦學標準[24]。NSK公司更是把摩擦學知識作為4個核心技術(摩擦學技術、解析技術、材料技術、機電一體化技術)之一[25]。NTN公司把摩擦學作為其所有技術的基礎并以此進行技術延伸[26]，其技術樹如圖5所示。JTEKT公司以摩擦學為依據，通過材料開發及加工技術進行革新[27]。生產世界最小的球軸承(外徑僅1.5 mm)的NMB公司認為摩擦(潤滑)技術是減少摩擦磨損必不可少的，近半個世紀積累的潤滑技術確保其根據產品應用進行潤滑設計[28]。由此可以看出，國外著名的軸承企業均較重視摩擦學及其在滾動軸承上的應用。

圖5 NTN技術樹Fig.5 Technical tree of NTN

國內軸承企業對摩擦學在滾動軸承中的應用重視較少，且國內摩擦學研究者多數不從事軸承相關工作，而軸承從業者較少系統地了解摩擦學知識。這一現狀與國外摩擦學發展的境況截然相反。因此，從摩擦學在滾動軸承應用方面來看，我國軸承企業與國外軸承企業存在較大差距，這或許是我國高端軸承產品質量不如國外軸承企業的原因之一。因此，如何有效地將摩擦學應用于滾動軸承，改善滾動軸承摩擦損耗(低摩擦、低能耗)，提高滾動軸承性能及壽命，是未來軸承發展的方向之一。

2.2 展望

現階段滾動軸承發展一方面趨向于高可靠、長壽命,另一方面趨向于節約能耗,減少環境污染。而運用摩擦學知識可以減少滾動軸承摩擦副的摩擦，改進滾動軸承材料、滾動軸承的設計、軸承表面處理技術，改善滾動軸承的潤滑狀態，提高軸承性能，進而延長滾動軸承壽命。因此，對摩擦學在滾動軸承的應用提出如下建議：

1)開展滾動軸承減摩耐磨設計。運用摩擦學知識優化軸承設計，改善滾動軸承中摩擦副的摩擦狀態。

2)進行滾動軸承的潤滑劑研發及潤滑理論研究。滾動軸承型號較多且應用環境不同，通過潤滑理論基礎研究，探求相應軸承的最佳潤滑方式以及研發性能優異的潤滑劑，從而改善軸承性能，提高軸承壽命。

3)自潤滑軸承材料研發。滾動軸承的發展離不開軸承材料的發展，然而苛刻環境下(如航空航天)傳統的潤滑方式不再適合，新穎的潤滑方式(如自潤滑)則較為重要。當前軸承的自潤滑主要以軸承表面進行固體潤滑或保持架浸油的方式實現，開發性能優越的軸承自潤滑材料是有效的方式之一。

4)滾動軸承表面工程技術研究。目前軸承表面工程技術是軸承延壽的熱點之一，開展滾動軸承表面工程技術系統研究，如離子注入、表面改性(噴涂、超聲波加工)等，擴大苛刻環境下滾動軸承的應用范圍，同時提高滾動軸承壽命。

3 結束語

摩擦學與軸承聯系緊密，利用摩擦學知識有益于改善滾動軸承性能，提高其壽命。國外知名軸承企業均比較重視摩擦學在滾動軸承中的應用,而國內軸承企業對摩擦學認識不夠，摩擦學與滾動軸承的聯系較少，與國外軸承企業的差距較大。當前國內軸承產量較大，質量不高。要實現軸承行業從產量大國到質量強國的轉變，需重視摩擦學在滾動軸承上的應用。只要努力改進，未來摩擦學在滾動軸承中的應用必居于世界軸承企業的前列。