乏油潤滑時LGS30AA滾動直線導軌副的實驗與分析*

趙美玲，關景開

（廣東凱特精密機械有限公司，廣東江門 529100）

0 引言

滾動直線導軌副（簡稱導軌副）具有動摩擦系數小，定位精度高，可承受速度范圍大等優點[1]，廣泛應用在各種制造裝備中。實際應用時，忽略對導軌副的合理潤滑的情況時有發生，使其處于乏油狀態，即潤滑不足或無油潤滑/干摩擦狀態，導致其工作壽命大幅降低，甚至快速磨損失效[2]。

導軌副工作時，滾珠從導軌和滑塊上的4 條經淬火、精磨而成的圓弧溝槽構成的滾道（圖1），進入反向器滾道，即從承載滾道進入卸載滾道，實現滾珠的無限循環運動和滑塊的往復直線運動。其摩擦磨損過程與滾珠軸承有相似，服役失效成因主要是潤滑不良[3-6]，即未按時按量添加生產廠家指定的、與工況相匹配潤滑油/脂潤滑，導致其處于乏/無油潤滑工況所造成。

針對上述問題，本文在乏油潤滑和潤滑油選用不當的工況下進行了LGS30AA 滾動導軌副實驗，對其服役周期的性能、壽命及失效機理進行分析研究和實驗驗證，旨在讓用戶正確使用導軌副，避免不必要的故障，保障其全周期服役性能，提高經濟效益。

圖1 導軌副結構

1 乏油潤滑工況下導軌副的壽命實驗

1.1 試驗目的及評價方法

試驗目的：測試導軌副在乏/無油潤滑等不合理工況下使用壽命。

評價方法：根據采集導軌副在運行過程中的溫度、噪聲、拖動力和觀察檢測導軌副溝槽和鋼球表面形貌特征進行失效分析評價。

1.2 試驗條件

（1）試驗對象

某企業生產的LGS30 AA P2 1×4000 型滾動導軌，如圖2所示。導軌與滑塊材料分別為GCr15 和20CrMoA。測試時，導軌副（未裝密封件）拖動力為6 N。

圖2 LGS30 AA P21×4000 型滾動導軌

圖3 滾動導軌副測試系統

（2）實驗裝置

試驗裝置[7]如圖3所示。噪聲信號是通過兩通道噪聲頻譜測試儀采集，測試時噪聲儀距離測試導軌副垂直距離500 mm，測試儀分辨率0.1 dB，測量誤差±1 dB。溫度檢測采用紅外線測溫計，測試時測溫計距離被測物表面100 mm處，分辨率為0.1 ℃，測量誤差±1 ℃。

（3）環境

室內環境溫度為24.2 ℃，相對濕度為60%，噪聲為52 dB，試驗前滑塊溫度為24.5 ℃。

1.3 實驗

實驗時導軌副不施加額外負載，滑塊往復循環運行，速度為100 m/min，行程為2 000 mm。

實驗前導軌副不添加油脂，并將導軌、滑塊、鋼球表面擦拭干凈，該狀態下的導軌副可認為是在乏油/無潤滑的特殊狀態，考核其摩擦磨損狀況以及可能的工作壽命。試驗時，滑塊每運行5 km采集噪聲、溫度和拖動力數據，并停機觀察導軌副溝槽表面磨損情況。圖4所示為實驗前導軌溝槽表面狀況。

圖4 導軌試驗前溝槽表面

1.4 實驗結果

實驗過程中，觀察并記錄了被測滾動直線導軌副在不同實驗里程的噪聲、溫度和拖動力數據以及表面摩擦磨損狀況，如圖5～8和表1所示。

圖5 LGS30 AA P2 1×4 000型滾動導軌實驗結果

表1 實測數據及導軌溝槽磨損情況

圖6 導軌溝槽表面（運行10 km后）

圖7 導軌溝槽表面開始變紅（運行25 km后）

圖8 實驗里程70 km后磨損狀況

由圖8可看出，乏油潤滑實驗里程70 km后密封件完全失效，圖9所示為實驗后導軌和滑塊溝槽表面以及鋼球表面出現磨損和剝落物，其壽命快速喪失，而導軌副正常工作壽命為100 000 km。

圖9 實驗里程70 km前后滾珠

2 選用不同型號潤滑油的磨損試驗

實驗條件與1.2節所述相同，實驗對象為同一批次同一型號的LGS30AA的兩根導軌副。實驗時，滑塊上施加了4 600 N垂直向下負荷，往復運行速度為10 m/min、行程1 200 mm。不同型號潤滑油分別為32 號和68 號油，由定量分配器以0.3 cm3/h 速度進行供油，確保油量充分，實驗結果如表2 所示。使用32 號油潤滑的導軌副運行12 h（實驗里程7.2 km）后，發現油變紅，滑塊與導軌表面粘有紅色粘附物如圖10所示；使用68號油潤滑導軌副運行450 h（實驗里程270 km）后，滑塊與導軌表面對比實驗前的初始狀況無明顯變化，如圖11所示。

表2 使用32號、68號潤滑油導軌溝槽磨損情況

圖10 32號潤滑油，實驗里程7.2 km后

圖11 68號潤滑油，實驗里程270 km后

本次試驗是低速重載條件下對油品的潤滑效果試驗。在這樣的低速重載條件下運行，32 號潤滑油黏度低，油膜厚度不夠，不能充分把摩擦面隔開，造成潤滑不足，摩擦加劇，導致局部溫度升高，加速潤滑油氧化變質。油氧化變質又引起潤滑不良、形成氧化副產物如紅色油泥等，嚴重影響導軌壽命。

3 試驗結果分析

根據摩擦磨損的基本原理[8-10]，分析圖3～5和表1，可將導軌副磨損大致分為磨合、穩定磨損和急劇磨損3 階段，乏/無油潤滑和充分潤滑磨損狀況對比如圖12 所示。對3 個階段摩擦磨損分析如下。

圖12 導軌副磨損狀態示意圖

3.1 乏油潤滑磨損階段（0～20 km）

由于試驗前導軌副不添加油脂，且將導軌、滑塊、鋼球表面擦拭干凈，但仍有油膜粘附在各零件的表面，該狀態并不是完全理想的干摩擦，而是一種乏油潤滑狀態。運行10 km后的導軌溝槽，與實驗前的導軌溝槽進行對比可知表面無明顯變化。

該段主要為黏著磨損，又稱咬合磨損，接觸面有潤滑，但滑塊、導軌的溝槽部位存在微刀痕，磨損較快，有少量微粒脫落。如果在該階段有良好的循環潤滑帶走脫落微粒，則下一段則進入穩定的、正常磨損階段，可保證運行到正常工作壽命。該階段后期（實驗里程15～20 km），粘附在摩擦副表面的油膜已基本耗盡，摩擦副開始進入無油潤滑/干摩擦狀態，摩擦副表面局部溫度升高，開始剝落出少量金屬顆粒，暴露在空氣中形成紅褐色的氧化鐵顆粒，由滑塊推移到導軌的兩端，如圖7所示。該里程段溫度、噪聲持續升高，拖動力持續下降，如圖5（c） 所示。

3.2 無油潤滑/干摩擦階段 （20～45 km）

該階段基本處于無油潤滑/干摩擦工況，隨著黏著磨損的加劇，滾珠與滑塊、導軌溝槽的表面會產生金屬顆粒剝落，隨著顆粒的增多，磨料磨損現象逐漸增加，摩擦副兩表面在相對運動中，剝落的硬質顆粒或表面凸起部分造成摩擦表面的脫落，稱為磨料磨損。此階段是二體磨損轉化為三體磨損的過程，即開始在摩擦副表面之間加入了外來物，或由摩擦副自身產生的磨粒，三體磨損主要為磨料磨損。隨著磨料磨損增加，溫度升高，剝落的金屬顆粒增多，并暴露在空氣中形成紅褐色的氧化鐵顆粒，由滑塊推移到導軌的兩端，如圖8所示。此階段特點是：前段以黏著磨損和磨料磨損共存，后段基本是磨料磨損。對導軌副的綜合性能而言，這個階段已是失效。

3.3 急劇磨損→失效運行階段（45～70 km）

由于該階段基本處于無油潤滑/干摩擦工況，該階段特點是：導軌副的摩擦磨損進入惡性循環，即磨損加劇、脫落顆粒增多→預緊力消失/導軌副間隙產生→運動的滑塊產生振動→產生尖銳噪聲。實際滾動導軌副在乏油/無油潤滑（干摩擦）使用時，以上分析的幾個過程并無明顯界限。

3.4 現象的分析與討論

（1） 導軌副溝槽亮帶與滾珠表面形貌

導軌副在理論上處于點接觸的純滾動狀態，具有動摩擦系數小的優點，但實際運轉中，接觸區仍存在微滑動（差動滑動），產生摩擦熱量和功率損失使導軌副溫度升高，在乏/無油潤滑工況下，硬性顆粒在導軌/滑塊溝槽的表面滑動，產生磨料磨損和機械損傷，形貌特征為無方向性的線狀光亮帶[11]。后期產生局部剝落受損，形貌上呈現麻點和淺凹坑等，如圖8（b）所示。同時密封件嚴重磨損，導軌副徹底失效。

（2） 噪聲的產生[12]

如圖1 所示，導軌副工作時，滾珠從導軌和滑塊構成的圓弧溝槽進入反向器的滾道，即從承載滾道進入卸載滾道，實現滾珠的無限循環運動和滑塊的往復快速直線運動，這兩種運動是產生噪聲的根源。潤滑良好時，理論上滾珠與溝槽表面存在油膜，無直接接觸，噪聲可控制小于65 dB。在無潤滑、高速或導軌副預緊力消失（甚至出現間隙）的工況下運行，滾珠直接與溝槽和反向器滾道發生摩擦、沖擊碰撞，導致滑塊明顯振動，并伴隨產生尖銳噪聲，其值增至88～90 dB，如表1所示。

（3）磨粒分析

在乏油油潤滑的工況下，導軌副運行60 km后，滑塊與導軌的溝槽、鋼球均磨損嚴重，拖動力下降為零。密封端蓋磨損嚴重，溝槽位置破損嚴重。圖8（d）所示的堆積在導軌的兩端的顆粒，結果表明，摩擦副早期的黏著磨損是其承載面上產生滑動摩擦，初期顆粒較小，如發生更嚴重黏著滑動，磨粒呈撕扯條狀，摩擦副表面有平行劃痕亮帶。黏著磨損再進一步發展，磨粒局部乃至整體呈紅褐色。是承載面潤滑油膜破裂或無潤滑油，導致金屬表面微凸體直接摩擦接觸、形成局部過熱引起的[9-10]。

磨料磨損產生的顆粒是摩擦副異常磨損的標志，嚴重破壞摩擦副表面。該磨損主要是由于摩擦副工作過程中表面脫落硬質固體顆粒以及外來異物導致的。本文實驗過程產生的紅褐色切削磨損顆粒，如圖8（d）所示，符合上述分析，屬于導軌、滑塊溝槽和鋼球表面脫落硬質固體顆粒。

4 結束語

滾動直線導軌副是精密的直線導向功能部件，廣泛應用各種制造裝備，對導軌副合理潤滑直接影響其運動穩定性、精度、磨損、噪聲、振動等。本文通過對LGS30AA滾動導軌副磨損實驗與分析，得出以下結論。

（1）在乏油/無潤滑的工況下，滾動導軌副磨損主要為磨料磨損，其實驗里程不超過60 km，遠小于正常工作壽命。

（2）在充分潤滑的前提下，不同工況下正確使用潤滑油直接關系到滾動導軌副的壽命。在本文低速重載試驗中的采用32 號潤滑油時，實驗里程在7.2 km 時，潤滑油就開始變紅，滑塊與導軌表面粘有紅色粘附物；而68號潤滑油能滿足使用要求。

總之，導軌副的滑潤要根據其使用過程的工作速度，承載情況以及環境等因素綜合做出選定。