凹坑織構(gòu)位置對81107軸承摩擦磨損性能的影響

金志浩，趙 琛，龍日升，張義民

（沈陽化工大學(xué)裝備可靠性研究所，遼寧 沈陽 110142）

1 引言

在機械運動中，因摩擦磨損造成的能源損耗約占設(shè)備總能耗的1∕3。因此，如何經(jīng)濟、高效和可控地減少機械系統(tǒng)的摩擦磨損，一直是科學(xué)研究的熱點。摩擦磨損是軸承的主要失效形式之一。相關(guān)研究表明，摩擦副表面并不是越光滑，它的摩擦性能就越好[1]。合理的織構(gòu)分布能顯著改善摩擦副的潤滑和承載能力，發(fā)揮積極的減摩作用。

綜合目前的研究結(jié)果來看，不同的試樣材料、潤滑條件以及表面織構(gòu)的形狀（如凹坑、溝槽、橢圓）、幾何參數(shù)（如直徑、寬度、深度）、排布方式、位置分布等都對摩擦副的摩擦磨損有顯著影響[2-5]。文獻[6]對理想織構(gòu)分布、加劇摩擦磨損的織構(gòu)分布以及無影響的織構(gòu)分布進行了研究，發(fā)現(xiàn)凹坑體積太小或者分布太稀疏，不能產(chǎn)生任何效果；凹坑尺寸太大或者密度太大又會導(dǎo)致承載面積減小，摩擦磨損性能惡化。文獻[7]建立了平行滑塊的表面織構(gòu)模型，分析了表面織構(gòu)對滑塊承載能力的影響。結(jié)果表明：全寬度織構(gòu)分布對提高軸承的承載能力沒有幫助，部分寬度織構(gòu)分布能產(chǎn)生較大的承載力。當凹坑密度為0.13時承載力達到最大。文獻[8]發(fā)現(xiàn)通過適當?shù)谋砻婵棙?gòu)幾何形狀和表面織構(gòu)位置分布可以改善軸承表面的接觸特性，從而提高滑動軸承系統(tǒng)的摩擦性能。文獻[9]通過有限元建模，研究了9種織構(gòu)對浮環(huán)軸承承載性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在橫紋、經(jīng)度紋和各向同性紋中，橫紋對浮環(huán)軸承性能的影響最大，經(jīng)度紋的影響較小。文獻[10]研究了恒定載荷條件下，圓柱形織構(gòu)的不同位置分布對滑動軸承承載能力的影響。結(jié)果表明：由于空化效應(yīng)，全織構(gòu)分布在接觸區(qū)無法產(chǎn)生流體動力承載能力。當織構(gòu)位于接觸壓力場的下降部分時，局部織構(gòu)可在軸承內(nèi)產(chǎn)生流體動力升力；當徑向滑動軸承在流體動壓區(qū)和空化區(qū)時，局部織構(gòu)分布能起到微弱的積極作用，而全織構(gòu)分布反而起到了消極作用。文獻[11]研究了凹坑織構(gòu)的三種相對位置對軸承摩擦磨損性能的影響，并通過數(shù)值模擬和往復(fù)式摩擦試驗進行對比，發(fā)現(xiàn)合適的微凹坑相對位置可以在一定程度上提高軸承的摩擦磨損性能。

然而，上述文獻都圍繞平面滑塊或滑動軸承不同位置分布的織構(gòu)進行研究，關(guān)于貧油條件下織構(gòu)位置對滾動軸承摩擦磨損性能影響的研究尚未見報道。選用81107-TN 型推力圓柱滾子軸承作為研究對象，在貧油條件下對8種不同位置分布的凹坑織構(gòu)試樣進行摩擦磨損試驗。

通過對平均摩擦系數(shù)、磨損量和磨損表面進行對比，探討了織構(gòu)位置以及面積率對軸承摩擦磨損性能的影響。這將為滾動軸承的滾道設(shè)計和優(yōu)化提供重要參考。

2 織構(gòu)制備及試驗過程

2.1 織構(gòu)制備

推力圓柱滾子軸承的滾子和軸圈之間屬于線接觸。正常運轉(zhuǎn)時，滾子端部的應(yīng)力高于接觸中心的應(yīng)力，外側(cè)應(yīng)力略高于內(nèi)側(cè)應(yīng)力[12]。因此，將滾道區(qū)域等分為四個同心圓，研究了1∕4 內(nèi)側(cè)、1∕2內(nèi)側(cè)、3∕4內(nèi)側(cè)、1∕4外側(cè)、1∕2外側(cè)、3∕4外側(cè)、雙側(cè)以及全織構(gòu)分布即8種不同位置分布下軸承的摩擦磨損性能，如表1所示。凹坑織構(gòu)采用等距交錯[13]的方式排布，陣列角度為1.5°。根據(jù)團隊前期的試驗研究和參考文獻的試驗數(shù)據(jù)[14]，在軸圈表面加工直徑300μm，深度15μm 的凹坑織構(gòu)。為了減小誤差，消除試驗過程的不確定因素，每組試樣在相同條件下重復(fù)進行三次，取平均值作為最終結(jié)果。因此，試驗共消耗9×3=27個81107型推力圓柱滾子軸承。

表1 凹坑織構(gòu)的試樣分組Tab1.Groups of Pits Textured Bearings

軸承打標及打標前的處理過程如下：

①先用超聲波清洗軸承出廠的潤滑油，然后用烘干機熱風(fēng)吹干。

②用激光打標機（PL100-30W，沈陽賽普貝司）在軸圈上進行激光蝕刻。激光填充掃描的方式，如圖1（a）所示。通過試驗前期不斷地摸索織構(gòu)形貌與激光加工參數(shù)的規(guī)律，以凹坑邊緣和底部相對平滑為目標，最終確定的打標參數(shù)如下：線間距0.001μm，激光功率3W，頻率80kHz，打標速度200mm∕s，打標次數(shù)7次。

圖1 81107TN型軸承滾道表面制備的凹坑單元Fig.1 Pit Units on the Raceway of 81107TN Bearing

③為了去掉軸承織構(gòu)化后凹坑邊緣的熔融物，用金相磨拋機（MP-2，萊州蔚儀）依次使用400目、800目、1200目、2000目的紗紙進行拋磨。

④將拋磨后的軸圈放在裝有丙酮溶液的超聲波清洗機中清洗15min，再用熱風(fēng)吹干。軸圈，座圈以及保持架的重量用電子天平（Ohaus EX225D，精度0.1mg，0.01mg可讀）稱量。為了減小誤差，每個試件稱量三次，結(jié)果取平均值。

2.2 試驗過程

采用MMW-1A立式萬能摩擦磨損試驗機（濟南華興）進行試驗。為了縮短試樣貧油階段的工作時間，并讓滾道表面產(chǎn)生明顯的磨損失效，通過前期一系列的摸索試驗，最終確定的試驗機參數(shù)如下：試驗力4000N，軸承轉(zhuǎn)速250r∕min，試驗時間18000s。試驗前在“軸圈-保持架-座圈”系統(tǒng)中滴入12.1mg 的潤滑油（HX7-PLUS SW-30，殼牌），試驗過程中不再添加。整個試驗過程81107TN型軸承共旋轉(zhuǎn)1.35×106圈。試驗后用三維非接觸形貌儀（VK-X1050，Keyence，日本）對軸承的軸圈和座圈表面進行表征。完成后將整個軸承放在裝丙酮溶液的超聲波清洗機中清洗10min，熱風(fēng)吹干后再用電子天平稱量試驗后軸圈、座圈及保持架的重量。試驗過程使用的設(shè)備，如圖2所示。

圖2 試驗過程使用的設(shè)備Fig.2 Equipments Used in this Work

3 結(jié)果與討論

3.1 內(nèi)側(cè)、外側(cè)及雙側(cè)分布對摩擦系數(shù)的影響

在凹坑深度和直徑相同的情況下，內(nèi)側(cè)、外側(cè)及雙側(cè)織構(gòu)分布的軸承摩擦系數(shù)曲線，如圖3所示。

圖3 內(nèi)側(cè)、外側(cè)及雙側(cè)摩擦系數(shù)對比圖Fig.3 Friction Coefficient Curves Between Inner and Outer Sides

對于內(nèi)側(cè)織構(gòu)分布而言，如圖3（a）所示。在試驗前期（0～6000）s，1∕4內(nèi)側(cè)分布、1∕2內(nèi)側(cè)分布和無織構(gòu)分布的摩擦系數(shù)比較平緩且差異性較小，3∕4內(nèi)側(cè)分布波動較大且直接呈上升趨勢。整體來看，1∕4內(nèi)側(cè)分布的摩擦系數(shù)最低且是唯一比無織構(gòu)摩擦系數(shù)低的分布；1∕2內(nèi)側(cè)分布在15000s達到峰值，平均摩擦系數(shù)比無織構(gòu)軸承的大；3∕4內(nèi)側(cè)分布是四種織構(gòu)中摩擦系數(shù)最大的，也最先達到峰值。外側(cè)織構(gòu)分布摩擦系數(shù)，如圖3（b）所示。在試驗前期（0～8500）s，1∕4外側(cè)分布、1∕2外側(cè)分布、3∕4外側(cè)分布及無織構(gòu)分布的摩擦系數(shù)曲線不僅穩(wěn)定且差異不大。試驗后期（8000～18000）s，外側(cè)織構(gòu)分布的軸承均比無織構(gòu)軸承摩擦系數(shù)低。其中，1∕4外側(cè)分布摩擦系數(shù)最低，3∕4外側(cè)分布略高，1∕2外側(cè)織構(gòu)分布最高，但仍略低于無織構(gòu)分布的摩擦系數(shù)。

雙側(cè)織構(gòu)、全織構(gòu)和無織構(gòu)分布軸承的摩擦系數(shù)曲線，如圖3（c）所示。顯然，雙側(cè)織構(gòu)和全織構(gòu)分布摩擦系數(shù)曲線的波動性很大，呈波動上升的狀態(tài)，且前者的平均摩擦系數(shù)略微高于后者。無織構(gòu)分布的摩擦系數(shù)明顯低于雙側(cè)織構(gòu)和全織構(gòu)分布的摩擦系數(shù)。

對比圖3（a）、圖3（b）兩圖可以發(fā)現(xiàn)，與外側(cè)分布相比，內(nèi)側(cè)分布前期軸承的磨合時間較短，但摩擦系數(shù)曲線差異性較大。1∕4側(cè)分布的摩擦系數(shù)較低。雙側(cè)和全織構(gòu)的摩擦系數(shù)相當，曲線基本吻合，且均高于光滑軸承。

綜上所述，對于同一側(cè)（外側(cè)或者內(nèi)側(cè)）織構(gòu)，相比面積率比較大的織構(gòu)，面積率小的織構(gòu)分布能起到積極的減摩作用。這是因為凹坑織構(gòu)減小了摩擦副的接觸面積，而增大了接觸壓強。在載荷較大的情況下，面積率大的軸圈表面容易產(chǎn)生接觸疲勞剝落，出現(xiàn)點蝕坑和犁溝，增大接觸表面的摩擦因數(shù)[15]，所以，面積率大的織構(gòu)化軸承摩擦系數(shù)較大。

3.2 同一面積率下不同分布對摩擦系數(shù)的影響

凹坑織構(gòu)半徑、深度和面積率相同的條件下，1∕4側(cè)、1∕2側(cè)、3∕4側(cè)的內(nèi)外側(cè)摩擦系數(shù)的對比，如圖4所示。

圖4 1∕4側(cè)、1∕2側(cè)、3∕4側(cè)對比圖Fig.4 Friction Coefficients Curves of 1∕4 Side、1∕2 Side、3∕4 Side

1∕4側(cè)分布的摩擦系數(shù)均比無織構(gòu)分布的摩擦系數(shù)低，外側(cè)分布的摩擦系數(shù)比內(nèi)側(cè)分布的小很多，且內(nèi)側(cè)分布的波動性比外側(cè)更大，如圖4（a）所示；1∕2外側(cè)分布的摩擦系數(shù)遠低于內(nèi)側(cè)分布，無織構(gòu)的摩擦系數(shù)正好介于二者之間，且1∕2內(nèi)側(cè)分布的摩擦系數(shù)曲線波動非常大，如圖4（b）所示；3∕4外側(cè)分布摩擦系數(shù)比其余兩種織構(gòu)的摩擦系數(shù)要低，3∕4內(nèi)側(cè)的平均摩擦系數(shù)非常高且波動非常大，如圖4（c）所示。顯然，在面積率相同的條件下，外側(cè)分布的摩擦系數(shù)均比內(nèi)側(cè)分布低；1∕4側(cè)和1∕2側(cè)分布摩擦系數(shù)曲線的差異不大，3∕4側(cè)分布摩擦系數(shù)曲線的差異較大。

這可能是由于以下兩點原因造成的：

①在摩擦副旋轉(zhuǎn)過程中，系統(tǒng)中的潤滑油在離心力的作用下多集中于外側(cè)，外側(cè)織構(gòu)分布的軸承潤滑效果更好；

②應(yīng)力對摩擦副的承載能力以及表面摩擦因數(shù)有一定的影響。根據(jù)滾動體應(yīng)力分布的特點，1∕4 側(cè)和1∕2 側(cè)織構(gòu)分布在應(yīng)力相差較小的區(qū)域，而3∕4 側(cè)織構(gòu)分布在應(yīng)力相差較大的區(qū)域[15]。因此，應(yīng)力相差大的織構(gòu)化軸承，摩擦系數(shù)曲線差異性也大。

3.3 凹坑織構(gòu)對磨損量的影響

軸圈磨損量，如圖5（a）所示。由圖可知，與無織構(gòu)軸承相比，1∕4側(cè)分布、雙側(cè)分布以及全織構(gòu)軸承的磨損量較少，而1∕2側(cè)和3∕4側(cè)分布軸承的磨損量較大；外側(cè)織構(gòu)分布的磨損量均比內(nèi)側(cè)織構(gòu)分布的磨損量小。“軸圈-保持架-座圈”整個系統(tǒng)的平均摩擦系數(shù)圖，如圖5（b）所示。

圖5 軸圈磨損量和摩擦系數(shù)對比圖Fig.5 Wear Losses of Shaft Rings and Friction Coefficients of Bearings

顯然，外側(cè)分布和1∕4內(nèi)側(cè)分布的平均摩擦系數(shù)比無織構(gòu)軸承低，其余分布均比無織構(gòu)軸承高。其中，1∕4外側(cè)分布的平均摩擦系數(shù)最低而3∕4內(nèi)側(cè)分布的平均摩擦系數(shù)最高。

對比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，1∕2外側(cè)與3∕4外側(cè)分布磨損量比無織構(gòu)軸承高，但是平均摩擦系數(shù)比無織構(gòu)軸承低；雙側(cè)分布及全織構(gòu)分布的磨損量比無織構(gòu)軸承低，但是平均摩擦系數(shù)比無織構(gòu)軸承略高；1∕2內(nèi)側(cè)分布及3∕4內(nèi)側(cè)分布的磨損量和摩擦系數(shù)均比無織構(gòu)軸承高。只有1∕4側(cè)分布摩擦系數(shù)和磨損量均比無織構(gòu)軸承的低。尼龍膜的“保護”作用和凹坑“收集”作用是影響軸圈磨損量的主要因素。尼龍膜主要分布在外側(cè)區(qū)域，少數(shù)分布在內(nèi)側(cè)區(qū)域，因此1∕4側(cè)織構(gòu)分布的磨損量較低，此時尼龍膜的“保護”作用大于凹坑的“收集作用”；3∕4側(cè)分布由于凹坑數(shù)目多，凹坑收集的磨屑為軸圈提供二次潤滑，所以磨損量低，凹坑的“收集作用”大于尼龍膜的“保護”作用；而1∕2側(cè)分布，兩種因素都沒有發(fā)揮積極的作用，因此磨損量較高。

3.4 凹坑織構(gòu)表面表征分析

8種不同織構(gòu)分布的軸圈未清洗表面，如圖6所示。顯然，不論是何種分布和有無織構(gòu)，尼龍膜均主要集中在外側(cè)區(qū)域。1∕4外側(cè)分布幾乎可以全覆蓋，這也是1∕4外側(cè)分布摩擦系數(shù)低的原因之一。清洗后的織構(gòu)表面，如圖7所示。

圖6 不同位置織構(gòu)分布軸承的軸圈磨損表面Fig.6 Worn Surfaces of Shaft Rings of Bearings with Different Pits Distributions

圖7 清洗之后的軸圈磨損表面Fig.7 Cleaned Worn Surfaces of Shaft Rings of Bearings

高溫區(qū)多集中于滾道的內(nèi)側(cè)和中間區(qū)域，少數(shù)分布在外側(cè)，且靠近軸圈外側(cè)應(yīng)力比較大的區(qū)域，部分凹坑邊緣出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。

3.5 討論

在整個摩擦磨損試驗中，前期由于潤滑油的作用，各軸承的摩擦系數(shù)均維持在0.005左右。隨著潤滑油的逐漸消耗，摩擦系數(shù)開始呈緩慢上升趨勢。期間儲存在凹坑里的潤滑油起到二次潤滑的作用。

當潤滑油消耗殆盡，軸承逐漸進入干摩擦階段，此時在軸圈外側(cè)會形成一層尼龍膜，軸承鋼（軸圈與滾子）之間的相互摩擦變成了軸承鋼（軸圈）與P66尼龍（尼龍膜）之間的摩擦，后者摩擦系數(shù)更大。這是導(dǎo)致軸承后期整體摩擦系數(shù)呈上升趨勢的原因。

結(jié)合圖3和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在貧油條件下，1∕4外側(cè)分布的平均摩擦系數(shù)最低，磨損量也最低，是8種分布中摩擦性能最好的分布。1∕2內(nèi)側(cè)和3∕4內(nèi)側(cè)分布平均摩擦系數(shù)和磨損量都遠遠的超過了無織構(gòu)分布，是8種分布中摩擦性能最差的分布。原因有以下三點：

（1）凹坑邊緣會增大表面應(yīng)力和粗糙度。因此，在應(yīng)力相當?shù)膬?nèi)側(cè)區(qū)域或者外側(cè)區(qū)域，面積率比較大的織構(gòu)分布摩擦系數(shù)比較高。

（2）尼龍粉在離心力的作用下逐漸向外側(cè)運動，使得凹坑織構(gòu)中填滿了尼龍磨屑。而尼龍磨屑具有良好的耐磨性，從而減小了軸承的摩擦磨損。

（3）尼龍膜主要覆蓋在外側(cè)區(qū)域，減少了滾動體和軸圈的直接接觸，所以外側(cè)區(qū)域軸圈的磨損量較低，面積率比較大的織構(gòu)磨損量較高。

此外，摩擦試驗后軸圈表面發(fā)現(xiàn)有凹坑邊緣壓潰、點蝕和疲勞剝落的現(xiàn)象，如圖6、圖7所示。

這是因為在磨損過程中，滾子受到很大的周期性變化的應(yīng)力作用，單位時間內(nèi)有18個滾子會通過軸圈的某一點，在轉(zhuǎn)速為250r∕min，時間為18000s的工況下，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達到1.35×106。此時，軸圈表面沿凹坑邊緣產(chǎn)生疲勞裂紋，進而擴展形成磨屑，造成軸圈磨損。

4 結(jié)論

（1）在貧油條件下，凹坑織構(gòu)相對位置對軸承的摩擦系數(shù)有很大影響。對于同一側(cè)的織構(gòu)分布，面積率越小，軸承的減摩性能越好；在面積率相同的條件下，外側(cè)織構(gòu)分布的軸承比內(nèi)側(cè)分布摩擦系數(shù)低。

（2）通過系統(tǒng)摩擦系數(shù)以及磨損量的對比發(fā)現(xiàn)，1∕4外側(cè)分布是所有分布中摩擦性能最好的，摩擦系數(shù)和磨損量均比無織構(gòu)軸承小。1∕2內(nèi)側(cè)和3∕4內(nèi)側(cè)分布是摩擦性能最差的，摩擦系數(shù)和磨損量遠遠超過了無織構(gòu)軸承。雙側(cè)織構(gòu)分布雖然也能改善軸承的摩擦磨損，但不是最優(yōu)的分布。

（3）軸承摩擦磨損過程產(chǎn)生的尼龍膜是影響摩擦性能的重要因素，尼龍膜可以起到保護軸圈，減少磨損量的作用，主要分布在軸圈外側(cè)區(qū)域。高溫區(qū)主要集中于中間和內(nèi)側(cè)區(qū)域。