面对轴承运转过程产生的假布氏压痕，润滑剂是如何完成修复的？

王永敬

«——【·前言·】——»
假布氏压痕是一种微动磨损，当轴承套圈和滚动体的接触，受到小振幅振荡运动时，滚动轴承就会发生这种磨损。
它表现为具有相对抛光底部的深坑，在轴承套圈周围均匀分布。假布氏压痕会导致轴承运行不均匀、启动摩擦增加，和轴承噪音增加，并最终导致轴承过早失效。

润滑剂在机械系统中起着重要的作用，可以减少摩擦、磨损和降低表面接触应力，从而防止假布氏压痕的发生。润滑剂性能和接触条件，对假布氏压痕有着显著影响。
«——【·实验方法和材料·】——»
用PCS Instruments高频往复试验台（HFRR）进行了实验，研究各种润滑剂性质和接触条件，对由微小振动引起的损伤的影响。

这个装置中，电磁振动器提供震荡运动，一个直径为6毫米的球形试件，在振幅低至20微米的震荡下，与盘面相互作用。
驱动系统允许振幅和频率的变化，并且使用砝码，以机械方式改变正常负载。线性变差传感器测量线性位移，以控制行程长度。

微动腐蚀弹性锁，保证在低于100微米的行程长度，测试单元的温度通过加热块进行控制。
系统记录摩擦力和电接触电阻，电接触电阻提供关于整个测试中，接触区域内盛行的润滑条件的指示，有助于解释观察到的微动腐蚀磨损趋势。

HFRR实验旨在测试隔离行程长度、振动频率、施加负载和润滑剂性质的影响。一次仅改变一个参数，在指定范围内的值，其他变量保持在表中以粗体显示的值。

为了确保在不同行程和频率下，测试中进行磨损深度的相同比较，测试持续时间根据需要进行变化，以达到相同的总滑动距离14.4米，不管采用的行程长度或频率如何。
在20微米的行程长度和100赫兹的情况下，测试持续时间为1小时，而在20微米和50赫兹的情况下则为2小时。

标准的HFRR装置，仅记录1秒钟内的摩擦力平均值，在此期间发生多个完整的振荡。观察摩擦力随位移的变化，在单个振荡周期内进行观察，即所谓的“微动循环”。
为了实现这一目的，对设置进行了轻微改动，通过将一个示波器通道，直接连接到机械部件的原始力输出，并将第二个示波器通道，连接到原始位移输出，能够以高采样率记录瞬时摩擦力和位移。

使用一个额外定制的设置，直接观察损伤的起始和进展。使用了蓝宝石平板而不是钢盘，以便对接触面进行光学观察。
这种布置用于研究微动和往复滑动磨损之间的过渡，由透明的蓝宝石圆盘，与位于其下方的AISI 52100钢球振荡，并通过位于圆盘上方的摄像头来查看接触情况。

«——【·HFRR测试程序·】——»
在每次HFRR测试前，通过使用异丙醇（IPA）进行彻底清洁，并吹干清洁球和盘样品、试样架和所有连接件。
使用甲苯再次清洁，并最终将其放入IPA 瓶中，置于超声波浴中15分钟，取出样品、架子和附件后，需要在空气中晾干至少10分钟。

将样品固定在相应的支架上，并将这些支架连接到装置上，接下来将润滑剂添加到测试中。使用油的测试，需要使球和盘样品浸入2.0毫升油中。而对于使用油脂的测试，用0.030±0.005克的油脂，均匀地涂抹在整个盘样品表面上。
测试过程中，摩擦力和接触电阻连续记录，后者提供了摆动接触区润滑条件的指示。测试结束后，样品被取出进行磨损痕迹检查。

使用光学显微镜观察磨损情况，用白光干涉仪量盘上的磨损坑的尺寸。盘样品上的最大坑深度，作为微动磨损程度的参数。
所有微动测试来看，最大深度通常发生在接触区中部，唯一的例外是这里使用的最大行程长度的情况。

这与微动和大滑动类型，接触条件之间的磨损机理差异有关。使用盘样品上的最大磨损坑深度，是因为由于球的硬度高于盘，分别为850 Hv和755 Hv，所以磨损优先发生在盘上。
最大深度是通过三维（3D）轮廓测量获得的磨损坑，经过适当的滤波处理后得到。这样可以确保在轮廓中，排除任何局部的尖锐特征，并考虑到最大磨损深度确切位置的变化。

所有HFRR磨损结果，都是在每组条件下进行三次以上，重复测试的平均值，并且所有相关图表也记录了测试的误差条。
«——【·推力球轴承装置·】——»
根据ASTM D4170标准进行测试，评估润滑脂的“摩擦磨损保护”。然后将在这个轴承装置上观察到的趋势，与 HFRR球盘式试验台进行比较。

下面这张图展示了轴承装置的结构，通过连杆连接到电动机上，震荡两个推力球轴承的滚道，推力轴承负荷由压缩弹簧提供。

电机附件的偏心度定义了振荡幅度，弹簧力定义了负载，交流电源定义了频率。在Fafnir装置中，这些都保持恒定以符合ASTM D4170标准。
测试中除了频率，其他采用相同的标准值，使用了一个25 Hz的电源，装置没有温度控制手段，所有测试均在25°C左右的室温下进行。

«——【·推力球轴承测试装置测试程序·】——»
测试之前，用石油醚（PE）和异丙醇（IPA），对测试装置和轴承进行清洁。轴承在完全晾干之前，在IPA浴中超声波清洗15分钟。
用分析天平将每个单独的轴承滚道，和未加油脂的轴承组件，称到0.1毫克的最近值。将每个轨道和保持架，装满1.00 g ± 0.05 g的试验润滑脂。

每个轴承滚道和保持架，组装到夹头的适当位置，将夹头与负载垫片、弹簧导轨、弹簧、间隔块和垫圈组装起来。
连杆连接到摆动轴承座的臂上，测试运行22小时，并使用开关自动定时控制时间。

测试结束后，将夹头拆卸并使用IPA清洗样品。重新称量所有四个单独的轴承滚道，并计算上部滚道对，以及下部滚道对的总质量损失。
从这两个值中计算出，一对滚道的质量损失的平均值，每种润滑剂都要进行三次测试，并且从这些重复测试中取平均值，作为重量损失值。使用数字显微镜拍摄每个磨损痕迹的图像。

«——【·测试材料和润滑剂·】——»
在HFRR测试中，上部（球形）和下部（圆盘形）试样，均由标准的淬硬AISI 52100轴承钢制成。改进后的光学HFRR设备，可以通过光学途径进入微动接触区域。上部试样为蓝宝石圆盘，下部试样为相同的轴承钢球。

推力球轴承 Fafnir 试验中，使用的试样为 LT5/8 推力球轴承，由经过淬硬的 AISI 52100 轴承钢制成。按照标准方法，在每个轴承跑道的侧面上，添加上小的平面以辅助在装配到试验台时进行对齐。
为了评估润滑剂性质的影响，使用了一系列油和一组定制的润滑脂。它们或为纯基础油，或使用相同的基础油和氢氧化锂肥皂，或脂肪族双脲稠化剂的定制润滑脂。

选择这些润滑剂是为了系统评估，不同润滑剂性质对假套环产生的影响。使用四种不同黏度的纯聚α烯烃（PAO50-PAO400），可用于研究黏度对微动损伤的影响。
相同基础油的氢氧化锂润滑脂，可以用来比较润滑脂与等效基础油，对微动损伤的影响（LPAO50-400）。

用相同的 PAO 50 基础油制成的氢氧化锂润滑脂，和双脲润滑脂（分别称为 LPAO50 和 UPAO50），可用于研究稠化剂类型的影响。为进行受控研究，所有润滑剂均不含任何添加剂，以避免任何附加的化学效应。
«——【·油黏度在全润滑轴承试验中的影响·】——»
锂增稠LPAO50和LPAO400润滑脂，在使用推力球轴承试验台，进行全润滑轴承测试。下图显示了两种测试润滑脂下，每对轴承滚道的平均重量损失。

从磨损痕迹图像可以看出，较高基础油黏度的润滑脂，产生了更高的重量损失，并在轴承滚道上，产生了更大的假布氏压痕。
这些结果与HFRR测试中观察到的趋势一致，因此表明在球盘HFRR测试中，所观察到的情况在润滑轴承的一般趋势方面是适用的。

«——【·接触压力的影响·】——»
下面这张图显示了，在0.65、0.82、1.04和1.30 GPa接触压力下，HFRR测试中的最终磨损痕深度、平均摩擦系数和平均电接触电阻。
所有测试都是以20 μm行程长度、100 Hz和尿素增稠的润滑脂UPAO50进行的。 在最低的0.65 GPa压力下，摩擦和磨损都比其他所有压力下都要低得多。

当压力从0.65 GPa增加到0.82 GPa时，摩擦和磨损明显增加，但当压力进一步增加到1.04 GPa和1.30 GPa时，摩擦和磨损保持相对稳定。
如图显示，电接触电阻（ECR）信号，在0.65 GPa下始终保持在零以上，表明整个测试期间存在润滑剂膜。

相反，在测试所有较高压力下，ECR信号微不足道，表明整个测试期间表面之间，存在金属对金属的接触。
0.65 GPa压力下，摩擦系数稳定在约0.05左右，而在所有高压下的测试中，它通常高于0.15，并显示出高达0.4的多个突变。

润滑剂膜持续存在的情况，表明润滑剂从未完全被挤出接触区域，从而即使在非常小的A / D比率下，也会导致减少摩擦和磨损。
在较高的压力下，ECR和摩擦的振荡，表明润滑剂有时会被挤出接触区，但能够间歇性地重新流动回来。

使用固定的几何形状改变接触压力时，赫兹接触直径也会发生变化，从0.65 GPa处的55微米（A/D约为0.36），到1.3 GPa的110微米（A / D约为0.18）。
这些数据表明，在更高的接触压力下，损伤的发生时间更早，并且在测试结束时更为严重。

«——【·结论·】——»
使用AISI 52100轴承钢样品，以及具有不同粘度的PAO油，和基础油相同的自制锂和尿素润滑脂，直接观察假布氏压痕的发生和进展。
结果表明，低粘度油和含有低粘度基础油的润滑脂，可以显著减少假布氏压痕的数量。

基础油通常产生比相应润滑脂更少的损伤，这些润滑脂在低速能形成比基础油更厚的膜。测试中，最低压力0.65 GPa的情况下，导致的损伤比所有更高压力的情况都少。
润滑油的选择和使用方法，也会对润滑效果产生影响。不同润滑剂的化学性质和物理性质各异，选择合适的润滑剂，可以提高润滑效果和抗假布氏压痕性能。
参考文献：
1. Dalmazzone C, Cretin M, Jolivet P, et al. False Brinelling: Influence of the Lubricant Properties on Measured Damage[J]. Tribology Letters, 2004, 17(1):35-41.
2. Cretin M, Dalmazzone C, Jolivet P, et al. False brinelling: influence of the contact configuration on measured damage[J]. Wear, 2005, 259(7-12):874-883.
3. Spikes H. The history and mechanisms of ZDDP[J]. Tribology Letters, 2004, 17(3):469-489.
4. Greenwood J A, Johnson K L. The behavior of transverse roughness in lubricated sliding contacts[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 1972, 5(10): 1561-1572.
5. Chen W W, Zhang J H, Yu T X, et al. Experimental study on false brinelling of roller bearings under oscillation condition[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2020, 34(6):2413-2421.

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0ogzN3pZ
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！