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表面织构对动压滑动轴承摩擦学性能的影响

  • 毛亚洲1

    机 构：

    1. 河南科技大学 机电工程学院, 洛阳 471003

    ×
  • ， 杨建玺1

    机 构：

    1. 河南科技大学 机电工程学院, 洛阳 471003

    ×
  • ， 徐文静2

    机 构：

    2. 洛阳铁路信息工程学校 电气工程系, 洛阳 471900

    ×
  • ， 金乐佳1

    机 构：

    1. 河南科技大学 机电工程学院, 洛阳 471003

    ×

1. 河南科技大学 机电工程学院, 洛阳 471003；
2. 洛阳铁路信息工程学校 电气工程系, 洛阳 471900；

Effects of Surface Texture on Tribological Properties of Hydrodynamic Journal Bearing

  • MAO Yazhou1

    Affiliation：

    1. School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003 , China

    ×
  • ， YANG Jianxi1

    Affiliation：

    1. School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003 , China

    ×
  • ， XU Wenjing2

    Affiliation：

    2. Department of Electrial Engineering, Luoyang Railway Information Engineering School, Luoyang 471900 , China

    ×
  • ， JIN Lejia1

    Affiliation：

    1. School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003 , China

    ×

1. School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003 , China；
2. Department of Electrial Engineering, Luoyang Railway Information Engineering School, Luoyang 471900 , China；

通讯作者:

杨建玺(1958—),男(汉),教授,博士;研究方向:表面织构加工与摩擦学;E-mail:9901450@haust.edu.cn

中图分类号:TG174.44;TG115.58

文献标识码:A

文章编号:1007-9289(2020)06-0047-11

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20200905001

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目录contents

    摘要

    为了探究表面织构对动压滑动轴承摩擦学性能的影响,基于自研的摩擦磨损试验机对 BY-BDB 型三维光纤激光织构机加工的表面织构动压滑动轴承摩擦学性能影响进行研究。 通过三维形貌仪、扫描电子显微镜( SEM)以及能谱仪(EDS)对摩擦磨损试验后的微观形貌和摩擦磨损状况进行分析。 研究表明:激光加工会引起表层出现硬化现象且 C 与 O 元素的含量分别增加了 31. 1%与 7. 9%;不同织构参数(面积率 Sp 与深径比 β)与工况(载荷与转速)下的磨损量与摩擦因数呈现先减小后增加的趋势且表面织构对动压滑动轴承的耐摩性能提高了 23%以上。 此外,研究还发现动压滑动轴承摩擦磨损机理是磨粒切削与粘着磨损,而表面织构的减摩机理是能够提高表面耐磨性以及储存磨粒和形成二次动压润滑。

    Abstract

    In order to investigated the effect of surface texture on tribological properties of hydrodynamic journal bearing, friction and wear tester based on self-developed, the tribological properties of hydrodynamic journal bearing with surface texture machined by BY-BDB three-dimensional fiber laser marking machine were studied. The surface morphology and friction and wear status of the hydrodynamic journal bearing after friction and wear test were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS). Results show that laser processing can cause surface hardening and the contents of C and O elements increase by 31. 1% and 7. 9% respectively. The wearing capacity and friction coefficient under different textured parameters (textured area ratios Sp and texture aspect ratios β) and working conditions (rotational speeds and loads) show a trend of decreasing first and then increasing. And surface texture can improve antifriction of hydrodynamic journal bearing by more than 23%. Furthermore, it is found that friction and wear mechanism of hydrodynamic journal bearing is abrasive wear and adhesive wear, while the mechanism of surface texture anti-friction is to improve wear resistance, store abrasive particles and forme secondary hydrodynamic lubrication.

  • 0 引言

  • 随着工业技术的迅速发展,对极端工况的旋转机械提出越来越高的要求。动压滑动轴承作为一种回转支承的零部件,其摩擦学性能将直接影响机器的整体性能。为了改善动压滑动轴承的摩擦学性能使其能适应极端的工况条件,研究者们一直在投入大量的时间和精力来研究该领域。传统摩擦学理论认为互相接触的表面越光滑其摩擦磨损越小[1]。相关研究表明:摩擦副表面通过设计与加工表面织构能够改善摩擦副表面的摩擦学性能[2-5]。表面织构是采用特种加工方式在材料表面加工出具有一定尺寸、形状与排布的微结构[5],进而实现减小摩擦磨损的作用。

  • 表面织构作为改善摩擦副摩擦学性能的一种有效方法,已广泛应用于密封环、缸套以及动压滑动轴承等方面。应用于动压滑动轴承的表面织构会对其摩擦学性能造成影响,而其摩擦学性能直接影响其可靠性以及使用寿命[6],因此, 开展表面织构对动压滑动轴承摩擦学性能影响的研究非常有必要。目前,常见的表面织构形状包括圆形[5,7-9]、椭圆形[7,12]、正方形[8,11-12]、菱形[7]、三角形[8,10,12] 等。圆形表面织构因其加工工艺简单、易于加工且一次成形等特点,故其常被作为研究表面织构对摩擦副摩擦性能影响的首选。在圆形表面织构对摩擦副摩擦学性能影响的研究方向上,国内外的研究学者开展了相关的研究工作。 LI等[13-14] 研究了在不同织构排布方式下的表面织构几何参数对摩擦副摩擦性能的影响,结果表明微凹坑单元半径变化能够改善摩擦学性能和织构排布下的承载性能;ZHANG等[15]研究了激光表面织构深度对不锈钢表面摩损特性的影响,结果表明摩擦磨损的减少主要是由于表面织构的作用;ZHANG等[16] 研究了织构参数对球墨铸铁摩擦学性能的影响,结果表明沟槽织构表面(深度h=0.4mm,宽度w=1.5mm, 面积率 Sp=34%) 的摩擦因数比无织构表面低12.7%,但耐磨性却是无织构表面的4.9倍; WANG等[17]研究了不同几何参数的表面织构对TC4钛合金摩擦学性能影响,结果表明织构间距与宽度等几何参数对钛合金摩擦学性能有显著的影响且网格型织构相较于点阵和沟槽织构具有更小和更加稳定的摩擦因数;HU等[18-20] 研究表明在某一确定的排布方式下选择合适的织构面积率,能够有效的减少摩擦副的摩擦和磨损; ARSLAN等[21] 研究了润滑条件下织构直径与深度对金刚石涂层摩擦学性能的影响,研究表明具有最佳直径的微凹坑织构表面可以俘获碎屑并提高了表面的耐磨性;SAEIDI等[22] 研究了乏油往复作用下表面织构对灰铸铁磨损和失效机理的影响,结果表明在不同表面织构图案摩擦磨损试验中呈现出两种不同的磨损与失效机制;ZHANG等[23]研究表明合适的表面织构形状有利于提高材料的摩擦学性能,而织构正方形的排列方式摩擦盘摩擦性能优于线性发射状的织构排列。以上学者针对摩擦副在平面上点-面接触状态下表面织构几何参数对摩擦副的摩擦学性能影响做了一定的研究。但是,动压滑动轴承表面是曲面且实际接触状态是面-面接触而非点-面接触,已存的点面接触状态下表面织构对摩擦副的摩擦学性能影响相关研究成果用于阐述面-面接触下表面织构对摩擦副摩擦学性能的影响已不再合适。

  • 基于此,借助激光设备在动压滑动轴承表面加工出不同面积率与深径比的表面织构。采用摩擦磨损试验机开展动压滑动轴承在不同面积率、深径比与不同工况条件下的摩擦学性能研究。考察激光成形对表面硬度的影响并对动压滑动轴承表面形貌与磨痕成分分析,探究其摩擦磨损机理。该作用机理,为科研和工程技术人员对表面织构动压滑动轴承摩擦学性能影响的认识和工程应用提供了一定的帮助。

  • 1 试验准备

  • 1.1 样品制备

  • 黄铜具有强度高、塑性和韧性好、耐腐蚀、减摩性能良好等优点,其已在动压滑动轴承上得到了重要应用,因此,将黄铜作为表面织构加工的对象。该加工样品的规格为 Φ100mm×100mm,表面硬度为266.5HV,内表面粗糙度 Ra≈1.6 μm,其余表面粗糙度 Ra 均为3.2 μm(图1)。将BY-BDB型三维光纤激光织构机用于制造试验所需的表面织构。该型号表面织构机采用的是二极管泵浦短脉冲Nd: YAG激光器, 波长1064nm, 重复频率<50kHz,脉冲宽度< 5ms,最大激光功率是50W,功率不稳定度≤3%,自然冷却,工作温度和湿度为15~35℃和40%~80%,地基振幅和振动加速度分别不大于50 μm和0.05g。

  • 图1 加工工件示意图

  • Fig.1 Schematic of processing workpiece

  • 依次使用800、1200与1500号金相砂纸对织构表面进行打磨处理。精细打磨后的织构表面经抛光处理后,并用丙酮溶液清洗10min后晾干。采用扫描电子显微镜(SEM)与德国NanoFocus三维表面轮廓测定仪对BY-BDB型激光织构机加工的表面微凹坑织构进行观测,得到微坑的典型三维形貌图,如图2所示。 SEM与三维形貌图可直观地展现摩擦磨损后的表面形貌,并根据摩擦磨损后的表面形貌状态做进一步分析从而得到表面织构动压滑动轴承的摩擦磨损机理。

  • 图2 微凹坑轮廓形态

  • Fig.2 Morphology contour of micro-dimple texture

  • 1.2 摩擦磨损试验

  • 试验利用自制的动压滑动轴承试验台进行摩擦磨损试验研究,摩擦磨损试验机如图3所示,该设备摩擦副接触方式为面-面接触。同动压滑动轴承与之相应的对摩件—旋转主轴其材质是GCr15轴承钢且将其安装在主轴表面硬度HRC55-58的试验机上,由V形台固定且载荷的施加则由固定台下方的液压油缸实现,通过主轴的转动从而实现对动压滑动轴承摩擦磨损试验。

  • 当试验开始前,先用丙酮擦拭所用表面织构轴承之后吹干/风干,目的是除去表面黏附的颗粒性物质以及杂物。试验选用的是长城金吉星J400 15w-40润滑油,润滑油基本性能参数如表1所示。

  • 图3 动压滑动轴承摩擦磨损试验机

  • Fig.3 Friction and wear testing machine for hydrodynamic journal bearing

  • 表1 长城金吉星J400 15w-40润滑油基本参数

  • Table1 Basic parameters of the Great Wall JUSTAR J400 15w-40lubricating oil

  • 动压滑动轴承试件达到摩擦磨损时间(30min)后结束试验。将该试件取下放至桌面自然冷却,对自然冷却后的动压滑动轴承再次选择丙酮进行清洗,最后选用冷风机吹干。

  • 2 结果和讨论

  • 2.1 激光加工对动压滑动轴承表面的影响

  • 动压滑动轴承的内表面硬度会对摩擦副的摩擦磨损产生影响,简而言之,轴承内表面硬度越高其耐摩性能越佳。动压滑动轴承内表面在激光加工过程中其硬度以及组成成分会发生变化,而这些变化会引起动压滑动轴承耐摩性能也发生变化。探究激光作用的动压滑动轴承内表面硬度以及成分的变化对其摩擦学性能影响的研究具有一定的意义。

  • 2.1.1 表面硬度分析

  • 在图4中,微凹坑的表面硬度在Gaussian脉冲激光束的烧蚀作用下其表面硬度明显增强。距离烧蚀微凹坑表面织构越近的位置点2其表面硬度提高了50%,也即发生了硬化现象,该硬化作用将会对减少动压滑动轴承的摩擦磨损起重要作用。然而距离烧蚀微凹坑较远位置点1的表面硬度却未发生明显的变化,可以认为未发生硬化现象,一旦动压滑动轴承表面在摩擦学性能试验中发生摩擦磨损,该区域将会优先发生摩擦磨损。总而言之,激光加工的表面织构会引起动压滑动轴承表面的局部区域产生硬化现象,但是该硬化现象的作用范围有限。究其原因在于硬度测量位置点-1(见图4(a)所示)的表面硬度值约为210HV,位置点-2的表面硬度值约为323HV,而基体表面硬度约为208HV(见图4(b) 所示),所以激光加工表面织构引起硬化现象的作用范围有限。

  • 图4 测量位置及表面硬度

  • Fig.4 Measuring position and surface hardness

  • 2.1.2 激光加工表面成分分析

  • 为进一步探究激光加工后的动压滑动轴承内表面成分的差异。采用JSM-7800F场发射扫描电子显微镜EDS对动压滑动轴承的内表面进行能谱分析。动压滑动轴承光滑内表面与织构内表面的成分分析,如图5所示。在图5( a) 中,光滑轴承内表面的主要化学元素含量从高到低分别依次是Cu、Zn、C与O等化学元素;而经过激光加工后的内表面图5( b) 中的C与O元素的化学成分含量增长了31.1%与7.9%。造成这一现象的主要原因是动压滑动轴承内表面由于受到瞬态激光束能量的作用使得材料表面发生了相变与硬化现象,表面组织成分分析结果这同第2.1.1节表面硬度分析中表面织构的加工引起局部产生硬化结论是一致的,最终造成表面组织成分中的C和O化学元素含量增加。

  • 2.2 织构参数对轴承摩擦学性能影响

  • 面积率 Sp 与深径比 β 是影响动压滑动轴承摩擦学性能的重要织构参数,它们会对动压滑动轴承摩擦学性能产生影响。织构面积率 Sp=π/(L/r+β) 2,其中,r 表示微坑半径,L 表示相邻两个微坑的间距,β 表示深径比。文中选择载荷为2kN,转速n=500r/min,不同面积率 Sp 和深径比 β 的表面织构对动压滑动轴承摩擦学性能影响进行讨论与分析。

  • 图5 轴承表面成分

  • Fig.5 Surface compositions of journal bearing

  • 2.2.1 表面织构面积率 Sp 的影响

  • 图6(a)为表面织构深径比 β=0.16,面积率 Sp 与磨损量和摩擦因数的关系。在图6( a) 中, 不同织构面积率下轴承磨损量表出为先减小后增加的变化趋势。表面织构面积率过低(<20%) 轴承的摩擦因数和磨损量均表现随着面积率的减少而逐渐增加的变化规律,一旦面积率超过20%,继续增加织构面积率时的并不能起到较好的减摩效果反而会增加摩擦磨损。因此,面积率为20%时的磨损量以及摩擦因数是最佳的且减磨率达到26.6%。

  • 图6 织构面积率下的摩擦磨损

  • Fig.6 Friction and wear under texture area ratios

  • 面积率 Sp=20%的表面织构动压滑动轴承的SEM形貌和摩擦力矩图,如图6(b)所示。在图6(b) 中,表面织构动压滑动轴承的摩擦力矩随着时间的增加呈现出先增加后减小最后逐渐趋于稳定不再改变的变化规律。经过试验的动压滑动轴承表面织构微坑边缘发生了摩擦并且磨损颗粒一部分填充微坑内;正是由于表面织构能够存储磨损颗粒,故此表面织构能够起到减摩的作用。另一部分磨损颗粒散落在轴承副表面;最后一部分在轴承副正常工作的过程中,法向载荷将摩擦产生的磨损颗粒嵌入动压滑动轴承的表面。散落与嵌入表面织构动压滑动轴承表面的磨损颗粒在旋转主轴带动下引起其表面出现较明显的犁沟与划痕,故,表面织构动压滑动轴承摩擦磨损机理是表面摩擦磨损颗粒的微观切削作用。

  • 2.2.2 表面织构深径比 β 的影响

  • 图7( a) 为表面织构动压滑动轴承面积率 Sp=20%,织构深径比 β 与磨损量和摩擦因数关系。在图7( a) 中,不同织构深径比下的动压滑动轴承磨损量与摩擦因数变化规律与图6( a)中磨损量和摩擦因数的变化规律相似。表面织构的减摩作用表现为深径比 β 既非越大越佳;也非越小越佳,而是存在最佳的织构深径比 β=0.12, 该织构深径比 β 下动压滑动轴承的磨损量与摩擦因数是最优。而随着织构深径比( β>0.12)的增加,表面织构的减摩效果也在逐渐下降,说明不恰当的织构深径比会加大摩擦磨损。当织构深径比 β=0.12时对动压滑动轴承磨擦磨损影响最显著且最大减磨率达到23.6%。

  • 图7 织构深径比下的摩擦磨损

  • Fig.7 Friction and wear under texture aspect ratios

  • 深径比 β=0.12的表面织构动压滑动轴承的SEM形貌和摩擦力矩图,如图7(b)所示。在图6(b) 中,深径比 β=0.16与图7( b)中深径比 β=0.12的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩变化规律相似。虽然它们的变化规律相似但后者的摩擦力矩普遍低于前者摩擦力矩,原因在于织构深径比 β=0.12的面积率 Sp=20%是基于前文2.2.1的基础上得到的,面积率 Sp 的占比影响了摩擦力矩随时间变化的总体变化趋势,因此它们的变化规律是相似的;而深径比 β 的不同则影响了其摩擦力矩值大小的不同。

  • 在图7(b)的SEM图中,表面织构动压滑动轴承表面发现较多不同位置的划痕且宽度与长度大小不一。出现较多非均匀且不同位置分布的划痕,这是由于表面织构动压滑动轴承在工作过程中粗糙表面峰值相互摩擦产生的磨损颗粒在润滑油和主轴转动共同作用下的分布是随机分布。而划痕的大小与宽度不一原因在于摩擦产生的磨损颗粒大小不一致以及表面织构微凹坑的存在也俘获一定数量的微磨损颗粒引起的。

  • 2.3 工况对轴承摩擦学性能影响

  • 工况是影响表面织构动压滑动轴承正常工作的另一个重要因素,不同工况会给其摩擦学性能产生不同影响。对织构面积率 Sp=20%,深径比 β=0.12在不同载荷与转速下的动压滑动轴承进行试验,探究载荷与转速对其摩擦学性能的影响。

  • 2.3.1 载荷作用的轴承摩擦学行为

  • 转速n=500r/min下不同载荷的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩随时间的变化,如图8所示。在图8中,轴承的启动阶段,随着时间的增加,摩擦力矩也在逐渐增加;经过此阶段后,动压滑动轴承逐渐进入稳定阶段其摩擦力矩随着时间的增加而不断减小最终趋于稳定。相同载荷的表面织构(Textured surface, TS)的动压滑动轴承摩擦力矩低于未织构(Untextured surface, UTS)的动压滑动轴承摩擦力矩;相同时间不同载荷的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩,总体上随载荷的增加而增加。

  • 图8 不同载荷下摩擦力矩随时间的变化

  • Fig.8 Variation of friction torque with time under loads

  • 图9 为表面织构动压滑动轴承磨损量随载荷的变化。在图9中,随着载荷的不断增加,表面织构动压滑动轴承磨损量的变化规律表现为先逐渐减小后增加的趋势,并且表面织构动压滑动轴承的载荷为4kN时表面的磨损量最小。原因在于动压滑动轴承所施加的载荷在2~4kN阶段变化时,此时的动压滑动轴承处在动压润滑状态。随着载荷(5~8kN) 的逐渐增加,此时的表动压滑动轴承处在混合润滑状态。由于载荷的增加表面微凹坑织构不能够有效存储磨损颗粒与形成二次动压润滑效应,最终造成动压滑动轴承的摩擦量也在逐渐增加。在图9中,载荷4kN作用下的表面织构动压滑动轴承与未织构动压滑动轴承相较而言,织构动压滑动轴承的最大减摩性能达到48%。

  • 载荷为4kN和8kN的表面织构动压滑动轴承的摩擦磨损SEM形貌图,如图10(a)和10(b) 所示。在图10(a)中,表面织构动压滑动轴承摩擦磨损颗粒散落在表面不同位置点且存在较浅、宽度较小的划痕。在图10(b)中,表面织构动压滑动轴承的承受的载荷较大,表面出现较为明显的犁沟划痕并且摩擦磨损颗粒分布在犁沟附近。图10(a)和10(b)中摩擦磨损颗粒均较少主要是由于凹坑存储了摩擦磨损颗粒,一定程度上减少了接触面摩擦状态的恶化。此外,激光加工提高了凹坑附近的硬度进一步改变了表面织构的耐磨性这也是引起表面织构磨损较少的原因。表面织构动压滑动轴承表面还发现有些微凹坑边缘附近出现“烧蚀”发黑,这是因为表面的润滑油润滑不及时部分微凹坑边缘附近出现了瞬态的干摩擦,引起了主轴与表面织构发生了粘着磨擦磨损且干摩擦产生的摩擦热使织构表面发生化学变化造成的。

  • 图9 磨损量随载荷的变化

  • Fig.9 Variation of wearing capacity with loads

  • 图10 载荷作用下的表面SEM形貌

  • Fig.10 SEM images of surface under loads

  • 2.3.2 转速作用的轴承摩擦学行为

  • 载荷为4kN下不同转速的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩随时间的变化,如图11所示。在图11中,不同转速下的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩,随着时间的增加摩擦力矩逐渐的减小且最终稳定。不同转速下的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩变化趋势基本一致,但相同时间下不同转速的表面织构动压滑动轴承摩擦力矩值不同。转速n在500~1200r/min提高的过程中发现轴承的摩擦力矩并非是随着转速的升高而增加而是在其正常工作中存在最佳的主轴转速使得轴承的摩擦力矩最小。

  • 图12 为表面织构动压滑动轴承磨损量随转速的变化。主轴转速n在200~800r/min的阶段工作时,表面织构动压滑动轴承的摩擦磨损较严重,此时转子-轴承系统可能正处在边界润滑状态。轴承副表面的间隔减小,摩擦表面粗糙峰值互相作用增强,造成轴承副表面更多的粗糙凸起参与摩擦。而当主轴转速n在800~1100r/min的阶段工作时,动压滑动轴承磨损量逐渐降小,此时动压滑动轴承可能进入到混合润滑阶段。此时摩擦副表面间隔无限逼近于粗糙峰值的高度,外部载荷则借助粗糙峰值与油膜压力共同分担,摩擦磨损通过润滑油与粗糙峰值的形变或剪切所引起的。随着主轴转速n在1100~2000r/min的阶段工作时,动压滑动轴承磨损量逐渐缓慢的增加, 此时轴承-转子系统可能处于流体动压润滑状态,主轴与轴承之间被润滑油油膜隔离,转速的提高引起润滑油界面剪切力变大,最终造成摩擦的加剧。

  • 图11 不同转速下摩擦力矩随时间的变化

  • Fig.11 Variation of friction torque with time under rotational speeds

  • 图12 磨损量随转速的变化

  • Fig.12 Variation of wearing capacity with speeds

  • 图13 为载荷4kN,转速为1100r/min与2000r/min工况下的表面织构动压滑动轴承的摩擦磨损表面形貌。在图13中,表面织构轴承表面发现较为明显的划痕,部分微凹坑织构被磨平并且还有部分微凹坑织构已经被摩擦磨损颗粒填满,部分填满的微凹坑几乎不可见。由于转子-轴承系统在高速重载工作下,润滑油的供给不及时未能有效的带走摩擦磨损产生的颗粒引起较为显著的犁沟以及微凹坑的磨平与填满。

  • 图13 转速作用下的表面SEM形貌

  • Fig.13 SEM images of surface under speed

  • 3 摩擦磨损机理分析

  • 3.1 摩擦磨损分析

  • 载荷作用的轴承副发生摩擦磨损的原因在于其一载荷的增加表面织构轴承发生塑形变形, 凹坑的润滑油被挤出流入轴承副表面,引起表面发生紊流作用[5, 24],造成摩擦磨损逐渐加剧;其二,随着摩擦产生的热量促使轴承表层发热且改变了表层的性质以及轴承副的润滑状态[5, 25],使之表面润滑油膜发生失效,因而造成轴承副表面更多的突出参与摩擦,油膜厚度逐渐由图14中的 h1→h2(h2> h1),粗糙峰值更多的突出参与摩擦, 从而产生更多的磨削颗粒,使得摩擦磨损增加。

  • 转速作用的轴承副引起摩擦磨损主要原因是由于互相接触的摩擦副运动初始润滑油膜尚未形成,随着转速提高动压效应逐渐显现,摩擦副的油膜厚度逐渐由图14中的 h2→h1。润滑油膜的形成促使旋转轴与轴承逐渐分离,减少了摩擦副表面微凸体突出的尖峰的互相摩擦,进而产生较少的磨削颗粒,使得摩擦磨损降低。

  • 图14 表面织构摩擦磨损分析

  • Fig.14 Friction and wear analysis of surface texture

  • 3.2 磨损表面形貌与能谱分析

  • 图15(a)中,未织构动压滑动轴承表面出现粘着磨损和磨粒磨损且磨损情况比较严重,存在明显的犁沟痕迹和粘着撕裂痕。由于未织构表面不能存储润滑油与磨粒,因此,正常工作过程中产生的磨损颗粒在轴承表面形成微观切削,造成动压滑动轴承表面发生磨粒磨损;此外,未织构动压滑动轴承的油膜压力较低,表面粗糙峰之间的接触更多,摩擦产生较高温度,使其表面发生粘着磨损。

  • 图15(b) 中,织构表面磨损相对较轻,主要为磨粒磨损,梨沟较浅且宽度较小。同时微凹坑存储磨粒,一定程度上避免了接触面间摩擦状态的恶化,减少摩擦过程中产生的摩擦热及磨粒的微观切削,这正是织构表面磨痕较少且摩擦磨损量较低的原因之一。另外,轴承表面微造型过程中材料表面发生了相变硬化,因此激光加工的表面织构提高了材料表面的耐磨性。

  • 为分析摩擦磨损试验后的动压滑动轴承表面的变化以及进一步明确摩擦磨损机理。动压滑动轴承表面EDS分析,如图16所示。

  • 图16(a)中,未织构动压滑动轴承除了自身的Cu和Zn主要元素外,C元素峰值较高,O元素次之,相较于试验前,见图5所示,C和O元素含量分别增加18.3%和8.8%,说明未织构磨痕表面还伴随着发生一定程度的氧化磨损。图16(b)中, 织构化试样C和O元素分别减少54.3%和41.9%,说明磨损程度低于未织构试件。未织构与织构轴承表面均发现了Fe元素,说明主轴发生了轻微的摩擦磨损。

  • 图15 轴承表面的SEM形貌

  • Fig.15 SEM images of bearing surface

  • 图16 摩擦磨损试验后的未织构和织构样品的EDS分析

  • Fig.16 EDS analysis of untextured and textured samples after friction and wear test

  • 3.3 减摩机理分析

  • 表面织构可减摩的重要原因其一是因为微凹坑作为二次润滑源与储存磨粒,减少磨粒磨损,可以起到良好的润滑减磨效果;其二是激光凹坑织构微造型时,光能转化的热能直接作用在表面促使局部区域的组织硬度发生硬化从而形成硬化层,使得表面织构动压滑动轴承在试验中表现出较好的耐磨性能。表面织构深径比越大, 虽然存储润滑油与摩擦磨损颗粒越多,但是坑底至接触面的距离也增加了,进而影响了存储在凹坑内润滑油的流动性,最终导致表面织构产生的二次动压润滑效果减弱。因此,存在最佳织构深径比使减磨润滑效果最佳。一旦表面发生严重的摩擦将会引起磨损颗粒增多,最终使微凹坑被磨粒填满失去减摩润滑的作用。此外,织构面积率的增加,使得接触面摩擦区域内的织构数量骤然增加引起存储磨损颗粒与润滑油的减摩润滑作用越加突出,最终导致二次动压润滑效应越发明显,使得摩擦副接触面的分离,一定程度上减小了摩擦;但随着织构面积率( Sp>20%) 持续不断的增加,两织构的间距却越来越近,极大概率引起相邻两个微凹坑的压力峰与压力谷产生互相干扰,并顺势抵消全部或部分二次动压润滑作用,使减摩润滑效果降低,故最佳织构面积率能使表面织构减摩润滑效果达到最大。

  • 4 结论

  • (1) 激光加工动压滑动轴承表面的表面织构会引起局部区域产生硬化现象,而经加工的轴承内表面的C与O元素的化学成分含量增长了31.1%与7.9%。

  • (2) 不同织构参数(面积率 Sp 与深径比 β) 与工况(载荷与转速)下的磨损量与摩擦因数是先减小后增加的趋势且表面织构对动压滑动轴承耐磨性提高了23%以上。动压滑动轴承随着织构参数与工况条件的变化,油膜边界也发生变化且油膜边界经历从边界润滑到混合润滑直至动压润滑的变化。

  • (3) 动压滑动轴承表面的摩擦磨损机理是磨粒切削与粘着磨损。而表面织构的减摩机理是能够提高表面耐磨性以及储存磨粒和形成二次动压润滑,进而降低磨粒切削和粘着磨损。

  • 5 致谢

  • 文中工作得到了河南科技大学机械装备先进制造河南省协同创新中心平台的支持。

  • 参考文献

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  • 基本信息

    中图分类号: TG174.44;TG115.58
    文献标识码: A
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20200905001
    文章编号: 1007-9289(2020)06-0047-11

    基金信息

    国家科技重大专项项目(21010098)；
    河南省科技攻关计划项目(162102210048)；
    河南高性能轴承技术重点实验室开发项目 (2016ZCKF02)；
    Supported by National Science and Technology Major Project ( 21010098)；
    Key Technologies R & D Program of Henan Province (162102210048)；
    Key Laboratory of High Performance Bearing Technology of Henan Province (2016ZCKF02)；

    引用信息

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    稿件历史

    收稿日期: 2020-09-05

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