淺談摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承中的應(yīng)用

郭浩，杜三明，雷建中，曲紅利

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039；4.河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003；5.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039)

摩擦學(xué)(Tribolgy)[1]作為一門(mén)新興學(xué)科，包含摩擦、磨損與潤(rùn)滑科學(xué)，是主要研究摩擦磨損過(guò)程中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副表面的摩擦磨損與潤(rùn)滑理論并實(shí)踐的科學(xué)與技術(shù)(包括潤(rùn)滑材料和潤(rùn)滑方法、設(shè)計(jì)和計(jì)算、摩擦機(jī)理與故障診斷、監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)以及摩擦材料和表面狀態(tài)等)。摩擦學(xué)涉及數(shù)學(xué)(分析數(shù)學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué))、機(jī)械學(xué)、物理學(xué)、表面工程學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)[2]。摩擦與磨損是發(fā)生在接觸界面上的極其復(fù)雜的行為，受到工作參數(shù)、環(huán)境條件、摩擦副材料、潤(rùn)滑技術(shù)等諸多因素的影響，各因素之間存在著復(fù)雜的耦合及相互作用，摩擦磨損過(guò)程具有不可逆性和耗散性，因此摩擦學(xué)具有復(fù)雜性、系統(tǒng)性和學(xué)科綜合性等特點(diǎn)[3-4]。

摩擦現(xiàn)象很早就被發(fā)現(xiàn)，但由于種種原因，摩擦學(xué)的研究進(jìn)展非常緩慢，直到15世紀(jì)，達(dá)·芬奇介紹了在滑動(dòng)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(jié)論[5]；1785年，庫(kù)侖在前人研究的基礎(chǔ)上用機(jī)械嚙合概念解釋干摩擦，最終提出摩擦理論[2];19世紀(jì)，摩擦磨損研究沒(méi)有突出進(jìn)展;20世紀(jì),Hardy W B和Tomlinson G A先后提出了摩擦的“黏附理論”，認(rèn)為作用在接觸表面間的分子黏著力產(chǎn)生摩擦力[3]。文獻(xiàn)[6]在用材料研究干摩擦過(guò)程中引用黏著概念，并在1950年正式提出了黏著理論。同一時(shí)期Fttchsel M提出干摩擦是一種接觸表面的變形過(guò)程和隨后金屬變形后的剝離過(guò)程[4]。泰伯認(rèn)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(jī)械二重性[2]。二戰(zhàn)后，隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器工作條件向高速、重載方向發(fā)展，對(duì)機(jī)器零件的可靠性和使用壽命、機(jī)器的效率和能耗以及在特定環(huán)境(如高溫、腐蝕介質(zhì)等)下的工作都提出了特殊要求，使人們對(duì)摩擦磨損潤(rùn)滑方面的研究興趣增大。文獻(xiàn)[2]首先提出摩擦過(guò)程中接觸表面間金屬的轉(zhuǎn)移，并研究了轉(zhuǎn)移與磨損間的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]研究了氧化磨損的動(dòng)態(tài)特征，在磨損過(guò)程與遷移(被磨掉)之間建立了平衡狀態(tài)：摩擦?xí)r，軟金屬向硬金屬轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的金屬迅速被氧化，直至氧化膜限制了金屬的進(jìn)一步轉(zhuǎn)移，隨后氧化膜被磨掉，這是個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程。關(guān)于物體潤(rùn)滑的研究，學(xué)者們最初觀察到了流體動(dòng)壓現(xiàn)象。1886年，Reynolds在總結(jié)以上現(xiàn)象的基礎(chǔ)上建立了表征流體潤(rùn)滑膜力學(xué)性能的Reynolds方程，奠定了流體潤(rùn)滑的理論基礎(chǔ)[8]。20世紀(jì)50年代電子計(jì)算機(jī)在科學(xué)上廣泛應(yīng)用，接觸彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論發(fā)展迅速。近些年，固體潤(rùn)滑得到了長(zhǎng)足的進(jìn)展。關(guān)于磨損的研究，學(xué)者們于20世紀(jì)50年代提出黏著理論后，各種表面分析儀器相繼被應(yīng)用，磨損研究迅速發(fā)展。在綜合研究摩擦、潤(rùn)滑和磨損相互關(guān)系的過(guò)程中，摩擦學(xué)逐漸形成一門(mén)學(xué)科。目前，摩擦學(xué)的研究發(fā)展已經(jīng)由靜態(tài)特性研究轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)過(guò)程研究，由定性關(guān)系轉(zhuǎn)為定量關(guān)系，由宏觀現(xiàn)象分析進(jìn)入微觀機(jī)理研究，由單一學(xué)科分散研究逐漸轉(zhuǎn)為對(duì)摩擦學(xué)系統(tǒng)諸多影響因素進(jìn)行多學(xué)科的綜合研究[4]，并且隨著工業(yè)的高速發(fā)展，摩擦學(xué)在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。我國(guó)摩擦學(xué)的研究興起于1956年，經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，在世界范圍內(nèi)影響力越來(lái)越高。2017年9月，北京成功舉辦了第六屆世界摩擦學(xué)大會(huì)。

現(xiàn)階段，摩擦學(xué)研究可劃分為7個(gè)方向：材料摩擦磨損，潤(rùn)滑理論及應(yīng)用，生物及仿生摩擦學(xué)，微納摩擦學(xué)，表面工程摩擦學(xué)，工業(yè)摩擦學(xué)，摩擦學(xué)設(shè)計(jì)。滾動(dòng)軸承作為重要的基礎(chǔ)件與上述摩擦學(xué)板塊密切相關(guān)，如軸承的設(shè)計(jì)(摩擦學(xué)設(shè)計(jì))，軸承材料的摩擦磨損，軸承的潤(rùn)滑，軸承套圈的表面處理(表面工程摩擦學(xué))，軸承的應(yīng)用(工業(yè)摩擦學(xué))。由此可見(jiàn)，滾動(dòng)軸承的發(fā)展離不開(kāi)摩擦學(xué)。

1 摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承中的應(yīng)用

滾動(dòng)軸承作為重要的基礎(chǔ)件，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。滾動(dòng)軸承中摩擦副較多，如滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道面的摩擦,滾動(dòng)體與保持架兜孔的摩擦,潤(rùn)滑劑與滾動(dòng)體的摩擦,潤(rùn)滑劑與內(nèi)外圈滾道面的摩擦,甚至密封圈的摩擦。按摩擦產(chǎn)生機(jī)理，滾動(dòng)軸承摩擦又可分為純滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦(滾動(dòng)接觸表面上的差動(dòng)、自旋等滑動(dòng)摩擦；滑動(dòng)接觸部位的滑動(dòng)摩擦包括滾動(dòng)體與保持架兜孔之間的滑動(dòng)；保持架與套圈引導(dǎo)面之間的滑動(dòng)；滾子端面與套圈擋邊之間的滑動(dòng)； 密封軸承中密封件與套圈之間的滑動(dòng)等等)、潤(rùn)滑劑的黏性阻滯摩擦。對(duì)照現(xiàn)階段摩擦學(xué)研究方向，從滾動(dòng)軸承材料摩擦磨損(對(duì)應(yīng)于摩擦學(xué)材料摩擦磨損方向)、滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)(對(duì)應(yīng)于摩擦學(xué)設(shè)計(jì)摩擦學(xué)方向)、滾動(dòng)軸承表面處理(對(duì)應(yīng)于表面工程摩擦學(xué)方向)以及滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑(對(duì)應(yīng)于摩擦學(xué)潤(rùn)滑理論及應(yīng)用方向)4個(gè)方面論述摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承中的應(yīng)用。

1.1 材料的摩擦磨損

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

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)摩擦學(xué))

隨著滾動(dòng)軸承的廣泛應(yīng)用，尤其是苛刻條件下，對(duì)滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)的宗旨應(yīng)是滿足應(yīng)用條件要求，如SKF公司開(kāi)發(fā)的高速角接觸球軸承[12]，為滿足高轉(zhuǎn)速(dm·n=1.05×106mm·r/min)，軸承設(shè)計(jì)做出如下改變：改進(jìn)溝道面輪廓形貌，改變接觸角，改進(jìn)保持架兜孔形貌，最終減少球與溝道面間的滑動(dòng)，減少保持架兜孔力，進(jìn)而減少保持架與球的摩擦，最終開(kāi)發(fā)出滿足要求的高性能軸承。NSK通過(guò)軸承密封設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的高性能低摩擦密封件如圖1所示[13]。滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)在滿足客戶要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了盡量減少各摩擦副摩擦的效果。由此可見(jiàn)，摩擦學(xué)的應(yīng)用有助于改進(jìn)滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)。

圖1 NSK新型軸承密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Sealing structure of new bearing developed by NSK

1.3 表面處理與摩擦學(xué)

隨著對(duì)滾動(dòng)軸承失效的深入統(tǒng)計(jì)分析，其失效往往發(fā)生在套圈或滾動(dòng)體的表層及次表層；另外，在世界范圍內(nèi)節(jié)省能源、減少污染的背景下，滾動(dòng)軸承表面處理技術(shù)發(fā)展迅速。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為滾動(dòng)軸承表面處理技術(shù)是以后的發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)論傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)，如滲碳、滲氮、PVD和CVD，還是新興的表面處理技術(shù)，如離子注入、激光表面改性、超聲波表面改性等，均有性能評(píng)價(jià)即耐磨性，這必然要通過(guò)摩擦試驗(yàn)。文獻(xiàn)[15-17]分別研究了N離子注入對(duì)9Cr18表層磨損性能影響,金屬離子注入對(duì)Cr4Mo4V磨損性能的影響以及ZnO復(fù)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(duì)比結(jié)果如圖2所示[12]。文獻(xiàn)[18]采用天然抗氧化劑進(jìn)行表面處理，明顯降低了摩擦因數(shù)(圖3)。通過(guò)研究經(jīng)表面處理的表層的摩擦學(xué)特性，可以掌握改性層的性能及損傷機(jī)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(xué)在滾動(dòng)軸承表面處理技術(shù)中應(yīng)用廣泛。

圖2 不同N離子處理工藝9Cr18表層磨損量對(duì)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(shù)對(duì)比Fig.3 Comparison of friction coefficients on bearing surface treated with natural antioxidants

1.4 潤(rùn)滑(摩擦學(xué)潤(rùn)滑理論)

滾動(dòng)軸承的優(yōu)異性能離不開(kāi)潤(rùn)滑的作用。滾動(dòng)軸承失效很大程度是由于潤(rùn)滑失效，即潤(rùn)滑狀態(tài)的改變(潤(rùn)滑劑污染、潤(rùn)滑油膜厚度的改變)。一般來(lái)說(shuō)，滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑良好，潤(rùn)滑油膜能完全隔離滾動(dòng)體與套圈,使之處于彈流潤(rùn)滑狀態(tài)；然而，軸承實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，滾動(dòng)軸承往往處于混合潤(rùn)滑狀態(tài),甚至潤(rùn)滑失效時(shí)滾動(dòng)軸承處于干摩擦狀態(tài)，這些都與滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑理論中油膜厚度變化有關(guān)。潤(rùn)滑理論在不斷發(fā)展和完善，并應(yīng)用于滾動(dòng)軸承，文獻(xiàn)[19]詳細(xì)論述了滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑理論。文獻(xiàn)[20]研究認(rèn)為：油膜厚度hT=hR(增稠劑材料)+hEHL(流體彈性動(dòng)力潤(rùn)滑膜)；通過(guò)定義潤(rùn)滑脂壽命并依據(jù)壽命試驗(yàn)結(jié)果提出換油時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式為

L10=2.7L01。

另外，滾動(dòng)軸承應(yīng)用環(huán)境多樣，沒(méi)有一種特定的潤(rùn)滑劑能滿足所有滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)，因此，滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑還包括潤(rùn)滑劑研發(fā)及應(yīng)用。如NTN在潤(rùn)滑劑中添加抑制劑形成氧化膜抑制H進(jìn)入鋼基體，使其壽命提高約4倍[21]。文獻(xiàn)[22]研究了油脂化學(xué)成分對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞磨損的影響，認(rèn)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(rùn)滑試驗(yàn)的磨損體積Fig.4 Wear volume for different lubrication tests

由此可見(jiàn)，摩擦學(xué)中潤(rùn)滑理論與滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑密切相關(guān)，且摩擦學(xué)有助于為實(shí)際工況選擇合適的潤(rùn)滑劑。

2 摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承中應(yīng)用展望

2.1 與國(guó)外知名軸承企業(yè)差距

世界知名軸承企業(yè)均較重視摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承中的應(yīng)用，并廣泛開(kāi)展相關(guān)研究。2012年，SKF投資了1.8億歐元用于研發(fā)，許多重要?jiǎng)?chuàng)新都是摩擦學(xué)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(yīng)用的超光潔軸承、表面網(wǎng)紋、油脂和潤(rùn)滑劑規(guī)格以及低摩擦密封件等[23]。Schaeffler公司歷來(lái)重視摩擦學(xué)并已制定了軸承的摩擦學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[24]。NSK公司更是把摩擦學(xué)知識(shí)作為4個(gè)核心技術(shù)(摩擦學(xué)技術(shù)、解析技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù))之一[25]。NTN公司把摩擦學(xué)作為其所有技術(shù)的基礎(chǔ)并以此進(jìn)行技術(shù)延伸[26]，其技術(shù)樹(shù)如圖5所示。JTEKT公司以摩擦學(xué)為依據(jù)，通過(guò)材料開(kāi)發(fā)及加工技術(shù)進(jìn)行革新[27]。生產(chǎn)世界最小的球軸承(外徑僅1.5 mm)的NMB公司認(rèn)為摩擦(潤(rùn)滑)技術(shù)是減少摩擦磨損必不可少的，近半個(gè)世紀(jì)積累的潤(rùn)滑技術(shù)確保其根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用進(jìn)行潤(rùn)滑設(shè)計(jì)[28]。由此可以看出，國(guó)外著名的軸承企業(yè)均較重視摩擦學(xué)及其在滾動(dòng)軸承上的應(yīng)用。

圖5 NTN技術(shù)樹(shù)Fig.5 Technical tree of NTN

國(guó)內(nèi)軸承企業(yè)對(duì)摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承中的應(yīng)用重視較少，且國(guó)內(nèi)摩擦學(xué)研究者多數(shù)不從事軸承相關(guān)工作，而軸承從業(yè)者較少系統(tǒng)地了解摩擦學(xué)知識(shí)。這一現(xiàn)狀與國(guó)外摩擦學(xué)發(fā)展的境況截然相反。因此，從摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承應(yīng)用方面來(lái)看，我國(guó)軸承企業(yè)與國(guó)外軸承企業(yè)存在較大差距，這或許是我國(guó)高端軸承產(chǎn)品質(zhì)量不如國(guó)外軸承企業(yè)的原因之一。因此，如何有效地將摩擦學(xué)應(yīng)用于滾動(dòng)軸承，改善滾動(dòng)軸承摩擦損耗(低摩擦、低能耗)，提高滾動(dòng)軸承性能及壽命，是未來(lái)軸承發(fā)展的方向之一。

2.2 展望

現(xiàn)階段滾動(dòng)軸承發(fā)展一方面趨向于高可靠、長(zhǎng)壽命,另一方面趨向于節(jié)約能耗,減少環(huán)境污染。而運(yùn)用摩擦學(xué)知識(shí)可以減少滾動(dòng)軸承摩擦副的摩擦，改進(jìn)滾動(dòng)軸承材料、滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)、軸承表面處理技術(shù)，改善滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)，提高軸承性能，進(jìn)而延長(zhǎng)滾動(dòng)軸承壽命。因此，對(duì)摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承的應(yīng)用提出如下建議：

1)開(kāi)展?jié)L動(dòng)軸承減摩耐磨設(shè)計(jì)。運(yùn)用摩擦學(xué)知識(shí)優(yōu)化軸承設(shè)計(jì)，改善滾動(dòng)軸承中摩擦副的摩擦狀態(tài)。

2)進(jìn)行滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑劑研發(fā)及潤(rùn)滑理論研究。滾動(dòng)軸承型號(hào)較多且應(yīng)用環(huán)境不同，通過(guò)潤(rùn)滑理論基礎(chǔ)研究，探求相應(yīng)軸承的最佳潤(rùn)滑方式以及研發(fā)性能優(yōu)異的潤(rùn)滑劑，從而改善軸承性能，提高軸承壽命。

3)自潤(rùn)滑軸承材料研發(fā)。滾動(dòng)軸承的發(fā)展離不開(kāi)軸承材料的發(fā)展，然而苛刻環(huán)境下(如航空航天)傳統(tǒng)的潤(rùn)滑方式不再適合，新穎的潤(rùn)滑方式(如自潤(rùn)滑)則較為重要。當(dāng)前軸承的自潤(rùn)滑主要以軸承表面進(jìn)行固體潤(rùn)滑或保持架浸油的方式實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越的軸承自潤(rùn)滑材料是有效的方式之一。

4)滾動(dòng)軸承表面工程技術(shù)研究。目前軸承表面工程技術(shù)是軸承延壽的熱點(diǎn)之一，開(kāi)展?jié)L動(dòng)軸承表面工程技術(shù)系統(tǒng)研究，如離子注入、表面改性(噴涂、超聲波加工)等，擴(kuò)大苛刻環(huán)境下滾動(dòng)軸承的應(yīng)用范圍，同時(shí)提高滾動(dòng)軸承壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

摩擦學(xué)與軸承聯(lián)系緊密，利用摩擦學(xué)知識(shí)有益于改善滾動(dòng)軸承性能，提高其壽命。國(guó)外知名軸承企業(yè)均比較重視摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承中的應(yīng)用,而國(guó)內(nèi)軸承企業(yè)對(duì)摩擦學(xué)認(rèn)識(shí)不夠，摩擦學(xué)與滾動(dòng)軸承的聯(lián)系較少，與國(guó)外軸承企業(yè)的差距較大。當(dāng)前國(guó)內(nèi)軸承產(chǎn)量較大，質(zhì)量不高。要實(shí)現(xiàn)軸承行業(yè)從產(chǎn)量大國(guó)到質(zhì)量強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，需重視摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承上的應(yīng)用。只要努力改進(jìn)，未來(lái)摩擦學(xué)在滾動(dòng)軸承中的應(yīng)用必居于世界軸承企業(yè)的前列。