基于雙點(diǎn)接觸電阻法的潤(rùn)滑狀態(tài)研究*

郭 晨 嚴(yán)志軍 鄒玉堂 徐久軍

(1.大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 遼寧大連 116026；2.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 遼寧大連 116026;3.大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 遼寧大連 116026)

潤(rùn)滑被認(rèn)為是降低無用摩擦和控制過度磨損的重要途徑，在延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和保證工件可靠性上有巨大潛力[1-2]。在潤(rùn)滑狀態(tài)的研究上，前人已經(jīng)做了很多工作,也探索出了多種試驗(yàn)方法，例如光干涉法[3-5]、磁阻法[6-7]、電容法[8-9]以及電阻法[10-14]等。其中，光干涉法試驗(yàn)結(jié)果比較可靠，但其試驗(yàn)成本往往非常昂貴，并且其中一個(gè)接觸體必須為透光材質(zhì)；磁阻法局限性在于傳感器對(duì)溫度變化較為敏感，其抗干擾能力不高；電容法僅適用于全膜流體潤(rùn)滑狀態(tài)的研究，當(dāng)摩擦副間有微凸體接觸時(shí)，測(cè)量結(jié)果不甚準(zhǔn)確；而電阻法電路簡(jiǎn)單，對(duì)材料和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是定性研究潤(rùn)滑狀態(tài)的有效測(cè)試方法。

目前基于電阻法的潤(rùn)滑狀態(tài)試驗(yàn)裝置多采用單點(diǎn)接觸形式[10,13]，其局限性在于：電阻一般是在回轉(zhuǎn)或往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的試件上直接進(jìn)行接線測(cè)量，有的設(shè)備還需要外接集流器，因此電阻信號(hào)受外界干擾較大，測(cè)量精度受限；單點(diǎn)接觸形式的摩擦副接觸狀態(tài)容易受振動(dòng)影響而產(chǎn)生加載力和電阻的波動(dòng)，裝置難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，這也一定程度上增加了測(cè)試的難度。因此本文作者提出了一種基于電阻法的雙點(diǎn)接觸自適應(yīng)摩擦試驗(yàn)裝置。該裝置結(jié)合了摩擦因數(shù)法和接觸電阻法的優(yōu)點(diǎn)：既有摩擦因數(shù)法對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)劃分上的直觀性，又有電阻法對(duì)摩擦副接觸狀態(tài)表征上的優(yōu)勢(shì)，為潤(rùn)滑狀態(tài)研究試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)提供一種新的思路。

1 試驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)裝置介紹

圖1所示為雙點(diǎn)接觸摩擦試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置由5部分組成：加載機(jī)構(gòu)、浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)、夾具(兼做油槽)、摩擦副試件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。加載機(jī)構(gòu)主要由微型手搖千斤頂和碟形彈簧組合而成，碟形彈簧將千斤頂施加的力傳遞給壓力傳感器，壓力傳感器再將力傳遞給浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)；壓力經(jīng)浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡，使得雙下試件與上試件(軸徑部分)受力一致，構(gòu)成摩擦副；待測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定后打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即可對(duì)摩擦力、加載力以及平均接觸電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和保存，通過換算即可得到摩擦因數(shù)。

圖1 雙點(diǎn)接觸摩擦試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意Fig 1 Schematic of double-point contact friction test device

與現(xiàn)有的摩擦試驗(yàn)裝置相比，該裝置有以下優(yōu)勢(shì)：(1)摩擦副采用雙點(diǎn)接觸，通過浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)完成加載力的平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，保證雙點(diǎn)接觸時(shí)兩側(cè)受力和潤(rùn)滑狀態(tài)的一致性；(2)在相對(duì)靜止的雙下試件上進(jìn)行接觸電阻的接線測(cè)量，線路布置簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)；(3)采用自下而上的加載方式，降低了導(dǎo)軌與滑塊之間的摩擦以及裝置自重對(duì)測(cè)量的影響，提高了裝置的精度和結(jié)果的可靠性。

1.2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)時(shí)，上試件在電機(jī)的帶動(dòng)下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)雙下試件與上試件(軸徑部分)構(gòu)成摩擦副，且摩擦副周圍存有適量的潤(rùn)滑油。由于楔形效應(yīng)，潤(rùn)滑油流入楔形收斂間隙，形成有一定厚度和承載能力的潤(rùn)滑膜，從而將摩擦副分隔開，此時(shí)接觸電阻值較大；隨著載荷的不斷增加，油膜厚度將逐漸減小，微凸體的接觸數(shù)目逐漸增多，因此接觸電阻也隨之有下降的趨勢(shì)；當(dāng)載荷進(jìn)一步增加，最終油膜被壓破，導(dǎo)致潤(rùn)滑失效，則摩擦副間的微凸體大面積接觸，接觸電阻接近于0。

圖2所示為電阻測(cè)量原理，試驗(yàn)中，加載力經(jīng)過浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡，使得摩擦副兩側(cè)受力一致。在兩下試件上接上電線，測(cè)量時(shí)上試件與下試件之間的接觸電阻值(實(shí)測(cè)電阻-電路電阻)信號(hào)通過電阻變送器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并向外輸出至數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)而完成電阻信號(hào)的采集。

圖2 電阻測(cè)量原理Fig 2 Principle of resistance measurement

圖3所示為雙點(diǎn)接觸試驗(yàn)裝置總體布置，試驗(yàn)中摩擦力和加載力傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大器進(jìn)行調(diào)質(zhì)和放大，之后再傳遞到數(shù)據(jù)采集卡，與圖2采集到的電阻信號(hào)一并被傳到計(jì)算機(jī)程序中，經(jīng)過程序數(shù)字濾波后，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以待后續(xù)處理。

圖3 雙點(diǎn)接觸試驗(yàn)裝置總體布置Fig 3 General layout of double-point contact device

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)采用的上試件與下試件分別為45鋼和H59黃銅材質(zhì)，兩者直徑分別為50和8 mm，并且表面都經(jīng)過光整加工處理。試驗(yàn)前測(cè)得在16 ℃下5W-40潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度η0約為0.177 Pa·s。在無潤(rùn)滑的情況下，測(cè)得上試件與下試件直接接觸時(shí)平均電阻為0.027 Ω。試驗(yàn)采用控制變量法，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為50和60 r/min，加載方式為在0.5～5.9 N范圍內(nèi)階梯加載。

2.1 電阻分析

圖4所示為50和60 r/min轉(zhuǎn)速下平均接觸電阻隨加載力的變化情況。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下平均接觸電阻隨加載力的變化Fig 4 Variation of contact resistance withloading force at different speeds

由圖4可知，平均接觸電阻值隨著加載的增加呈現(xiàn)出整體下降的趨勢(shì)，并且在相同加載下，50 r/min始終比60 r/min的平均接觸電阻值要小。這說明在轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨著加載力的增大，摩擦副間形成的流體膜受壓而逐漸變薄，微凸體接觸數(shù)目逐漸增多，平均接觸電阻隨之降低；而在同一加載力下，轉(zhuǎn)速越高，流體動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)，油膜厚度也會(huì)隨之增加，因此所測(cè)出的平均接觸電阻值也就越大。另外，每個(gè)轉(zhuǎn)速下的電阻曲線都出現(xiàn)了“平臺(tái)”(電阻緩慢變化的區(qū)域)，且50 r/min下的2個(gè)“平臺(tái)”較60 r/min下都更早出現(xiàn)。文獻(xiàn)[13]中研究接觸電阻-速度曲線也有類似平均接觸電阻出現(xiàn)緩慢變化的情況，并認(rèn)為電阻發(fā)生緩慢變化的區(qū)域其潤(rùn)滑狀態(tài)也發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

2.2 摩擦因數(shù)分析

Stribeck曲線是通過研究徑向滑動(dòng)軸承得到的，摩擦因數(shù)隨無量綱軸承特性數(shù)的增大呈現(xiàn)先平后降再升的變化過程[15-16]。文中試驗(yàn)時(shí)，半徑分別為R1和R2的兩圓柱垂直接觸，根據(jù)接觸力學(xué)[17]，Hertz接觸等效半徑a可表示為

(1)

令加載力為F，單位面積載荷為p，有：

(2)

Stribeck曲線橫坐標(biāo)軸承特性數(shù)可化為

(3)

式中：η為潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度；U為滑動(dòng)速度；p為接觸點(diǎn)區(qū)域單位面積載荷。

對(duì)于同一對(duì)摩擦副，上、下試件半徑R1、R2為定值，在一定范圍內(nèi)可認(rèn)為潤(rùn)滑油黏度為常數(shù)。定轉(zhuǎn)速下，若只改變加載力，根據(jù)式(3)和Stribeck曲線摩擦因數(shù)的變化特征，可以推斷：在某一區(qū)域內(nèi)隨著加載力的增加，摩擦因數(shù)先下降后上升，最后在某一值附近波動(dòng)。因此，根據(jù)摩擦因數(shù)與加載力的關(guān)系即可對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行初步劃分。

圖5所示為不同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)隨加載力的變化曲線。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)隨加載力的變化Fig 5 Variation of friction coefficient with loadingforce at different speeds

隨著加載力的增加，摩擦因數(shù)均出現(xiàn)了先降再升后平的趨勢(shì)，這與結(jié)合式(3)和Stribeck 曲線所推測(cè)的摩擦因數(shù)變化特征相同。另外，摩擦因數(shù)曲線上均出現(xiàn)了“谷底”區(qū)，而50 r/min下“谷底”區(qū)出現(xiàn)更早。說明相同加載力下，轉(zhuǎn)速越低，流體動(dòng)壓效應(yīng)越不明顯，微凸體也就更容易接觸。因此50 r/min時(shí)加載力在2.5 N附近便發(fā)生大面積接觸，而60 r/min時(shí)，加載力在5 N附近時(shí)微凸體才大面積接觸，此時(shí)如圖4所示，各自的接觸電阻接近于0，說明兩者都已處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。

2.3 最小潤(rùn)滑油膜數(shù)值計(jì)算

為確定不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的油膜理論厚度并確定潤(rùn)滑狀態(tài)，文中利用Dowson提出的橢圓接觸最小油膜厚度計(jì)算公式[16,18]來對(duì)油膜厚度作進(jìn)一步研究。

2個(gè)半徑分別為R1和R2的圓柱軸線垂直接觸時(shí)所產(chǎn)生的接觸面為橢圓形，根據(jù)Dowson公式，其量綱一膜厚參數(shù)H表達(dá)式為

H=f(k,G,W,U)

(4)

低速輕載情況下，根據(jù)鮑培德[19]提出的Dowson公式點(diǎn)接觸潤(rùn)滑狀態(tài)改進(jìn)圖，可得到加載力在2 N以內(nèi)時(shí)，接觸區(qū)處于Rl區(qū)，此時(shí)量綱一膜厚參數(shù)H表達(dá)式為

(5)

式中:Rx為運(yùn)動(dòng)平面綜合曲率半徑;Ry為與運(yùn)動(dòng)平面垂直方向綜合曲率半徑;U=η0u/(ERx)，表示量綱一速度參數(shù)；W=F/(ERx2)，表示量綱一載荷參數(shù)；η0為潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度；E為試件綜合彈性模量；u為卷吸速度；F為接觸體之間的正壓力。

對(duì)于最小膜厚，有：

(6)

試驗(yàn)中，Rx=4 mm、Ry=25 mm，潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度η0=0.177 Pa·s，轉(zhuǎn)速為50 r/min，即卷吸速度u=0.131 m/s，代入式(6)可得到加載力與最小油膜厚度的關(guān)系。

圖6所示是按式(6)計(jì)算得出的加載力與最小膜厚的關(guān)系曲線，其中加載力已換算成單個(gè)試件的平均受力，且計(jì)算出的膜厚也是單個(gè)試件的最小膜厚。圖6顯示，當(dāng)總加載力在1 N附近時(shí)，單個(gè)試件最小油膜厚度已經(jīng)在100 nm左右，而當(dāng)總加載力在1.8 N附近時(shí)，單個(gè)試件最小油膜厚度已經(jīng)達(dá)到30 nm左右，且加載過程中膜厚在不斷減小。但圖4顯示，在加載力1 N附近平均接觸電阻出現(xiàn)了“平臺(tái)”。這說明對(duì)于點(diǎn)接觸摩擦副，一方面由于黏壓效應(yīng)，高壓使得潤(rùn)滑劑的黏度有所增高，因而油膜厚度會(huì)隨加載力的提高而緩慢減少；同時(shí)，高壓也使得接觸體產(chǎn)生彈性變形，因而潤(rùn)滑油膜的承載能力有所提高，此時(shí)對(duì)應(yīng)的圖5中摩擦因數(shù)正好處于“谷底”區(qū)。因此“平臺(tái)”與摩擦因數(shù)“谷底”存在一定關(guān)聯(lián)性。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為Stribeck曲線的谷底處于薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)，基體效應(yīng)如吸附效應(yīng)、薄膜的類固態(tài)變化、分子有序化和分子極性的支撐效應(yīng)等，使得這一潤(rùn)滑狀態(tài)能夠穩(wěn)定存在。

圖6 50 r/min下加載力與最小膜厚的關(guān)系Fig 6 Relation between loading force and minimumfilm thickness at 50 r/min

2.4 潤(rùn)滑狀態(tài)劃分

圖7是將50 r/min轉(zhuǎn)速下平均接觸電阻與摩擦因數(shù)結(jié)合后所繪制的復(fù)合曲線圖，可以觀察到接觸電阻與摩擦因數(shù)的變化存在較好的關(guān)聯(lián)性：0.5 N加載后，摩擦因數(shù)與接觸電阻同步下降，且當(dāng)加載力為1.5 N時(shí)，摩擦因數(shù)的“谷底”正好對(duì)應(yīng)接觸電阻的“平臺(tái)”區(qū)域；當(dāng)加載力為1.5～2.5 N時(shí)，摩擦因數(shù)逐漸增大，而接觸電阻不斷減??；而當(dāng)加載力超過2.5 N時(shí)，摩擦因數(shù)在某一值附近波動(dòng)，接觸電阻值接近于0 Ω。

對(duì)于潤(rùn)滑狀態(tài)，由于0.5 N加載后，電阻發(fā)生了驟降，說明此時(shí)摩擦副表面存在少量微凸體的接觸，因此接觸區(qū)已處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)。當(dāng)載荷在0.5～1.5 N之間時(shí)，接觸電阻與摩擦因數(shù)都在不斷下降，說明接觸區(qū)開始向邊界潤(rùn)滑轉(zhuǎn)變，但仍處于弾流潤(rùn)滑起主導(dǎo)的混合潤(rùn)滑狀態(tài)；當(dāng)載荷為1.5～2.5 N時(shí)，接觸電阻不斷減小直至接近于0 Ω，而摩擦因數(shù)不斷升高，說明接觸區(qū)已開始接近邊界潤(rùn)滑狀態(tài)；最后載荷大于2.5 N時(shí)，接觸電阻值接近于0 Ω，說明此時(shí)已經(jīng)存在摩擦副的直接接觸，接觸區(qū)處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。結(jié)合Dowson的劃分方式[16,18]，即可對(duì)5W-40潤(rùn)滑油在50 r/min下的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行劃分，潤(rùn)滑狀態(tài)劃分情況如圖7所示。

圖7 雙點(diǎn)接觸潤(rùn)滑狀態(tài)Fig 7 Double-point contact lubrication state

3 結(jié)論

(1)提出一種基于電阻法的雙點(diǎn)接觸摩擦試驗(yàn)裝置，該裝置采用自下而上的加載方式，利用浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加載力的自動(dòng)調(diào)節(jié),在對(duì)相對(duì)靜止的試件上布置電路并進(jìn)行電阻的測(cè)量，從而簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì),保證了測(cè)試的精度。

(2)采用試驗(yàn)裝置得到的摩擦因數(shù)與電阻的變化存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，例如摩擦因數(shù)處于“谷底”時(shí)接觸電阻正好處于“平臺(tái)”區(qū)域，且摩擦因數(shù)與接觸電阻最后同步趨于穩(wěn)定等，因此結(jié)合摩擦因數(shù)與接觸電阻可對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行更加精確的劃分。

(3) 根據(jù)Dowson的潤(rùn)滑狀態(tài)劃分方式，文中對(duì)雙點(diǎn)接觸下潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行了劃分，并繪制了相應(yīng)的潤(rùn)滑狀態(tài)圖。該裝置可用于潤(rùn)滑狀態(tài)研究及潤(rùn)滑油品質(zhì)鑒定。