雙盤潤滑油的磨損——一種新的反旋轉(zhuǎn)方法

磨損是潤滑觸點(diǎn)的一種災(zāi)難性故障模式，特別是在高壓和/或滑動速度下工作的觸點(diǎn)，如汽車準(zhǔn)雙曲面齒輪、凸輪從動件和電動汽車傳動系統(tǒng)，可能會在沒有警告的情況下發(fā)生。它是由一系列事件觸發(fā)的，從油膜的失效，粗糙接觸，摩擦膜的去除，最終導(dǎo)致金屬與金屬的粘合焊接。多年來，基于不同測試配置(I型，即四球、鐵姆肯、SRV、Pin on v、Block on Ring)的許多標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被開發(fā)出來，以評估材料和潤滑劑的耐磨性(圖1)。這些標(biāo)準(zhǔn)大多依賴于增加載荷和/或溫度來測試油膜和邊界添加劑的耐久性。與I型磨損測試相關(guān)的一些偽影可能會給理解和解耦基礎(chǔ)油粘度和抗磨添加劑對耐磨性的影響帶來挑戰(zhàn)(表2a)。圖1所示的對向旋轉(zhuǎn)雙盤(II型)提供了一種新穎的方法來解決I型磨損試驗(yàn)的缺點(diǎn)(表2b)。(注:反向旋轉(zhuǎn)方法由布洛克于1948年首次提出，麻省理工學(xué)院夏季會議論文集，機(jī)械磨損，61卷(25)，第199-227頁(1948))。

圖1 I型與II型磨損試驗(yàn)方法

表2aI型磨損試驗(yàn)方法的缺陷和缺點(diǎn)

表2b II型磨損試驗(yàn)方法的好處

雙圓盤是FZG齒輪測試篩選潤滑劑的流行先驅(qū)。在本報告中，我們使用Ducom Twin Disc RoR 2.0研究并比較了標(biāo)準(zhǔn)的共旋轉(zhuǎn)方法和新型的反旋轉(zhuǎn)方法。

材料與方法

Ducom Twin Disc RoR 2.0(圖3a)具有嵌入式摩擦力和多軸振動傳感器，可捕獲關(guān)鍵故障事件(圖3b)。一個循環(huán)潤滑油供應(yīng)與內(nèi)聯(lián)過濾器提供加熱潤滑油滾動滑動接觸。獨(dú)特的多噴嘴布置確保了兩個圓盤也被潤滑劑潤濕，從而確保了整體等溫條件(圖3c)?？删幊趟欧虞d確保測試期間準(zhǔn)確的負(fù)載穩(wěn)定性。速度(從0.1到3000轉(zhuǎn)/分)和旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閮蓚€光盤可以獨(dú)立控制使用兩個高性能驅(qū)動器。

圖3 Ducom雙椎間盤RoR 2.0振動、摩擦和渦流傳感器雙閥瓣線接觸潤滑輸送

滾輪的設(shè)計確保線接觸寬度為3mm(表1)。FZG負(fù)載步驟、赫茲接觸壓力和雙盤所需等效負(fù)載的比較如圖1所示。對于典型的3mm線接觸，模擬FZG負(fù)載步驟8至18，雙盤上所需的負(fù)載范圍為1000至7000 N。

表1 40mm直徑圓盤典型3mm線接觸FZG載荷階段與雙盤等效載荷的比較。

編程了兩種不同的速度分布(a)共旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致流體正夾帶進(jìn)入接觸體(圖4a); (b)反旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致流體接近零夾帶進(jìn)入接觸體，即缺料(圖4b)。具體試驗(yàn)條件和參數(shù)見表5。在實(shí)際測試開始之前，對雙盤進(jìn)行了預(yù)處理(1 GPa, 5%滑移)，以便形成摩擦膜，用于隨后的磨損調(diào)查。

圖4 共旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致正速度依賴流體夾帶圖4b。反向旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致名義上的零流體夾帶或虧空

表5共旋轉(zhuǎn)和反旋轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)條件表5b測試過程中使用的階梯負(fù)載剖面

實(shí)際試驗(yàn)的載荷、潤滑劑溫度、摩擦力和振動結(jié)果如圖6所示。磨損表現(xiàn)為摩擦和振動的急劇上升，導(dǎo)致測試在給定負(fù)載水平下自動停止。

圖6a 分級負(fù)載分布圖潤滑油進(jìn)口溫度圖6c。摩擦與載荷圖6d測試時的振動水平

在測試期間，潤滑油入口溫度保持在100±2℃(圖6b)。載荷逐步增加到5千牛共轉(zhuǎn)，測試停止，因?yàn)闆]有看到磨損。對于反向旋轉(zhuǎn)，由于磨損，測試在2.5 kN時自動終止(圖6a)。對轉(zhuǎn)摩擦系數(shù)在2.5 kN載荷階躍下明顯增大(圖6c)，相應(yīng)的振動增大(圖6d)。當(dāng)共旋轉(zhuǎn)達(dá)到5kn時，摩擦(圖6c)和振動(圖6d)沒有變化。反向旋轉(zhuǎn)的平均摩擦(CoF 0.13)是同向旋轉(zhuǎn)(CoF 0.07)的兩倍，并且噪聲也表明測試在可能存在不均勻摩擦膜的情況下運(yùn)行。滾筒測試后的圖像和光學(xué)顯微鏡如圖7所示。

圖7b.通過共轉(zhuǎn)試驗(yàn)的滾筒圖7c.反向旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中磨損的滾筒光學(xué)顯微鏡圖像顯示廣泛的表面損傷。(標(biāo)記代表0.25毫米)

同向旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)的圓盤（圖7a）未顯示可見的表面損傷。另一方面，反向旋轉(zhuǎn)的椎間盤在視覺上（圖7b）和光學(xué)顯微鏡下（圖7c）都顯示出廣泛的表面損傷和磨損。

總之，在Ducom Twin Disc上實(shí)施的反向旋轉(zhuǎn)測試方案可以在不采用先前報道的極高負(fù)載或夾帶速度的情況下再現(xiàn)潤滑劑在饑餓狀態(tài)下的磨損。故障可以通過同時使用摩擦和振動數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確檢測。