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文/咸鱼永不放盐
编辑/咸鱼永不放盐
高荷载滚动滑动的机械元件常因接触疲劳故障而失效，导致表面形成凹坑，这种现象被称为点蚀。在后者的研究测试方法中，不同润滑油的摩擦性能即使有很小的差异，也会对点蚀寿命产生显著影响。
«——【·测试不同种类油的属性·】——»
疏齿轮油的添加剂有很多不同类型，这些添加剂可以在多种不同粘度的基础油中混合，并以不同的浓度进行配制，从而使得可能出现众多不同的油配方。
研究中包括了10种不同的油配方。只为获得一系列不同的摩擦水平结果，以便将它们与油的点蚀结果进行比较。也可更好地分析出每种单一油属性或组成对摩擦的影响。
尽管存在一些限制，但它们还是被允许进行定性分析，了解为什么不同测试油之间的摩擦力会有差异。其中包括AW和EP添加剂包、粘度级别、不同类型的粘度改良剂、摩擦改良剂和基础油类型的影响。
该研究还测量了油的某些选定属性，以获得更多数据，这些数据可解释在双盘测试中发现的摩擦或点蚀结果。这两个测量属性是高剪切率黏度和油的流体膜形成性能。
高剪切率黏度是通过使用一个转子在定子内的粘度计在剪切率为0.5-1.5 × 10 ^ 6 / s，温度为70-150°C的条件下进行测量的。
流体膜形成性能使用球盘装置测量，盘由玻璃制成，在负载面上涂上铬和硅层，再用AISI 52100钢制成直径为19.05毫米的球。使用光学干涉法在30 N负载和100°C批量油温度下测量了膜厚度。
而输入速度则在∼0.5和1.5 m/s之间变化。盘由电动马达驱动，球由界面的摩擦力驱动，给出了名义上的纯滚动运动。
为了分析齿轮油的负载摩擦和点蚀性能，研究人员会使用盘或齿轮测试仪。通过齿轮接触，能得知滚动和滑动速度以及负载，摩擦力在齿轮齿合期间变化。
在双盘设置中工作条件是恒定的，模拟齿轮齿合期间的一个点。在齿轮测试中，还会有一些与负载无关的损失需要考虑。但始终存在一些不确定性，涉及到双盘测试与实际齿轮之间的相关性。
但这两个测试方法通常显示出类似的摩擦行为，并且已经发现了良好的Pitting相对相关性，但与齿轮测试相比，双盘测试具有更高的绝对点蚀容量。变化的点蚀寿命被归因于齿轮接触中存在的高动态负载。
每次测试使用1.8升的油，油通过喷嘴喷洒到每个盘上，总流量为60毫升/秒。在进入油泵之前，油通过一个过滤器和一台磁性过滤器进行过滤，以去除更细的铁质磨损颗粒。通过位于油浴下方的加热器来维持批量油温度。
在双盘机器中测量的参数包括批量油温度、摩擦扭矩、负载和旋转速度。该机器还配备了外部振动监测系统。双盘机器有两种加载设置。
其中一种使用死重施加负载，允许最大负载2,000牛；第二种加载设置使用1,000 牛弹簧加载系统，加上死重加载系统，可以实现总负载3,000 N。然而，后者使用不同的驱动主轴轴承设计，不允许摩擦测量。
盘由商业钢材制成。它们的直径为45毫米，基部宽度为10毫米，靠近外径缩小至7毫米。制备了具有平坦外表面和带有冠形外表面的盘试样。利用发动机车床制备盘的粗糙形状，随后进行渗碳硬化处理。
硬化后的表面组织由低回火马氏体和约10％残余奥氏体组成，而芯部组织含有低回火马氏体和贝氏体。表面硬度在60和61 HRC之间变化。淬火层深度约为0.7毫米。
随后对硬化的盘试样在所有接触表面上进行了研磨。特别关注盘的外径表面，目的是使它们代表汽车齿轮。在双盘测试中，研究人员使用了产生环向或横向表面剖面的研磨方法，并已经显示出这种切削方法影响磨损率和摩擦。
从这两个方面考虑，横向表面剖面更能代表磨削齿轮，因此为盘试样选择了这种方法。为此，开发了一个特殊的研磨装置，包括50毫米直径的杯形立方氮化硼砂轮。
初始研磨使用粒度为91微米的CBN砂轮。最后的研磨是使用粒度为22-36微米的砂轮进行的，并按照固定的顺序进行以确保表面一致性。首先去除5微米材料，然后砂轮静置20秒。
为了研磨冠形盘试样，使用了外表面与内直径表面之间的边缘。通过调整砂轮相对于盘试样的高度，可以改变研磨完成的盘试样的冠形半径。选择35毫米的冠形半径以获得合理的接触压力。
最终分析成品盘试样的结果表明，冠形半径几乎没有变化，表面粗糙度的变化小于±0.01微米。
摩擦测试使用一个冠形盘试样和一个平坦盘试样。测试从一个油加热序列开始，在此序列中，盘试样以3000 rpm的转速旋转，而批量油温度提升至100°C。经过1小时后，将盘试样接触并在2000 N负载下保持10分钟纯滚动运行。
测试的其余部分包括6次通过一系列速度范围的扫描，以绘制“Stribeck型”摩擦曲线，在低速时出现边界润滑，并在高速时接近全膜ELH。
在12个扫描点上，通过将转速固定10秒钟来测量摩擦，以获得稳定的平均值。在每个点上保持10%的初始相对转速。
在每个扫描之间，两个盘试样的旋转速度分别设置为1,538和1,700 rpm，以允许摩擦产生的沉积膜和表面粗糙度的演化。这些中间阶段的持续时间从30分钟开始，然后分别为30分钟、1小时、2小时和2小时，总测试时间约为6小时。
在两个盘试样接触的地方，会形成一个围绕周长的磨损轨迹。使用扫描电子显微镜和光学显微镜对这些运行轨迹的表面进行了分析。同时还分析了表面粗糙度。这是通过使用3D光学表面轮廓仪测量感兴趣区域上的一些2D线条，并计算所有测量值的平均值来完成的。
«——【·双盘摩擦的点蚀测试·】——»
之前提到的双盘摩擦测试的负载仅限于2,000 N。最初测试表明，在此负载下点蚀寿命会非常长，因此必须对设置进行三次更改以加速点蚀的发生。首先将负载设置为3,000 N，然后每次的测试都采用两个冠形盘试样。最后在其中一个盘试样的表面上制作了小凹痕。
用于3,000 N测试的驱动主轴不允许精确测量摩擦。此外凹痕通过接触的持续时间非常短，任何摩擦变化都会被其他旋转部件的惯性掩盖，并且无法清楚地被扭矩电池检测到。
因此无法确定部分的摩擦结果仍然相关。但一些油的摩擦性能已在先前研究中进行了测试，使用的是球盘测试装置和在滚动四球测试，以此达到装置中更高的接触压力。结果提供一个指示，即在2,000 N双盘测试中发现的排名是否也与更高的负载相关。
每次点蚀测试都是以1,700转/分钟和1,000 N的负载开始旋转盘试样，并使油加热至并稳定于100℃。这个阶段也会引起接触表面的轻微运行，形成插入轨迹。
1小时后将负载增加到3,000N，将没有凹痕的盘试样的速度降至1,538转/分钟，即10％的平均夹带速度为3.8m/s。测试样品的几何形状和3,000 N负载导致赫兹最大接触压力为3.43 GPa。
在将盘试样安装在双盘机中时，使用刻度表测量了它们的旋转偏心率或轮毂偏差。接受所有总径向位移低于10微米的值，这意味着轮毂偏差因测试不同而有所变化。
当施加负载时，由于驱动主轴轴承和轴的挠曲等间隙，偏差可能会发生变化。偏差量将影响作用于盘试样的动态力，因此可能会影响点蚀结果。分析了这种可能的相关性，以确定是否存在显著影响，并在测试系列完成后分析是否可能将其最小化。
为了量化点蚀测试期间的偏差，记录了振动数据，以加速度的方式在每个测试开始时进行测量，测量频率分别为25.6和28.1 Hz，对应于两个盘试样的旋转速度。
每次点蚀测试一直运行直到发生点蚀，这是通过振动监测系统检测到的，该系统在点蚀发生后几秒钟内自动停止测试。每种油进行了五次重复点蚀测试。
为了表征油的点蚀性能，使用它们的L50中位寿命。通过最大似然估计法估计L50中位寿命和Weibull斜率，假设疲劳寿命以两参数Weibull分布的形式很好地表示。
由于点蚀通常发生在移动速度较慢的表面上，因此使用移动速度较慢的盘试样的故障之前所转动的总圈数作为点蚀寿命。
«——【·点蚀测试结果·】——»
在所有点蚀测试中，点蚀仅出现在较慢运动的盘上。然后将结果绘制在Weibull图上，以此清楚区分各个油品。然而图中的分布并不是直线，这表明测试并没有在相同的条件下运行。
通过比较点蚀的寿命和记录的振动数据，可以看出明显的相关性。短寿命的测试具有相对较大的跑偏，而最长寿命往往是在没有跑偏的测试中获得的。因此，试图将这种影响最小化对结果的影响。为了获得跑偏效应的良好近似值，采用了线性回归分析。
«——【·跑道演变和表面劣化·】——»
在点蚀测试期间，接触盘面上很快形成了可见的跑道。在较慢移动的盘上测试完成后，再测量跑道宽度为1.48 至 1.51 mm。这可以与计算出的赫兹接触宽度1.50 mm进行比较。
图中显示了使用S80油进行点蚀测试的跑道形貌。只有变形的微起伏和轻微磨损的迹象。对于任何一种油，都没有观察到剐蹭、卡死、扩展微点蚀或因侵入性添加剂造成的损坏迹象。测试后测量的表面粗糙度对三种油来说都相似，且未发现表面粗糙度与点蚀结果之间的相关性。
形成的凹坑形态因裂纹扩展的随机性而变化，同时在机器检测到损伤并完全停下之前可能会发生更多的损伤。在一些共同的特征被观察到。图中展示了一个代表性凹坑。凹坑呈扇形状，从表面似乎是裂纹起始点开始形成。
凹坑底部的表面特征表明在每个接触周期中，裂缝面被挤压和摩擦在一起导致了表面磨损。靠近尾缘的表面具有一种略微阶梯状的形态，这是由于多个亚表面裂纹在扩展过程中分支出来所致。
凹坑的宽度类似于奔跑轨道的宽度。对于所有分析的试样，起始点都位于测试期间凹痕相对位置的区域。
对凹坑试样的亚表面分析显示了少量微小裂纹从表面延伸入材料30-40 µm，再次表明凹坑的起始是表面引发的。
然而这种裂纹的存在非常有限，说明从一个小的表面裂缝到完整凹坑的过渡会很快，即在裂纹起始之前的时间构成了大部分点蚀寿命。这与其他一些实验性的点蚀研究相符。没有发现亚表面裂缝。
在考虑到微裂纹最初是由表面引起的的情况下，使用光学显微镜和扫描电子显微镜对每个大凹坑起始点周围区域进行更高放大率的检查，以确定是否存在任何可能促进裂纹起始的表面缺陷。经过分析的表面相当光滑，除磨痕外没有明显的表面缺陷。
«——【·结论·】——»
本研究的结论表明，减少摩擦是改善准双曲面齿轮油点蚀性能的有效方式。这为相关领域的研究和实践提供了重要参考，有望促进齿轮油的性能提升和应用推广。
同时本文提出的研究方法及结论可为类似问题的解决提供理论和实践指导。
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