利用Stribeck曲线评价润滑油性能的方法研究_润滑油温度和粘度曲线

　　摘要:在工程实际中,经常会遇到不同的润滑剂粘度、硫磷含量等各项理化指标以及利用四球摩擦磨损试验机所检测的P�B、P�D值相同或相似,而在台架试验或实际应用中性能差别却较明显的问题。通过分析比较不同润滑油Stribeck曲线中不同状态下摩擦系数的变化,如润滑油进入弹流润滑区的难易、动压润滑区摩擦系数变化率以及谷底宽度等,可以分析润滑剂润滑性能优劣。
　　关键词:Stribeck曲线;摩擦系数;润滑性能
　　中图分类号:TE626.3 文献标识码:A
　　
　　Study on the Evaluation Method of Lubricating Oils Based on Stribeck Curves
　　LI He-zun, ZHANG Xiao-hao
　　(The State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
　　Abstract:In practical engineering, lubricants may have similar physicochemical indexes such as viscosity, sulphur and phosphorus content and even similar P�B and P�D values measured by four-ball machine, but when they are used in bench tests or practical conditions, the wear properties are quite different. By comparing the friction coefficient changes under different conditions in the Stribeck curves of different lubricants, such as the difficulty of entering Elastohydrodynamic lubrication, the change rate of friction coefficient in hydrodynamic lubrication region and the width of Elastohydrodynamic lubrication region, the lubricity of lubricants can be evaluated.
　　Key words:Stribeck curve; friction coefficient; lubricity
　　
　　1 简介
　　
　　19世纪初, Stribeck通过对径向滑动轴承的研究, 建立了关于润滑剂粘度η、滑动速度V、平均压力P与摩擦系数的关系曲线, 这就是著名的Stribeck曲线[1-5]。理论曲线如图1所示。
　　通过Stribeck曲线,可以鉴别一个润滑系统的三种润滑状态[6]:(Ⅰ)边界润滑,(Ⅱ)混合润滑(包括薄膜润滑)和弹流润滑,(Ⅲ)动压润滑。边界润滑(图1,Ⅰ):油膜厚度小于表面粗糙度,两个表面直接接触,由于固-固接触,此状态下摩擦系数较大。混合润滑和弹流润滑(图1,Ⅱ):油膜厚度接近表面粗糙度,两个表面分离,但仍存在相互作用力,导致接触区域发生弹性形变,此状态下摩擦系数随速度增加而降低(载荷一定),达到最小值。动压润滑(图1,Ⅲ):油膜厚度远大于表面粗糙度,两个表面完全分离,此状态下摩擦系数与速度理论上呈线性关系。
　　随着科学技术的发展,目前可以利用润滑膜厚度来鉴别润滑状态, 但这一方法受到测量条件限制。随着针对弹流润滑(EHL)及薄膜润滑(THL) 等研究的深入[1-2,7-8],Stribeck曲线作为一种简便而有效地判断润滑状态与性能的方法重新引起了人们关注。例如,王慰祖[6]等研究了粗糙度对Stribeck曲线的关系影响,之后吴刚[9]等利用Stribeck曲线研究了UHMWPE软骨材料润滑性能。
　　目前,随着机械装备的润滑状态向高载高剪切率等极端状况发展,采用常用理化指标和常规摩擦学试验方法已不足以充分反映润滑剂适应复杂工况的行为区别。在工程实际中,经常会遇到不同的润滑剂粘度、硫磷含量等各项理化指标以及利用四球摩擦磨损试验机所检测的P�B、P�D值相同或相似,而在台架实验或实际应用中性能差别却较明显的润滑油。
　　第�5期李鹤尊等.利用Stribeck曲线评价润滑油性能的方法研究
　　润 滑 油2009年第24卷
　　分析与评定ANALYSIS & EVALUATION
　　理论上讲,通过分析比较不同润滑油Stribeck曲线中不同状态下摩擦系数的变化,如润滑油进入弹流润滑区的难易、动压润滑区摩擦系数变化率以及谷底宽度等,可以分析润滑剂润滑性能优劣。鉴于此,笔者针对利用Stribeck曲线检测、对比润滑剂性质的可行性及其方法开展了相关实验研究, 本文报道了相关研究结果。
　　图1 Stribeck理论曲线与三种润滑状态
　　
　　2 实验部分
　　
　　本实验采用美国CETR公司生产的多功能摩擦磨损实验机(Universal Material Tester, UMT)对不同润滑剂的Stribeck曲线进行测量。该实验测量系统由硬件测量部分、软件控制部分和数据分析部分组成。硬件测量部分外形如图2所示。上试样(钢球)通过一对片状弹簧与力传感器连接,可手动调整上试样垂直和水平位置,实验时通过软件实时调节上试样的垂直位置,一般是为了调整法向载荷等于预定大小,也可以实现垂直方向的周期运动。片状弹簧同时还起到实现柔性接触保护力传感器的作用。试验机可以进行旋转或者往复运动。在本实验中采用旋转运动模式。
　　实验时将钢球作为上试样,钢盘作为下试样。上试样采用Ф3.969的轴承钢球,精度等级为G5。下试样采用材料为#45的钢盘。润滑剂采用不含添加剂的PAO油和三种不同的高速列车齿轮箱用润滑油。
　　以下实验中上试样采用φ4 G5钢球,下试样采用精密抛光后统一粗糙度的碳钢钢盘,磨合载荷100 g,实验载荷75 g,转动半径28 mm。
　　最初的Stribeck曲线通过对径向滑动轴承进行试验而获得。鉴于以下实验中采用点接触,且不同油的实验结果要进行对比, 笔者对曲线的横坐标进行相应调整。对于点接触, 横坐标由原来的ηV/P调整为V/(P•a),其中平均压力P定义为[6]:
　　P=4W/(πa2)
　　式中:W为载荷;a为赫兹区接触直径,可以按下式计算:
　　a=223•WRE13
　　式中:R为钢球半径;E为当量弹性模量。
　　值得一提的是,Stribeck实验中,由于旋转时的离心作用,液体随转速的增加,会逐渐向油槽外圈集中,一般地当转速接近200 r/min时会出现乏油状态,所以对200 r/min以后的数据不作讨论。
　　为了保证数据的可靠性,我们将载荷设定为100 g,转速为100 r/min,进行了长达2 h的磨合试验。摩擦系数μ与时间t(s)的关系如图3所示。由图中可见,摩擦副的摩擦系数μ在约1200 s后稳定(图3)。
　　图2 实验装置
　　图3 磨合试验
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　　(1)将试样进行抛光,并分别利用白光干涉仪测量抛光前和抛光后的粗糙度,记录数据;
　　(2)预加载至100 g,停留5 s;
　　(3)开始旋转并迅速增至100 r/min,运转20 min,此段为磨合段:
　　(4)开始旋转并迅速增至设定的转速1,运转2 min,所得的摩擦系数作为第一个数据点;
　　(5)载荷保持为75 g,停留5 s;
　　(6)开始旋转并迅速增至设定的转速2,运转2 min,所得的摩擦系数作为第2个数据点。以此类推,逐渐测量不同转速下的摩擦系数。
　　
　　3 结果及讨论
　　
　　3.1 油品说明(见表1)
　　表1 油品情况
　　油Ⅰ(新)油Ⅰ(旧)油Ⅱ油ⅢPAO油
　　用于高速列车齿轮箱替代油品用于普通列车齿轮箱无添加剂的合成油,用于对照
　　3.2 粘温特性及四球试验结果
　　如图4,测得油Ⅰ(新、旧)、油Ⅱ、油Ⅲ四种油的粘温特性无明显差异。
　　图4 润滑剂粘温特性
　　油Ⅰ、油Ⅱ、油Ⅲ的四球试验结果也很接近,见表2。
　　表2
　　项 目油Ⅰ油Ⅱ油Ⅲ
　　运动粘度/mm2•s-1 40℃6162.455.09
　　100℃9.39.769.119
　　粘度指数132140146
　　P�B/N1304.31166.2931.6
　　P�D/N3922.73922.73922.7
　　磨斑直径/mm0.380.3870.548
　　3.3 Stribeck曲线
　　对比油Ⅰ(新)、油Ⅱ、油Ⅲ实验结果(图5b),油Ⅱ比油Ⅰ(新)更容易进入弹流润滑区。两者在进入动压润滑区后摩擦系数的变化率均较低,但油Ⅱ的Stribeck曲线的谷底比油I略宽。先前测得两者的四球试验结果差异不明显,但通过对两种油进入弹流润滑区的难易、动压润滑区摩擦系数变化率以及谷底宽度可判断油Ⅱ常温下的润滑性质略优于油Ⅰ,总体上讲两者性质比较接近,与油Ⅲ差异很大,所以单从Stribeck曲线体现出的物理性质看,油Ⅱ适合做油Ⅰ的替代油品。
　　对比新、旧油Ⅰ实验结果(图5c),经跑合的旧油更容易进入弹流润滑区,但总体上讲两者性质比较接近。
　　对比油Ⅰ(新)、油Ⅲ实验结果(图5d),油Ⅰ与油Ⅲ性质差异明显,尽管油Ⅲ进入动压润滑区略早,这可能有利于降低磨损,但其摩擦系数明显高于油Ⅰ,油I的润滑性能优于油Ⅲ。
　　图5 Stribeck曲线
　　
　　4 结论
　　
　　(1)通过Stribeck曲线中润滑油进入弹流润滑区的难易、动压润滑区摩擦系数变化率以及谷底宽度等可以检测、比对润滑剂的性质;
　　(2)替代油品(油Ⅱ)的Stribeck特性与油Ⅰ接近,而且略优于油Ⅰ;
　　(3)与新油相比,旧油Stribeck曲线进入动压润滑区前的过渡行为较小,跑合过程可以增加动压润滑区的宽度;
　　(4)高速列车(油Ⅰ)与普通列车(油Ⅲ)齿轮油差异明显,从摩擦系数上看,前者的润滑性能要远优于后者,但从Stribeck曲线中动压润滑区前的过渡行为看,后者理论上更容易形成稳定的油膜,这有利于减少磨损。
　　
　　参考文献:
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　　[3] Gelinck E R M Schipper. Calculation of Stribeck Curves for Line Contacts[J]. Tribo Int, 2000, 33: 175-181.
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　　[5] Senholzi P B. Tribological Technology[M]. Dordrecht: Martinus Nihoff Publishers, 1982.
　　[6] 王慰祖,黄平.不同表面粗糙度的摩擦副润滑状态的Stribeck曲线研究[J].摩擦学学报,2004,24 (3): 254-257.
　　[7] 黄平. 纳米薄膜润滑物理-数学模型及数值分析[J]. 摩擦学学报, 2003,23 (1):60-64.
　　[8] 雒建斌,温诗铸,黄平. 弹流润滑与薄膜润滑转化关系的研究[J]. 摩擦学学报,1999,19 (1):72-77.
　　[9] 吴刚,张文光,王成焘. 多孔UHMWPE软骨材料润滑性能的Stribeck研究[J].润滑与密封,2007,32 (4):58-60.
　　收稿日期:2009-03-30。
　　作者简介:李鹤尊(1992-),男,2008年于清华大学摩擦学国家重点实验室进行研究性学习。
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