滚/滑接触下一种航天润滑油4129摩擦特性及黏温特性研究

王燕霜，曹佳伟，李航，李璞

(1. 天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津300222;2. 河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳471003)

0 引言

润滑油脂的性能评价技术包括理化性能评价和机械性能评价，润滑油脂的理化性能测试已经相当成熟，而机械性能的测试目前为止仍不完善。目前我国在此方面的研究主要采取常规的摩擦试验机如:4 球摩擦试验机，SRV、Flaex 等摩擦试验机。但这些试验机一般是测量纯滑动情况下的摩擦特性。文献［1 -2］在弹流摩擦试验机上研究了润滑油在纯滑动条件下的摩擦系数随卷吸速度和载荷的变化。而实际油润滑航天轴承滚动体与滚道之间处于完全弹流润滑或混合润滑状态下，同时球与滚道之间为滚滑接触。因此会出现在上述摩擦试验机上测量的几种润滑剂性能相同，但实际应用中差别很大的情况。所以，在研究航天润滑油的摩擦特性时，必须要考虑滚动和滑动运动对摩擦系数的影响，以及模拟弹流润滑状态。Pepper 等研制了螺旋轨迹摩擦计［3-4］，测量了滚动、滑动和自旋混合运动下液体润滑剂在边界润滑状态下的摩擦系数。此种摩擦计只能研究边界润滑状态下的摩擦特性，有一定的局限性。Lafountain 等［5］和Querlioz 等［6］分别研究了合成润滑油在弹流润滑状态下的拖动特性和摩擦系数随滚动速度的变化情况，但是这些实验只能在低速下进行，并不能体现润滑剂在高速情况下的摩擦特性。

黏度是润滑油重要的物理特性之一，受温度影响较大。目前国内进行高温下黏温特性分析的较多［7-8］，缺乏低温下黏温特性的分析。同时，黏温特性也是影响润滑油摩擦特性的重要因素之一。因此润滑剂黏温特性的研究十分必要。

鉴于此，本文在自行研制的能够模拟航天轴承实际工况的球盘摩擦试验机上，对4129 航天润滑油在滚/滑接触并处于弹流润滑状态下的摩擦特性进行研究。同时，利用高低温黏度测定仪对4129 航天润滑油进行测试，分析其黏温特性并建立黏温模型。

1 实验部分

1.1 润滑油摩擦力试验装置

本文采用自行设计研制的球盘摩擦试验机［9］，其主要结构如图1所示。试验机可分为测试试件、动力系统、加载系统、供油系统、回油系统、数据测量与采集系统6 个部分。试件为钢制的圆盘和球，通过球与圆盘试件的相互接触来模拟轴承中滚动体和滚道之间的接触。球试件安装在水平放置的电主轴Ⅰ，电主轴Ⅰ放置在可绕静压轴轴线在水平面内回转的托架上;圆盘试件与竖直放置的电主轴Ⅱ相连。静压轴在压力油的作用下向上运动，从而托起电主轴Ⅰ，使得球与圆盘相接触以此实现加载。设电主轴Ⅰ在接触点的线速度为u1，电主轴Ⅱ在接触点的线速度为u2. 则试件以滚动速度u=(u1+u2)/2 发生滚动，以滑动速度Δu=u1-u2发生相对滑动。电主轴Ⅰ和电主轴Ⅱ分别由两个变频器控制，通过调节变频器，使得球和盘之间发生相对滑动从而产生摩擦力。摩擦力使与球试件相连的电主轴Ⅰ绕静压轴轴线发生偏转，使得安装在机架上的摩擦力传感器受到压迫，从而测得摩擦力的大小。

图1 摩擦力试验机Fig.1 Friction test rig

1.2 高低温黏度测定仪

本实验中黏度的测量采用毛细管式黏度计，它的原理是以一定容积的液体靠自身重力流过一根标准毛细管所需要的时间来测定液体的黏度。

高温黏度测量仪采用的是SYP1003 型运动黏度测量仪［10］，而低温黏度测量仪采用的是BSY-108F 低温运动黏度测量仪。高温黏度测量仪如图2所示，它主要由恒温浴、恒温套、黏度计、玻璃水银温度计、控制和辅助加热器以及秒表等组成。每只黏度计按照JJG155 毛细管黏度计检定规程检定，并确定了相应常数。低温运动黏度测定仪结构与高温黏度测量仪相似，它只是在图2的基础上再加上压缩机制冷系统。

图2 SYP1003 型运动黏度测量仪Fig.2 SYP1003 kinematical viscometer

1.3 4129 润滑油的特性

4129 润滑油主要用在航天飞行器惯导系统的陀螺马达、动量轮等精密轴承上，其已知的主要特性如下:外观是清亮透明浅黄色液体，40 ℃和100 ℃时的运动粘度59.5 mm2/s 和9.48 mm2/s，闪点(开口)为270 ℃，黏度指数为136，凝点为-57 ℃，蒸发度(204 ℃，6.5 h)为2.6%，中和值为0.18 mgKOH/g.关于4129 润滑油的黏温特性，尤其是低温时的黏温特性以及其摩擦特性还未见到相关报道，是亟需解决的问题。

1.4 摩擦特性实验条件

本实验中模拟航天飞行器惯导系统的陀螺马达、动量轮等精密轴承的实际工况，选择的工况参数如下:

滚动速度u:1 m/s，3 m/s，5 m/s，7 m/s，9 m/s，11 m/s，15 m/s，20 m/s.

名义载荷p:40 N，69 N，98 N，135 N.

最大赫兹应力p0:1.00 GPa，1.20 GPa，1.35 GPa，1.50 GPa.

润滑油入口温度t:15 ℃，30 ℃，45 ℃，60 ℃.

本次实验，球和圆盘的直径分别为20 mm 和80 mm，均采用GCr15 钢，热处理后表面硬度为HRC60-64，表面粗糙度0.02 μm. 实验中最小的滚动速度为1 m/s，最大赫兹应力1.5 GPa，由此可以算出最小的膜厚比为式中hmin为最小油膜厚度，σ 为接触副综合粗糙度。因此本实验所有的工况都能实现全膜弹流润滑。

2 黏温特性分析

在润滑理论分析中，黏度是润滑剂的重要物理性质。一般来说黏度越大，油膜厚度就越大［11］。但黏度也是影响摩擦力的重要因素。由于油润滑航天轴承工作的环境温度一般处于-20 ℃～65 ℃，温度变化范围较大，从而使黏度变化很大，导致黏度对其摩擦力的影响必须考虑。因此黏温特性的研究必不可少。

利用上述的高低温黏度测定仪分别测量4129航天润滑油在-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃、50 ℃时的黏度见表1.

表1 4129 润滑油的运动黏度Tab.1 Kinematical viscosities of lubricating oil No.4129

4129 航天润滑油黏度随温度的变化如图3所示。由图中可以看出，4129 润滑油黏度ν 随温度to升高而减小，并且减小的速率比较快，当到达一定温度时，黏度则趋于稳定。具体来讲，当温度小于0 ℃时，黏度随温度的变化非常大。温度大于30 ℃时，黏度随温度的变化较小。温度越低，黏度随温度的变化越大。

图3 Walther 模型下的黏温曲线Fig.3 Viscosity-temperature curve computed by Walther model

常见的黏温模型有很多，本文采用Walther 模型来计算润滑油的黏度，其模型表达式如下:lglg(ν +0.6)=a-blgto，式中a、b 为待确定系数。利用实验测量值，通过曲线拟合，可得到4129 航天润滑油Walther 模型下的粘温表达式:

3 摩擦特性分析

根据上述实验条件，在球盘摩擦试验机上可以测得不同温度下滚动速度和滑动速度Δu 与摩擦系数μ 的关系曲线。图4～图7为其中几组代表性曲线，其中点代表实验值，曲线代表公式计算值。

图4 不同压力下摩擦系数随滑动速度的变化Fig.4 Friction coefficient vs. sliding speed at different pressures

图5 不同入口油温下摩擦系数随滑动速度的变化Fig.5 Friction coefficient vs. sliding speed at different temperatures

由图4和图5可以看出，摩擦系数随着滑动速度的增加而增加，当滑动速度小于0.3 m/s 时摩擦系数随滑动速度近似线性增加，这是由于在此速度区间内由于剪应变率较小，剪应力与剪应变率呈正比，润滑油表现为线性粘弹性，因此摩擦系数随着滑动速度的增加近似呈线性增加。当滑动速度大于0.3 m/s 时，摩擦系数随着滑动速度的增加呈非线性增加，当滑动速度大于1 m/s 时，摩擦系数随滑动速度增加基本保持不变。这是因为在此速度区域内，润滑油表现为非线性粘弹性，随剪应变率的增加，剪应力增长变缓，当达到最大值后趋于稳定。图4表明:当入口油温和滚动速度一定时，摩擦系数随着压力增大而增大。图5表明:在压力和滚动速度一定时，随着温度的升高摩擦系数会逐渐减小。这是因为当温度升高时，润滑油的黏度会降低，从而使摩擦系数减小，具体来说温度从15 ℃增加到30 ℃时，摩擦系数随温度上升减小幅度较大，油温超过30 ℃，摩擦系数随油温的上升减小幅度较小。在前面的黏温特性分析中提到，to＜30 ℃时，4129 航天润滑油的黏度减小得比较快，该油在15 ℃时的黏度近似为30 ℃时黏度的3 倍，从而使摩擦系数在to＜30 ℃时随着温度的增加而减小明显。当to超过30 ℃之后，黏度随温度的变化较小，所以，当to从30 ℃变化到60 ℃时，摩擦系数减小的幅度不大。

图6 在压力1.00 GPa 和入口油温15 ℃工况下摩擦系数在不同滑动速度下随滚动速度的变化Fig.6 Friction coefficient vs. rolling speed at different sliding speeds for p0 =1.00 GPa，t=15 ℃

图7 在压力1.00 GPa 和入口油温60 ℃工况下摩擦系数在不同滑动速度下随滚动速度的变化Fig.7 Friction coefficient vs. rolling speed at different sliding speeds for p0 =1.00 GPa，t=60 ℃

图6和图7反映的是摩擦系数与滚动速度之间的关系。由图中可以看出，摩擦系数随着滚动速度的增加而减小，最终趋于稳定。具体来讲当滚动速度为1 m/s 时摩擦系数最大，随着滚动速度的增加摩擦系数不断减小，尤其当滚动速度为1 m/s 到3 m/s时下降速度最快，随着滚动速度的继续增加，摩擦系数减小的比较缓慢直到达到最小值，然后保持基本不变。这种现象是由于随着滚动速度的增加，产生的大量热使润滑油的温度升高，黏度降低。该润滑油在低温时，黏度随温度的变化大，高温时黏度随温度的变化小。由于低速时造成的油温较低，导致摩擦力随滚速变化较大，高速时造成的油温较高，导致摩擦力随滚速变化较小。所以摩擦系数会随着滚动速度的增加先迅速减小然后逐渐趋于稳定。

4 摩擦系数的计算模型

在分析上述摩擦系数实验曲线变化规律并且结合实际情况和前人经验［12-14］，可以确定摩擦系数μ与滑动速度Δu 之间的关系式:

式中:A、B、C 是与工况参数名义载荷p、滚速u 和入口油温t 有关的参数。利用最小二乘法及所得到的实验点对(2)式进行拟合，可以得到128 组A、B、C 的值。由于本实验中所采用的工况并不能包含所有实际工况，因此要对得到的数值进行二次拟合，从而得到它们通用的计算公式。其A、B、C 的值可以用下式进行拟合:式中:无量纲载荷参数=p/(E*R2)，E*为当量弹性模量，R 为当量半径;无量纲速度参数u = η0u/(E*R)，η0为润滑油的室温动力黏度;无量纲温度参数，K 为热传导系数，β 为黏温系数。

(3)式～(5)式属于非线性函数，通过数学变换把其变为线性函数，通过Matlab 进行最小二乘拟合，拟合结果如表2所示。

根据拟合结果可得到航天润滑油4129 的摩擦系数计算公式:

式中:

表2 系数A、B、C 拟合公式中各参数的回归值Tab.2 Regression values of the parameters A，B and C

图4和图5中的曲线是利用上述(6)式计算得到的摩擦系数的计算值，从图中可以看出计算值和实验值非常接近，计算曲线的变化规律与实验曲线的变化规律一样，说明(6)式给出的摩擦系数的计算模型较合理。

5 结论

1)当油温to＜0 ℃时，4129 润滑油黏度随温度的变化非常大;to＞30 ℃时，黏度随温度的变化较小。

2)在一定的滚动速度和入口油温的情况下，当滑动速度Δu ＜0.3 m/s 时，该油摩擦系数随滑动速度近似线性增加;当Δu ＞0.3 m/s 时，摩擦系数随着滑动速度的增加呈非线性增加;当Δu ＞1 m/s 之后，摩擦系数随滑动速度增加基本保持不变。

3)在给定载荷和油温的情况下，当滚动速度从1 m/s 增加到3 m/s 时，摩擦系数下降速度最快，随着滚动速度的继续增加，摩擦系数下降比较缓慢直到达到最小值，然后基本保持不变。

4)所建立的摩擦系数计算模型比较合理，相关系数均大于0.9.

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