高速铁路轴箱轴承纳米润滑脂摩擦学性能试验研究

尹延经，何强，杨立芳，王世峰，牛青波

（1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.安阳工学院，河南 安阳 455000）

高速铁路是指新建铁路营运速度250 km／h以上或改建铁路营运速度200 km／h以上的铁路系统［1］。轴箱轴承作为铁道车辆走行传动装置的重要组成部分，可将车体重量和载荷传递给轮对，减少摩擦、降低运行阻力。高速铁路轴箱轴承采用脂润滑方式润滑［2］，润滑脂性能直接影响轴箱轴承的可靠性和寿命。与国外同类型产品相比，铁道车辆滚动轴承IV型润滑脂的极压和抗磨性能已不能满足高速铁路轴箱轴承长寿命、高极压、低摩擦等性能要求［3］。纳米颗粒具有优异的物理化学特性，纳米润滑技术受到摩擦学研究领域广泛关注［4］，将其作为高速铁路轴箱轴承润滑脂添加剂可提高润滑脂的极压、抗磨性能［5］，对研究高速铁路轴箱轴承的润滑脂具有重要参考价值。

1 纳米润滑脂合成

选用的WS2纳米颗粒呈片状（图1a），硬度小，平均粒度（APS）为60 nm，具有优良的摩擦学性能［6］；选用的Si3N4纳米颗粒成球状（图1b），硬度大，平均粒度为20 nm，具有一定的摩擦学性能和抗氧化性能［7］。采用某公司铁路轴箱轴承润滑脂作为基础脂，其与IV型润滑脂、国外铁路轴承润滑脂的理化参数对比见表1。室温下，将不同质量分数的WS2和Si3N4纳米颗粒加入基础脂中，在超声波作用下搅拌，再用三辊研磨机研磨3遍，制备成纳米润滑脂。

图1 纳米颗粒形貌

表1 铁路轴承润滑脂性能参数对照表

2 试验及检测

2.1 试验方案

基础脂中WS2纳米颗粒添加量（质量分数）分别为0.5%，1.0%，1.5%和2.0%；Si3N4纳米颗粒添加量（质量分数）分别为0.1%，0.2%，0.3%和0.4%。采用完全析因试验方案［8］，见表2。

表2 完全析因试验方案表 w，%

2.2 检测方法

采用杠杆式四球机，依据SH／T 0202—1992《润滑脂极压性能测定法（四球机法）》，测量纳米润滑脂的最大无卡咬载荷PB，测量2次并取较小值，试验后测量PB值对应的钢球磨斑直径。采用MRS-10P四球摩擦磨损试验机，按照SH／T 0204—1992《润滑脂抗磨性能测定法（四球机法）》，对纳米润滑脂进行抗磨性能测试，试验条件：主轴转速1 200 r／min，试验时间60 min，试验温度75℃，试验载荷（392±2）N。抗磨性能试验后，测得纳米润滑脂摩擦因数（重复3次，取平均值）。用丙酮清洗钢球磨斑，采用精度为0.01 mm的直读式显微镜测量钢球磨斑直径，采用JSM-6380LV扫描电镜（SEM）观察磨斑形貌。

3 结果与讨论

3.1 WS2纳米颗粒在基础润滑脂中的极压抗磨特性

PB值随WS2纳米颗粒添加量变化曲线如图2所示。WS2纳米润滑脂PB值及其对应的钢球磨斑直径如图3所示。由图2可知，在一定范围内，润滑脂PB值随着WS2纳米颗粒添加量的增加而增大，当其达到一定值时，PB值反而降低，最大PB值相对于基础润滑脂的PB值（940 N）提高了21%；仅考虑润滑脂PB值，其最佳添加量为1.0%～2.0%。由图3可知，润滑脂PB值对应的磨斑直径随着WS2纳米颗粒添加量的增加而增大，WS2纳米颗粒提高了润滑脂油膜强度，结合WS2纳米颗粒的形貌及物理特性，这是由于纳米颗粒润滑机理中的薄膜润滑机理作用效果。

图2 P B值随WS2纳米颗粒添加量的变化曲线

图3 磨斑直径随WS2添加量变化，%

WS2纳米颗粒对润滑脂摩擦因数的影响曲线如图4所示。由图可知，当WS2纳米颗粒添加量小于1.5%时，润滑脂摩擦因数随着添加量的增加而降低；当WS2纳米颗粒添加量大于1.5%时，摩擦因数升高。仅考虑润滑脂摩擦因数的影响，其最佳添加量为1.0% ～2.0%。其中WS2纳米颗粒添加量为1.5%时，润滑脂摩擦因数最小，相对于基础润滑脂摩擦因数0.082 6，其值降低了17.1%。由此可见，WS2纳米颗粒可显著改善基础润滑脂的抗磨减摩和抗极压性能。

图4 WS2纳米颗粒对润滑脂摩擦因数的影响

3.2 Si3 N4纳米颗粒在基础润滑脂中的极压抗磨特性

润滑脂PB值及所对应的钢球磨斑直径随Si3N4纳米颗粒添加量的变化曲线分别如图5和图6所示。由图5可知，Si3N4纳米颗粒添加量小于0.1%时，润滑脂PB值随着添加量的增加而增大；当添加量在0.1% ～0.3%时，PB值反而降低；当添加量大于0.3%时，PB值保持不变。仅考虑润滑脂PB值，其添加量应小于0.2%。Si3N4纳米颗粒添加量为0.1%时，相对于基础润滑脂，其PB值提高了6.4%。由图6可知，润滑脂PB值对应的磨斑直径先增加，再减小，然后再增加。先增加是由于Si3N4纳米颗粒提高了基础润滑脂的油膜强度，载荷增加；再减小是由于载荷减小和纳米颗粒轻微团聚现象造成的；最后增加是由于纳米颗粒含量增加，团聚现象严重，不利于接触表面形成润滑油膜，在相同载荷作用下，钢球接触区域严重磨损。

图5 P B值随Si3 N4纳米颗粒添加量的变化曲线

图6 磨斑直径随Si3 N4添加量的变化曲线

Si3N4纳米颗粒对润滑脂摩擦因数的影响曲线如图7所示。由图可知，Si3N4纳米颗粒添加量小于0.1%时，润滑脂摩擦因数随着添加量的增加而降低；添加量大于0.1%时，摩擦因数升高；当添加量为0.1%时，润滑脂的摩擦因数最小，相对于基础润滑脂降低了8.2%。Si3N4纳米颗粒对润滑脂摩擦因数降低量大于PB值提高量，结合Si3N4纳米颗粒的形貌及物理特性，这是由于纳米颗粒润滑机理中的类滚动轴承润滑机理的作用效果。由此可见，Si3N4纳米颗粒在一定程度上可改善基础润滑脂的极压抗磨特性。

图7 Si3 N4纳米颗粒对润滑脂摩擦因数的影响

3.3 WS2-Si3 N4复合纳米颗粒在基础润滑脂中的极压特性

试验测得的复合纳米颗粒润滑脂PB值见表3，其中，WS2纳米颗粒添加量为因素A，Si3N4纳米颗粒添加量为因素B，双因素重复试验方差分析见表4。表中，r为因素水平A的个数；s为因素水平B的个数；t为试验次数。

表3 复合纳米润滑脂的P B值

表4 双因素试验方差分析表

由表3可得，仅考虑润滑脂极压性能，A1501润滑脂的PB值最高，相对于基础润滑脂PB值，其值提高了36.2%。

由表4中公式计算可得FA＝50.997 21，取精度α ＝0.005，Fα（r－1，rs（t－1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FA＞6.3，因此，在复合纳米润滑脂中，WS2纳米颗粒添加量对PB值的影响显著；FB＝48.634 4，取精度α ＝0.005，Fα（s－1，rs（t－1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FB＞6.3，因此，在复合纳米润滑脂中，Si3N4纳米颗粒添加量对PB值的影响显著；FA×B＝5.345 19，取精度α＝0.005，Fα（（r－1）（s－1），rs（t－1））＝F0.005（9，16），查F分布表可得F0.005（9，16） ＝4.38，由于FA×B＝5.345 19＞4.38，因此，对于复合纳米润滑脂的PB值，Si3N4和WS2纳米颗粒交互作用效应显著。

3.4 WS2-Si3 N4复合纳米颗粒在基础润滑脂中的抗磨减摩特性

复合纳米颗粒润滑脂摩擦因数见表5，双因素无重复试验方差分析表同表4。

由表5可知，仅考虑润滑脂抗磨减摩性能，1501润滑脂摩擦因数最低，相对于基础润滑脂摩擦因数，其摩擦因数降低了21.2%。

表5 复合纳米润滑脂摩擦因数

由表4中公式计算可得FA＝96.889 47，取精度α＝0.005，Fα（r-1，rs（t-1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FA＞6.3，因此，在复合纳米润滑脂中，WS2纳米颗粒添加量对摩擦因数的影响显著；FB＝267.087 4，取精度α＝0.005，Fα（s-1，rs（t-1））＝F0.005（3，16），查F分布表可得F0.005（3，16）＝6.3，由于FB＞6.3，因此，在复合纳米润滑脂中，Si3N4纳米颗粒添加量对摩擦因数的影响显著；FA×B＝13.325 52，取精度α＝0.005，Fα（（r-1）（s-1），rs（t-1））＝F0.005（9，32），查F分布表可得F0.005（9，32）＝3.45，由于FA×B＞3.45，因此，对于复合纳米润滑脂的摩擦因数，Si3N4和WS2纳米颗粒交互作用效应显著。

3.5 钢球磨斑形貌分析

4种典型试样钢球磨斑SEM图如图8所示。由图可知，基础润滑脂钢球磨斑表面粗糙度大，且有疲劳剥落，磨损严重；添加0.1%的Si3N4纳米颗粒，在一定程度上磨斑形貌得以改善，纹路匀称，表面粗糙度降低，无严重凸起和凹陷，压痕轻微，疲劳剥落减少，提高了润滑脂润滑性能；添加1.5%的WS2纳米颗粒，磨斑形貌明显改善，纹路匀称，表面粗糙度降低，且并无疲劳剥落；添加1.5%的WS2纳米颗粒和0.1%的Si3N4纳米颗粒比只添加单一纳米颗粒的磨斑表面粗糙度更低，且无疲劳剥落，因此，复合纳米颗粒可显著改善基础脂的润滑性能。

图8 钢球磨斑的SEM图

4 结论

（1）一定范围内，润滑脂PB值随纳米颗粒添加量的增加而增大，达到一定值时，PB值降低。相对于基础润滑脂，添加1.5%的WS2纳米颗粒的润滑脂PB值提高了21%，添加0.1%的Si3N4纳米颗粒的润滑脂PB值提高了6.4%。

（2）一定范围内，润滑脂摩擦因数随纳米颗粒添加量的增加而降低，达到一定值时，摩擦因数增大。相对于基础润滑脂，添加1.5%的WS2纳米颗粒的润滑脂摩擦因数降低了17.1%，添加0.1%的Si3N4纳米颗粒的纳米润滑脂摩擦因数降低了8.2%。

（3）相对于基础润滑脂，在其中添加1.5%的WS2纳米颗粒和0.1%的Si3N4纳米颗粒时，其PB值提高了36.2%，摩擦因数降低了21.2%，钢球磨斑直径为0.44 mm，复合纳米润滑脂的极压性能和抗磨减摩性能得以改善，WS2和Si3N4纳米颗粒交互作用效应显著。