两种航空润滑脂对不同配副材料的摩擦学性能对比探究

鲍茂宽，郑 帅，段小帅

（1.东北农业大学，黑龙江 哈尔滨 150030；2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

润滑脂广泛应用于机械传动部件，以齿轮为例，齿轮的应用环境比较复杂，对其要求也比较严格，这就要求润滑脂的极压性能，温度特性比较好，因此研究出适用于多种复杂环境的润滑脂越来越重要，国内外的齿轮润滑脂已有许多成品，如埃索的 DYNAGEAR、美孚的 OGL-007、中石化的齿轮专用润滑脂牌号有7412、7414等[1～4]。长城公司着重分析了稠化油及半流体脂的抗磨性能与极压性能[5]。后勤工程学院分析了机械传动部件专用润滑脂的摩擦学性能以及润滑机理[6～8]。上海大学将超细颗粒添加到润滑脂中并分析其摩擦学性能[9]。

航空润滑脂作为一种新型的润滑脂，其具有多种牌号，可适用于不同的环境，本文选择了两种具有代表性的航空润滑脂7011与7015，对其的摩擦学性能进行研究，同时为了形成对比，本文还选择了两种不同配副材料轴承钢与不锈钢，研究不同润滑脂对不同配副材料的摩擦学行为的不同。

1 实验设备

本文选用型号为MRS-10某公司的四球摩擦磨损试验机，见图1，评价7011航空润滑脂的摩擦磨损性能。选用哈轴的GCr15轴承钢球，首先利用丙酮将钢球超声清洗20分钟，再将其安装在四球机上进行实验，记录实验数据。在使用CMM-20E型倒置金相显微镜测量磨斑直径的大小，实验结果取多次的平均值。

图1 四球摩擦磨损试验机Fig.1 The pattern of the four ball friction and wear testing machine

2 7011号润滑脂的减摩抗磨性能研究

7011号润滑脂拥有较好的极压性能，适用于重载工况润滑，如飞机的起落架轴承、螺杆、链条、齿轮等。应用温度范围广，大致为-60～120℃，可以适用于比较恶劣的环境，性能与英国DTD900/4439的标准相当。

2.1 探究GC15轴承钢的摩擦特性

2.1.1载荷条件对摩擦效果的影响

如图2在304N载荷条件下的摩擦系数与时间曲线，从图可以看出前半个小时摩擦系数比较大且波动较大，后半个小时摩擦系数有所下降，原因可能是开始时润滑脂的粘滞阻力比较大导致摩擦系数较大，当机器运行一段时间后温度上升，粘滞阻力下降，摩擦系数趋于稳定。

图2 304N条件下摩擦系数与时间曲线Fig.2 The curve of the friction coefficient with time under the condition of the load of 304N

图3为载荷与平均摩擦系数及磨斑直径关系图，从图3（a）可以看出摩擦系数虽然有些波动但变化比较小，可见载荷对摩擦系数影响较小，7011的承载能力较强。从图3（b）可以看出随着载荷升高，磨斑直径也在不断升高，这符合摩擦学规律，磨斑直径受载荷变化影响较大。

图4为载荷变化条件下的磨斑金相图，从图中可以看出随着载荷升高磨斑在不断变大。

图3 载荷与平均摩擦系数及磨斑直径关系图Fig.3 The graph of the load with the average friction coefficient and with the diameter of the wear scar

图4 载荷变化条件下的磨斑金相图Fig.4 The graph of wear scar under the condition of load transformation

2.1.2 转速条件对摩擦效果的影响

图5为转速与平均摩擦系数及磨斑直径关系图，从图5（a）可以看出摩擦系数随转速的升高而下降，原因可能是低转速时未形成较完整的油膜，导致摩擦系数较大，当转速提高时形成良好的油膜，摩擦系数下降。从图5（b）可以看出磨斑直径虽然有些波动但变化比较小，变化范围：500μm～600μm，可见转速对磨斑直径影响较小。

图5 转速与平均摩擦系数及磨斑直径关系图Fig.5 The graph of the speed with the average friction coefficient and with the diameter of the wear scar

图6为转速变化条件下的磨斑金相图，从图中可以看出磨斑大小存在波动但无明显的上升和下降的规律。

图6 转速变化条件下的磨斑金相图Fig.6 The metallography graph of wear scar under the condition of changing speed

2.2 对比440C不锈钢的摩擦特性

如图7为摩擦材料为440C不锈钢在载荷为392N转速为1450rpm的工况下的摩擦系数与时间曲线，从图可以看出摩擦系数变化波动巨大，且伴随刺耳的响声，到970S时四球摩擦磨损试验机卡停，表示发生卡咬，且最高摩擦系数达到0.24，相比于下文的7015润滑脂运行时间长且转速和载荷都比较高，说明7011润滑脂在承载能力上性能是比较优异的，同时也说明了440C不锈钢不适用于行星滚柱丝杠的材料。

图7 摩擦系数与时间曲线Fig.7 The curve of friction coefficient and time

3 7015号润滑脂的减摩抗磨性能研究

7015号润滑脂的应用温度范围较宽，具有耐高温和高滴点的特点，被广泛应用于如精密仪表、同步陀螺仪、伺服电机等精密仪器，不适用于重载工况下的齿轮及轴承的润滑，其应用温度范围为-70～180℃，性能稳定，应用范围广。

3.1 探究GC15轴承钢的摩擦特性

7015的承载能力较弱，不适用于高转速、重载荷的工作条件，如图8为四球摩擦磨损试验机所能达到的最小转速200rpm和最小载荷88N测量三分钟的摩擦系数与时间曲线，可以看出摩擦系数突变且发生了卡咬，摩擦系数最高可达到0.4以上，且机器发生刺耳响声，说明7015不适用于行星滚柱丝杠的工作条件。

图8 摩擦系数与时间曲线Fig.8 The curve of friction coefficient and time

3.2 对比440C不锈钢的摩擦特性

如图9为440C不锈钢在载荷为88N转速为200rpm情况下的摩擦系数与时间曲线，从图可以看出其规律与GC15轴承钢在7015润滑的情况相似，都是波动较大，且发出刺耳的响声，说明无论是GC15轴承钢还是440C不锈钢其在7015润滑脂润滑的情况下，摩擦效果都不是很好，7015不适用于重载工况。

图9 摩擦系数与时间曲线Fig.9 The curve of friction coefficient and time

4 结论

本文研究7011润滑脂在行星滚柱丝杠材料为GC15轴承钢条件下的摩擦效果，实验控制转速不变为1450rpm， 载荷为 206N、304N、392N、510N、598N 五种变换，得出规律为7011润滑脂润滑效果受载荷影响不大，磨斑直径随载荷的升高而增大，当控制载荷为392N 不变， 转速为 800rpm、1000rpm、1200rpm、1450rpm、1600rpm五种变换，得出规律为7011润滑脂润滑效果受转速影响，规律为随转速的升高摩擦系数在下降。

在7011润滑脂作为润滑剂条件下440C不锈钢的摩擦效果，实验条件控制为转速为1450rpm，载荷为392N，实验时间预设为3600s，实验运行到970s时机器发生卡停，摩擦系数最高可达0.24，说明在此工况下440C不锈钢的油膜破裂，导致机器卡停。

实验条件设定为载荷为88N、转速为200rpm，GC15轴承钢、440C不锈钢在7015润滑脂润滑条件下均发生卡咬，且机器发出刺耳的响声，说明7015润滑脂在该种工作条件下润滑效果不佳。

[1]李辉.7408号半流体润滑脂的研制[J].合成润滑材料，1989，1.

[2]肖存亮.7414号齿轮润滑脂的研制[J].合成润滑材料，1997，4.

[3]卢现菊，蔡家成.TD机车牵引齿轮润滑脂[J].合成润滑材料，2003，3.

[4]吕英华，刘佩仓.一种重负荷开式齿轮润滑脂及其制备方法：CN104164277A[P].2014.

[5]王国金，李梅，汤涛，等.半流体润滑脂和稠化油的极压抗磨性研究[J].润滑与密封，2000，2.

[6]蒋明俊，董浚修.齿轮润滑脂的摩擦化学[J].润滑与密封，1997，6.

[7]蒋明俊，郭小川，姜秉新.半流体脂流变特性的研究[J].合成润滑材料，1997，2.

[8]蒋明俊，董浚修.半流体脂的流变性与润滑机理研究[J].润滑与密封，1999，1.

[9]张玉伟，付尚发，陶德华.几种超细粒子在半流体脂中的摩擦行为[J].润滑与密封，2002，6.