微量第二润滑介质辅助的增强水润滑研究

禹 涛, 张晓寒, 郭 峰, 金 微, 梁 鹏

(青岛理工大学 机械与汽车工程学院, 山东 青岛 266520)

随着人类环保意识的增强和环境立法的完善，水润滑成为各国研究的热点[1-2]. 相比油润滑，水润滑具有无污染和价格低等优点. 但由于水的黏度低，其承载能力差，轴承服役过程中往往处于边界/混合润滑状态，容易发生磨损. 为此研究人员开展了许多有益的探索，以提高水润滑轴承工作的可靠性.

在轴承结构方面，王等[3]通过理论计算发现，微沟槽形貌可以提高混合润滑性能与承载性能，其优劣按降序依次为右三角形、等腰三角形、左三角形、半椭圆形和矩形；周等[4]通过试验表明，相同工况下螺旋槽轴承的摩擦系数小于直槽轴承的摩擦系数. 另一方面各国开发了多种轴承材料，如丁腈橡胶[5-6]、王等[7]的BTG和秦等[8]的SPB-N橡胶基复合材料，加拿大的Thordon SXL[9]合成树脂、英国的Feroform T14[10]酚醛树脂/无石棉合成纤维复合材料和超高分子量聚乙烯[11]等，以提高水润滑轴承的耐磨性. 虽然现有研究使水润滑轴承的润滑性能有了明显提高，但在恶劣工况下轴承仍容易出现润滑失效，比如船舶的水润滑艉轴承因低速重载和洋流产生的短时载荷冲击等引起的磨损失效时有发生[12-15].

基于此，本文作者提出将微量第二润滑介质作为辅助润滑剂的方案，即当恶劣工况发生时，向接触区短时供给微量第二润滑介质，迅速提高水润滑轴承的承载力，以避免轴承发生剧烈磨损. 本文中使用环-块试验机，丁腈橡胶块-不锈钢环作为摩擦副以模仿实际艉轴承中的摩擦副材料，初步探索了低速重载下开放水环境中乳化油作为第二润滑介质的减摩降磨特性；使用光干涉润滑薄膜测量仪，观察第二润滑介质在水环境中的承载机制.

1 试验条件

1.1 试验设备与试验材料

本文中使用MRH-3高速环块摩擦磨损试验机与滚子-盘线接触润滑薄膜测量仪进行试验研究. 对MRH-3高速环块摩擦磨损试验机进行了改造，设置水流控制单元，保持腔体内液位保持不变；设置第二润滑介质供给单元，控制供给流量和供给时间. 在固定转速和载荷下，测试环块摩擦副摩擦系数随时间的变化. 当摩擦系数稳定时，短时供给微量第二润滑介质10 s (10 μL/s)，测量摩擦系数的变化. 图1为环块摩擦副示意图，接触区入口附近设有第二润滑介质喷头，距接触区为5±1 mm. 钢环外有外套，形成较小的开放水环境，第二润滑介质(乳化油)进入腔体后逐渐乳化，后随水流排出. 短时供给第二润滑介质后约2 min腔体中的水恢复澄澈透明. 足够的进出水量(0.3 L/min)可保证较好的冷却作用.

环块接触中，摩擦对偶块采用丁腈橡胶材料，牌号为NBR3606，表面粗糙度Ra为0.4，试块承载宽度为12.3 mm；摩擦对偶环为316不锈钢材质，表面粗糙度Ra为0.3，外径49.2 mm，宽度13.5 mm. 第二润滑介质采用市售的环保型乳化油，遇水乳化迅速，成分为厂商专有，黏度为78.4 mPa·s (20 ℃)；第二润滑介质喷头外径为0.7 mm、内径为0.4 mm，刃角为11°，材质为304不锈钢；试验用水为自来水，在腔体入口设600目滤网对水进行物理过滤；腔体内水温20±1 ℃.

为研究所用乳化油在开放水环境中的扩散，在水槽(86 mm×86 mm×40 mm)中盛满水，加注乳化油的针头于液面中央下20 mm水平放置，以10 μL/s的速度供给乳化油，供给10 s. 如图2所示，可以观察到乳化油离开针头遇水即刻乳化并上浮，第20 s后乳化变慢，3 min后无较大变化. 对第20 s图片进行局部放大，并将代表性的部分高浓度乳化液标出. 高浓度的乳化液因油占比高，颜色较深，多集聚为不规则片状或颗粒状，轮廓均相对清晰；低浓度的乳化液在水中乳化稀释程度较高，其水占比高，不均匀地分散在水面各处区域，穿插于高浓度乳化液之间，如云似雾，无清晰边界. 两者之间边界不甚清晰，但明显看出，水占比较高的情况下，高浓度乳化液和低浓度乳化液可共存. 未进行充分乳化操作(搅拌、超声等)导致的乳化油乳化不均匀是造成二者共存的主要原因. 同时还配置了不同浓度的乳化液，对黏度进行测量，结果如图3. 可以看到不同的浓度对应不同黏度，最高浓度并非对应最高黏度.

实际水润滑中的磨损失效或噪音问题多存在于边界/混合润滑区域. 因此本试验中主要在该类区域下研究第二润滑介质的辅助润滑特性，即测量纯水润滑加入第二润滑介质后摩擦系数随时间变化的曲线. 试验前后均用石油醚及无水乙醇将块和环等腔体内零件表面擦拭干净. 每组试验进行3次，每次试验均更换新块. 在一些试验工况下试验曲线存在突变或局部峰值的情况，若以3次试验平均值加误差带的形式表示测量结果，可能因为突变或局部峰值在3次试验中出现的时间点不同而在平均值曲线中被削弱或抵消，使曲线所表达的含义出现偏差. 添加第二润滑介质后虽然摩擦力变化或较大，但重复试验的规律一致性较好，为保证细节的展现，各工况基本均选取重复试验中第二次数据作为典型结果示出. 使用共聚焦显微镜对试验后纯水润滑及加入乳化油辅助润滑的橡胶块进行磨损形貌的测量.

使用线接触润滑薄膜测量仪可得到接触区膜厚及入口区油池. 线接触副由柱面滑块和玻璃圆盘构成，其中圆盘采用K9玻璃，在其工作面上镀有铬膜和二氧化硅膜，镀层后表面粗糙度Ra为8 nm，控制玻璃圆盘的反射率在20%左右；柱面滑块基体为石英，柱面上镀有厚铬膜和二氧化硅膜，工作面全反射，尺寸为4 mm×6 mm×20 mm (B×L×R)，其中B、L和R分别为柱面滑块的宽度、承载长度和曲率半径，柱面滑块的表面粗糙度Ra为4 nm. 润滑油密度比水小，其作为第二润滑介质在水环境中能稳定黏附于固体表面是辅助润滑的关键.

2 结果与讨论

2.1 环-块接触第二润滑介质辅助水润滑测量

在本文试验中向水润滑摩擦副之间短时供给微量第二润滑介质进行辅助润滑，达到改善润滑状态的目的. 试验载荷为350 N，纯水润滑条件下，改变环的转速, 测量NBR3606橡胶块-316不锈钢环摩擦副间的摩擦系数. 待摩擦副磨合好后，将环的转速从低速逐渐升到高速，再从高速降到低速，每个转速保持1 min，所得摩擦系数随环转速ω变化曲线如图4所示，由图4的数据可推断环-块摩擦副的润滑状态. 在摩擦系数随速度增加[即Stribeck曲线的轴承特性系数(ηω)/W增加，η-润滑介质黏度、W-载荷]而下降区域，摩擦副处于混合润滑状态. 随速度进一步增加，摩擦系数无明显下降，甚至有上升的趋势，此时摩擦副润滑状态向流体膜润滑转变.

Fig. 4 Friction coefficient versus ring rotation speed under the load of 350 N and water lubrication图4 摩擦系数随环转速变化曲线，载荷为350 N

当环转速在50～1 000 r/min之间时，环-块摩擦副处于混合润滑状态，在此区间内选取4个转速进行试验. 试验时环-块摩擦副在纯水润滑状态下磨合600 s，使摩擦系数达到稳定；第600 s向接触区供给乳化油，供给速率10 μL/s，供给时间10 s，试验总时间1 800 s.

图5(a)为转速在50 r/min时，摩擦系数随时间的变化. 对应乳化油开始供给的瞬间，摩擦系数从0.1迅速下降至0.065左右，降低幅度约35%. 之后的20 min，虽然腔体环境中的乳化油基本排空，但摩擦系数仍稳定地保持在0.065左右，说明接触区仍为乳化油润滑. 注入水中的乳化油或直接进入接触区黏附于固体表面参与润滑，或部分在水环境中乳化，形成乳化液参加润滑. 接触区内起主要承载作用的润滑介质由水变为油，提高了润滑介质的承载力. 对应于Stribeck曲线，润滑介质的表观黏度增加，摩擦副的轴承特性系数增加，但尚未达到全膜润滑摩擦系数上升区. 试验后将块取下，可以观察到块表面对应入口区有白色乳化液的黏附，形成摩擦副入口区的供油油池.

在250 r/min及更高转速下向接触区供给微量乳化油，摩擦系数出现突升，如图5(b)，(c)和(d)所示. 微量第二润滑介质的使用，接触区由水润滑转为油润滑，引起摩擦副的轴承特性系数增加，接触区中固体接触承载比例减小，流体膜承载比例增加. 不同环转速下，入口区固体表面速度及流场不同，对短时注入的微量乳化油影响不同，如乳化油在固体表面的黏附、乳化油的流动剪切状态、乳化油的乳化及入口区乳化油/液的分布等，这些因素形成摩擦副不同的轴承特性系数，摩擦力出现不同的变化. 此处三种速度下，润滑状态改变较大，摩擦力出现升高. 停止乳化油供给，开放的水环境会不断稀释乳化液. 速度增加时，钢环周围水流对乳化液的冲刷作用明显，当接触区乳化液被水冲刷干净后，摩擦系数会降回到纯水润滑状态下的值. 试验结束后，橡胶块的接触区入口处观察不到乳化油/液的黏附.

根据图5摩擦系数的变化趋势推测，在环转速50到250 r/min之间存在临界转速，此临界转速下对摩擦副短时供给微量乳化油不会引起摩擦系数明显变化；小于此临界转速时产生摩擦力降低，高于此临界转速产生摩擦力升高. 利用二分法在50到250 r/min之间做了更细的转速划分以寻找临界转速，如图6所示，其中ω代表环转速. 可以看出，大致75 r/min为临界转速，此临界转速与载荷、摩擦副材料和乳化油特性等相关.

图7所示为试验载荷为350 N，转速为50 r/min工况下的4次试验结果，可以看出加乳化油后摩擦系数下降并最终稳定时的值基本接近，具有较稳定的减摩幅度；差异在于加乳化油后未稳定时的摩擦系数在某一短暂的时间段内可能会出现更低的值，说明乳化油作为第二润滑介质不仅具有较明显的减摩效果，且具有更优的减摩潜力.

Fig. 5 Friction coefficient vs time with short-time supply of a small quantity of emulsion oil under the load of 350 N图5 载荷为350 N条件下短时微量乳化油供给的摩擦系数-时间曲线

Fig. 6 Friction coefficient vs time under short-time supply of a small quantity of emulsion oil at different ring rotation speed,load = 350 N图6 不同环转速条件下短时微量乳化油供给的摩擦系数-时间曲线，载荷350 N

Fig. 7 Experiments for repeatability for short-time supply of a small quantity of emulsion oil, load 350 N， rotation speed 50 r/min图7 短时微量乳化油供给的重复性试验，载荷350 N，转速50 r/min

增加载荷至1 000 N，如图8所示，当环转速在50～500 r/min范围内时，润滑状态为混合润滑. 在不同转速下进行第二润滑介质辅助润滑试验，辅助润滑条件与载荷为350 N时相同，结果如图9所示. 与载荷为350 N的结果类似，短时微量乳化油的注入对摩擦力的影响分两个类型. 当速度较低时，乳化油的供给导致摩擦系数降低，而且可以长时间维持. 随着转速升高，摩擦系数在低水平下维持的时间会逐渐缩短，这是由于速度升高后水流动对乳化油的不断稀释和冲刷. 当转速超过某个临界值时，350 N载荷短时供给微量乳化油导致摩擦系数出现迅速增加后单调递减，而1 000 N载荷短时供给微量乳化油摩擦系数增加后并不直接单调递减至纯水润滑时的摩擦系数，而是短暂下降后再次上升，出现明显波动最后至纯水润滑时的稳定值.

Fig. 8 Friction coefficient vs ring rotation speed under the load of 1 000 N and water lubrication图8 摩擦系数随环转速变化曲线，载荷为1 000 N

Fig. 9 Friction coefficient vs time with short-time supply of a small quantity of emulsion oil under the load of 1 000 N图9 载荷为1 000 N条件下短时微量乳化油供给的摩擦系数-时间曲线

与载荷为350 N时相比，1 000 N载荷的临界转速由75 r/min左右上升为150 r/min左右. 短时供给微量乳化油进行润滑辅助，摩擦系数的变化与供油前环-块摩擦副的润滑状态相对应，即与Stribeck曲线的横坐标轴承特性系数(ηω)/W对应. 载荷W升高意味着转速ω的升高才能达到相似的润滑状态，因此1 000 N载荷对应的临界转速高于350 N载荷. 同时，在经典Stribeck曲线中，轴承特性系数(ηω)/W是在理想供油条件下定义的. 此处接触区入口微量乳化油的供给与环的转速及载荷相关，即表征润滑状态的轴承特性系数不再与ω/W线性相关.

选取1 000 N 条件下50和500 r/min两种转速，对比纯水润滑和短时添加微量乳化油的摩擦系数曲线，结果如图10所示. 当转速为50 r/min时，纯水润滑的摩擦系数曲线十分稳定，短时添加微量乳化油后摩擦系数下降后同样保持稳定. 当转速为500 r/min时，纯水润滑的摩擦系数曲线出现波动，短时添加微量乳化油后摩擦系数波动显著. 如前所述，速度增加时摩擦副的轴承特性系数增加，微量乳化油的增加使得流体润滑成为主要机制，表现为摩擦系数的增加. 此处乳化油仅仅一次性短时微量供给，由于水的稀释作用，摩擦副入口的乳化油浓度随时间降低，黏度大致会经历图3所示的变化，即乳化油稀释，浓度降低过程中黏度出现峰值. 黏度的增加使得入口逆流区减小，即高黏度乳化液更容易进入摩擦副，形成摩擦力的二次增加.高载荷下，入口处压力梯度大，入口逆流对黏度的依赖性增加. 实际上，载荷350 N时，乳化油一次性短时微量供给，摩擦系数突然升高后，在其降低过程中也出现了局部的降低速率减小，如图5(b)中t=900 s附近和图5(c)中t=750 s附近，都出现摩擦系数下降变慢的趋势. 而在载荷为1 000 N时，直接表现为摩擦系数二次上升.

Fig. 10 Comparison of friction coefficient between feeding emulsion oil lubrication and pure water lubrication under the load of 1 000 N图10 1 000 N条件下供给乳化油润滑与纯水润滑摩擦系数变化对比

使用共聚焦显微镜对图10中4种工况下的橡胶块进行试验后的表面形貌观测，如图11所示. 磨痕宽度通过两侧磨痕宽度的均值表示[Width=(Width1+Width2)/2].当不锈钢环转速为50 r/min时，纯水润滑条件下的橡胶块磨痕宽度为2 532 μm[图11(a)], 短时微量乳化油辅助润滑后的橡胶块磨痕宽度为2 336 μm[图11(b)]，减小7.7%. 当不锈钢环转速为500 r/min时，纯水润滑条件下的橡胶块磨痕宽度为2 747 μm[图11(c)]，短时微量乳化油辅助润滑后的橡胶块磨痕宽度为2 510 μm[图11(d)]，减小8.6%. 在短时供给微量乳化油后摩擦系数下降和上升的两种工况下，其橡胶块的磨痕宽度均比各自转速下纯水润滑的磨痕宽度窄，即乳化油在两种情况下均起到了良好的减磨效果. 另外，可以看到短时加入乳化油后，磨痕宽度变得不均匀，这应是喷头位置偏置导致的，不难推测喷头接近磨损宽度小的一侧.

Fig. 11 Comparison of wear tracks图11 磨痕对比分析

2.2 水环境下第二润滑介质的润滑膜厚测量

在前述试验中，低速下观察到块及环表面上黏附有乳化油. 在乳化液(O/W)润滑机理的研究中，离水展着(plate-out)[16]为主流理论之一，即乳化液中的油相组分黏附于固体表面进入接触区形成润滑膜，可以解释乳化液较强的润滑膜形成能力. 在本文试验中，少量乳化油被短时注入到接触区入口，低速下在固体表面形成临时的离水展着油层. 为观察水环境下离水展着油层润滑油膜的建立，使用光干涉测量圆柱滑块-盘滑动线接触的油膜厚度.

图12(a)为15 mL水润滑条件下的光干涉图，载荷为1 N，盘速为2 mm/s，接触区最小膜厚仅5 nm. 图12(b)为2 μL乳化油润滑条件下的光干涉图，入口油池稳定存在，接触区最小膜厚212 nm. 图12(c)为在图12(b)基础上添加15 mL水，使图12(b)的乳化油润滑环境由空气改为水，运行3 min后得到光干涉图. 加水后部分乳化油乳化稀释，接触区入口油池部分与水相溶，但玻璃盘轨道仍可观察到部分离水展着油层，最小膜厚为43 nm，说明此处极微量的乳化油仍以离水展着油层的方式形成承载润滑膜.

Fig. 12 Oil pool and lubricating film图12 油池与膜厚

应当指出，在本文中只是对微量第二润滑介质短时供给增强水润滑进行了初步的探索. 试验中仅使用了一种微量第二润滑介质短时供给方案，研究了其对橡胶块-钢环接触水润滑的影响. 试验结果概念性地表明微量第二润滑介质短时供给可用于阶段性改善水润滑，使得摩擦副处于较好的润滑状态.

本研究的应用场景为当水润滑橡胶轴承遭遇短时苛刻工况，如启停时的低速时段及突发的临时冲击载荷等，短时供油提高润滑性能. 实际应用中，可以通过在水润滑橡胶轴承入口处开设进油孔实现短时的微量供油，选用生物环保类润滑油，在开放水环境中不会造成污染.

3 结论

试验研究了微量乳化油短时供给对橡胶块-钢环线接触水润滑的影响，初步结果表明了其对水润滑的改善作用，得到如下结论：

a. 在低速重载条件下短时供给微量第二润滑介质乳化油，可降低水润滑橡胶块-钢环线接触的磨损；

b. 对于橡胶块-钢环线接触水润滑存在临界转速，当转速小于此临界转速时，微量乳化油的短时供给可降低摩擦力；当转速大于此临界转速，微量乳化油的短时供给导致摩擦系数上升；临界转速随载荷的增大而增大；

c. 在较高转速下，短时供给微量乳化油，接触区润滑介质表观黏度增加，轴承特性系数增加到一定水平，会引起摩擦力增加. 同时会使接触区中固体承载比例减小，流体膜承载比例增加. 之后出现的摩擦系数再下降是乳化液在接触区被稀释和去除，轴承特性系数减小的过程.