硬脂酸吸附对限量供油润滑影响的试验研究

樊赛生,荆兆刚,郭 峰,栗心明

(青岛理工大学 机械与汽车工程学院,山东 青岛 266520)

润滑油可有效减少机械零部件的摩擦、磨损，实现提高机械效率和降低能源消耗的目的.然而，在工程中，当润滑油供应不足或存在乏油时两个接触表面油膜厚度变薄，增加了磨损风险.上世纪70年代，Wedeven等[1]首次采用光干涉技术观察到了乏油润滑，建立入口距离(入口供油弯月边界与接触区边界的距离)与膜厚降低之间的关系式.Guangteng等[2]通过光干涉试验发现在极度乏油条件下流体动压效应几乎消失，弹流接触区处于干涸润滑(Parched lubrication)状态.实际上在苛刻工况下运行的轴承、齿轮等零部件，一旦出现乏油，会导致润滑油膜破裂以及过度的摩擦和磨损.而另一方面使用过量的润滑油会导致摩擦力增大和搅油温升等问题[3]，同时也会降低机械零件的使用寿命.高端装备对润滑有精确的要求，其中限量供油润滑是摩擦学设计的趋势之一.限量供油润滑使用尽量少的润滑油实现摩擦副的有效润滑，零部件工作在减摩降磨的最佳状态，降低搅油温升和摩擦功耗，保护环境.高速轴承的油气润滑以及精密小尺寸零件和微器件[4-5]的润滑都属于限量供油润滑.在限量供油条件下润滑设计的重要影响因素是表面自集油效应，即处于润滑轨道两侧的润滑油向接触中心区回流并参加润滑.自集油与固液间的润湿性和油膜分离压力等因素有关.韩兵等[6]在低速条件下研究毛细力和分离压力的补充供油机制，发现在滚道油层较薄时，毛细力和分离压力有利于滚道补充供油.臧淑燕等[7]在面接触限量供油条件下，发现润滑油在表面能低的固体表面上形成离散油滴有利于表面自集油从而增加润滑油膜承载.王茜等[8]基于荧光法研究限量供油下表面润湿性对接触区外油池分布和入口供油的影响，提出在低黏附的玻璃盘表面上润滑剂容易向接触中心区回流.Liu等[9]在限量供油的球盘模型中采用阶梯润湿性表面，改善润滑油在润滑轨道上的回流，可明显增加膜厚，降低摩擦力.李哲等[10]对玻璃盘润滑轨道两侧进行疏油处理，形成中央亲油的条状润湿表面，提出在表面力驱动下润滑轨道两侧润滑油向接触中心区回流，改善入口供油，促进面接触限量润滑下润滑油膜的形成.刘成龙等[11]使用飞秒激光在摩擦表面制备梳齿沟槽阵列能定向输送油滴，从而增强自集油性能.表面自集油效应还受润滑油回流时间的影响，速度增加回流时间减小，回油量减少，导致乏油.因此在限量供油下油膜厚度并不会随速度的增加而单调增加[12]，而是增加到一定水平后减小，相应的供油状态由充分供油转变为乏油.相应地，膜厚由增加转为减小的对应速度，称作临界速度.Damiens等[13]和Cann等[14]在定量供油润滑条件下研究了临界速度的影响因素.

在润滑油中添加不同功能的添加剂，可以有效提升润滑油的性能，满足高端机械设备工作的需求.油性剂是润滑油常用的添加剂，由极性非常强的长链型分子组成，可在摩擦表面形成吸附膜，在边界润滑状态下发挥抗磨减摩的作用[15].硬脂酸是试验研究中最常使用的油性剂.Jahanmir[16]使用球柱机测量摩擦系数，在正十六烷中添加碳原子数为12～18的羧酸，发现硬脂酸的摩擦系数最小.Kalin等[17]选用胺、醇、酰胺和脂肪酸作为添加剂添加到PAO (聚α-烯烃)中，发现硬脂酸在钢表面形成疏油边界层使弹流润滑减摩效果最好.韩露娟等[18]在面接触限量供油条件下，提出在玻璃盘表面的硬脂酸低表面能吸附膜使润滑轨道上的润滑油离散分布，有助于润滑油回流.油性剂在摩擦表面上吸附，形成的吸附膜具有较低的表面能，在一定的润滑状态下发生吸附膜和流体膜之间的滑移，导致流体膜的膜厚和摩擦系数降低[17-19].目前硬脂酸添加剂的研究大部分针对边界润滑进行，而针对限量供油润滑的研究几乎没有.本文中使用实验室自主研发的球-环点接触油膜润滑装置，研究硬脂酸吸附在限量供油条件下对润滑油润滑性能以及润滑轨道上润滑油分布形态的影响.

1 试验部分

1.1 试验设备

试验使用球-环点接触油膜润滑测量装置，如图1所示.钢球与玻璃环内表面接触，并且钢球与玻璃环分别被伺服电机独立驱动，可实现不同的滑滚比.波长分别为640 nm(红光)和525 nm(绿光)的激光源在接触区产生油膜干涉图经显微镜放大后被CCD (电荷耦合器件)捕获.其中平凹柱面透镜使干涉条纹在卷吸速度与其垂直方向同时聚焦起到图像校正作用[20]，获得清晰的油膜干涉图.使用双色光干涉强度调制技术[21]对油膜干涉图进行处理，获得油膜厚度.在滑滚比下进行摩擦力测量，测量原理如图2所示.当两接触表面存在滑差时，拉压力传感器限制推力轴承回转从而产生电信号，经放大器放大后通过数据采集卡传输到计算机实时处理并显示[22].

Fig.1 Ball-on-ring film lubrication measurement apparatus 图1 球-环点接触润滑油膜测量装置

1.2 试验条件

试验所用玻璃环为K9玻璃，内径为110 mm，表面粗糙度Ra=4 nm，在玻璃环工作表面镀约20 nm厚的铬膜；钢球为GCr15轴承钢，直径为25.4 mm，表面粗糙度Ra=5 nm.采用等离子清洗机对玻璃环内表面进行2 min的表面羟基化预处理，以增强硬脂酸的表面吸附，试验条件列于表1中.表1中ξ为滑滚比，当滑滚比ξ=0时，钢球相对于玻璃环为纯滚动；当滑滚比等于±2时，钢球相对于玻璃环为纯滑动，除此之外玻璃环与钢球为滑滚状态.ξ定义为ξ=(ur−ub)/ue，其中ue=(ur+ub)/2为卷吸速度，ur和ub分别表示为玻璃环和钢球的线速度.

Fig.2 Principle of friction measurement图2 摩擦力测量原理图

表1 试验条件Table 1 Experimental conditions

试验采用两种润滑剂，一种是PAO10基础油，另一种是添加质量分数为0.2%硬脂酸的PAO10 (C18H36O2，Stearic acid，以下简称PAO10S).润滑油特性列于表2中，两种润滑剂的动力黏度相差不到4%，由此可知硬脂酸不会影响基础油本身黏度，硬脂酸特性列于表3中.

表2 润滑油特性Table 2 Properties of lubricating oil

表3 硬脂酸特性Table 3 Properties of stearic acid

试验采用微量进样器实现定量供油.每次供油前，使钢球与玻璃环处于接触状态，通过纯滚动的方式预跑合10 min将润滑油均匀布置到玻璃环轨道上.

2 结果与讨论

2.1 硬脂酸吸附对油膜建立的影响

在载荷为16 N，供油量分别为5、10和20 μl，纯滚条件下，PAO10和PAO10S在不同卷吸速度下油膜干涉图如图3所示.图中入口区域出现弯月形的乏油区，白色虚线为入口油气混合乏油边界.l1为乏油边界和接触区边缘之间的距离，l1越小乏油程度越严重；l2为接触区入口乏油区的宽度，l1=0时，l2越大乏油越严重.与经典的弹流油膜不同，接触区明显乏油时，接触中心区域的油膜厚度明显减小，即呈现出接触区中心油膜“塌陷”现象(图4).润滑轨道上的油膜侧脊是润滑油在机械分离作用下迁移到润滑轨道两侧形成的，在进入接触区前，侧脊处润滑油向接触区中心回流，回流量是影响乏油程度的重要因素.由图3可知，供油量为5 μl时，随着卷吸速度增加，PAO10的l1均小于PAO10S的l1，且PAO10的l1逐渐减少至0；卷吸速度为128 mm/s时，PAO10已出现l2，且l2随卷吸速度增加而增加.对于PAO10S，卷吸速度为384 mm/s左右，出现l2.随着供油量的增加，同一速度下的乏油程度逐渐减弱.在供油量为10和20 μl时，PAO10在卷吸速度分别为256和384 mm/s时出现了l2；然而PAO10S均在卷吸速度为384 mm/s时出现了l2.因此，在限量供油的条件下，PAO10S的入口油池优于PAO10的入口油池，即硬脂酸加入有助于供油.

Fig.3 Oil film interferogram change with entrainment velocity under three oil supply quantities (load=16 N,ξ=0)图3 三种供油量下油膜干涉图随卷吸速度变化(载荷为16 N,ξ=0)

Fig.4 Oil film profile of contact area under limited lubricant supply (oil supply=20 μl,load=16 N,ξ=0) 图4 限量供油下接触区油膜轮廓(供油量为20 μl，载荷为16 N，ξ=0)

图5所示为限量供油条件下中心膜厚随卷吸速度变化曲线图.在不同供油条件下，PAO10和PAO10S的中心膜厚随卷吸速度增加先增加后减小，对应膜厚由高到低变化卷吸速度存在一临界值，代表润滑状态由充分供油向乏油过渡[15].当供油量为5 μl时，PAO10的临界速度为96 mm/s，而PAO10S的临界速度为256 mm/s.卷吸速度在1～96 mm/s之间，PAO10中心膜厚略大于PAO10S中心膜厚；卷吸速度在96～384 mm/s之间，PAO10S中心膜厚明显大于PAO10中心膜厚；而当卷吸速度在试验的最高速度附近时，PAO10S的中心膜厚迅速降低，低于PAO10.当供油量增加到10和20 μl时，PAO10的临界速度增加，分别为192和256 mm/s；而PAO10S的临界速度无明显改变，仍然为256 mm/s.在膜厚随速度开始下降区域，PAO10中心膜厚大于PAO10S中心膜厚；与供油量5 μl相似，速度达到试验最高速度附近，PAO10S中心膜厚迅速下降，反而低于PAO10.总体来看，在限量供油条件下，PAO10和PAO10S中心膜厚存在差异，速度较低时，PAO10中心膜厚略大于PAO10S中心膜厚；而当速度高于PAO10的临界速度时，PAO10S中心膜厚大于PAO10中心膜厚；速度进一步提高，超过PAO10S的临界速度时，PAO10S的膜厚出现迅速下降的现象.在限量供油润滑状态下，PAO10S能够在一定工况范围内改善供油及润滑状态.PAO10S中硬脂酸的加入使得摩擦副有抵抗乏油的能力.

由表2数据可知，PAO10和PAO10S黏度相差不大，但膜厚和乏油程度有明显差别.油性剂的极性基团吸附在摩擦副表面，形成分子定向吸附膜具有低表面能，在充分供油状态下吸附膜降低了润滑油与固体表面的亲和性，会诱发实际润滑油卷吸量的减少，导致流体膜的承载能力和膜厚降低[12,14,17-19]；在乏油润滑状态下，摩擦副因表面能低而导致润滑油呈非连续离散液滴形式分布，有利于润滑油回流，对膜厚和乏油程度产生正面影响[18].

将图5试验中的载荷改为30 N，其他条件不变，对膜厚进行测量，如图6所示，膜厚随卷吸速度的变化与载荷为16 N时相似，即中心膜厚随卷吸速度增加表现为先增加后减小.PAO10临界速度皆小于PAO10S临界速度.在相同供油量下，载荷为30 N时PAO10的临界速度小于载荷为16 N时的临界速度；除供油量为5 μl时，载荷为30 N条件下PAO10S的临界速度小于载荷16 N时的临界速度，其他供油量下PAO10S的临界速度保持不变.

Fig.5 Central film change with entrainment velocity under three oil supply quantities:(a) 5 μl;(b) 10 μl;(c) 20 μl (load=16 N，ξ=0)图5 三种供油量下中心膜厚随卷吸速度变化：(a) 5 μl；(b) 10 μl；(c) 20 μl (载荷为16 N，ξ=0)

2.2 硬脂酸吸附对摩擦力的影响

为进一步探索硬脂酸添加剂对限量供油润滑的影响，在载荷16 N，供油量分别为5、10和20 μl，滑滚比为ξ=0.1时进行了PAO10和PAO10S两种润滑剂摩擦系数随卷吸速度变化的测量，如图7所示.PAO10和PAO10S的摩擦系数随卷吸速度增加均表现为先降低后增加.由图7可知，在供油量为5 μl时，PAO10S的摩擦系数明显小于PAO10的摩擦系数；由图8可知，卷吸速度为128 mm/s时，PAO10接触区中心有明显的膜厚“塌陷”，且随着卷吸速度增加膜厚“塌陷”范围变大；而PAO10S在卷吸速度为128 mm/s时仍呈现经典的弹流油膜，并无中心油膜厚度下降产生的“塌陷”；卷吸速度为256 mm/s时接触区中心膜厚显示出明显“塌陷”.当供油量为10 μl时，PAO10和PAO10S的摩擦系数差别变小.在供油量为20 μl时，在最高速度附近PAO10的摩擦系数小于PAO10S的摩擦系数.总体来看，在不同供油量条件下，PAO10和PAO10S的摩擦系数表现不同，PAO10的摩擦系数随供油量增加而降低，而PAO10S的摩擦系数随供油量增加而增加.

图9所示为中心膜厚随卷吸速度变化曲线图.在不同供油条件下，PAO10和PAO10S中心膜厚随卷吸速度增加表现为先增加后降低，存在充分供油润滑向乏油润滑过渡的临界速度.由图7和图9可知，在供油量为5 μl时，PAO10S的中心膜厚明显大于PAO10的中心膜厚，而PAO10S摩擦系数明显小于PAO10的摩擦系数；供油量为10 μl时，在128～384 mm/s速度范围之间，PAO10S的中心膜厚大于PAO10的中心膜厚，而摩擦系数小于PAO10的摩擦系数；供油量为20 μl时，在卷吸速度为48～256 mm/s之间，PAO10S的中心膜厚与PAO10的中心膜厚差别不大，而卷吸速度大于256 mm/s时，PAO10S的中心膜厚小于PAO10的中心膜厚，摩擦系数大于PAO10的摩擦系数.总体来看，在同一供油量下PAO10S和PAO10之间的中心膜厚和摩擦系数变化呈负相关性.因此当PAO10S中心膜厚大于PAO10中心膜厚时，摩擦系数比PAO10摩擦系数低；相反，当PAO10S中心膜厚小于PAO10中心膜厚时，摩擦系数比PAO10摩擦系数高.随着供油量增加，PAO10S中心膜厚大于PAO10中心膜厚的范围越来越小.

Fig.6 Central film changes with entrainment velocity under three oil supply quantities:(a) 5 μl;(b) 10 μl;(c) 20 μl (load=30 N，ξ=0)图6 三种供油量下中心膜厚随卷吸速度变化：(a) 5 μl；(b) 10 μl；(c) 20 μl (载荷为30 N，ξ=0)

Fig.7 Friction coefficient changes with entrainment velocity under different oil supply: (a) 5 μl;(b) 10 μl;(c) 20 μl (load=16 N，ξ=0.1)图7 不同供油量下摩擦系数随卷吸速度变化：(a) 5 μl;(b) 10 μl;(c) 20 μl (载荷为16 N，ξ=0.1)

Fig.8 Oil film interferograms with entrainment velocity under different oil supply (load=16 N,ξ=0.1)图8 不同供油量下油膜干涉图随卷吸速度变化(载荷为16 N,ξ=0.1)

图10所示为在载荷分别为16和30 N，供油量分别为5、10和20 μl，滑滚比为0.1时，在速度1～512 mm/s范围内PAO10和PAO10S平均摩擦系数的柱状图.与PAO10平均摩擦系数相比，在供油量为5 μl，载荷为16 N时，PAO10S降低50.03%，载荷为30 N时，PAO10S降低44.37%；在供油量为10 μl，载荷为16 N时，PAO10S降低7.13%，载荷为30 N时，PAO10S降低7.50%；在供油量为20 μl，载荷为16 N时，PAO10S降低7.01%，载荷为30 N时，PAO10S降低11.64%.总体来看，PAO10和PAO10S平均摩擦系数随着供油量增加而降低，但PAO10平均摩擦系数降低幅度更大，说明当基础油没有添加硬脂酸时平均摩擦系数受供油量的影响较大；当载荷增加到30 N时，PAO10和PAO10S的平均摩擦系数总体增加，而PAO10S平均摩擦系数仍然小于PAO10的摩擦系数，说明基础油添加硬脂酸使摩擦副平均摩擦系数降低.

Fig.9 Central film thickness with entrainment velocity under different oil supply: (a) 5 μl;(b) 10 μl;(c) 20 μl (load=16 N，ξ=0.1)图9 不同供油量下中心膜厚随卷吸速度变化：(a) 5 μl；(b) 10 μl；(c) 20 μl (载荷为16 N，ξ=0.1)

Fig.10 Average friction coefficient of PAO10 and PAO10S in the speed range from 1 mm/s to 512 mm/s (ξ=0.1)图10 在速度1～512 mm/s范围内PAO10和PAO10S的平均摩擦系数(ξ=0.1)

2.3 结果讨论

上述试验结果显示在限量供油润滑状态下，PAO10S总体的润滑性能较PAO10润滑性能好，说明添加硬脂酸有利于改善润滑油的润滑性能.为了解释试验结果，对试验结束后玻璃环和钢球表面的润滑轨道进行拍摄，结果如图11所示.

图11所示为PAO10和PAO10S在玻璃环和钢球润滑轨道上的油层分布.由图11(a)可知，PAO10在玻璃环和钢球润滑轨道上呈现连续的薄油膜分布，而且在玻璃环上侧脊明显；由图11(b)可知，PAO10S在玻璃环和钢球润滑轨道上呈离散条状分布.PAO10S在润滑表面离散的分布状态归因于硬脂酸吸附降低了润滑轨道的表面能，使润滑油出现“反润湿”现象.

为了进一步证明硬脂酸分子在润滑表面的吸附，对钢球表面附着硬脂酸进行FTIR光谱检测.试验步骤如下：采用试验刚结束的钢球，用正庚烷清洗，再用氮气吹干；用硝酸钾粉末搓洗钢球表面；最后使用FTIR光谱仪检测硝酸钾粉末，结果如图12所示.由图12可知，～1 653和～1 457 cm−1出现特征红外吸收峰，它们对应于C=O伸缩振动，说明存在-COOH官能团，所以钢球表面确实有硬脂酸分子的吸附.

Fig.11 Distribution of lubricant on the solid surfaces图11 润滑油在固体表面的分布

Fig.12 FTIR spectrum of stearic acid adsorption on the surface of the steel ball图12 钢球表面吸附硬脂酸的FTIR光谱图

硬脂酸吸附在玻璃环和钢球表面形成的低表面能润滑轨道，可产生如下影响：(1)侧泄增加，润滑油在接触区由于压力梯度的作用更易向两侧泄漏；(2)卷吸量减少，摩擦副表面的吸附膜亲和性降低，可诱发实际润滑油卷吸量的减少；(3)润滑轨道上润滑油的回流增加，低表面能润滑轨道有利于润滑油经接触区机械分离后的回流，对供油产生正面影响；(4)低铺展性，接触区外的润滑油不易由于铺展而流失；(5)较早承载，润滑轨道上形成离散条状分布的润滑油有利于在接触区入口处较早的产生承载.在卷吸速度较低时，PAO10S产生较低膜厚主要受侧泄增加和卷吸量减少的影响；在卷吸速度较高时，PAO10S产生抵抗乏油的能力主要因为回流量增加和入口局部较早的承载效应.因此，PAO10S和PAO10的膜厚和摩擦力表现不同，是这五种影响协同作用的结果.

3 结论

利用球-环点接触油膜润滑测量系统对PAO10和PAO10S进行膜厚和摩擦系数的测量，研究硬脂酸吸附在限量供油条件下对润滑性能的影响.

a.在限量供油条件下，随卷吸速度增大，油膜厚度先升高后降低，PAO10S的临界速度大于PAO10的临界速度.当卷吸速度低于PAO10的临界速度时，PAO10与PAO10S的膜厚差别不大.当卷吸速度高于PAO10的临界速度时，PAO10S较PAO10的膜厚明显增大.

b.随卷吸速度增加，摩擦系数表现为先降低后升高的U型变化.硬脂酸吸附使摩擦副整体摩擦系数降低.供油量越小，硬脂酸吸附的作用越显著.

c.PAO10S在玻璃环内表面和钢球表面形成的吸附膜降低了表面能，因“反润湿”而在润滑轨道上形成离散条状分布的润滑油有利于入口区的供油，从而增强润滑效果.