使用球对盘测试确定润滑油的真正稳定性

抽象的

当接触区域的变化最小，以及接触区域的磨损碎片干预时，就可以确定润滑剂的真正稳定性。在这里，我们使用了带有迁移点接触的球-盘仪表，即球和盘之间的相对运动状态，以固定接触区域，并将接触区域的磨损碎片最小化。摩擦系数的跳变表明油膜失效，5W30机油比5W40机油出现的更早。如果没有相对运动，这样的剖面就不会被记录下来。因此，5W40被认为比5W30具有更好的润滑剂稳定性。将相同的试验条件应用于天然润滑剂，发现甘油比甘油-水混合物具有更好的润滑剂稳定性。甘油和5W40所具有的优越的真正润滑剂稳定性与其高粘度有关。然而，与5W30和甘油水等低粘度润滑剂相比，它们的耐磨性较差。尽管在迁移点接触条件下应该避免微观磨屑，但我们怀疑是接触区微观磨屑的作用导致了这种行为。总的来说，具有迁移点接触条件的球对盘仪器是确定润滑剂稳定性的一种有效技术。

1.介绍

有效的润滑可以通过在流体动力、混合和边界条件下稳定的润滑膜来实现。四球1], ball-on-disk [2]，以及堵环式仪器[3.是在润滑剂的摩擦学特性中使用的一些成熟的工业标准技术。然而，由于接触点之间的固定运动，它在润滑油稳定性研究中的应用受到了限制[4］．在这些技术中，测试过程中的真实接触面积由于磨损而增加，从而降低了真实接触压力。这种真正接触压力的下降可以促进润滑剂更高的承载能力。此外，在接触区积累的磨屑会增加或降低润滑剂的承载能力[5］．总体而言，由于磨损碎片的接触压力和积累，润滑剂的真正稳定性是歪曲的。因此，重要的是要修复接触面积，避免在接触区处干预磨损碎片，并确定润滑剂的真正稳定性。

本研究的目的是使用改进的球盘技术来研究润滑膜的摩擦，磨损和真正稳定性。球盘测试中的两种类型的接触条件，（i）迁移点，即球盘和磁盘之间的相对运动，（ii）固定点和固定点变速速度触点，即没有相对的在这项研究中使用了球和盘之间的运动。使用球盘测试像电动机油5W40和5W30的合成润滑剂，如甘油和甘油 - 水混合物等天然润滑剂。使用滚珠盘试验测量润滑剂的摩擦系数，使用非接触式轮廓仪定性和定量测量磁盘磨损。来自盘盘试验的摩擦系数轮廓用于评估润滑剂的稳定性。

2。材料和方法

2.1。润滑油

合成润滑剂是粘度级5003级和5W40（来自同一制造商）的多级机油，天然润滑剂是甘油（99.9％纯，Sigma Aldrich，德国）和甘油 - 水混合物（甘油在水中稀释以具有最终浓度的甘油 - 水混合物50％w / w）。

2.2。润滑剂的摩擦系数

使用圆盘仪器（TR 20，DUCOM Instruments PVT。Ltd.，India）测定润滑剂的摩擦系数（COF）。氮化硅（Si_3.N₄)的直径为6mm的陶瓷球和直径为60mm的Inconel 617 (IN617)圆盘。球以6.5牛的法向力压在转盘上。球的位置可以是固定的，也可以是往复的。往复运动是通过步进电机、皮带轮和线性导轨装置来实现的。伺服电机被用来改变磁盘的速度在1000转和1转之间。磁盘被封闭在一个可以容纳2ml体积的润滑剂的腔内。在球和圆盘之间的接触点的摩擦力是用纽扣式测压元件测量的。润滑剂的摩擦系数是用摩擦力除以各自的法向力得到的。

测定了润滑油在不同接触条件下的摩擦系数。所有这些接触条件都使用基于labview的Winducom 2010软件(Ducom Instruments pv . Ltd.， India)进行软件控制。试验持续时间固定在60 s，总行驶距离固定在86 m。

2.3。固定点接触条件

在磨损轨道直径为28mm的磁盘上固定球位置，并且盘以1000rpm的固定速度旋转。这个磨损轨迹的几何形状是圆形的，如图所示1(一)．在这种情况下，在一个磨损轨迹上有多个通道。

2．4．迁移点接触条件

球在磁盘的速度下线性地远离盘的中心移动，而磁盘以1000rpm的速度旋转。这种磨损轨道的几何形状是螺旋形式，如图所示1 (b)．在这种情况下，没有多次通过单一磨损轨迹。

2．5．定点变速接触状态

球的位置固定在一个磨损轨道直径为28毫米的圆盘上，圆盘以变速旋转。在60秒的测试时间内，磁盘速度从1000转呈指数级下降到70转。这个磨损轨迹的几何形状是圆形的，如图所示1 (c)．在这种情况下，在单个磨损轨道上有多次通过，并且它处于不同的滑动速度。

2．6．表面形貌和磨损区

使用非接触式轮廓仪（Proscan 2000，Scantron Industrials Ltd.，UK）捕获磁盘表面上的耐磨轨道的三维图像。在Profilecometer中使用了最大测量范围为0.3mm的白光色度传感器。扫描速率和扫描区域分别以每秒300点和2mm×2mm固定。用70％乙醇清洗摩擦试验后的磁盘，后来成像磨损轨道。通过使用Proscan软件（Scantron Industrials Ltd.，UK）计算盘上磨损轨道的深度和宽度。磨损轨道的几何形状是抛物线，并且使用它的区域使用

3.结果

3．1.合成润滑油的摩擦系数

在固定点接触条件（图2(一个)) 5W30和5W40机油的磨合摩擦系数分别为0.381和0.260。磨合阶段结束后，5W40电机油的摩擦系数比5W30电机油的摩擦系数稳定得早。5W40的稳定摩擦系数为0.022，比机油5W30低2倍。

在迁移点接触条件下(图2（b））电机油没有连续阶段。对于5W30，在测试的23秒，摩擦系数突然从0.073跳跃到0.383。在第30秒的第30次记录摩擦中的类似跳跃，失败后的摩擦高于5W30。

在固定点变速速度接触条件（图2（c）当滑动速度由1.30 m/s降低到0.47 m/s时，5W30电机油的摩擦系数由0.442降低到0.097。5W40机油的摩擦系数始终低于5W30。当滑动速度从1.30 m/s降低到1.17 m/s时，摩擦系数从0.098降低到0.025。

３．２．天然润滑剂的摩擦系数

在固定点接触条件（图3（a））甘油 - 水混合物的润滑系数为0.383。并且，当甘油用作润滑剂时，没有连续阶段。甘油 - 水混合物和甘油的稳定摩擦系数为0.133和0.033。

在迁移点接触条件下(图3（b）)，甘油和甘油-水混合物没有入井阶段。在测试第11秒时，甘油-水混合物的摩擦系数从0.019上升到0.540。在测试的第32秒，甘油的摩擦系数也出现了类似的跳跃。

在固定点变速速度接触条件（图3（c）)，当滑速从1.30 m/s降低到0.42 m/s时，甘油-水混合物的摩擦系数由0.529降低到0.180。当滑速从1.30 m/s降至0.33 m/s时，甘油的摩擦系数稳定在0.023。

3．3．磨损轨迹和磨损区域的表面形貌

定点接触测试后，圆盘上的磨损轨迹(图)4（a）和4 (d))是光滑的。只有被机油5W30润滑的圆盘在磨损轨道的两侧有一个巨大的堆积。用5W40和5W30机油润滑的圆盘磨损面积为1250μ米²和1560年μ米²,分别。

在迁移点接触测试后，磁盘上有几处不连续的划痕(图)4（b）和4 (e))．与电动机油5W30相比，电动机油5W40润滑的盘上的划痕面积较高4.5倍。

经过定点接触-变速测试(图4 (c)和4 (f)），由5W30润滑的磁盘具有更宽的凹槽（图4 (c))．5W40润滑的圆盘磨损光滑，面积比5W30机油小4.4倍。

经定点接触测试，由甘油或甘油-水混合物润滑的圆盘上的磨损轨迹光滑(图)5(一个)和5 (d))．与甘油 - 水混合物引起的破旧区域与甘油相比高9倍。

在迁移点接触测试之后，出现了一些不连续的、较短且较深的划痕(图)5 (b)和5 (e))．用甘油或甘油-水混合物润滑的擦伤区域是相同的。

在通过甘油润滑时，在固定点变速触点测试后，耐磨轨道是光滑的，而当通过甘油 - 水混合物润滑（图）时具有更深的凹槽（图5 (c)和5 (f))．经甘油-水混合物润滑的圆盘磨损面积比甘油高3.8倍。

4.讨论

润滑剂的稳定性受到滑动界面磨损的影响。由于塑性变形导致的磨损增加将增加接触面积，从验理论上，它会降低真正的接触压力。在这种情况下，润滑剂倾向于显示出更多的稳定性，因此难以确定润滑剂的真正稳定性。这种情况在固定点接触条件下预期，其中通过接触压力的降低来补偿摩擦力的增加。结果，在运行相位后观察到稳定的摩擦曲线。然而，当在迁移点接触条件下测试期间接触面积固定（或真正的接触压力）时，相同的一组润滑剂显示了不稳定的摩擦曲线。不稳定的摩擦型材包括突然跳跃和摩擦系数的增加。这种跳跃是由于在球和磁盘接口处失败之后接触后接触的最大粗糙度，在球和盘界面处。在扫描试验期间还记录了类似的轮廓，其中通过故意增加接触压力直到润滑膜击穿直到润滑剂击穿[6］．在我们的研究中，5W40和甘油的润滑膜在后期失效，因此，与5W30和甘油-水混合物相比，5W40和甘油的真正稳定性更高。因此，我们认为，与球盘式仪表中的固定点接触条件相比，使用迁移点接触条件可以更好地评估润滑剂的真正稳定性。

润滑效率在很大程度上取决于润滑剂粘度[7]、结构及表面活性添加剂的组成[8］．高粘性润滑剂可以形成较厚的流体膜，将接触的物体分开;因此，它减少了系统中的摩擦和磨损[7］．这种润滑条件可以与5W40和甘油的低摩擦和磨损行为有关。然而，膜破坏后润滑的机制是复杂的，并且不能基于润滑剂粘度来解释。在迁移点接触状态下，5W40润滑剂失效后，与5W30相比，其摩擦更高。此外，尽管稳定性较高2（b），4（b）,4 (e))．我们假设该机制可以与在5W40的发生故障后形成的微观呋喃流有关，这与5W30相比可以更多的研磨剂。注意，迁移点触点只能最大限度地减少磨损碎片的累积;然而，它并没有完全阻挡累积在接触中的磨损碎片。

相反，甘油在其失效后的摩擦分布与甘油 - 水混合物的摩擦重叠。此外，磨损型材相似（图3（b），5 (b),5 (e))．因此，我们假设在失败后形成的微观呋喃工艺在自然界中类似。然而，进一步调查在失败后形成的呋喃流的组成和结构是必要的，以确认我们的假设。

甘油可以是润滑剂中使用的矿物或合成基础油的替代方法[9］．在我们的研究中，我们发现甘油作为润滑剂比加了合成基础油的机油5W40更耐磨，真正的润滑剂稳定性更高。然而，甘油的高粘度是一个问题，因为剪切甘油需要更多的能量，增加了系统的温度。为了克服这一缺点，在甘油中加入水以降低其粘度。Shi et al. [9结果表明，甘油-水混合物(50% w/w)的粘度比纯甘油低100倍，甘油-水润滑后的磨损比纯甘油高12倍。在我们的研究中使用了同样浓度的甘油-水混合物，结果证实了磨损更大，摩擦也更高。甘油-水润滑后磨损的严重程度表现为磨损钉边缘的大量堆积(图)5 (d))．在固定点变速速度接触条件下由甘油 - 水混合物润滑的盘的耐磨轨道上也观察到表示疲劳破坏的剥落（图5 (f))．因此，与纯甘油润滑相比，甘油-水混合润滑的失效程度是灾难性的。

5.结论

从这种摩擦学调查在不同点接触条件下的合成和天然润滑剂，可以得出结论（一世）真正的润滑剂稳定性最佳地研究了磁盘测试中的迁移点接触条件，其中真正的接触面积和磨损碎片的干预有最小的变化;(2)低摩擦系数与低磨损有关;然而，润滑剂稳定性和磨损之间没有任何关系;(3)5W40与5W30相比具有更好的润滑剂稳定性;然而，在5W40失败后形成的呋喃甲醚增加了摩擦和磨损;（iv）甘油显示最低的摩擦，其薄膜稳定性优于5W40和5W30等合成油;（v）向甘油中加水会增加摩擦和磨损;此外，它还降低了纯甘油的真膜稳定性。

利益冲突

作者宣布没有关于本文的出版物的利益冲突。

参考文献

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2. ASTM，“用引脚磁盘装置磨损测试的标准测试方法”ASTMG99-05, ASTM International, West Conshohocken, Pa, USA, 2010。视图:谷歌学术
3. 润滑流体极压特性测量的标准试验方法(铁姆肯法)ASTMD2782-02, ASTM International, West Conshohocken, Pa, USA, 2014。视图:谷歌学术
4. O. Bridgeman，“极端压力润滑问题的现状”，SAE技术论文340011年,1934年。视图:出版商的网站|谷歌学术
5. J. Enthoven和H. A. Spikes合著的《关于磨损机制的红外和视觉研究》。摩擦学的事务，卷。39，没有。2，pp。441-447，1996。视图:出版商的网站|谷歌学术
6. ASTM，“用于评估油的磨损承载能力的标准测试方法”ASTMD5182-97, ASTM International, West Conshohocken, Pa, USA, 2014。视图:谷歌学术
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9. Y. Shi, I. Minami, M. Grahn, M. Björling, R. Larsson，“甘油水溶液作为绿色润滑剂的边界和弹流润滑研究”，摩擦学国际，第69卷，第39-45页，2014。视图:出版商的网站|谷歌学术

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