混合轴承在恶劣条件下的优势

混合轴承在润滑不良和污染条件下表现出良好的性能，但仍然缺乏对贡献机制及其对性能影响的了解。通过专门的实验和建模，对混合轴承的摩擦学有了更深入的了解。

混合轴承，即带有钢圈和轴承级氮化硅 (Si3N4) 滚动元件的轴承，越来越多地用于在具有挑战性的环境中运行的应用，例如高速、无油空调和制冷压缩机，一般流体机械、电机和齿轮箱。在其中一些应用中，边界或混合润滑状态和固体颗粒污染都会影响轴承性能。在边界或混合润滑状态的情况下，轴承滚道表面可能变得容易受到早期表面磨损和表面引发的疲劳裂纹的影响，这取决于操作条件，以及作用在接触面上的边界摩擦系数和磨损行为表面。

滚道表面的失效风险会随着疲劳损伤的累积而增加。在污染环境的情况下，滚动接触中夹带的固体颗粒会产生边缘凸起的凹痕，这些凹痕可能会穿透润滑膜，即使轴承在良好的全膜条件下运行也是如此。这些较大但局部的表面凹痕会导致早期表面疲劳。

一、润滑不良时的表面性能

实验证据表明，在边界或混合润滑下使用混合轴承可以获得显着的性能优势，包括增强的表面磨损性能。通过滚动轴承疲劳实验和组合表面应力和磨损模型，详细检查了润滑不良时混合滚动接触的性能 。研究还发现，混合触点表面抗疲劳性的大幅提高不能仅用全钢和混合触点之间存在的某些粗糙度参数的正常差异来解释。有必要考虑到混合接触的有效边界摩擦系数与全钢接触相比有相当大的降低（两倍）

测试是在表 1 所列测试条件下的垂直摩擦试验台（图 1）上进行的，使用带有钢滚子（具有比垫圈更高的循环和更快的表面磨损发展）和钢或 Si3N4 垫圈的圆柱滚子推力轴承来代表全钢或混合触点配置。为了避免在测试过程中使用过于粗糙的陶瓷平垫圈造成磨损，使用了抛光表面。

这是可以接受的，因为混合轴承中陶瓷滚动元件的典型表面粗糙度非常低。在数值模拟中考虑了钢垫圈和陶瓷垫圈之间的表面粗糙度差异。对钢触点进行了四次测试，对混合触点进行了四次测试，共进行了六个小时（中间在两小时和四小时停止）。对被测滚筒进行光学轮廓仪 (WYKO) 测量，并应用内部开发的软件来量化表面磨损区域。由于在 6 小时的测试时间内，混合接触中的钢辊没有明显的表面损坏，因此还进行了 97 小时的更长时间测试（在 37 和 60 小时中间停止）。

混合接触和全钢接触的表面应力区域的测量值与数值模拟之间相关性的主要结果 -提到的条件示于图。

对于全钢触头，可以很容易地及时观察到表面磨损逐渐累积，而混合接触面几乎没有表面磨损。还可以看到，具有混合触点典型磨损率的组合表面磨损/磨损模型的结果（蓝色曲线）与实验数据的一致性略好于假设没有磨损的模型的结果（黑色曲线）。

混合接触和全钢接触的数值模拟与微点蚀区域测量值之间的相关性表明，全钢接触与混合接触的摩擦系数之间的平均比率约为 2，这部分解释了更好的情况后者的表面遇险性能。这个平均比率也是在以前的实验中获得的。除了较低的边界润滑摩擦外，与所有混合触点相比，混合触点表面磨损性能更好的其他原因是 Si3N4 反面体的粗糙度和负粗糙度偏斜度（即深谷高于高峰） -钢的。

二、受污染环境中的表面自愈特性

尽管对全钢轴承进行了大量工作，但研究与凹痕相关的损伤进展和表面疲劳机制的主要复杂因素是凹痕的随机性。控制凹痕的数量、几何形状和位置具有挑战性。这就是为什么许多研究引入了人造凹痕。这些凹痕是通过洛氏球压头在轴承滚道上产生的，已用于研究全钢轴承在滚动/滑动条件下的疲劳寿命降低和损坏过程。观察到相对于轧制方向的压痕后缘出现剥落。更多的滑动或高表面摩擦力会促进更快的表面裂纹萌生。裂纹是由后缘近表面处产生的最大正交剪切应力驱动的 。这些应力的大小取决于凹痕的几何形状、润滑质量、标称接触压力和滚动/滑动大小。

此外，还模拟了凹痕前缘的润滑膜塌陷以及磨损和其他表面损坏。关于混合轴承在受污染环境中性能的研究成果很少。开创性工作在严重污染的油润滑条件下显示出出色的耐磨性能。

提出了一种与 Si3N4 的较高杨氏模量和硬度相关的“自我修复”机制。它使钢对应件上的凹痕产生凸起边缘的塑性变形，从而抑制表面磨损、剥落和破坏性磨损。标称接触压力和滚动/滑动幅度。此外，还模拟了凹痕前缘的润滑膜塌陷以及磨损和其他表面损坏。关于混合轴承在受污染环境中性能的研究成果很少。开创性工作在严重污染的油润滑条件下显示出出色的耐磨性能。

在运行的早期阶段，混合轴承形成了更大更平的凹痕边缘。从一开始就在前缘观察到轻微磨损消除了精加工痕迹并保持非常光滑的表面。Si3N4 球表面也保持良好状态并保持其初始粗糙度。用弹塑性有限元模拟解释了材料被推入凹痕的早期安定（塑性稳定），显示了更高的应力，因此混合接触的局部变形更高。随着运行时间的延长，在后缘也观察到轻微磨损。这种快速的轻度磨损会重新调整凹痕边缘并改变其斜率（图 4a），随着运行时间的推移会稳定下来，并且凹痕形状不再发生变化。

尽管混合轴承开始时的局部压力较高，但凹痕形状的重新调整将局部压力降低到与该测试条件下的全钢轴承（图 5b）相似的水平。

除了这种局部压力降低外，表面损坏模型还表明凹痕边缘的压力梯度降低。更重要的是，特别是对于局部凹痕边缘薄润滑膜条件，表面应力模型表明较低的表面牵引应力和较低的疲劳累积或裂纹萌生风险（图 6b）。这是由于混合接触中较低的边界摩擦系数 。

全钢和混合轴承的凹痕寿命是在相同载荷条件下确定的（图 3）。

在较高的最大接触压力和较薄的油膜条件下运行的混合轴承仍然比在较低的全油膜最大接触压力下运行的全钢轴承具有更好的凹痕寿命（图 7）。

这些发现可能被视为违反直觉，但它们说明了混合轴承在润滑不良、表面粗糙和摩擦应力（无论是凹陷还是一般润滑不良）时的优势。所提出的机制将补偿在纯滚动条件下报道的颗粒截留和过度滚动过程中混合接触中最终产生的更深凹痕 。这些优势极大地平衡了混合触点在特定负载条件范围内所承受的较高接触压力。然而，对于在非常高的接触压力下应用的极少数情况，这种正平衡可能会受到危害或减少。

三、概括

由于轴承级氮化硅减少了边界摩擦和有利的粗糙度形貌，混合轴承比全钢轴承更不容易出现表面损坏。

在混合轴承中，只有钢制部件会出现轻微磨损，而陶瓷部件几乎保持不变。

在污染条件下，混合轴承凹痕边缘的轻微磨损、塑性变形和光滑表面的保持有助于降低局部应力。

薄膜塌陷处的凹痕周围具有良好的抗表面应力和边界润滑条件相关损坏的能力，可延长混合轴承的凹痕寿命。