Méthodologie et analyse

- Dec 03, 2019-

Méthodologie et analyse

Un certain nombre de graisses disponibles dans le commerce, choisies pour représenter une large gamme d'applications et de conditions de fonctionnement réelles, et donc constituées de divers systèmes d'huile de base / épaississants, ont été testées. L'étude ne s'est pas limitée aux graisses à faible frottement nominal, mais a couvert intentionnellement des graisses de compositions très différentes et des applications de roulements afin d'identifier des tendances significatives dans le comportement de frottement. Afin d'essayer d'isoler l'influence de l'épaississant et de l'huile, les performances des huiles purgées obtenues à partir de chaque graisse ont également été étudiées. De plus, des mesures d'épaisseur de film ont été effectuées pour faciliter l'interprétation des données de frottement.

2.1. Lubrifiants d'essai

Le tableau 1 répertorie les propriétés de toutes les graisses d'essai utilisées dans l'étude. Les applications de roulements typiques où ces graisses sont utilisées sont également spécifiées. La nomenclature de dénomination de la graisse, indiquée dans la colonne 1, reflète la composition de la graisse; par exemple, «LiMi» indique une graisse épaississante au lithium avec une huile de base minérale. Comme on le voit, ces graisses couvrent un large éventail de propriétés chimiques, physiques et rhéologiques. Les huiles de base vont des huiles minérales aux PAO, aux esters et aux huiles minérales / synthétiques mixtes, tandis que les épaississants comprennent le lithium, le complexe de lithium, la polyurée et le complexe de sulfonate de calcium. Quatre graisses sont à base de 12-hydroxystéarate de lithium, et une est une graisse épaissie au complexe de lithium. Cela est largement représentatif du marché mondial des graisses lubrifiantes, dont 70% sont actuellement à base de savons au lithium [20]. Deux des graisses sélectionnées, LiEs et LiPAO, sont classées comme graisses à «faible friction». En plus des données du tableau 1, de l'huile purgée a également été obtenue à partir de chaque graisse par centrifugation et son comportement au frottement a été testé pour comparaison.

Tableau 1 . Liste des graisses d'essai.

Graisse Pétrole Épaississant Viscosité de l'huile à 40 ° C [cSt] Viscosité de l'huile à 100 ° C [cSt] Application
LiMi Minéral Lithium 74 8.5 Graisse de référence
LiMi2 Minéral Lithium 200 16 Pression extrême de charge élevée
LiEs Ester Lithium 25,1 4.9 Faible frottement
LiPAO PAO Lithium 18 4.5 Faible frottement
LiCPAO PAO Complexe de lithium 191 42 Large plage de températures
PoE Ester Polyurée 70 9.5 Haute température
CaSMi Minéral Complexe de sulfonate de calcium 420 26,5 Haute température robuste
CaSMix Mélange minéral / synthétique Complexe de sulfonate de calcium 80 8.6 Basse température robuste

2.2. Matériel et procédure expérimentale

La friction et l'épaisseur du film ont été mesurées dans des expériences séparées sur des tribomètres à bille sur disque pour caractériser les propriétés des films lubrifiants sur une gamme de vitesses et de températures d'entraînement. La répétabilité des résultats a été confirmée en effectuant au moins deux fois chaque essai de friction et d'épaisseur de film pour chaque graisse et condition d'essai.

La plate-forme MTM (Mini Traction Machine) a été utilisée pour les tests de friction. Cette plate-forme utilise une configuration boule sur disque, illustrée schématiquement sur la figure 1 (a), où les échantillons de billes et de disques sont fabriqués en acier à roulement standard AISI 52100. La bille et le disque sont maintenus dans un boîtier en acier à température contrôlée, et sont entraînés indépendamment de sorte qu'une gamme de vitesses et de rapports de glissement-roulement peut être obtenue. Le banc d'essai a été précédemment utilisé pour mesurer le frottement dans la lubrification à la graisse [9], [6]. Les tests de friction consistaient en 4 étapes de mesure. Dans la première étape, une petite charge de balle a été appliquée sur le disque, à une vitesse constante de 5 mm s -1 , pendant 5 min et dans des conditions de roulement pur. Cette étape préliminaire a été introduite dans le but de pré-cisailler la graisse, de manière équivalente aux protocoles courants utilisés pour examiner l'écoulement des graisses et la viscoélasticité dans un rhéomètre [21], et assurer la même condition initiale pour chaque essai. Les données de frottement ont ensuite été obtenues en 3 étapes consécutives de balayage de vitesse, où la vitesse a été augmentée de 10 mm s -1 à 1000 mm s -1 pour générer des courbes de type Stribeck. Cette procédure a permis de surveiller la répétabilité des étapes au sein du même test et d'analyser l'effet de la dépendance temporelle sur l'évolution du coefficient de frottement après chaque étape. Des tests de friction ont été effectués à 40 ° C, 60 ° C et 80 ° C. Le même profil d'essai a été utilisé pour étudier le comportement des huiles purgées. La répétabilité des résultats de frottement pour toutes les graisses d'essai dans la plage de conditions spécifiée était excellente. Néanmoins, tous les résultats de frottement dans cet article sont tracés en moyenne des deux derniers pas de Stribeck de chaque essai et de sa répétition.

Fig. 1

Fig.1 . Représentation schématique du frottement (a) et de l'épaisseur du film (b) teste la configuration et la cuillère à graisse (c).

Les mesures d'épaisseur de film ont été effectuées à l'aide d'un appareil d'interférométrie optique à film mince [18], [22] illustré schématiquement sur la figure 1 (b). Cela utilise également une géométrie boule sur disque, mais dans ce cas, la surface supérieure du disque est en verre pour permettre des mesures d'interférométrie optique. La procédure de test d'épaisseur du film comprenait 3 étapes, la première étape étant équivalente à celle des tests de friction et son rôle étant d'assurer des conditions cohérentes dans chaque test. Les mesures d'épaisseur de film ont été prises au cours des étapes de Stribeck suivantes, où la vitesse a d'abord été augmentée de 5 mm s -1 à 1000 mm s -1 puis a ensuite diminué à 5 mm s -1 . Comme c'était le cas pour les mesures de frottement, les résultats d'épaisseur de film dans ce papier sont tracés comme une moyenne des étapes de diminution de vitesse de chaque essai et de sa répétition.

Les tests d'épaisseur de film ont été effectués à 40 ° C uniquement.

Le profil d'essai et les conditions pour les mesures de frottement et d'épaisseur de film sont résumés dans le tableau 2. Avant de commencer chaque essai, tous les échantillons ont été nettoyés dans du toluène et de l'isopropanol dans un bain à ultrasons, puis séchés à l'air avant l'assemblage.

Tableau 2 . Conditions d'essai de friction et d'épaisseur de film.

Tester Friction Épaisseur du film
Spécimens d'essai Disque en acier 52100; Disque en verre recouvert de chrome avec une couche d'espacement;
Boule en acier AISI 52100 de 19,05 mm de diamètre Boule en acier AISI 52100 de 19,05 mm de diamètre
Rugosité composite Rq [nm] 18,5 <>
Pression hertzienne maximale [GPa] 0,96 0,52
Températures [° C] 40, 60 et 80 40
Rapport glissière / roulis [%] dix 0
Plage de vitesse d'entraînement [mm s -1 ] 10–1000 5–1000

Afin de maintenir une alimentation continue de lubrifiant au contact, une petite cuillère a été positionnée devant l'entrée pour canaliser la graisse vers la piste dans les tests de friction et d'épaisseur de film comme illustré sur la figure 1 (c). Cela garantissait que la zone de contact était entièrement inondée de lubrifiant sur toute la plage de vitesse. Dans les tests de friction des huiles purgées, cela n'était pas nécessaire, car dans ce cas, les conditions de pleine inondation étaient simplement obtenues en remplissant le pot où le disque est fixé, jusqu'à sa surface de contact.

Les mesures d'épaisseur de film et de frottement ont été effectuées sur des instruments séparés avec différents rapports de glissement-rouleau, matériaux et charges. Il a été démontré que la présence d'un glissement modéré a une influence négligeable sur l'épaisseur du film de graisse dans les contacts EHL dans des conditions totalement inondées. Par conséquent, seules les influences des différentes charges et propriétés élastiques des matériaux doivent être prises en compte. Compte tenu de la théorie de l'EHD, celles-ci sont minimes, mais ont néanmoins été prises en compte à l'aide de l'équation d'épaisseur de film Hamrock – Dowson EHL conduisant à la relation suivante: h MTM h E H = ( E E H " E M T M " ) 0 . 073 * ( W E H W M T M ) 0 . 067 = ~ 0 . 92

h est l'épaisseur centrale du film, E ׳ le module de Young réduit, W la charge et les suffixes MTM et EHD font respectivement référence aux tests de friction et d'épaisseur du film. Ce facteur a été utilisé pour projeter les mesures d'épaisseur de film de la plate-forme EHD sur la plate-forme MTM, permettant de créer des tracés simples reliant l'épaisseur du film et les tendances de frottement dans les contacts lubrifiés à la graisse.

Enfin, chaque fois que les épaisseurs de film de graisse mesurées sont comparées aux valeurs d'huile de base correspondantes dans cette étude, cette dernière a également été estimée en utilisant la formule d'épaisseur de film de Hamrock-Dowson . Dans ces calculs, les viscosités cinématiques des huiles de base étaient celles fournies par les fournisseurs et indiquées dans , tandis que la densité était supposée être de 850 kg m -3 pour toutes les huiles de base car aucun chiffre exact n'était disponible. Les coefficients pression-viscosité ont été calculés en utilisant une procédure décrite par Khonsari et Booser.

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