于少華,郭小川,石俊峰,吳寶杰
(1. 軍委后勤部保障部駐天津石化代表室,天津300271; 2. 后勤工程學(xué)院,重慶401311; 3. 中石化潤滑油天津分公司,天津301500)
重載車輛潤滑脂流變及潤滑特性對(duì)比分析
于少華1,郭小川2,石俊峰3,吳寶杰3
(1. 軍委后勤部保障部駐天津石化代表室,天津300271; 2. 后勤工程學(xué)院,重慶401311; 3. 中石化潤滑油天津分公司,天津301500)
考察了四種重載車輛潤滑脂的流變學(xué)性能和摩擦學(xué)性能,分析了基礎(chǔ)油的種類和粘度、稠化劑的種類和含量以及增粘劑等參數(shù)在不同溫度下對(duì)潤滑脂流變學(xué)性能的影響;使用流變儀的“三板球”測試組件對(duì)四種潤滑脂摩擦學(xué)性能進(jìn)行測試,考察不同壓力和速度下潤滑脂摩擦系數(shù)的變化情況。結(jié)果表明:在流變學(xué)測試中,LX-4 和 LX-2潤滑脂表現(xiàn)出了較好的高溫性能,說明這兩種潤滑脂在高溫密封性能和高溫粘附性上表現(xiàn)優(yōu)異,其中LX-4在高低溫范圍都顯示出優(yōu)良的潤滑性能。在摩擦學(xué)測試中,LX-2潤滑脂表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù),特別是在50 N高壓區(qū),LX-2表現(xiàn)出更容易進(jìn)入薄膜潤滑區(qū),潤滑膜形成更加容易,摩擦系數(shù)下降較快。
地面裝備;輪轂;圓錐滾子軸承;潤滑脂;流變學(xué);摩擦學(xué)
車輛是潤滑脂的重要應(yīng)用裝備,據(jù)統(tǒng)計(jì)有超過三分之一的潤滑脂是應(yīng)用到車輛裝備上。而車輛各用脂部位中又以輪轂軸承綜合性能要求最為嚴(yán)苛,使用量也最大。世界各國都特別重視車輛裝備潤滑脂的應(yīng)用。上個(gè)世紀(jì)80年代,我國某標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定,環(huán)境溫度高于-30 ℃以上地區(qū)使用汽車通用鋰基潤滑脂,環(huán)境溫度低于-30 ℃地區(qū)使用寒區(qū)多效潤滑脂,完成了用車輛通用鋰基潤滑脂替代鈣基潤滑脂的過程。隨著地面車輛更新?lián)Q代,對(duì)潤滑脂的質(zhì)量也提出了更高的性能需求[1]。新一代復(fù)合型潤滑脂LX-2逐漸替代鋰基脂,成功用于車輛輪轂和底盤各個(gè)潤滑部位,解決車輛行駛過程中出現(xiàn)的甩油、流失、軸承卡死問題。合成油型復(fù)合皂基潤滑脂LX-3和LX-4,由于低溫性能突出,成功應(yīng)用于三北地區(qū)地面車輛上,及時(shí)解決了潤滑脂南北方通用的問題。
車輛裝備的各潤滑部位中,尤其以輪轂部位的潤滑要求最為苛刻。既要求潤滑脂有良好的低溫啟動(dòng)性、高溫抗氧化性能,同時(shí)具備抗水性、耐銹蝕性和良好的承載能力[2]。本文選擇了車輛裝備現(xiàn)用的四個(gè)主要潤滑脂產(chǎn)品,通過對(duì)潤滑脂樣品的流變學(xué)、摩擦學(xué)的測試,來全面了解潤滑脂的流變學(xué)性能在實(shí)際工況中的變化特點(diǎn),同時(shí)結(jié)合潤滑脂的摩擦行為的測試,來研究潤滑脂在使用過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化和潤滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過程[3]。通過對(duì)潤滑脂流變學(xué)和摩擦學(xué)性能的研究,來解決潤滑脂在高溫、重載條件下流失、甩脂以及低溫環(huán)境下啟動(dòng)困難等問題,同時(shí)為我軍地面裝備正確地選擇和合理使用潤滑脂提供理論支持。
重載車輛輪轂軸承多數(shù)使用圓錐滾子軸承,軸承的內(nèi)圈有兩個(gè)作用不同的大小擋邊。其中,小擋邊主要作用是在保持架配合下將滾子和內(nèi)圈組成一個(gè)整體,大擋邊主要作用是承受滾子的軸向分力[4]。因此圓錐滾子軸承在工作時(shí),存在多種潤滑形式包括彈性流體動(dòng)力潤滑、混合潤滑脂和邊界潤滑。通過研究潤滑脂的摩擦學(xué)性能,能夠充分認(rèn)識(shí)潤滑脂在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的潤滑形態(tài),有助于了解軸承由于摩擦而引起的能量轉(zhuǎn)換和材料的損耗,從而有效的預(yù)防和控制摩擦和磨損。
本實(shí)驗(yàn)選取了4個(gè)潤滑脂樣品,這四個(gè)潤滑脂樣品均是應(yīng)用于重載車輛裝備的輪轂和底盤潤滑部位。其中Li-1和LX-2是采用礦物油制備的皂基潤滑脂,作為Li-1的升級(jí)產(chǎn)品,LX-2具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能、極壓性能和抗水性能,目前 LX-2主要應(yīng)用于重載車輛和重型設(shè)備等部位的潤滑;LX-3和LX-4是采用半合成油或合成油制備的皂基潤滑脂,且都有優(yōu)異的低溫性能,作為LX-3的升級(jí)產(chǎn)品,LX-4具有良好的低溫性能、抗水性能和耐銹蝕性能(表1)。
表1 潤滑脂樣品的性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of grease samples
1.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>
作為非牛頓流體的潤滑脂,既具有彈性(存儲(chǔ)能量)又具有粘性(消耗能量)。而流變學(xué)中兩個(gè)重要參數(shù)為G′和G′′,G′為儲(chǔ)能模量,又稱彈性模量,該參數(shù)和潤滑脂的保持能力和密封性相關(guān),較高的儲(chǔ)能模量表示潤滑脂內(nèi)部的能量積蓄的多,保持自己形態(tài)的能力強(qiáng),不容易流失;G′′為損耗模量,又稱粘性模量,指形變時(shí)以熱的形式消耗的能量,和潤滑脂的流動(dòng)性相對(duì)應(yīng)[5,6]。
采用動(dòng)態(tài)流變學(xué)試驗(yàn)?zāi)J?,?duì)樣品施加一定范圍內(nèi)的正弦振動(dòng)作用,保持恒定的角速度,通過對(duì)振蕩幅度的掃描,來測定潤滑脂的線性粘彈區(qū)(LVE)和流動(dòng)點(diǎn)(G′和G′′的交點(diǎn)),從而得到線性粘彈區(qū)的剪應(yīng)力y和應(yīng)變幅度y以及流動(dòng)點(diǎn)的剪應(yīng)力f和應(yīng)變幅度f,以此來分析潤滑脂的流變性能與實(shí)際使用中的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]。
1.2.2 試驗(yàn)儀器
Anton Paar公司MCR302旋轉(zhuǎn)流變儀。機(jī)構(gòu)原理見圖1所示,振蕩模式最小扭矩0.01 μN(yùn)m;旋轉(zhuǎn)模式最小扭矩0.05 μN(yùn)m;最大扭矩200 mNm;扭矩精度0.1 nN·m;轉(zhuǎn)速范圍10-7~3 000 r/min;角速度范圍10-7~628 rad/s;錐板/平板直徑25 mm;間隙1.000 mm。應(yīng)變幅度0.1μrad ~∞;法向應(yīng)力范圍±0.01~±50 N;溫度范圍可控在-40~200 ℃。
圖1 流變儀測量原理Fig.1 Measurement principle of rheometer
1.2.3 試驗(yàn)方法
輪轂軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度范圍 60~90℃,但當(dāng)軸承出現(xiàn)潤滑不良或異常磨損時(shí),軸承的溫度會(huì)升高,有時(shí)會(huì)達(dá)到120 ℃甚至更高。在低于-30 ℃下,礦物油潤滑脂流動(dòng)性能差造成剪切阻力過大,影響測試馬達(dá)的正常工作,在高溫下由于分油過大,潤滑脂在流變儀平板間的壁滑移現(xiàn)象明顯,測試溫度過低或是過高,測得數(shù)據(jù)不具有科學(xué)合理性??紤]到數(shù)據(jù)的合理性和使用工況的溫度,本測試在-30~120 ℃的范圍內(nèi)選擇幾個(gè)典型的溫度作為測試條件。
潤滑脂流變學(xué)的測試采用德國標(biāo)準(zhǔn)DIN51810-2[8]。在恒定溫度下,使用平板測量系統(tǒng)(PP25)通過振動(dòng)法檢驗(yàn)潤滑油脂,測試潤滑脂的粘彈性,進(jìn)而得到潤滑脂的存儲(chǔ)模量G′和損耗模量G′′的曲線。具體試驗(yàn)條件如下:
溫度:-30 ℃,80 ℃,120 ℃應(yīng)變范圍:γ =0.01%~100%
1.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>
根據(jù)潤滑膜形成原理和特征,潤滑狀態(tài)分為六種形式或狀態(tài):流體動(dòng)壓潤滑、流體靜壓潤滑、彈性流體動(dòng)壓潤滑、薄膜潤滑、邊界潤滑和干摩擦[9]。典型的Streibeck曲線可以清晰的描述摩擦副的各種潤滑狀態(tài)及其轉(zhuǎn)化過程,適用于描繪所有潤滑表面摩擦的一般特征。本實(shí)驗(yàn)的目的是借助流變儀的摩擦組件對(duì)四種潤滑脂的Streibeck曲線進(jìn)行測試,通過分析潤滑脂摩擦狀態(tài)特性和轉(zhuǎn)換的形式,來推斷不同潤滑脂的潤滑特征。
1.3.2 試驗(yàn)儀器
Anton Paar公司MCR301旋轉(zhuǎn)流變儀、“三板球”測試組件。在流變儀上使用“三板球”組件(見圖2),三個(gè)矩形鋼片與水平呈45°角均勻固定在圓形組件中,在三個(gè)鋼片上涂抹潤滑脂,頂部鋼球通過軸來施加法向力。在測試過程中通過掃描轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,得到streibeck曲線,該曲線可以反應(yīng)不同轉(zhuǎn)速下摩擦副之間的潤滑狀態(tài)和摩擦系數(shù)。
1.3.3 試驗(yàn)方法
具體試驗(yàn)條件如下:
正壓力:10 N,50 N;
溫度:25 ℃;
線速度:10-8~ 1.41 m/s;
50 N時(shí)赫茲壓力是0.013 GPa。
圖2 摩擦學(xué)性能測試組件示意圖Fig.2 Schematic diagram of tribological performance test module
應(yīng)變隨震蕩幅度變化趨向可分為線形粘彈區(qū)(LVE)和過渡流動(dòng)區(qū)。在潤滑脂受小幅作用力時(shí),因?yàn)槭艿降募羟辛π∮谇?yīng)力,稠化劑構(gòu)造還未被破壞,此時(shí)為線形粘彈區(qū),彈性模量G′和粘性模量 G′′數(shù)值不變。隨著外部的震蕩應(yīng)變幅度增加,彈性模量降低到一定值時(shí),潤滑脂獲得的能量超過了其自身的屈服力,此時(shí)潤滑脂為不可恢復(fù)的彈性體,變化過程進(jìn)入過渡區(qū),此時(shí)G′和G′′開始不斷變小。振蕩應(yīng)變振幅不斷增大使G′和G′′持續(xù)變小,G′和 G′′相交的點(diǎn)為流動(dòng)點(diǎn),在該點(diǎn)之前,潤滑脂呈固體靜止?fàn)顟B(tài)。經(jīng)過流動(dòng)點(diǎn)后,潤滑脂的流變性由彈性為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變成以粘性為主導(dǎo),潤滑脂開始呈現(xiàn)流動(dòng)的特征[10,11]。
由圖3-5和表2可以看出:-30 ℃時(shí),彈性模量 G′的排序是 LX-2 > Li-1>LX-3 > LX-4;80 ℃時(shí),彈性模量 G′的排序是是 LX-4 >LX-2>LX-3 > Li-1;120 ℃時(shí),彈性模量G′的排序是LX-4 >LX-2 >LX-3> Li-1。
圖3 -30 ℃下潤滑脂樣品彈性模量和粘性模量的變化曲線Fig.3 Curves of elastic modulus and viscous modulus of grease samples at -30 ℃
彈性模量表征了潤滑脂保持自身形態(tài)的能力,也反映了潤滑脂屈服能力,所以潤滑脂的稠化劑濃度、基礎(chǔ)油極性和粘度、增粘劑的添加等因素都會(huì)改變潤滑脂的彈性模量,而溫度又可以改變這些因素的影響能力強(qiáng)弱。
圖4 80 ℃下潤滑脂樣品彈性模量和粘性模量的變化曲線Fig.4 Curves of elastic modulus and viscous modulus of grease at 80 ℃
圖5 120 ℃下潤滑脂樣品彈性模量和粘性模量的變化曲線Fig.5 Curves of elastic modulus and viscous modulus of grease at 120 ℃
表 2 不同溫度下潤滑脂進(jìn)入流變過渡區(qū)的流變學(xué)參數(shù)Table 2 Rheological parameters of grease entering the transition zone at different temperatures
LX-2 > Li-1在低溫情況下具有超高的屈服彈性模量,因?yàn)樗麄兊幕A(chǔ)油是礦物油,該類基礎(chǔ)油在低溫下粘度急劇上升,這樣高的數(shù)值代表了這兩種潤滑脂已經(jīng)接近喪失流動(dòng)性。而其他潤滑脂的彈性模量在該溫度比 LX-2 和 Li-1潤滑脂的低一個(gè)數(shù)量級(jí),流動(dòng)性良好。在80和120 ℃下4種潤滑脂的彈性模量表現(xiàn)出了同樣順序,LX-4和LX-2表現(xiàn)出了較好的高溫性能,說明這兩種潤滑脂在高溫密封性能和高溫粘附性上表現(xiàn)優(yōu)異,其中LX-4潤滑脂在高低溫范圍都顯示出優(yōu)良的潤滑性能。
表3 不同溫度下潤滑脂在流動(dòng)點(diǎn)時(shí)(G′=G′′)的流變學(xué)參數(shù)Table 3 Rheological parameters of lubricating grease in the flow point(G′=G′′)under different temperature
由表3可以看出:幾類潤滑脂的應(yīng)變幅度γ在-30 ℃時(shí)的排序是 LX-4>>LX-3 > LX-2>Li-1;80℃時(shí)的排序是是 LX-2 >LX-3 > Li-1 >LX-4;120 ℃時(shí)的排序是 LX-2 >LX-3 > Li-1 >LX-4。交叉流動(dòng)點(diǎn)的應(yīng)變幅度γ區(qū)分固態(tài)靜止區(qū)和流動(dòng)區(qū),潤滑脂稠化劑含量高,基礎(chǔ)油粘度大、極性大均會(huì)使γ的數(shù)值增大,而γ的數(shù)值大則說明潤滑脂受力變?yōu)榱鲃?dòng)形態(tài)時(shí)需要的外力作用的時(shí)間和距離長。本實(shí)驗(yàn)在該流變模式下測試的四種潤滑脂基本符合此規(guī)律。升高溫度,基礎(chǔ)油粘度境地,溶解性增強(qiáng),稠化劑膠團(tuán)進(jìn)一步膨化,但熱的能量會(huì)降低稠化劑纖維網(wǎng)絡(luò)對(duì)基礎(chǔ)油的束縛力。LX-4在低溫下表現(xiàn)出較好的流動(dòng)性能,而在高溫下LX-2具有上佳表現(xiàn)。在80和120 ℃下LX-4的應(yīng)變幅度最小,這可能和該類潤滑脂中加入了高聚物有關(guān),提高溫度會(huì)使基礎(chǔ)油粘度的影響減弱、稠化劑膠團(tuán)的影響增強(qiáng),但此這時(shí)高分子聚合物分子和潤滑脂稠化劑纖維聯(lián)合,消弱了稠化劑的纏擾作用,從而抑制了稠化劑和基礎(chǔ)油形成的膠團(tuán)的趨勢,γ的數(shù)值變小。
圖6-7和表4可以看出:在速度為100 mm/s低速區(qū)間內(nèi),兩個(gè)摩擦副實(shí)際上是一個(gè)接近相對(duì)靜止的狀態(tài),也就是通常定義的靜摩擦區(qū)和邊界摩擦區(qū),這時(shí)實(shí)驗(yàn)測試到的摩擦系數(shù)出現(xiàn)一個(gè)從低到高的一個(gè)趨勢,壓力為5 N時(shí)基本表現(xiàn)為一個(gè)穩(wěn)定值,壓力大時(shí)摩擦系數(shù)較小。
圖6 在2 5 ℃,10 N壓力下潤滑脂的Streibeck曲線Fig.6 Streibeck curve of grease at 25 ℃,10 N pressure
圖7 在25 ℃,50 N壓力下潤滑脂的Streibeck曲線Fig.7 Streibeck curve of grease at 25 ℃,50 N pressure
表4 不同壓力和速度下潤滑脂的摩擦系數(shù)Table 4 Friction coefficient of grease at different pressure and speed
這里測試的摩擦系數(shù)是一個(gè)靜態(tài)摩擦系數(shù),這時(shí)當(dāng)涂有潤滑脂的兩個(gè)摩擦副開始準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)期間,其摩擦系數(shù)受控于潤滑脂的屈服應(yīng)力和摩擦副表面的接觸微峰的多少,但是對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確。在 100到102mm/s速度區(qū)間,被認(rèn)為是一個(gè)混合潤滑區(qū),包括邊界潤滑和薄膜潤滑區(qū),這時(shí)無論在哪個(gè)壓力范圍內(nèi),摩擦系數(shù)都是出現(xiàn)了從高到低的變化趨勢,這也是經(jīng)典的Streibeck摩擦特性,但是不同的潤滑脂表現(xiàn)出了不同的特性。在不同的壓力測試區(qū)內(nèi),潤滑脂LX-2表現(xiàn)出更容易進(jìn)入薄膜潤滑區(qū),潤滑膜形成更加容易,摩擦系數(shù)下降較快,特別是在50 N高壓區(qū)尤為明顯,對(duì)此的解釋是該潤滑脂的流動(dòng)性和粘附性最好,基礎(chǔ)油粘度最高,在壓力相對(duì)較高的混合區(qū)內(nèi)容易形成穩(wěn)定連續(xù)的潤滑油膜;在50 N高壓區(qū)LX-3和LX-4摩擦系數(shù)較高,這也許和他們的基礎(chǔ)油粘度較小,形成的潤滑油膜薄有一定關(guān)系;50 N測試條件下,在這個(gè)區(qū)間Li-1潤滑脂摩擦系數(shù)跳躍性較大,混合區(qū)內(nèi)摩擦系數(shù)較高,進(jìn)入薄膜區(qū)間時(shí)突然變小,這可能是和這種潤滑脂的稠化劑含量低有一定關(guān)系,這種潤滑油膜的形成更加依賴于運(yùn)動(dòng)速度的提高。在102到103mm/s速度區(qū)間,可以認(rèn)為是經(jīng)典的彈流潤滑區(qū)間,壓力和速度的增加相應(yīng)的提高了潤滑油膜厚度,摩擦系數(shù)大幅降低。50 N的測試結(jié)果明顯比10 N測試結(jié)果摩擦系數(shù)降低了很多,在10 N測試數(shù)據(jù)內(nèi)Li-1潤滑脂出現(xiàn)了摩擦系數(shù)增加的拐點(diǎn),因?yàn)樗袦y試潤滑脂中Li-1特性更加接近潤滑油的狀態(tài),所以它也更加容易進(jìn)入流體潤滑區(qū)。同時(shí)我們可以看到 LX-2潤滑脂在Streibeck曲線的谷底較為寬闊,摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定和平滑,這也說明該潤滑脂自身保持油膜完整性的能力較強(qiáng),在實(shí)際使用中潤滑性和適應(yīng)性較好。
車輛裝備運(yùn)行條件艱苦和苛刻,對(duì)潤滑脂的密封性能、高低溫性和潤滑性要求較高,通過對(duì)潤滑脂本身的宏觀流變行為和在摩擦副表面的微觀變化的研究,我們可以從理論上得到指導(dǎo)合理使用各類不同潤滑脂的證據(jù)。潤滑脂一般在軸承中分為兩個(gè)區(qū)域,靜態(tài)區(qū)和動(dòng)態(tài)區(qū),靜態(tài)區(qū)的潤滑脂主要負(fù)責(zé)密封的作用,防止外部的雜質(zhì)進(jìn)入和內(nèi)部的潤滑油流失;動(dòng)態(tài)區(qū)的潤滑脂主要負(fù)責(zé)對(duì)軸承的各個(gè)部位提供潤滑。在運(yùn)行環(huán)境下,靜態(tài)區(qū)潤滑脂的彈性模量越高,靜摩擦系數(shù)越大,對(duì)于軸承的密封性能越突出;在動(dòng)態(tài)區(qū)的潤滑脂流動(dòng)應(yīng)變幅度越大、進(jìn)入彈流潤滑脂狀態(tài)越快,軸承內(nèi)摩擦副之間形成的潤滑油膜厚度越大,提供形成油膜的流動(dòng)越充足。從測試的數(shù)據(jù)看到LX-2和LX-4潤滑脂在密封性和潤滑性上具有卓越的性能,這些理論的數(shù)據(jù)也支撐了在潤滑脂指標(biāo)和配方中的調(diào)整和優(yōu)化方向,這也代表了我軍潤滑脂的技術(shù)研究方向。
(1)本研究發(fā)現(xiàn),潤滑脂進(jìn)入流動(dòng)區(qū)的彈性模量和Streibeck測試曲線中靜態(tài)摩擦系數(shù)與潤滑脂在軸承中的密封性能直接相關(guān)。
(2)在流變測試中,開始流動(dòng)時(shí)交叉應(yīng)變點(diǎn)大的潤滑脂較容易進(jìn)入彈流潤滑區(qū),摩擦性能優(yōu)良。
(3)綜合性能評(píng)價(jià),LX-2和LX-4潤滑脂在密封和潤滑性及其高低溫性能上表現(xiàn)優(yōu)異。
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Comparative Analysis of Rheological and Lubrication Characteristics of Heavy Truck Grease
YU Shao-hua1,GUO Xiao-chuan2,SHI Jun-feng3,WU Bao-jie3
(1. Tianjin Petrochemical Representative Office, Ministry of Logistics, Ministry of Military Affairs,Tianjin 301500, China;2. Logistic Engineering University of PLA,Chongqing 401311, China;3. Sinopec Lubricating Oil Company Tianjin Branch,Tianjin 301500, China)
The rheological and tribological properties of four kinds of heavy vehicle grease were studied, the influence of types and viscosity of base oil, types and contents of thickening agent and tackifier on the rheological properties of grease at different temperatures was analyzed; the tribological performance of four kinds of lubricating grease was determined by the rheometer, the change of friction coefficient of grease under different pressure and speed was investigated. The results showed that: in the rheological test, LX-4 and LX-2 grease showed excellent high temperature performance, which indicates that these two kinds of grease has the excellent performance including high temperature sealing performance and high temperature adhesion; LX-4 showed excellent lubricating properties under high and low temperature. In the tribological test, LX-2 grease exhibited a low friction coefficient, especially in the 50N high-pressure area, LX-2 entered more easily into the thin film lubrication area, lubricating film was formed more easily, the friction coefficient decreased rapidly.
Groundequipment; Hub; Tapered roller bearing; Lubricating grease; Rheology; Tribology
TE 626
文章編號(hào): 1671-0460(2017)11-2226-05
2017-09-15
于少華(1978-),男,山東省高密市人,工程師,2000年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程專業(yè),研究方向:軍用油料應(yīng)用。E-mail:jundaishi@126.com。