馬永宏 董瑩 孟葵花 吳長彧

中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心

隨著環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)苛,對汽車發(fā)動機(jī)的要求也不斷提高,發(fā)動機(jī)體積進(jìn)一步減小以至零部件更加緊湊,發(fā)動機(jī)承受的載荷要求不斷增加,加劇磨損。而節(jié)能又要求發(fā)動機(jī)更多地使用低黏度潤滑油產(chǎn)品,更低的黏度導(dǎo)致了油膜厚度的不斷減小,磨損加劇。以上因素導(dǎo)致發(fā)動機(jī)對潤滑油提出越來越高的抗磨性能要求,因此,只有不斷改善發(fā)動機(jī)油的抗摩擦磨損性能,才能滿足發(fā)動機(jī)新的使用要求。

縱觀發(fā)動機(jī)油的各種抗摩擦磨損性能評定臺架,其關(guān)注焦點都集中在凸輪、缸套和活塞環(huán)等部位的磨損情況。凸輪的潤滑屬于邊界潤滑,而缸套、活塞環(huán)的潤滑主要包括邊界潤滑和混合潤滑。對潤滑油的邊界潤滑和混合潤滑區(qū)摩擦性能的考察,能夠反映其抗摩擦磨損性能的優(yōu)劣。

潤滑視條件不同分為流體潤滑(HL)、彈流潤滑(EHL)、混合潤滑(ML)和邊界潤滑(BL)等4種形態(tài)。4種潤滑形態(tài)的轉(zhuǎn)變可以用Stribeck潤滑曲線來描述［1,2］,如圖1所示。

作為一種簡單有效的判斷潤滑狀態(tài)與性能的方法,Stribeck潤滑曲線對潤滑油的抗摩擦磨損性能考察具有一定的指導(dǎo)意義。

MTM摩擦磨損試驗機(jī)為英國PCS Instruments公司生產(chǎn)的微型牽引力試驗機(jī)(Mini Traction Machine,簡稱MTM),其摩擦副為鋼球與鋼盤,摩擦副浸在潤滑油中,試球和試盤各由直流電機(jī)獨立驅(qū)動,既有滑動,又有滾動,并且可以調(diào)節(jié)滑動滾動比值(SRR),由此得到不同速率下的牽引力系數(shù),MTM可精確測量彈性流體潤滑、混合潤滑和邊界潤滑條件下的摩擦性得到其牽引力系數(shù),其牽引力系數(shù)可以近似認(rèn)為就是摩擦系數(shù),所以利用該設(shè)備可以簡單方便的得到Stribeck潤滑曲線,特別是油品在彈性流體潤滑區(qū)、混合潤滑區(qū)和邊界潤滑區(qū)的摩擦曲線。對研究發(fā)動機(jī)油的摩擦磨損性能具有重要的指導(dǎo)意義。

本文利用MTM試驗機(jī)對含石墨烯的發(fā)動機(jī)油產(chǎn)品及市售產(chǎn)品的抗摩擦磨損性能進(jìn)行了對比考察。

試驗部分

試驗油品

收集到如下試驗油品:

◇通過API(美國石油學(xué)會)和ACEA(歐洲汽車制造協(xié)會)認(rèn)證的SN 0W-40級別汽油機(jī)油A1和B1與添加了一定劑量石墨烯抗磨劑(A公司提供,溶解性好,有良好的均勻分散性)的SN 0W-40級別汽油機(jī)油C1;

◇通過API和ACEA認(rèn)證的SN 5W-40級別汽油機(jī)油A2和B2,與添加了一定劑量石墨烯抗磨添加劑的SN 5W-40級別汽油機(jī)油C2;

◇通過API和ACEA認(rèn)證的SL 15W-40級別汽油機(jī)油A3和B3與添加了一定劑量石墨烯抗磨添加劑SL 15W-40級別汽油機(jī)油C3。

試驗材料

本次試驗采用標(biāo)準(zhǔn)摩擦副,包括:3/4 inch(約1.9 cm)鋼球,46 mm拋光光盤(0.01 mRa)。

結(jié)果及討論

試驗條件的篩選

MTM試驗機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載量程為0～75 N,試驗速率范圍為0～5 mm/s滑滾比(SRR)為0～100%,測量溫度范圍為室溫～150 ℃。本次試驗所采用的試驗條件見表1。

采用表1中的試驗條件,選擇不同品牌和黏度級別的油品A1、B1、A2、B2,油品之間差異較明顯,考察其各自的摩擦性能,得到Stribeck曲線,結(jié)果見圖2。

圖1 Stribeck潤滑曲線

表1 備選試驗條件

由圖2可見:

◇在50 ℃試驗條件下(試驗條件I和II),隨著速率降低,4個樣品的牽引力系數(shù)均增加。根據(jù)Stribeck理論,摩擦系數(shù)在邊界潤滑區(qū)域趨于穩(wěn)定,但是對于試驗條件I和II,在低速狀態(tài)下牽引力并沒有明顯的趨穩(wěn),沒有體現(xiàn)出明顯的邊界潤滑區(qū)域摩擦特征。

◇在100 ℃試驗條件下(試驗條件III和IV),所有樣品在低速時均能表現(xiàn)出較為明顯的邊界潤滑特征,表明在較高溫度和載荷條件下,更容易實現(xiàn)邊界潤滑,尤其是試驗條件IV可以更為明顯地體現(xiàn)出油品在彈流潤滑區(qū)、混合潤滑區(qū)和邊界潤滑區(qū)的牽引力系數(shù)曲線特征,對于不同樣品在不同摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)區(qū)分性也最為明顯。因此,最終選擇試驗條件IV。

試驗油品摩擦性能的比較

采用試驗條件IV,對同一級別不同樣品進(jìn)行了摩擦性能差異比較,結(jié)果見圖3。

由圖3可見:

圖2 A1、B1、A2、B2樣品在不同試驗條件下的摩擦曲線

圖3 同一級別的不同樣品的摩擦曲線對比

◇對于SN 0W-40級別的3個樣品,在彈流潤滑區(qū),3個樣品表現(xiàn)出接近的牽引力系數(shù)。從混合潤滑到邊界潤滑區(qū),樣品B1的牽引力系數(shù)相對于樣品A1和C1增加較小顯示出更為優(yōu)異的潤滑性能。

◇對于SN 5W-40級別的3個樣品,在彈流潤滑區(qū),樣品B2和C2表現(xiàn)出較為接近的牽引力系數(shù),但是到了混合潤滑區(qū)和邊界潤滑區(qū)樣品B2一直表現(xiàn)出較低的牽引力系數(shù),在同組別樣品里表現(xiàn)出更優(yōu)異的潤滑性能。

◇對于SL 15W-40級別的個樣品,在彈流潤滑區(qū),樣品B3顯示出較低的牽引力系數(shù),樣品A3和C3較為接近,在混合潤滑區(qū)到邊界潤滑區(qū),樣品B3也一直保持著較低的牽引力系數(shù),在同組別樣品里表現(xiàn)出更優(yōu)異的潤滑性能。

結(jié)論

☆在合理的潤滑條件下,MTM試驗機(jī)可以得到油品在彈流潤滑區(qū)、混合潤滑區(qū)和邊界潤滑區(qū)的Stribeck曲線,對不同配方的潤滑油有良好的區(qū)分性。其可以作為潤滑油抗摩擦磨損性能的模擬評定手段之一,對潤滑油抗摩擦磨損性能的研究起到良好的指導(dǎo)作用。

☆與一般市售產(chǎn)品相比,添加了石墨烯抗磨添加劑的發(fā)動機(jī)油產(chǎn)品在邊界潤滑區(qū)和混合潤滑區(qū)沒有明顯降低摩擦系數(shù),并未展示出優(yōu)異的抗摩擦磨損性能。