劉大軍,李陽(yáng),姚立丹,孫婧瑋,尚小龍

(1.中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司,北京 100083;2.北京興普精細(xì)化工技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100083)

在軸承設(shè)計(jì)、制造加工和裝配等技術(shù)取得飛速發(fā)展的背景下,低噪聲潤(rùn)滑脂的問(wèn)題更加凸顯。以往低噪聲潤(rùn)滑脂的研究和開(kāi)發(fā)集中在稠化劑、基礎(chǔ)油、添加劑、制備工藝及雜質(zhì)等因素對(duì)噪聲的影響[1-9],這些研究雖然在組成和制備工藝等方面對(duì)噪聲的影響取得了一定認(rèn)識(shí)和進(jìn)展,但基本是從選擇原料和改變工藝條件等“表”相研究獲得經(jīng)驗(yàn),而對(duì)潤(rùn)滑脂特性和降噪機(jī)理等“本”相研究還不夠深入。文獻(xiàn)[10-13]從潤(rùn)滑脂組成、結(jié)構(gòu)和工藝等方面綜述潤(rùn)滑脂對(duì)噪聲的影響,卻較少關(guān)注潤(rùn)滑脂特性對(duì)軸承噪聲關(guān)聯(lián)研究進(jìn)展的總結(jié)。同時(shí),不同設(shè)備和方法評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂對(duì)軸承噪聲影響時(shí)甚至存在矛盾的結(jié)果,對(duì)低噪聲潤(rùn)滑脂的研發(fā)和評(píng)價(jià)造成困難。因此本文總結(jié)潤(rùn)滑脂特性與軸承噪聲關(guān)聯(lián)的研究進(jìn)展, 以便消除爭(zhēng)論,為研究人員提供新思路,選擇更接近事實(shí)的評(píng)價(jià)方式。

1 軸承噪聲測(cè)試方法

軸承噪聲的測(cè)定原理是基于軸承振動(dòng),軸承振動(dòng)與軸承噪聲有非常好的相關(guān)性。根據(jù)不同的數(shù)學(xué)模型,測(cè)試方法分為速度型(單位μm/s)和加速度型(單位dB)噪聲測(cè)試方法。常用儀器有BVT-1軸承噪聲測(cè)試儀、S0910軸承振動(dòng)測(cè)試儀、BeQuiet Plus軸承噪聲測(cè)試儀、MGG11軸承噪聲測(cè)試儀等。

1.1 BVT-1軸承噪聲測(cè)試儀

BVT-1是速度型軸承噪聲測(cè)試儀,通過(guò)測(cè)試軸承在低頻、中頻和高頻3個(gè)頻段的振動(dòng)速度評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的噪聲性能。采用GB/T 32325—2015《滾動(dòng)軸承 深溝球軸承振動(dòng)(速度)技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn),測(cè)量過(guò)程中通過(guò)揚(yáng)聲器監(jiān)聽(tīng)6204軸承噪聲的變化,測(cè)量值為10套軸承的均值。該方法優(yōu)點(diǎn)為測(cè)試過(guò)程中可以獲得感官感受,缺點(diǎn)為對(duì)噪聲聲響的判斷存在一定主觀性。

1.2 S0910軸承振動(dòng)測(cè)試儀

S0910屬于加速度型軸承振動(dòng)測(cè)試儀,測(cè)得的是振動(dòng)加速度,信號(hào)處理后轉(zhuǎn)變?yōu)樵肼晢挝?。該方法的局限性為間接測(cè)定潤(rùn)滑脂的噪聲,即需先測(cè)出軸承的基礎(chǔ)振動(dòng)值,再測(cè)出注脂后的振動(dòng)值,兩者的差值越大,說(shuō)明潤(rùn)滑脂的降噪性能越好。

1.3 BeQuiet Plus軸承噪聲測(cè)試儀

BeQuiet Plus屬于速度型軸承噪聲測(cè)試儀,采用的軸承型號(hào)為608,測(cè)試結(jié)果分為GN0,GN1,GN2,GN3和GN4這5個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)潤(rùn)滑脂重度污染、污染、嘈雜、潔凈和超潔凈,每個(gè)噪聲等級(jí)由BQ1(振動(dòng)峰值不大于5 μm/s所占的百分比)、BQ2(振動(dòng)峰值為5～10 μm/s所占的百分比)、BQ3(振動(dòng)峰值為10～20 μm/s所占的百分比)、BQ4(振動(dòng)峰值為20～40 μm/s所占的百分比)、BQX(振動(dòng)峰值大于40 μm/s所占的百分比)組成[14-15]。該方法具有實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、客觀準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),可有效劃分潤(rùn)滑脂噪聲等級(jí),但設(shè)備價(jià)格較高。

1.4 MGG11軸承噪聲測(cè)試儀

MGG11屬于速度型軸承噪聲測(cè)試儀,測(cè)試時(shí)需要把待評(píng)定潤(rùn)滑脂裝入選定標(biāo)準(zhǔn)的608 軸承中,根據(jù)軸承在中頻段和高頻段的振動(dòng)特性評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的啟動(dòng)噪聲性能、運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲性能和噪聲衰減能力。運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲性能和噪聲衰減能力用于評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的噪聲等級(jí)(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ);啟動(dòng)噪聲性能共分為 1,2,3,4 級(jí)。以噪聲等級(jí)/啟動(dòng)噪聲性能表示潤(rùn)滑脂的噪聲性能,如Ⅰ/1,Ⅱ/1 等。該方法可直接觀測(cè)到軸承的振動(dòng)波形,并檢測(cè)到軸承產(chǎn)生的異常聲;但其只能測(cè)定軸承的振動(dòng),需判斷噪聲由軸承本身還是由潤(rùn)滑脂造成。

2 潤(rùn)滑脂特性與軸承噪聲關(guān)聯(lián)研究

2.1 稠度與軸承噪聲

文獻(xiàn)[16]選用平均粒徑4 μm的聚四氟乙烯稠化全氟聚醚油制備了4種錐入度的全氟聚醚潤(rùn)滑脂,采用S0910測(cè)定軸承的噪聲性能,研究錐入度對(duì)軸承噪聲的影響,結(jié)果見(jiàn)表1,隨著全氟聚醚潤(rùn)滑脂1/4錐入度的增大(稠度變軟),軸承噪聲下降明顯,表明較軟的全氟聚醚潤(rùn)滑脂更容易在軸承中形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑狀態(tài),保持軸承平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn),起到降噪作用。

表1 錐入度對(duì)全氟聚醚潤(rùn)滑脂噪聲的影響

2.2 機(jī)械剪切與軸承噪聲

文獻(xiàn)[17]研究了機(jī)械剪切對(duì)復(fù)合鋰基礎(chǔ)脂和加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的ZDDP復(fù)合鋰基脂噪聲性能的影響。采用滾筒試驗(yàn)按照4個(gè)時(shí)間段(2,4,8,24 h)對(duì)基礎(chǔ)脂和加劑脂進(jìn)行剪切,其中,基礎(chǔ)脂試驗(yàn)編號(hào)分別為BG,BG-2,BG-4,BG-8和BG-24;加劑脂試驗(yàn)編號(hào)分別為202,202-2,202-4,202-8,202-24。采用BeQuiet Plus測(cè)定潤(rùn)滑脂的噪聲性能,基礎(chǔ)脂和加劑脂在4個(gè)時(shí)間段剪切后的噪聲性能如圖1所示:基礎(chǔ)脂和加劑脂在未剪切時(shí)噪聲性能均較好,噪聲等級(jí)BQ1,BQ2和BQ3占比高;而基礎(chǔ)脂和加劑脂受到剪切后,隨著剪切時(shí)間的延長(zhǎng),噪聲等級(jí)BQ4以上占比增加,基礎(chǔ)脂噪聲等級(jí)BQ1消失,加劑脂噪聲等級(jí)BQ2和BQ3占比不同程度地減小。說(shuō)明剪切后的潤(rùn)滑脂使軸承振動(dòng)峰值出現(xiàn)不同程度的增加,剪切削弱了潤(rùn)滑脂的噪聲性能。

圖1 機(jī)械剪切對(duì)潤(rùn)滑脂噪聲性能的影響

基礎(chǔ)脂和加劑脂噪聲測(cè)試振動(dòng)峰值原始數(shù)據(jù)如圖2所示:剪切前后基礎(chǔ)脂和加劑脂在中頻段振動(dòng)峰值變化并不相同,剪切后基礎(chǔ)脂在中頻段振動(dòng)峰值增加較明顯,而剪切后加劑脂在中頻段振動(dòng)峰值依舊保持相對(duì)穩(wěn)定,表明中頻段剪切后基礎(chǔ)脂比加劑脂的噪聲性能減弱更大;而在高頻段剪切后基礎(chǔ)脂和加劑脂振動(dòng)峰值均發(fā)生較大的改變,說(shuō)明高頻段基礎(chǔ)脂和加劑脂在剪切后噪聲性能都變差,與添加劑無(wú)關(guān)。

(a) 基礎(chǔ)脂中頻段

文獻(xiàn)[18]首先對(duì)初始噪聲等級(jí)為GN4的低噪聲潤(rùn)滑脂進(jìn)行軸承壽命試驗(yàn),再通過(guò)BeQuiet Plus對(duì)軸承試驗(yàn)時(shí)間為50,100,200 h的潤(rùn)滑脂噪聲等級(jí)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表2:潤(rùn)滑脂在試驗(yàn)時(shí)間為50 h時(shí),噪聲等級(jí)變?yōu)镚N1,試驗(yàn)時(shí)間為100 h時(shí)噪聲等級(jí)已變?yōu)镚NX(GN1或GN0),出現(xiàn)嚴(yán)重衰減,潤(rùn)滑脂失去減振降噪性能,說(shuō)明潤(rùn)滑脂噪聲性能具有衰退行為。

表2 潤(rùn)滑脂噪聲衰退測(cè)試結(jié)果

2.3 分油量與軸承噪聲

文獻(xiàn)[19]采用離心分油試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行潤(rùn)滑脂動(dòng)態(tài)分油性能試驗(yàn),使用BVT-1測(cè)試軸承的振動(dòng),離心分油量對(duì)軸承振動(dòng)值的影響見(jiàn)表3:5 min離心分油量與軸承振動(dòng)性能有關(guān),潤(rùn)滑脂分油量越大,軸承中頻段和高頻段振動(dòng)值越低,振動(dòng)值波動(dòng)趨于穩(wěn)定,噪聲減小,尤其對(duì)高頻段振動(dòng)的影響較明顯。分析認(rèn)為處于點(diǎn)接觸的脂潤(rùn)滑屬于貧油潤(rùn)滑,分油量大有利于潤(rùn)滑油從邊界區(qū)向接觸區(qū)流動(dòng),反之,貧油現(xiàn)象加劇,造成潤(rùn)滑油膜不穩(wěn)定,致使軸承的徑向跳動(dòng)加大,振動(dòng)值增加,有噠噠的聲音。

表3 離心分油量對(duì)軸承振動(dòng)值的影響

2.4 熱穩(wěn)定性與軸承噪聲

文獻(xiàn)[17]將添加二丁基二硫代氨基甲酸鉬的復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂(代號(hào)BGA)和有機(jī)鉬化合物的復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂(代號(hào)BGL)在不同溫度和時(shí)長(zhǎng)(120 ℃,24 h;150 ℃,24 h;150 ℃,72 h)下進(jìn)行熱老化處理,采用BeQuiet Plus測(cè)定軸承的噪聲性能,結(jié)果如圖3所示。因?yàn)槎』虼被姿徙f為固體粉末,加到復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂后噪聲等級(jí)為BQ3以上。 在高溫?zé)崂匣?120 ℃, 24 h;150 ℃,24 h)后,含二丁基二硫代氨基甲酸鉬的復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂噪聲等級(jí)變化不大, 說(shuō)明添加劑對(duì)抗氧化能力起到有效作用;但在更苛刻的熱老化(150 ℃,72 h)后,測(cè)定的振動(dòng)速度峰值明顯變大,主要為BQ4以上,潤(rùn)滑脂的噪聲性能很差,說(shuō)明潤(rùn)滑脂在長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,影響了噪聲性能。加入液體狀態(tài)的有機(jī)鉬化合物,復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂保持低噪聲性能,存在BQ1,BQ2等低振動(dòng)峰值。在高溫?zé)崂匣?含有機(jī)鉬化合物的復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂噪聲等級(jí)下降,表現(xiàn)為BQ1消失,BQ2,BQ3總占比減少,說(shuō)明當(dāng)潤(rùn)滑脂受熱分解后噪聲性能下降。

圖3 BGA和BGL脂熱老化前后軸承噪聲性能對(duì)比

2.5 摩擦學(xué)性能與軸承噪聲

文獻(xiàn)[20]考察潤(rùn)滑脂的極壓性能和抗磨性能對(duì)軸承振動(dòng)的影響,試驗(yàn)采用基礎(chǔ)脂及分別加有PTFE,T323,MoS2添加劑的極壓潤(rùn)滑脂進(jìn)行對(duì)比,使用VQ-500激光測(cè)振儀測(cè)試振動(dòng)信號(hào)。3種極壓添加劑均提高了基礎(chǔ)脂的極壓性能和抗磨性能,但對(duì)軸承振動(dòng)的影響卻各不相同。加入PTFE的潤(rùn)滑脂減振效果優(yōu)于基礎(chǔ)脂,振動(dòng)測(cè)試沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的頻率峰值,而加入T323和MoS2的潤(rùn)滑脂減振效果反而比基礎(chǔ)脂差,均出現(xiàn)100 Hz的頻率峰值。極壓添加劑的減振效果明顯不同,說(shuō)明極壓性能和抗磨性能對(duì)軸承振動(dòng)沒(méi)有明顯的影響。

文獻(xiàn)[21]研究了低噪聲復(fù)合鈦基脂的摩擦學(xué)性能與軸承噪聲的關(guān)系,考察摩擦因數(shù)與低頻段、中頻段、高頻段軸承振動(dòng)值的關(guān)系(圖4):低頻段振動(dòng)值與摩擦因數(shù)沒(méi)有嚴(yán)格的趨勢(shì)關(guān)系,中頻段振動(dòng)值與摩擦因數(shù)整體沒(méi)有明顯的趨勢(shì)關(guān)系,但局部區(qū)域有對(duì)應(yīng)增大關(guān)系,高頻段振動(dòng)值有明顯隨著摩擦因數(shù)增大而增大的趨勢(shì)。由于潤(rùn)滑脂影響中頻段和高頻段軸承的振動(dòng),說(shuō)明潤(rùn)滑脂噪聲性能與潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)的關(guān)系較大。進(jìn)一步研究表明,軸承振動(dòng)值與鋼球磨斑直徑(在四球機(jī)上測(cè)量潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)性能)沒(méi)有明顯的相關(guān)性,但與磨斑形貌有關(guān),噪聲性能較好潤(rùn)滑脂作用下,鋼球磨斑的磨痕均勻,內(nèi)部較光滑、缺陷較少。

圖4 潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)均值與噪聲性能的關(guān)系

2.6 流變性與軸承噪聲

文獻(xiàn)[22]研究了潤(rùn)滑脂流變特性對(duì)軸承振動(dòng)值的影響,結(jié)果表明潤(rùn)滑脂流變特性各因素對(duì)軸承振動(dòng)值均有影響:潤(rùn)滑脂彈性模量、應(yīng)變率過(guò)大說(shuō)明潤(rùn)滑脂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng),屈服強(qiáng)度大,潤(rùn)滑脂形態(tài)轉(zhuǎn)變較困難,會(huì)造成軸承運(yùn)轉(zhuǎn)阻力大,不利于軸承振動(dòng)值的降低(尤其是軸承運(yùn)轉(zhuǎn)初期);潤(rùn)滑脂表觀黏度隨溫度和剪切速率變化的速率慢,說(shuō)明潤(rùn)滑脂觸變性好,抗剪切能力強(qiáng),軸承振動(dòng)值相對(duì)較低。

文獻(xiàn)[18]通過(guò)BeQuiet Plus對(duì)老化前后低噪聲聚脲潤(rùn)滑脂進(jìn)行了噪聲等級(jí)測(cè)試,結(jié)果老化前為GN4,老化后為GN1。再采用振蕩剪切模式測(cè)試?yán)匣昂鬂?rùn)滑脂的儲(chǔ)能模量G′、損耗模量G″ 和復(fù)合模量G*隨剪切應(yīng)變的變化,結(jié)果如圖5所示,老化后潤(rùn)滑脂的儲(chǔ)能模量、損耗模量和復(fù)合模量在形變起始階段均高于老化前潤(rùn)滑脂,宏觀表現(xiàn)為更高的硬度。根據(jù)流變曲線得出的屈服點(diǎn)和流動(dòng)點(diǎn)等數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，屈服應(yīng)力和流動(dòng)應(yīng)力顯著降低，說(shuō)明稠化劑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降；韌性指數(shù)(τf/τy)下降說(shuō)明潤(rùn)滑脂膜層可延展性下降, 不連續(xù)性逐漸加劇。 上述原因?qū)е赂呔茌S承產(chǎn)生嚴(yán)重的不規(guī)則跳動(dòng),最終影響潤(rùn)滑脂的減振降噪性能。

圖5 潤(rùn)滑脂儲(chǔ)能模量、損耗模量和復(fù)合模量隨剪切應(yīng)變的變化曲線

表4 潤(rùn)滑脂流動(dòng)點(diǎn)測(cè)定結(jié)果

文獻(xiàn)[23]建立深溝球軸承噪聲分析模型并采用數(shù)值模擬對(duì)計(jì)入彈性流體潤(rùn)滑影響的軸承噪聲進(jìn)行研究。不同潤(rùn)滑脂流變指數(shù)n對(duì)應(yīng)的軸承噪聲分布如圖6所示,流變指數(shù)n是反應(yīng)潤(rùn)滑脂非牛頓特性的重要指標(biāo),其值越小表示潤(rùn)滑脂的非牛頓特性越強(qiáng)烈。對(duì)比圖6a—圖6d可知,流變指數(shù)增加時(shí),軸承最大噪聲逐漸減小。因此, 為降低軸承噪聲,應(yīng)適當(dāng)選擇流變指數(shù)大非牛頓特性弱的潤(rùn)滑脂。

(a) n=0.6

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)軸承低噪聲性能的要求越來(lái)越高,對(duì)低噪聲潤(rùn)滑脂的研究將是重要方向。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)低噪聲潤(rùn)滑脂研究進(jìn)展的歸納,可得到如下規(guī)律:錐入度越大,軸承噪聲下降越多;機(jī)械剪切削弱潤(rùn)滑脂的噪聲性能;潤(rùn)滑脂分油量越大,軸承振動(dòng)值越小;受熱分解后潤(rùn)滑脂噪聲性能下降;潤(rùn)滑脂噪聲性能與其摩擦因數(shù)、磨斑形貌有較明顯的相關(guān)性;潤(rùn)滑脂流變指數(shù)越大,軸承最大噪聲越小。建立某些潤(rùn)滑脂特性與軸承噪聲的關(guān)聯(lián),可指導(dǎo)研究人員加速開(kāi)發(fā)低噪聲潤(rùn)滑脂技術(shù),還可避免因設(shè)備和方法不同造成的測(cè)試結(jié)果差異。

目前,潤(rùn)滑脂特性與軸承噪聲關(guān)聯(lián)還僅停留在定性關(guān)系階段,建立嚴(yán)格的定量相關(guān)性或統(tǒng)一適用的模型還需大量的試驗(yàn)研究。鑒于現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),在一定條件下,只有潤(rùn)滑脂的某些特性指標(biāo)與軸承噪聲指標(biāo)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,應(yīng)重視和積累能綜合反應(yīng)潤(rùn)滑脂特性的流變學(xué)數(shù)據(jù),注重潤(rùn)滑脂流變參數(shù)及其對(duì)軸承噪聲的影響理論分析,指導(dǎo)低噪聲潤(rùn)滑脂研發(fā)。同時(shí),除關(guān)注低噪聲潤(rùn)滑脂本身潤(rùn)滑壽命外,其低噪聲壽命也需重視。

一般認(rèn)為,稠化劑方面,皂纖維的大小和長(zhǎng)短對(duì)軸承噪聲影響較大,短細(xì)皂纖維降噪性能較好;基礎(chǔ)油方面,礦物油降噪性能最優(yōu),其次是合成烴油,基礎(chǔ)油黏度高比黏度低時(shí)噪聲小;有些添加劑會(huì)破壞潤(rùn)滑脂的纖維結(jié)構(gòu),增大軸承的噪聲;快冷方式制備潤(rùn)滑脂的噪聲比慢冷方式制備潤(rùn)滑脂的噪聲低;雜質(zhì)會(huì)使軸承噪聲升高。