有機鉬和多元醇酯對輪轂軸承聚脲潤滑脂摩擦性能的影響

胡強勝，石秋雨，葛翔宇，趙自強

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2.國網智能電網研究院有限公司)

據統計,大多數工業國家每年因摩擦磨損導致的能量消耗、材料損失及裝備維修等經濟損失達到其國民生產總值的5%～7%[1],因此亟需研發高效潤滑材料以減少摩擦磨損造成的經濟損失。近年來,新能源汽車發展迅猛,輪轂軸承作為新能源汽車的關鍵零部件,其潤滑狀態是影響車輛行駛性能的關鍵因素之一[2]。傳統輪轂潤滑脂多注重抗磨損性能以滿足輪轂軸承免維護的需求[3],對減摩性能的要求相對較低,但電動汽車輪轂軸承對潤滑脂減摩性能的要求逐漸提高[4]。

基于此,NTN公司和SKF公司率先推出了低黏度潤滑脂以增強對輪轂軸承的潤滑性能,隨后各種低黏度輪轂軸承潤滑脂相繼被開發。然而,目前國外主流低黏度輪轂軸承潤滑脂的減摩效率僅為9%～10%,效果有待進一步提升。進而,學者通過向潤滑脂中添加高性能基礎油、固體顆粒等來提升潤滑脂的摩擦性能,以增強其減摩抗磨能力。李朝宇等[5]分別以聚α-烯烴(PAO)與雙酯類合成基礎油作為鋰基潤滑脂(簡稱鋰基脂)基礎油,結果發現：以雙酯類合成油所制鋰基脂的剪切安定性與膠體安定性均優于以PAO制備的鋰基脂;而PAO因具有傾點低、高溫蒸發損失小的優點,以其制備的鋰基脂具有優異的熱安定性和低溫性能?？梢姴煌A油對潤滑脂性能影響較大。劉大軍等[6]考察了一種磷氮型極壓抗磨劑對鋰基脂摩擦學性能的影響,發現該添加劑在摩擦副表面形成含氮富磷的邊界潤滑膜,使鋰基脂的極壓性能、抗磨和減摩性能均大幅提高。de Laurentis等[7]研究了潤滑脂成分與摩擦因數的關系,結果發現：在低速區域,摩擦響應非常依賴于潤滑脂增稠劑的類型和潤滑膜的性能;而在高速區域,摩擦性能由基礎油的類型和黏度決定。因此,根據實際工況要求選用適當的潤滑脂尤為重要。此外,劉金亮等[8]考察了有機鉬添加劑的作用機理,發現有機鉬在摩擦表面熱分解,形成以二硫化鉬為主的表面保護膜,從而大幅提高潤滑脂的減摩抗磨性能。于少華等[9]測定了4種重載車輛鋰基脂的流變學性能和摩擦學性能,Salmeron等[10]測量了不同工況條件下潤滑脂長時間摩擦的力矩,從而分析不同增稠劑對潤滑脂摩擦性能的影響。

聚脲潤滑脂(脲基脂)具有壽命長、穩定性高、抗氧化性好等優點,特別適用于高溫、重載等相對惡劣的工況[11]。許多學者對聚脲潤滑脂的抗磨減摩性能進行了研究。Ren Guanlin等[12]分別以礦物油和PAO為基礎油、鋰基皂和聚脲為增稠劑,合成了鋰基脂和脲基脂,發現聚脲增稠劑能夠形成特定組織結構的潤滑脂膜和摩擦化學膜,其協同潤滑作用表現出更佳的抗磨性。夏延秋等[13]在聚脲潤滑脂中添加了多種添加劑,發現復配添加劑能夠顯著提高聚脲潤滑脂的承載能力和抗磨、減摩性能,原因在于添加劑在摩擦副表面形成了多種摩擦化學反應膜,具有更好的抗磨減摩作用。Wang Yanshuang等[14]在聚脲潤滑脂中添加極性二烷基二硫代磷酸鉬和固體硼酸鉀添加劑,發現二者協同使脲基脂在摩擦過程中生成了復合摩擦膜,從而減小摩擦、降低磨損。Wu Can等[15]在鋰基脂、脲基脂和鈣基潤滑脂中添加納米CuO顆粒,發現相較于其他潤滑脂,加入CuO后脲基脂的摩擦因數和鋼球磨斑直徑更小,說明CuO對聚脲潤滑脂的減摩抗磨作用最強,分析認為聚脲潤滑脂增稠劑的層狀結構與納米CuO顆粒產生協同作用,從而顯著改善了脲基脂的摩擦性能。Wu Can等[16]用六方氮化硼和碳酸鈣納米顆粒作為聚脲潤滑脂添加劑,結果顯示納米顆粒的加入可以顯著增強基礎油在聚脲潤滑脂纖維上的流動性,對軸承振動具有優異的抑制效果。

當前研究多集中在對聚脲潤滑脂摩擦性能的改進,而對商用輪轂軸承聚脲潤滑脂的改進研究偏少,而且缺乏對改進軸承潤滑脂實際減摩效果的驗證?；诖?本研究以商用輪轂軸承聚脲潤滑脂為基礎,使用特殊添加劑改善其摩擦性能,并通過滾動軸承摩擦試驗臺驗證添加劑對輪轂軸承潤滑脂摩擦性能的改進效果,以期在輪轂軸承聚脲潤滑脂的綜合性能提升、行車安全、輪轂軸承使用壽命延長等方面提供理論參考。

1 實 驗

1.1 試驗材料

試驗使用的商用聚脲潤滑脂(PUG)是中國石化長城新能源汽車輪轂軸承潤滑脂,牌號介于1號和2號之間;添加劑為有機鉬855(Molyvan 855,范德比爾特公司產品)和多元醇酯3970(Priolube 3970,Croda公司產品)。有機鉬855的密度(15.6 ℃)為1.08 g/cm3,鉬質量分數為8.1%;多元醇酯3970是一種減摩性能優異的合成基礎油,其黏溫性能優異、潤滑性能好、熱穩定性和抗氧化性高,常用作高性能潤滑油脂基礎油。

潤滑脂樣品制備：首先稱取適量商用聚脲脂PUG,然后選擇質量分數為0.5%的有機鉬855和質量分數為10%的多元醇酯3970分別加入到商用聚脲潤滑脂中,并攪拌混合60 min,最后利用三輥研磨機對潤滑脂進行均質化處理,得到添加不同添加劑的改進潤滑脂,分別記為(PUG+855),(PUG+3970),(PUG+855+3970),其外觀形貌見圖1。

圖1 不同聚脲潤滑脂的外觀形貌

圖2 UMT-3摩擦試驗示意

1.2 摩擦潤滑試驗

利用多功能摩擦磨損試驗機(UMT-3型,德國布魯克公司產品)考察純滑動條件下添加劑對聚脲潤滑脂摩擦性能的影響。摩擦副由軸承鋼球[材質GCr15、直徑8 mm、表面粗糙度(Ra)約10 nm]和軸承鋼片(材質GCr15、Ra約25 nm)組成。試驗前,分別用乙醇、丙酮和純水超聲清洗鋼球和鋼片各10 min,用氮氣吹干備用。試驗時,在摩擦副接觸區均勻涂抹0.2 g潤滑脂樣品;鋼球和鋼片的載荷分別設置為7 N和12 N,對應接觸區最大赫茲接觸應力分別約為1.0 GPa和1.2 GPa;摩擦副轉速600 r/min,轉動半徑4 mm,滑動速度0.25 m/s;試驗在室溫下進行,時間為20 min,環境相對濕度為10%～30%。為了獲得準確的測試結果,調節平臺的水平度和加載裝置的垂直度,使試驗臺順時針和逆時針旋轉時的摩擦因數相同。每種樣品進行3次試驗,以保證結果的重復性。

為了考察潤滑脂樣品在實際工況下的摩擦性能,采用自主設計搭建的滾動軸承摩擦試驗臺對其進行摩擦試驗。試驗臺構成及其測試原理如圖3所示。由圖3可知,該試驗臺主要包括驅動電機、主軸、支撐系統、測試軸承、加載臂等。試驗時,軸承內圈和主軸連接隨主軸旋轉;外圈和加載臂過盈連接,外圈受徑向載荷和軸向載荷作用并在軸承內部摩擦力作用下產生轉動趨勢。由于軸承內每個滾動體和套圈間都會產生摩擦力,所以軸承內總摩擦力為μ×ΣFi;其中μ為摩擦因數,Fi為每個滾動體與套圈間的接觸載荷。電機運行時(以順時針旋轉為例),軸承外圈和加載臂因滾動體和套圈間產生的摩擦力而具有順時針轉動趨勢,使左側摩擦力傳感器示數由F1增大至F′1,變化量為ΔF1,右側摩擦力傳感器示數由靜止時的F2減小至F′2,變化量為ΔF2。設該系統徑向載荷的力臂為l,軸承的內部摩擦力與回轉中心距離為r,鋼球的半徑為rball,根據力矩平衡條件有：

圖3 滾動軸承摩擦測量試驗臺及其測試原理示意

μ×ΣFi×(r+rball)=[(F′1-F1)+(F2-F′2)]×l=(ΔF1+ΔF2)×l

(1)

則可得軸承摩擦因數表達式：

(2)

1.3 潤滑脂和磨損表面表征

摩擦試驗前,利用旋轉流變儀(Physica MCR301型,奧地利安東帕儀器公司產品)在室溫下(25 ℃)測定各聚脲潤滑脂樣品的黏度。摩擦試驗后,分別利用顯微鏡和三維白光干涉儀(Nexview型,美國ZYGO Lamda公司產品)測量軸承鋼球的磨斑直徑和軸承鋼片磨損表面粗糙度。利用掃描電子顯微鏡(SEM,S4800型,日立儀器公司產品)觀察鋼片磨損區域的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 潤滑脂的摩擦性能

商用聚脲脂和添加(855+3970)的改進脂樣品的黏度隨剪切速率的變化情況如圖4所示。由圖4可見,加入添加劑的改進脂整體黏度減小,且兩種潤滑脂黏度均隨著剪切速率的增大而不斷減小。這是由于潤滑脂的網狀結構在高剪切速率下被破壞,導致潤滑脂稠度下降,流動性增加。此外,剪切速率大于200 s-1時,商用聚脲脂黏度瞬間降低,出現剪切減薄行為。相比之下,添加(855+3970)后潤滑脂黏度瞬間降低時其剪切速率約為500 s-1,顯著高于商用聚脲脂,說明加入添加劑后其抗剪切能力增強,可更大程度上防止潤滑失效的發生。

圖4 商用聚脲潤滑脂和改進脂黏度隨剪切速率的變化■—PUG; ●—PUG+855+3970

為了測量輪轂電機軸承在打滑條件下的摩擦因數,利用UMT-3型摩擦磨損試驗機在純滑動工況條件下開展摩擦試驗,結果如圖5所示。

圖5 不同潤滑脂摩擦因數 —商用聚脲脂; —PUG+855; —PUG+3970; —PUG+855+3970; ■—商用聚脲脂; ■—PUG+855; ■—PUG+3970; ■—PUG+855+3970

由圖5(a)可知：在載荷為7 N條件下,商用聚脲潤滑脂的摩擦因數很大,約為0.3,且曲線波動劇烈,表明整個試驗過程沒有形成穩定的潤滑狀態;添加855潤滑脂的摩擦性能并未得到明顯改善,在整個試驗過程中摩擦曲線仍然波動劇烈;相比之下,添加多元醇酯3970和添加(855+3970)潤滑脂樣品的摩擦因數在經過較短磨合時間(120 s)后趨于穩定,且添加(855+3970)潤滑脂樣品的摩擦因數最小,約為0.055。由圖5(b)可知：在載荷為12 N條件下,同種潤滑脂樣品的試驗結果與載荷為7 N時的結果相似,添加(855+3970)的改進潤滑脂樣品的摩擦性能最好,摩擦因數最小,約為0.051。此外,從3次試驗的平均結果可知,添加多元醇酯3970和添加(855+3970)可顯著提高聚脲潤滑脂的減摩性能,且添加(855+3970)后的效果最明顯,說明二者有協同作用。

2.2 磨損表面分析

摩擦試驗結束后,磨損表面的磨斑大小、表面形貌和磨痕表面粗糙度如圖6所示,其具體數值如表1所示。由表1可知,商用聚脲潤滑脂和添加855的潤滑脂樣品的鋼球磨斑直徑分別為694 μm和763 μm左右,相應的平均接觸應力分別約18.5 MPa和15.4 MPa;而添加3970和添加(855+3970)的潤滑脂樣品的鋼球磨斑直徑明顯減小,分別為485 μm和413 μm,相應的平均接觸應力分別約38.3 MPa和52.2 MPa,表明添加(855+3970)的潤滑脂樣品的抗磨性能最好。

表1 試驗后摩擦副表面分析結果

圖6 載荷為7 N條件下不同潤滑脂摩擦試驗后的磨損表面表征結果

從圖6(e)～圖6(h)可知：商用聚脲潤滑脂和添加855潤滑脂樣品試驗鋼球的表面磨損較嚴重,有明顯的犁溝和劃痕,鋼球磨斑表面粗糙度分別約為61 nm和239 nm,相應鋼片磨損表面粗糙度分別約為166 nm和127 nm;添加3970和添加(855+3970)的潤滑脂樣品的鋼球磨損表面相對光滑,幾乎觀察不到劃痕或犁溝,鋼球磨斑表面粗糙度分別為82 nm和106 nm,鋼片磨損表面粗糙度為58 nm和31 nm?？梢?添加(855+3970)可以有效降低試驗鋼球磨損表面的粗糙度,較小的表面粗糙度和較淺的劃痕更有利于潤滑膜的形成,從而提高潤滑脂的抗磨性能。因此,添加(855+3970)后大幅提高了聚脲潤滑脂的抗磨能力。

2.3 軸承試驗

為了進一步考察添加添加劑后,聚脲潤滑脂在輪轂軸承實際運行中的潤滑減摩抗磨性能,依據《滾動軸承汽車輪轂軸承單元試驗及評定方法》(JB/T 13353—2017),在自主搭建的滾動軸承摩擦因數測量試驗臺上分別測試添加(855+3970)潤滑脂和商用聚脲潤滑脂的實際機械運行摩擦結果。試驗條件：載荷1 500 N,電機轉速300 r/min,預熱2 h,試驗3 h,結果如圖7所示。由圖7可知：添加(855+3970)的潤滑脂樣品的摩擦因數保持穩定,試驗期間始終保持在0.002 6左右;而商用聚脲潤滑脂的摩擦因數在0.003 5～0.004 5間波動。3次試驗的平均摩擦因數分別為0.002 6和0.004 25,添加(855+3970)后聚脲潤滑脂的摩擦因數降幅達38.8%。

PUG： —1; —2; —3。PUG+855+3970： —1; —2; —3

進一步分別在不同轉速和載荷工況下開展軸承摩擦試驗,結果如圖8所示。由圖8可知,在低轉速(200 r/min和300 r/min)下,無論是高載荷還是低載荷條件下,添加(855+3970)潤滑脂樣品的軸承平均摩擦因數均比商用聚脲潤滑脂顯著降低,且降幅大多超過25%,減摩效果優異;在高轉速(500 r/min和1 000 r/min)下,添加(855+3970)潤滑脂樣品仍然有較好的減摩效果,其摩擦因數比商用聚脲潤滑脂降低20%以上。這表明,在聚脲潤滑脂中添加有機鉬855和多元醇酯3970復配劑可在多種工況下實現明顯減摩,說明其具有較好的應用價值。

圖8 不同軸承摩擦試驗條件下PUG和PUG+855+3970的平均摩擦因數■—PUG; ■—PUG+855+3970

3 結 論

(1)在純滑動工況條件下,有機鉬855不能改善商用聚脲潤滑脂的減摩抗磨性能,多元醇酯3970可以明顯改善聚脲潤滑脂的減摩抗磨性能,而有機鉬855和多元醇酯3970復配可以大幅提升聚脲潤滑脂的減摩抗磨性能。

(2)在輪轂軸承工況條件下,有機鉬855和多元醇酯3970復配可以大幅降低軸承摩擦因數,相比于聚脲潤滑脂,改進潤滑脂的摩擦因數降幅超過20%,最大降幅達38.8%。

(3)有機鉬855和多元醇酯3970具有作為輪轂軸承聚脲潤滑脂添加劑的潛力,有一定的應用價值。