胡強(qiáng)勝，石秋雨，葛翔宇，趙自強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；2.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司)

據(jù)統(tǒng)計(jì),大多數(shù)工業(yè)國(guó)家每年因摩擦磨損導(dǎo)致的能量消耗、材料損失及裝備維修等經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到其國(guó)民生產(chǎn)總值的5%～7%[1],因此亟需研發(fā)高效潤(rùn)滑材料以減少摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái),新能源汽車(chē)發(fā)展迅猛,輪轂軸承作為新能源汽車(chē)的關(guān)鍵零部件,其潤(rùn)滑狀態(tài)是影響車(chē)輛行駛性能的關(guān)鍵因素之一[2]。傳統(tǒng)輪轂潤(rùn)滑脂多注重抗磨損性能以滿足輪轂軸承免維護(hù)的需求[3],對(duì)減摩性能的要求相對(duì)較低,但電動(dòng)汽車(chē)輪轂軸承對(duì)潤(rùn)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(rùn)滑脂以增強(qiáng)對(duì)輪轂軸承的潤(rùn)滑性能,隨后各種低黏度輪轂軸承潤(rùn)滑脂相繼被開(kāi)發(fā)。然而,目前國(guó)外主流低黏度輪轂軸承潤(rùn)滑脂的減摩效率僅為9%～10%,效果有待進(jìn)一步提升。進(jìn)而,學(xué)者通過(guò)向潤(rùn)滑脂中添加高性能基礎(chǔ)油、固體顆粒等來(lái)提升潤(rùn)滑脂的摩擦性能,以增強(qiáng)其減摩抗磨能力。李朝宇等[5]分別以聚α-烯烴(PAO)與雙酯類(lèi)合成基礎(chǔ)油作為鋰基潤(rùn)滑脂(簡(jiǎn)稱鋰基脂)基礎(chǔ)油,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：以雙酯類(lèi)合成油所制鋰基脂的剪切安定性與膠體安定性均優(yōu)于以PAO制備的鋰基脂;而PAO因具有傾點(diǎn)低、高溫蒸發(fā)損失小的優(yōu)點(diǎn),以其制備的鋰基脂具有優(yōu)異的熱安定性和低溫性能?？梢?jiàn)不同基礎(chǔ)油對(duì)潤(rùn)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(duì)鋰基脂摩擦學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)該添加劑在摩擦副表面形成含氮富磷的邊界潤(rùn)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(rùn)滑脂成分與摩擦因數(shù)的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在低速區(qū)域,摩擦響應(yīng)非常依賴于潤(rùn)滑脂增稠劑的類(lèi)型和潤(rùn)滑膜的性能;而在高速區(qū)域,摩擦性能由基礎(chǔ)油的類(lèi)型和黏度決定。因此,根據(jù)實(shí)際工況要求選用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑脂尤為重要。此外,劉金亮等[8]考察了有機(jī)鉬添加劑的作用機(jī)理,發(fā)現(xiàn)有機(jī)鉬在摩擦表面熱分解,形成以二硫化鉬為主的表面保護(hù)膜,從而大幅提高潤(rùn)滑脂的減摩抗磨性能。于少華等[9]測(cè)定了4種重載車(chē)輛鋰基脂的流變學(xué)性能和摩擦學(xué)性能,Salmeron等[10]測(cè)量了不同工況條件下潤(rùn)滑脂長(zhǎng)時(shí)間摩擦的力矩,從而分析不同增稠劑對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦性能的影響。

聚脲潤(rùn)滑脂(脲基脂)具有壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn),特別適用于高溫、重載等相對(duì)惡劣的工況[11]。許多學(xué)者對(duì)聚脲潤(rùn)滑脂的抗磨減摩性能進(jìn)行了研究。Ren Guanlin等[12]分別以礦物油和PAO為基礎(chǔ)油、鋰基皂和聚脲為增稠劑,合成了鋰基脂和脲基脂,發(fā)現(xiàn)聚脲增稠劑能夠形成特定組織結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑脂膜和摩擦化學(xué)膜,其協(xié)同潤(rùn)滑作用表現(xiàn)出更佳的抗磨性。夏延秋等[13]在聚脲潤(rùn)滑脂中添加了多種添加劑,發(fā)現(xiàn)復(fù)配添加劑能夠顯著提高聚脲潤(rùn)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(xué)反應(yīng)膜,具有更好的抗磨減摩作用。Wang Yanshuang等[14]在聚脲潤(rùn)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(fā)現(xiàn)二者協(xié)同使脲基脂在摩擦過(guò)程中生成了復(fù)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(rùn)滑脂中添加納米CuO顆粒,發(fā)現(xiàn)相較于其他潤(rùn)滑脂,加入CuO后脲基脂的摩擦因數(shù)和鋼球磨斑直徑更小,說(shuō)明CuO對(duì)聚脲潤(rùn)滑脂的減摩抗磨作用最強(qiáng),分析認(rèn)為聚脲潤(rùn)滑脂增稠劑的層狀結(jié)構(gòu)與納米CuO顆粒產(chǎn)生協(xié)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(rùn)滑脂添加劑,結(jié)果顯示納米顆粒的加入可以顯著增強(qiáng)基礎(chǔ)油在聚脲潤(rùn)滑脂纖維上的流動(dòng)性,對(duì)軸承振動(dòng)具有優(yōu)異的抑制效果。

當(dāng)前研究多集中在對(duì)聚脲潤(rùn)滑脂摩擦性能的改進(jìn),而對(duì)商用輪轂軸承聚脲潤(rùn)滑脂的改進(jìn)研究偏少,而且缺乏對(duì)改進(jìn)軸承潤(rùn)滑脂實(shí)際減摩效果的驗(yàn)證?；诖?本研究以商用輪轂軸承聚脲潤(rùn)滑脂為基礎(chǔ),使用特殊添加劑改善其摩擦性能,并通過(guò)滾動(dòng)軸承摩擦試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證添加劑對(duì)輪轂軸承潤(rùn)滑脂摩擦性能的改進(jìn)效果,以期在輪轂軸承聚脲潤(rùn)滑脂的綜合性能提升、行車(chē)安全、輪轂軸承使用壽命延長(zhǎng)等方面提供理論參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的商用聚脲潤(rùn)滑脂(PUG)是中國(guó)石化長(zhǎng)城新能源汽車(chē)輪轂軸承潤(rùn)滑脂,牌號(hào)介于1號(hào)和2號(hào)之間;添加劑為有機(jī)鉬855(Molyvan 855,范德比爾特公司產(chǎn)品)和多元醇酯3970(Priolube 3970,Croda公司產(chǎn)品)。有機(jī)鉬855的密度(15.6 ℃)為1.08 g/cm3,鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.1%;多元醇酯3970是一種減摩性能優(yōu)異的合成基礎(chǔ)油,其黏溫性能優(yōu)異、潤(rùn)滑性能好、熱穩(wěn)定性和抗氧化性高,常用作高性能潤(rùn)滑油脂基礎(chǔ)油。

潤(rùn)滑脂樣品制備：首先稱取適量商用聚脲脂PUG,然后選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的有機(jī)鉬855和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的多元醇酯3970分別加入到商用聚脲潤(rùn)滑脂中,并攪拌混合60 min,最后利用三輥研磨機(jī)對(duì)潤(rùn)滑脂進(jìn)行均質(zhì)化處理,得到添加不同添加劑的改進(jìn)潤(rùn)滑脂,分別記為(PUG+855),(PUG+3970),(PUG+855+3970),其外觀形貌見(jiàn)圖1。

圖1 不同聚脲潤(rùn)滑脂的外觀形貌

圖2 UMT-3摩擦試驗(yàn)示意

1.2 摩擦潤(rùn)滑試驗(yàn)

利用多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(UMT-3型,德國(guó)布魯克公司產(chǎn)品)考察純滑動(dòng)條件下添加劑對(duì)聚脲潤(rùn)滑脂摩擦性能的影響。摩擦副由軸承鋼球[材質(zhì)GCr15、直徑8 mm、表面粗糙度(Ra)約10 nm]和軸承鋼片(材質(zhì)GCr15、Ra約25 nm)組成。試驗(yàn)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?dú)獯蹈蓚溆?。試?yàn)時(shí),在摩擦副接觸區(qū)均勻涂抹0.2 g潤(rùn)滑脂樣品;鋼球和鋼片的載荷分別設(shè)置為7 N和12 N,對(duì)應(yīng)接觸區(qū)最大赫茲接觸應(yīng)力分別約為1.0 GPa和1.2 GPa;摩擦副轉(zhuǎn)速600 r/min,轉(zhuǎn)動(dòng)半徑4 mm,滑動(dòng)速度0.25 m/s;試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,時(shí)間為20 min,環(huán)境相對(duì)濕度為10%～30%。為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果,調(diào)節(jié)平臺(tái)的水平度和加載裝置的垂直度,使試驗(yàn)臺(tái)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦因數(shù)相同。每種樣品進(jìn)行3次試驗(yàn),以保證結(jié)果的重復(fù)性。

為了考察潤(rùn)滑脂樣品在實(shí)際工況下的摩擦性能,采用自主設(shè)計(jì)搭建的滾動(dòng)軸承摩擦試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成及其測(cè)試原理如圖3所示。由圖3可知,該試驗(yàn)臺(tái)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主軸、支撐系統(tǒng)、測(cè)試軸承、加載臂等。試驗(yàn)時(shí),軸承內(nèi)圈和主軸連接隨主軸旋轉(zhuǎn);外圈和加載臂過(guò)盈連接,外圈受徑向載荷和軸向載荷作用并在軸承內(nèi)部摩擦力作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)。由于軸承內(nèi)每個(gè)滾動(dòng)體和套圈間都會(huì)產(chǎn)生摩擦力,所以軸承內(nèi)總摩擦力為μ×ΣFi;其中μ為摩擦因數(shù),Fi為每個(gè)滾動(dòng)體與套圈間的接觸載荷。電機(jī)運(yùn)行時(shí)(以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例),軸承外圈和加載臂因滾動(dòng)體和套圈間產(chǎn)生的摩擦力而具有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì),使左側(cè)摩擦力傳感器示數(shù)由F1增大至F′1,變化量為ΔF1,右側(cè)摩擦力傳感器示數(shù)由靜止時(shí)的F2減小至F′2,變化量為ΔF2。設(shè)該系統(tǒng)徑向載荷的力臂為l,軸承的內(nèi)部摩擦力與回轉(zhuǎn)中心距離為r,鋼球的半徑為rball,根據(jù)力矩平衡條件有：

圖3 滾動(dòng)軸承摩擦測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)及其測(cè)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(shù)表達(dá)式：

(2)

1.3 潤(rùn)滑脂和磨損表面表征

摩擦試驗(yàn)前,利用旋轉(zhuǎn)流變儀(Physica MCR301型,奧地利安東帕儀器公司產(chǎn)品)在室溫下(25 ℃)測(cè)定各聚脲潤(rùn)滑脂樣品的黏度。摩擦試驗(yàn)后,分別利用顯微鏡和三維白光干涉儀(Nexview型,美國(guó)ZYGO Lamda公司產(chǎn)品)測(cè)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(chǎn)品)觀察鋼片磨損區(qū)域的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤(rùn)滑脂的摩擦性能

商用聚脲脂和添加(855+3970)的改進(jìn)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(jiàn),加入添加劑的改進(jìn)脂整體黏度減小,且兩種潤(rùn)滑脂黏度均隨著剪切速率的增大而不斷減小。這是由于潤(rùn)滑脂的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在高剪切速率下被破壞,導(dǎo)致潤(rùn)滑脂稠度下降,流動(dòng)性增加。此外,剪切速率大于200 s-1時(shí),商用聚脲脂黏度瞬間降低,出現(xiàn)剪切減薄行為。相比之下,添加(855+3970)后潤(rùn)滑脂黏度瞬間降低時(shí)其剪切速率約為500 s-1,顯著高于商用聚脲脂,說(shuō)明加入添加劑后其抗剪切能力增強(qiáng),可更大程度上防止?jié)櫥У陌l(fā)生。

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

為了測(cè)量輪轂電機(jī)軸承在打滑條件下的摩擦因數(shù),利用UMT-3型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在純滑動(dòng)工況條件下開(kāi)展摩擦試驗(yàn),結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù) —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(rùn)滑脂的摩擦因數(shù)很大,約為0.3,且曲線波動(dòng)劇烈,表明整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑狀態(tài);添加855潤(rùn)滑脂的摩擦性能并未得到明顯改善,在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中摩擦曲線仍然波動(dòng)劇烈;相比之下,添加多元醇酯3970和添加(855+3970)潤(rùn)滑脂樣品的摩擦因數(shù)在經(jīng)過(guò)較短磨合時(shí)間(120 s)后趨于穩(wěn)定,且添加(855+3970)潤(rùn)滑脂樣品的摩擦因數(shù)最小,約為0.055。由圖5(b)可知：在載荷為12 N條件下,同種潤(rùn)滑脂樣品的試驗(yàn)結(jié)果與載荷為7 N時(shí)的結(jié)果相似,添加(855+3970)的改進(jìn)潤(rùn)滑脂樣品的摩擦性能最好,摩擦因數(shù)最小,約為0.051。此外,從3次試驗(yàn)的平均結(jié)果可知,添加多元醇酯3970和添加(855+3970)可顯著提高聚脲潤(rùn)滑脂的減摩性能,且添加(855+3970)后的效果最明顯,說(shuō)明二者有協(xié)同作用。

2.2 磨損表面分析

摩擦試驗(yàn)結(jié)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(shù)值如表1所示。由表1可知,商用聚脲潤(rùn)滑脂和添加855的潤(rùn)滑脂樣品的鋼球磨斑直徑分別為694 μm和763 μm左右,相應(yīng)的平均接觸應(yīng)力分別約18.5 MPa和15.4 MPa;而添加3970和添加(855+3970)的潤(rùn)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(yīng)的平均接觸應(yīng)力分別約38.3 MPa和52.2 MPa,表明添加(855+3970)的潤(rùn)滑脂樣品的抗磨性能最好。

表1 試驗(yàn)后摩擦副表面分析結(jié)果

圖6 載荷為7 N條件下不同潤(rùn)滑脂摩擦試驗(yàn)后的磨損表面表征結(jié)果

從圖6(e)～圖6(h)可知：商用聚脲潤(rùn)滑脂和添加855潤(rùn)滑脂樣品試驗(yàn)鋼球的表面磨損較嚴(yán)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(yīng)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(rùn)滑脂樣品的鋼球磨損表面相對(duì)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。可見(jiàn),添加(855+3970)可以有效降低試驗(yàn)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(rùn)滑膜的形成,從而提高潤(rùn)滑脂的抗磨性能。因此,添加(855+3970)后大幅提高了聚脲潤(rùn)滑脂的抗磨能力。

2.3 軸承試驗(yàn)

為了進(jìn)一步考察添加添加劑后,聚脲潤(rùn)滑脂在輪轂軸承實(shí)際運(yùn)行中的潤(rùn)滑減摩抗磨性能,依據(jù)《滾動(dòng)軸承汽車(chē)輪轂軸承單元試驗(yàn)及評(píng)定方法》(JB/T 13353—2017),在自主搭建的滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)上分別測(cè)試添加(855+3970)潤(rùn)滑脂和商用聚脲潤(rùn)滑脂的實(shí)際機(jī)械運(yùn)行摩擦結(jié)果。試驗(yàn)條件：載荷1 500 N,電機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min,預(yù)熱2 h,試驗(yàn)3 h,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：添加(855+3970)的潤(rùn)滑脂樣品的摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定,試驗(yàn)期間始終保持在0.002 6左右;而商用聚脲潤(rùn)滑脂的摩擦因數(shù)在0.003 5～0.004 5間波動(dòng)。3次試驗(yàn)的平均摩擦因數(shù)分別為0.002 6和0.004 25,添加(855+3970)后聚脲潤(rùn)滑脂的摩擦因數(shù)降幅達(dá)38.8%。

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

進(jìn)一步分別在不同轉(zhuǎn)速和載荷工況下開(kāi)展軸承摩擦試驗(yàn),結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,在低轉(zhuǎn)速(200 r/min和300 r/min)下,無(wú)論是高載荷還是低載荷條件下,添加(855+3970)潤(rùn)滑脂樣品的軸承平均摩擦因數(shù)均比商用聚脲潤(rùn)滑脂顯著降低,且降幅大多超過(guò)25%,減摩效果優(yōu)異;在高轉(zhuǎn)速(500 r/min和1 000 r/min)下,添加(855+3970)潤(rùn)滑脂樣品仍然有較好的減摩效果,其摩擦因數(shù)比商用聚脲潤(rùn)滑脂降低20%以上。這表明,在聚脲潤(rùn)滑脂中添加有機(jī)鉬855和多元醇酯3970復(fù)配劑可在多種工況下實(shí)現(xiàn)明顯減摩,說(shuō)明其具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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

3 結(jié) 論

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

(2)在輪轂軸承工況條件下,有機(jī)鉬855和多元醇酯3970復(fù)配可以大幅降低軸承摩擦因數(shù),相比于聚脲潤(rùn)滑脂,改進(jìn)潤(rùn)滑脂的摩擦因數(shù)降幅超過(guò)20%,最大降幅達(dá)38.8%。

(3)有機(jī)鉬855和多元醇酯3970具有作為輪轂軸承聚脲潤(rùn)滑脂添加劑的潛力,有一定的應(yīng)用價(jià)值。