新戊基多元醇酯中硼酸酯與硫磷系添加劑協(xié)同作用的研究

司 行，李柏姝，陳卓君

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 汽車(chē)與交通學(xué)院，沈陽(yáng) 100159)

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新戊基多元醇酯中硼酸酯與硫磷系添加劑協(xié)同作用的研究

司 行，李柏姝，陳卓君

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 汽車(chē)與交通學(xué)院，沈陽(yáng) 100159)

為了提高汽車(chē)齒輪潤(rùn)滑油的極壓抗磨性能，在新戊基多元醇酯(NPE-3)基礎(chǔ)油中添加硼酸酯(BN)、二烴基五硫化物(RC2540)、磷系添加劑(P120)三種添加劑，采用均勻設(shè)計(jì)方法確定試驗(yàn)方案，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化三種添加劑的含量配比，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。根據(jù)極壓抗磨性能篩選出的最佳含量配比為：硼酸酯0.40%、二烴基五硫化物0.3%、磷系添加劑0.3%。研究結(jié)果表明，在新戊基多元醇酯中硼酸酯添加劑與硫磷系添加劑有很好的協(xié)同作用。

新戊基多元醇酯；硼酸酯；均勻設(shè)計(jì)；極壓抗磨性能；協(xié)同作用

隨著機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)向高速度、重載荷、大功率方向不斷發(fā)展，加入傳統(tǒng)極壓抗磨添加劑的潤(rùn)滑油已經(jīng)越來(lái)越不能滿足工況的要求。新型潤(rùn)滑油添加劑的研究已經(jīng)成為潤(rùn)滑劑工作者的主要研究方向。含氮硼系添加劑是一種新興的潤(rùn)滑油添加劑，因其具有優(yōu)良的極壓抗磨性能，從而引起了研究者的極大關(guān)注。本文對(duì)含氮硼系的硼酯(BN)、硫系的二烴基五硫化物(RC2540)、磷系添加劑(P120)三種添加劑在新戊基多元醇酯基礎(chǔ)油中的協(xié)同作用[1]進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文研究中作為基礎(chǔ)油的新戊基多元醇酯[2-3](NPE-3)是分子結(jié)構(gòu)中酯鄰位為季碳原子的一類(lèi)合成酯，比雙酯具有更優(yōu)異的耐熱性能和水解穩(wěn)定性。新戊基多元醇酯的分子式為C8H16S3。基礎(chǔ)油NPE-3的理化性能見(jiàn)表1。

二烴基五硫化物(RC2540)可取代元素硫?qū)A(chǔ)油硫化得到硫化油。另外，其活性硫的含量隨溫度的升高而增加，使得溫度略微上升就有顯著的極壓作用。硫系添加劑RC2540的理化性能見(jiàn)表2。

磷系添加劑(P120)具有好的極壓抗磨性，主要用于重負(fù)荷工業(yè)齒輪油。磷系添加劑由低碳醇與三氯氧磷反應(yīng)制成的烷基磷酸鹽，再用有機(jī)胺與磷酸酯反應(yīng)合成。有機(jī)胺中烷基團(tuán)的極壓性能高，以形成物理反應(yīng)膜和化學(xué)反應(yīng)膜來(lái)提高其承載能力，磷系添加劑P120的理化性能見(jiàn)表3。

表1 新戊基多元醇酯(NPE-3)的理化性能

表2 二烴基五硫化物(RC2540)的理化性能

表2中粘度指數(shù)的測(cè)試條件為40℃，密度指數(shù)測(cè)試條件為20℃。

表3 磷系添加劑(P120)的理化性能

表3中粘度指數(shù)的測(cè)試條件為100℃，密度指數(shù)測(cè)試條件為20℃。

硼酸酯(BN)具有優(yōu)良的極壓抗磨性能，作為含氮硼系添加劑，硼酸酯中N與B原子以配位鍵結(jié)合，增加了硼酸酯的水解穩(wěn)定性，也提高了潤(rùn)滑油的抗磨性能。硼酸酯中各元素百分含量分別為C：65.11%、H：9.32%、B：1.83%、N：4.75%、O：8.14%、S：10.85%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 潤(rùn)滑劑的極壓抗磨試驗(yàn)

本研究使用四球試驗(yàn)機(jī)測(cè)試油樣，采用最大無(wú)卡咬負(fù)荷(Pb)、長(zhǎng)磨磨斑直徑(WSD)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的極壓抗磨性能。四球試驗(yàn)機(jī)為廈門(mén)試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)為SM-800；試驗(yàn)用鋼球?yàn)樯虾ｄ撉驈S生產(chǎn)，直徑12.7mm，材料GCr15，Ⅱ級(jí)精度，硬度為(60±2)HRC。試驗(yàn)中長(zhǎng)磨測(cè)試采取的負(fù)荷/時(shí)間參數(shù)分別為392N/60min 和441 N/30min。

1.2.2 均勻設(shè)計(jì)方法

均勻設(shè)計(jì)[4]是只考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可以較好地實(shí)現(xiàn)用最少的試驗(yàn)取得關(guān)于系統(tǒng)盡可能充分的信息這一試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1.2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法

BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。BP網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系，而無(wú)需事前揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。它的學(xué)習(xí)規(guī)則是使用最速下降法，通過(guò)反向傳播來(lái)不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。

表4 新戊基多元醇酯(NPE-3)中添加三種添加劑的配比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果

為了使新戊基多元醇酯基礎(chǔ)油加入三種添加劑的含量配比相對(duì)優(yōu)良，本文在均勻設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行優(yōu)化，有效地從配比各因素間找到一種非線性關(guān)系，操作性強(qiáng)，具有一定的實(shí)用性。

根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)新戊基多元醇酯基礎(chǔ)油中三種添加劑的含量配比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化過(guò)程如圖1所示。

圖1a為硼酸酯(BN)、二烴基五硫化物(RC2540)、磷系添加劑(P120)的權(quán)值閥值圖。設(shè)定期望輸出誤差為0.001，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)選取6個(gè)。對(duì)該組數(shù)據(jù)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行仿真[6]，圖1b為硼酸酯(BN)、二烴基五硫化物(RC2540)、磷系添加劑(P120)的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練曲線圖。優(yōu)化訓(xùn)練次數(shù)為39584次，在誤差為0.03102時(shí)，所得曲線優(yōu)化結(jié)果較好。然后，根據(jù)優(yōu)化出的添加劑含量配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真優(yōu)化和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖1 新戊基多元醇脂中添加三種添加劑含量配比的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程

2 結(jié)果與討論

表6為新戊基多元醇酯NPE-3中添加硼酸酯BN、二烴基五硫化物RC2540、磷系添加劑P120的含量配比優(yōu)化仿真預(yù)測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的百分誤差。

由表6可知，卡咬負(fù)荷PB除第1、第3組的誤差較大，分別達(dá)到15.4%和24.84%，磨斑直徑WSD除第3、第5組392N/60min下的誤差較大，分別達(dá)到11.73%和10.99%以外，其余組的誤差均相對(duì)較小。研究表明，仿真結(jié)果與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好符合性。對(duì)誤差作綜合比較，第4組的最小，可認(rèn)為含量配比最佳。

表5 新戊基多元醇酯中添加三種添加劑的仿真優(yōu)化和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 優(yōu)化仿真預(yù)測(cè)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差 %

在新戊基多元醇酯基礎(chǔ)油中按最佳含量配比組合添加0.4%硼酸酯、0.3%二烴基五硫化物、0.3%磷系添加劑時(shí)，四球試驗(yàn)測(cè)得的最大卡咬負(fù)荷PB為1061N，長(zhǎng)磨磨斑直徑WSD在392N/60min時(shí)為0.377mm，在441N/30min時(shí)為0.387mm。

圖2為加入不同單一添加劑及較好含量配比組合添加劑的油樣，經(jīng)歷長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)(長(zhǎng)磨時(shí)間為60min，載荷為392N)后，測(cè)得的試驗(yàn)鋼球上磨斑的掃描電子顯微鏡(SEM)磨痕形貌照片和相應(yīng)磨痕表面的能譜圖[7]。

從圖2a、圖2c、圖2e可以看出，當(dāng)只加入一種添加劑時(shí)，長(zhǎng)磨試驗(yàn)的磨斑直徑均較大，分別為0.780mm、0.634mm、0.567mm，各磨痕表面犁溝較深，磨斑邊緣有摩擦磨損產(chǎn)物堆積。從圖2g看出，硼酸酯、二烴基五硫化物、磷系添加劑三種添加劑按較好含量配比組合加入，發(fā)揮出非常好的效果，磨斑直徑僅為0.387mm，且顯現(xiàn)為很淺的規(guī)則圓形，表面劃痕均勻細(xì)小，磨斑邊緣輪廓清晰，幾乎不見(jiàn)摩擦磨損產(chǎn)物堆積。

圖2 不同添加劑及組合油樣的鋼球磨斑SEM形貌照片和能譜圖

磨斑的能譜圖(圖2b、圖2d、圖2f、圖2h)可知，在磨痕表面上不同程度地檢測(cè)出各添加劑所含元素，表明在對(duì)油樣進(jìn)行四球試驗(yàn)過(guò)程中，添加劑與摩擦副表面會(huì)發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)而生成表面膜，可以起到保護(hù)鋼球、減小磨痕、提高潤(rùn)滑劑承載能力的作用。其中，硼酸酯BN、二烴基五硫化物RC2540、磷系添加劑P120三種添加劑，在改善新戊基多元醇酯NPE-3基礎(chǔ)油的極壓抗磨性方面有較好的協(xié)同作用。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用均勻設(shè)計(jì)法確定了合理有效的極壓抗磨試驗(yàn)方案；用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)三種添加劑含量配比進(jìn)行優(yōu)化，仿真預(yù)測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的符合性。

(2)結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)研究，獲得了新戊基多元醇酯基礎(chǔ)油中添加硼酸酯、二烴基五硫化物、磷系添加劑的最佳含量配比。

(3)本文研究表明含氮硼系添加劑與硫磷系添加劑在改善潤(rùn)滑油的極壓抗磨性能方面有較好的協(xié)同作用。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Study on Synergy by Boric Acid Ester and Parathion Series Additives in Neopentyl Polyol Ester

SI Hang，LI Baishu，CHEN Zhuojun

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

In order to improve the extreme pressure anti-wear properties of automobile gear lubricating oil,three kinds of additives such as Boric acid ester(BN),Two alkyl five sulfides(RC2540)and Phosphorus additive(P120)were added in Neopentyl polyol ester as the base oil.The uniform design method was used to determine the experiment scheme and the BP neural network algorithm was used to optimize ratio of content,then the verification tests for the ratio of content were carried out.The best matching ratio of content:0.40% Boric acid ester,0.3% Two alkyl five sulfides and 0.3% Phosphorus additive was screened out according to the extreme pressure anti-wear performance.The experimental result indicates that boric acid ester additives have good synergy with parathion series additives in the Neopentyl polyol ester.

neopentyl polyo ester；boric acid ester；uniform design method；extreme pressure anti-wear properties；synergy

2015-05-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51245012)；清華大學(xué)摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(13A10)

司行(1988—)，男，碩士研究生；通訊作者：陳卓君(1957—)，女，教授，博士，研究方向：耐磨新技術(shù)。

1003-1251(2016)04-0051-05

TE626

A