長(zhǎng)壽命輪轂軸承潤(rùn)滑脂的性能分析

石俊峰，劉建龍，李興林，康軍，吳寶杰

（1.中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司天津分公司，天津 300480；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，杭州 310022；3.機(jī)械工業(yè)軸承產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心（杭州），杭州 310022）

汽車輪轂軸承潤(rùn)滑脂的發(fā)展經(jīng)歷了鈣基脂→鋰基脂→復(fù)合皂基脂（聚脲基脂）的過(guò)程，各國(guó)因發(fā)展程度不同，汽車用潤(rùn)滑脂的標(biāo)準(zhǔn)在不同時(shí)期有很大差別。為滿足汽車工業(yè)全局性規(guī)范化發(fā)展要求，1989年國(guó)際汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）、美國(guó)試驗(yàn)和材料協(xié)會(huì)（ASTM）和國(guó)際潤(rùn)滑脂協(xié)會(huì)（NLGI）三方聯(lián)合，統(tǒng)一了汽車潤(rùn)滑脂分類，制定了汽車用潤(rùn)滑脂標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 4950［1］，其中輪轂軸承潤(rùn)滑脂劃分成GA，GB，GC這3個(gè)等級(jí)。隨著汽車行業(yè)整體技術(shù)和單元化發(fā)展要求及道路條件的改善，現(xiàn)代汽車向著高速、重載、節(jié)能及環(huán)保方面發(fā)展，汽車行業(yè)潤(rùn)滑脂的發(fā)展方向是以復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂、聚脲潤(rùn)滑脂等高檔潤(rùn)滑脂為主流產(chǎn)品，工業(yè)界也提出了“終身潤(rùn)滑”要求。

目前，國(guó)內(nèi)商用車輪轂軸承潤(rùn)滑脂主要以鋰基脂和復(fù)合鋰基脂為主，能夠滿足ASTM D 4950中GC標(biāo)準(zhǔn)的潤(rùn)滑脂很少。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的崛起和汽車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)汽車用潤(rùn)滑脂的長(zhǎng)壽命和耐溫性能提出了更苛刻的要求，尤其是高速重載下的輪轂軸承，對(duì)潤(rùn)滑劑的高溫性、防護(hù)性、極壓抗磨性、黏附性、長(zhǎng)壽命等提出了更高的要求。現(xiàn)通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑脂的機(jī)械安定性、抗水性、分油特性和流變性能的分析，結(jié)合行車試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，考察輪轂軸承潤(rùn)滑脂壽命的影響因素。

1 試驗(yàn)

輪轂軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度范圍為60～90℃，當(dāng)軸承出現(xiàn)潤(rùn)滑不良或異常磨損時(shí)，溫度會(huì)升高，有時(shí)達(dá)到120℃。根據(jù)輪轂軸承的運(yùn)行溫度和環(huán)境溫度，以下部分試驗(yàn)的溫度范圍為20～120℃。

1.1 試樣

試驗(yàn)選取4種潤(rùn)滑脂，均為商用車輪轂軸承使用的成熟產(chǎn)品，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。其中試樣A和B滿足ASTM D 4950中的GB標(biāo)準(zhǔn)，試樣C和D滿足GC標(biāo)準(zhǔn)，試樣C是通過(guò)稠化劑結(jié)構(gòu)改進(jìn)劑生產(chǎn)的新型復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑脂均為礦物油制備的皂基潤(rùn)滑脂，并包含功能性的添加劑。將4種潤(rùn)滑脂試樣分別裝填入汽車輪轂軸承中進(jìn)行行車試驗(yàn)，試驗(yàn)軸承的參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 潤(rùn)滑脂樣品的性能指標(biāo)Tab.1 Performance indicators of grease samples

表2 試驗(yàn)軸承參數(shù)Tab.2 Parameters of test bearings

1.2 試驗(yàn)條件及方法

1.2.1 潤(rùn)滑脂性能測(cè)試

潤(rùn)滑脂理化指標(biāo)的試驗(yàn)方法見(jiàn)表3。

表3 潤(rùn)滑脂性能測(cè)試方法Tab.3 Testingmethods for performances of greases

2 結(jié)果與分析

1.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)

采用舍弗勒公司的FAG FE8臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)條件見(jiàn)表4，對(duì)試驗(yàn)軸承施加軸向力Fa，通過(guò)設(shè)備自帶的傳感器，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦力、溫度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

表4 臺(tái)架試驗(yàn)條件Tab.4 Conditions of bench test

2.1 機(jī)械安定性

通過(guò)106次剪切和滾筒試驗(yàn)測(cè)試潤(rùn)滑脂樣品的機(jī)械安定性，結(jié)果如圖1所示。由圖可知，潤(rùn)滑脂A的機(jī)械安定性最差，106次剪切的錐入度增大了51單位，滾筒試驗(yàn)后的錐入度增大了83單位；潤(rùn)滑脂B在實(shí)際使用中經(jīng)常發(fā)生甩脂流失現(xiàn)象，主要原因是其剪切安定性差；潤(rùn)滑脂C的機(jī)械安定性最好，106次剪切后的錐入度增大了12單位，滾筒試驗(yàn)后的錐入度增大了27單位，通過(guò)改進(jìn)稠化劑的皂纖維結(jié)構(gòu)，制備的潤(rùn)滑脂C的皂纖維更加緊密，抗剪切能力更強(qiáng)，解決了復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂在高速、重載環(huán)境下機(jī)械安定性差的問(wèn)題。

圖1 機(jī)械安定性的測(cè)試結(jié)果Fig.1 Testing results ofmechanical stability

1.2.3 行車試驗(yàn)

選擇4輛相同型號(hào)的六軸重載商用車進(jìn)行行車試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見(jiàn)表5。潤(rùn)滑脂裝填在后面3根承重車橋上，在相同路況下對(duì)比4種潤(rùn)滑脂的實(shí)際使用性能。

2.2 流變學(xué)測(cè)試

潤(rùn)滑脂是由基礎(chǔ)油和稠化劑形成的膠體結(jié)構(gòu)分散體系，屬于非Newton流體，具有復(fù)雜的流變學(xué)特性。在流變學(xué)中涉及2個(gè)重要參數(shù)：彈性模量G′和黏性模量G″。潤(rùn)滑脂被微小幅度的力量作用時(shí)，由于受到的剪切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，稠化劑結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞，G′和G″均為穩(wěn)定數(shù)值，且G′大于G″，說(shuō)明潤(rùn)滑脂在靜止或受到很小剪切應(yīng)力時(shí)，其彈性占主導(dǎo)地位，潤(rùn)滑脂以固體性質(zhì)為主導(dǎo)。隨著剪切應(yīng)力不斷增大，G′和G″開(kāi)始減小，且G′的減小速度比G″快。當(dāng)G′和G″相等時(shí)為潤(rùn)滑脂的流動(dòng)點(diǎn)，在流動(dòng)點(diǎn)之后（即G′＜G″時(shí)），潤(rùn)滑脂的流變性由彈性為主導(dǎo)逐漸變成以黏性為主導(dǎo)，潤(rùn)滑脂開(kāi)始呈現(xiàn)流動(dòng)性質(zhì)［9］。不同溫度下，4種潤(rùn)滑脂在流動(dòng)點(diǎn)（G′＝G″）時(shí)的彈性模量G′和剪切應(yīng)變?chǔ)胒見(jiàn)表6。

潤(rùn)滑脂的結(jié)構(gòu)受溫度和剪切2種作用，由表6可知，在低溫（60℃以下）時(shí)，潤(rùn)滑脂結(jié)構(gòu)受溫度影響較小，主要是在剪切作用下，其結(jié)構(gòu)逐漸受到破壞，這是一個(gè)逐漸變化的過(guò)程，所以此時(shí)流動(dòng)點(diǎn)較低；在80～120℃內(nèi)，稠化劑膠團(tuán)顆粒膨化，使纖維對(duì)基礎(chǔ)油的束縛力相對(duì)增加，潤(rùn)滑脂總體上的彈性增強(qiáng)。

一般來(lái)說(shuō)，稠化劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠把基礎(chǔ)油維系在結(jié)構(gòu)中。潤(rùn)滑脂A，B，D均加有一定量的高分子增黏劑，聚合物類的添加劑能夠改善其保持能力。因此這3種潤(rùn)滑脂通過(guò)增黏劑的作用增強(qiáng)了其皂纖維的彈性，表現(xiàn)出較高的彈性模量數(shù)值，而且潤(rùn)滑脂B因其較高的增黏劑數(shù)量和特殊的聚合物類型一直表現(xiàn)出良好的彈性［10］。潤(rùn)滑脂C是改進(jìn)了皂纖維結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合鋰稠化劑，其形成的互穿的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加緊密，因此表現(xiàn)出良好的機(jī)械安定性、黏附性和抗水性，在輪轂軸承的實(shí)際使用中也顯示出較好的性能。

2.3 抗水性能

潤(rùn)滑脂具有一定的密封作用，能夠阻止少量的水進(jìn)入軸承。由于使用環(huán)境和車橋密封的原因，商用車輪轂軸承潤(rùn)滑脂會(huì)經(jīng)常接觸到水，水分進(jìn)入軸承會(huì)引起銹蝕，影響潤(rùn)滑油膜的連續(xù)性，破壞潤(rùn)滑脂結(jié)構(gòu)，造成其流失等嚴(yán)重問(wèn)題［11］。

潤(rùn)滑脂耐水噴霧試驗(yàn)前后結(jié)果如圖2所示。由圖可知，潤(rùn)滑脂A幾乎全部沖走，潤(rùn)滑脂B，C，D有不同程度的質(zhì)量損失，抗水性能和黏附性的順序是C＞D＞B＞A。

圖2 潤(rùn)滑脂耐水噴霧試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results water spray resistance of greases

耐水噴霧試驗(yàn)后潤(rùn)滑脂流失量如圖3所示。由圖可知，潤(rùn)滑脂A的質(zhì)量損失為98.45%；潤(rùn)滑脂B的質(zhì)量損失為59.11%，其抗水性能比潤(rùn)滑脂A提升了40%；潤(rùn)滑脂C的質(zhì)量損失為10.35%，其抗水性能比潤(rùn)滑脂B提升了82%以上，此外，其抗水性和黏附性能也優(yōu)于潤(rùn)滑脂D。

圖3 潤(rùn)滑脂流失量Fig.3 Loss amount of greases

2.4 分油性能

對(duì)于商用車圓錐滾子軸承，按照DIN 51817測(cè)得的潤(rùn)滑脂40℃下最適合的分油量為1% ～3%［12］。4種潤(rùn)滑脂在不同溫度下的分油量如圖4所示。由圖可知，在40℃下，潤(rùn)滑脂A，C，D的分油量在1%～3%的范圍內(nèi)；而潤(rùn)滑脂B的分油量明顯不足。

圖4 潤(rùn)滑脂在不同溫度下的分油量Fig.4 Oil separation mass of greases under different temperatures

潤(rùn)滑脂的分油能力取決于稠化劑的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)油黏度，使用中受溫度、載荷、轉(zhuǎn)速的影響。隨著溫度的升高，基礎(chǔ)油分子的Brown運(yùn)動(dòng)加劇，當(dāng)基礎(chǔ)油分子的熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到能夠擺脫皂纖維的束縛后，潤(rùn)滑脂的分油量急劇增加。因此，隨著溫度的升高，潤(rùn)滑脂的分油量呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。潤(rùn)滑脂A的分油量受溫度的影響最大，一方面是由于潤(rùn)滑脂A的基礎(chǔ)油黏度低于其他3種潤(rùn)滑脂；另一方面，鋰的皂分子束縛基礎(chǔ)油的能力弱于復(fù)合鋰皂分子。

在圓錐滾子軸承中，潤(rùn)滑脂主要集中在滾道附近和保持架上，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)離心力和表面張力分出的基礎(chǔ)油到達(dá)Hertz接觸區(qū)，形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜，從而降低軸承溫升，起到良好潤(rùn)滑的作用［13］。臺(tái)架試驗(yàn)中裝有不同潤(rùn)滑脂的軸承溫度變化曲線如圖5所示。由圖可知，潤(rùn)滑脂A由于分油量較大，在運(yùn)行50 h之內(nèi)，軸承溫度平穩(wěn)在95℃左右；50 h后，由于鋰基脂的機(jī)械安定性和黏附性差等原因，沒(méi)有潤(rùn)滑脂的阻擋，分出的基礎(chǔ)油被甩出接觸區(qū)而造成“貧油”現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承的溫度升高。潤(rùn)滑脂B由于分油量不足，軸承的溫度始終在105～110℃波動(dòng)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加磨損不斷加劇，嚴(yán)重影響軸承的使用壽命。潤(rùn)滑脂C分油量較潤(rùn)滑脂B有了顯著增加，軸承的運(yùn)行溫度也降低了10℃以上，并且其分油量隨著溫度的升高平穩(wěn)增加，有助于對(duì)軸承產(chǎn)生持續(xù)的潤(rùn)滑作用，有利于延長(zhǎng)軸承的使用壽命。裝有潤(rùn)滑脂D的軸承運(yùn)行開(kāi)始時(shí)溫度較高，可能是因?yàn)檩S承的溫度有一部分來(lái)自潤(rùn)滑脂的攪動(dòng)熱，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，軸承溫度有明顯下降，80 h后由于其分油量過(guò)大或被氧化，軸承溫升又有增加的趨勢(shì)。

圖5 臺(tái)架試驗(yàn)中軸承溫度變化曲線Fig.5 Variation curve of bearing temperatures during bench tests

2.5 行車試驗(yàn)

裝有潤(rùn)滑脂A的試驗(yàn)車輛行駛到7×104km時(shí)，輪轂外部出現(xiàn)明顯的析油現(xiàn)象，輪轂軸承振動(dòng)增加，磨損嚴(yán)重，由此判斷潤(rùn)滑脂A達(dá)到使用壽命，終止試驗(yàn)，取樣分析。其他3種潤(rùn)滑脂均行駛2×105km后無(wú)明顯甩出潤(rùn)滑脂、析出油的現(xiàn)象，潤(rùn)滑脂B，C，D行駛2×105km結(jié)束試驗(yàn)，取樣分析。

行車試驗(yàn)后4種潤(rùn)滑脂的理化指標(biāo)見(jiàn)表7。由表可知，潤(rùn)滑脂A和B的滴點(diǎn)下降最明顯，下降約10℃，潤(rùn)滑脂C和D的滴點(diǎn)變化不明顯，下降2℃左右；潤(rùn)滑脂A的錐入度變化最大，增大了42單位，潤(rùn)滑脂C的錐入度變化最小，只增大了15單位。與潤(rùn)滑脂B相比，在實(shí)際行車中潤(rùn)滑脂C的剪切安定性提高了47%。4種潤(rùn)滑脂行車試驗(yàn)后的錐入度變化趨勢(shì)與機(jī)械安定性的分析結(jié)果一致。

表7 行車試驗(yàn)后潤(rùn)滑脂的理化指標(biāo)Tab.7 Physicochemical indicators of greases after road tests

行車試驗(yàn)前、后潤(rùn)滑脂的皂纖維結(jié)構(gòu)分別如圖6、圖7所示。滴點(diǎn)和錐入度下降主要是因?yàn)闈?rùn)滑脂在輪轂軸承中受到長(zhǎng)時(shí)間的剪切，皂纖維被破壞（圖7），使?jié)櫥脑矸肿邮`基礎(chǔ)油的能力下降。與行車試驗(yàn)前潤(rùn)滑脂的皂纖維結(jié)構(gòu)相比，潤(rùn)滑脂A的皂纖維破壞最嚴(yán)重，幾乎所有的皂纖維被剪斷；潤(rùn)滑脂B的大部分皂纖維被剪斷，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的主體被破壞；由于潤(rùn)滑脂C的皂分子間結(jié)合力更強(qiáng)，因此其破壞程度明顯較輕，仍存在大量完整的皂纖維結(jié)構(gòu)；潤(rùn)滑脂D的皂纖維主體破壞，大量長(zhǎng)纖維被剪斷，一些扭繩結(jié)構(gòu)變松散，繼續(xù)使用可能會(huì)造成潤(rùn)滑脂流失和軸承失效。

圖6 行車試驗(yàn)前潤(rùn)滑脂的皂纖維結(jié)構(gòu)（105×）Fig.6 Soap fiber structure of greases before road tests

圖7 行車試驗(yàn)后潤(rùn)滑脂的皂纖維結(jié)構(gòu)（105×）Fig.7 Soap fiber structure of greases after road tests

行車試驗(yàn)后裝有不同潤(rùn)滑脂的輪轂軸承外觀如圖8所示。由圖可知，使用潤(rùn)滑脂A的軸承無(wú)腐蝕和銹蝕現(xiàn)象，滾子有嚴(yán)重的磨損和變色。使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）對(duì)試驗(yàn)后潤(rùn)滑脂進(jìn)行金屬元素分析，潤(rùn)滑脂A鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.5%，這說(shuō)明與其他軸承相比，使用潤(rùn)滑脂A的軸承磨損較為嚴(yán)重。由于潤(rùn)滑脂A的耐高溫和機(jī)械安定性差，導(dǎo)致輪轂軸承磨損嚴(yán)重，使其發(fā)生早期失效。使用潤(rùn)滑脂B的軸承有磨損和輕微變色，這是由于潤(rùn)滑脂B的分油量不足，導(dǎo)致“貧油”現(xiàn)象。使用潤(rùn)滑脂D的軸承無(wú)明顯磨損，只有輕微的變色，這是由軸承運(yùn)行時(shí)的局部高溫引起。使用潤(rùn)滑脂C的軸承無(wú)變色和磨損現(xiàn)象，軸承表面光亮無(wú)明顯壓痕和凹坑。由此可知，潤(rùn)滑脂C能為輪轂軸承提供良好的潤(rùn)滑保護(hù)，完全滿足商用車輪轂軸承行駛2×105km的要求。

圖8 行車試驗(yàn)后軸承外觀Fig.8 Appearance of bearings after road tests

3 結(jié)論

通過(guò)改善稠化劑纖維間的結(jié)合強(qiáng)度，改進(jìn)了復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂的流變性能，使制備的新型復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂具有良好的機(jī)械安定性、抗水性、黏附性和防護(hù)性能。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了新型復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂的各項(xiàng)性能和實(shí)際使用效果。結(jié)果證明，該潤(rùn)滑脂能夠滿足商用車輪轂軸承2×105km的潤(rùn)滑要求，特別是在高溫、高速、重載等苛刻的條件下，能夠提高車輛行駛的可靠性和安全性。