軸承用有機(jī)硅潤滑脂貯存壽命評估

張新蘭 陳風(fēng)波 王姝瑛 許 文

(航天材料及工藝研究所 北京 100076)

軸承在我國航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其性能直接影響飛行器的工作狀態(tài)。為減小摩擦、降低磨耗、保證軸承的使用性能，常需要在軸承上涂敷潤滑材料。由于潤滑脂獨(dú)特的流變性，軸承的潤滑常選用潤滑脂作為運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的潤滑材料，以簡化其密封和潤滑系統(tǒng)[1]。

航天飛行器往往具有“長期貯存、一次使用”的特點(diǎn)，那么，長期貯存后潤滑脂材料是否仍然能夠?qū)︼w行器上關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一的軸承起有效的潤滑作用變得尤為重要。同時(shí)，為了盡量降低飛行器長期貯存期間整修檢查時(shí)拆卸軸承機(jī)構(gòu)帶來的人力、財(cái)力等成本，研究一種科學(xué)合理的潤滑脂貯存壽命評估方法，以確定材料經(jīng)長期貯存后是否仍能滿足使用要求，在工程應(yīng)用上具有重要意義。目前，已有較多關(guān)于軸承潤滑脂使用壽命的研究[2-6]，但是對于潤滑脂貯存壽命評估的相關(guān)報(bào)道卻相對較少[7-9]。

本文作者以某軸承用有機(jī)硅潤滑脂材料作為研究對象，探討潤滑脂貯存壽命的評估方法。有機(jī)硅潤滑脂是由烷基芳酰胺鹽稠化硅油制成，基本組成為硅油、烷基對苯二甲酸酰胺鈉鹽、抗氧劑。研究表明，潤滑脂材料的老化主要有2種形式，一是在熱作用或經(jīng)長期貯存后基礎(chǔ)油與稠化劑發(fā)生相分離，二是環(huán)境中氧、臭氧、紫外線、水等使得基礎(chǔ)油的氧化變質(zhì)。航天飛行器軸承用有機(jī)硅潤滑脂材料在貯存過程中主要受溫度及空氣的影響，因此主要的老化形式為第一種形式，即基礎(chǔ)油與稠化劑發(fā)生相分離，基礎(chǔ)油析出，導(dǎo)致潤滑脂質(zhì)量發(fā)生變化。因此，結(jié)合潤滑脂材料的使用工況及老化失效模式，文中采用熱空氣加速老化試驗(yàn)的方法，以潤滑脂質(zhì)量變化率作為評估判據(jù)對潤滑脂貯存壽命進(jìn)行評估，選取4個(gè)不同溫度作為加速應(yīng)力，利用老化動(dòng)力學(xué)模型及Arrhenius方程對潤滑脂的質(zhì)量變化率進(jìn)行擬合處理，評估得到潤滑脂的貯存壽命。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的某有機(jī)硅潤滑脂，為中國石化潤滑油有限公司生產(chǎn)，其理化指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 加速老化試驗(yàn)條件

采用熱空氣加速老化試驗(yàn)方法，測試有機(jī)硅潤滑脂質(zhì)量變化率。試驗(yàn)選取的4個(gè)溫度應(yīng)力水平為90、105、120、135 ℃，取樣周期為0、1、5、10、15、20、30、60、90天。

有機(jī)硅潤滑脂主要性能指標(biāo)加速老化試驗(yàn)于105 ℃下進(jìn)行，老化周期為0、40天。

1.3 性能測試方法

按GB/T 269-1991《潤滑脂和石油脂錐入度測定法》測試潤滑脂試樣錐入度；按GB/T 3498-2008《潤滑脂寬溫度范圍滴點(diǎn)測定法》測試潤滑脂試樣滴點(diǎn)；按SH/T 0331-2004《潤滑脂腐蝕試驗(yàn)法》測試潤滑脂試樣腐蝕性能；按SH/T 0337-2004《潤滑脂蒸發(fā)度試驗(yàn)法》測試潤滑脂試樣蒸發(fā)度；按SH/T 0335-2004方法用潤滑脂化學(xué)安定性測定器測試潤滑脂試樣化學(xué)安定性；參照SH/T 0324-2010《潤滑脂鋼網(wǎng)分油測定法(靜態(tài)法)》測試潤滑脂試樣質(zhì)量變化率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 潤滑脂老化前后主要性能數(shù)據(jù)

在105 ℃下對有機(jī)硅潤滑脂試樣進(jìn)行了熱空氣加速老化試驗(yàn)，試驗(yàn)后測得其主要性能(錐入度、滴點(diǎn)、蒸發(fā)度、腐蝕、化學(xué)安定性)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某有機(jī)硅潤滑脂材料加速老化試驗(yàn)前后性能數(shù)據(jù)Table 1 The properties of a organosilicon grease before and after accelerated aging test

從表1中可看出，該有機(jī)硅潤滑脂經(jīng)105 ℃老化40天后，主要性能指標(biāo)仍滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 質(zhì)量變化率

參照SH/T 0324-2010中規(guī)定的試驗(yàn)方法，將潤滑脂試樣按要求裝入鋼網(wǎng)分油器的鋼網(wǎng)(如圖1所示)中，而后將裝配好的鋼網(wǎng)分油器分別放入溫度為90、105、120、135 ℃恒溫箱中開始加速老化試驗(yàn)。老化試驗(yàn)到達(dá)預(yù)定的取樣周期點(diǎn)后，從老化箱中取出，冷卻后稱量鋼網(wǎng)中潤滑脂的質(zhì)量，按式(1)計(jì)算鋼網(wǎng)中潤滑脂的質(zhì)量變化率。

圖1 鋼網(wǎng)分油器Fig 1 Steel mesh oil separator

(1)

式中：Y為潤滑脂的質(zhì)量變化率；m1為潤滑脂質(zhì)量減少量，g；m2為潤滑脂初始試樣的質(zhì)量，g。

表2給出了4種高溫環(huán)境下加速老化試驗(yàn)所測得的潤滑脂的質(zhì)量變化率，圖2給出了4種加速老化溫度下，該有機(jī)硅潤滑脂質(zhì)量變化率隨時(shí)間的變化曲線。

表2 不同試驗(yàn)溫度下某有機(jī)硅潤滑脂的質(zhì)量變化率Table 2 Mass change fraction of a organosilicon grease at different ageing test temperature

圖2 某有機(jī)硅潤滑脂的質(zhì)量變化率隨加速老化時(shí)間變化曲線

Fig 2 Variation of mass change fraction of a organosilicon grease

with accelerated ageing time

從圖2可見，4種溫度下，經(jīng)過90天加速老化試驗(yàn)后，該潤滑脂質(zhì)量變化率隨老化時(shí)間延長而增大，并且溫度越高，變化速率越快。

3 貯存壽命評估

材料貯存期可根據(jù)老化后性能數(shù)據(jù)的處理和貯存壽命的外推評估。首先采用老化動(dòng)力學(xué)模型對潤滑脂質(zhì)量變化率與老化時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合。其公式為

1-Y=Ae-Kτα

(2)

式中：α為常數(shù)；τ為老化時(shí)間；K為老化速率；A為擬合常數(shù)；Y為潤滑脂質(zhì)量變化率。

由式(2)可擬合得到材料老化速率K。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在一定的溫度范圍內(nèi)，材料的老化速率與老化溫度的關(guān)系服從Arrhenius方程，即

K=A0e-E/(RT)

(3)

式中：T為老化溫度；E為材料活化能；A0為常數(shù)。

根據(jù)Arrhenius方程，可建立材料老化速率與老化溫度之間的關(guān)系，通過擬合外推可得到貯存溫度條件下的材料老化速率，并由此獲得貯存溫度下材料性能與貯存時(shí)間的關(guān)系式，進(jìn)而評估得到潤滑脂材料的貯存壽命。

應(yīng)用式(2)對該有機(jī)硅潤滑脂材料在熱空氣加速老化試驗(yàn)時(shí)各溫度下質(zhì)量變化率與老化時(shí)間進(jìn)行擬合，得到擬合方程，列于表3中。

表3 某有機(jī)硅潤滑脂質(zhì)量變化率對老化時(shí)間擬合方程Table 3 The simulating equations of mass change fraction to aging time

采用式(3)對各加速老化溫度下的老化速率與老化溫度進(jìn)行擬合回歸，外推得到25 ℃下的老化速率常數(shù)，并擬合得到25 ℃時(shí)有機(jī)硅潤滑脂質(zhì)量變化率與老化時(shí)間的關(guān)系方程，見表4。

表4 某有機(jī)硅潤滑脂質(zhì)量變化率與老化時(shí)間的 外推擬合方程Table 4 The extrapolated correlation between mass change fraction and ageing time of a organosilicon grease

由表1可知，材料在105 ℃下老化40天時(shí)材料的主要性能指標(biāo)仍滿足技術(shù)指標(biāo)要求。以該點(diǎn)作為貯存壽命外推臨界點(diǎn)，利用105 ℃下的擬合方程可得到，潤滑脂材料老化40天時(shí)對應(yīng)的質(zhì)量變化率為0.076，代入貯存溫度25 ℃時(shí)的外推擬合關(guān)系方程可計(jì)算得材料的貯存壽命為17年以上。

4 結(jié)論

(1)有機(jī)硅潤滑脂的質(zhì)量變化率隨老化時(shí)間的延長而呈規(guī)律性增大，且老化速率隨老化溫度升高而增大。

(2)通過老化動(dòng)力學(xué)模型及Arrhenius方程對老化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，外推得質(zhì)量變化率為0.076時(shí)潤滑脂材料在25 ℃下的貯存壽命為17年以上，此時(shí)，材料的各項(xiàng)主要性能仍滿足指標(biāo)要求。