脲基脂潤滑下球軸承導(dǎo)電性能的研究

陳治，馮強(qiáng)，吳寶杰，劉建龍

(中國石化潤滑油有限公司 潤滑脂分公司，天津 300480)

0 前言

交流發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是普遍使用的動(dòng)力設(shè)備，而電動(dòng)機(jī)軸承潤滑脂則是保證電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。電動(dòng)機(jī)軸承的主要失效形式包括疲勞、磨損、塑性變形、腐蝕和電蝕等，其中疲勞、磨損、腐蝕、燒傷主要與潤滑脂的品質(zhì)有關(guān)，塑性變形和保持架損壞主要與軸承材料有關(guān)，電蝕主要與軸電流有關(guān)。電蝕是造成交流發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸承過早失效的因素之一，這是因?yàn)殡娢g產(chǎn)生的金屬粒子導(dǎo)致滾動(dòng)面粗糙，潤滑脂變質(zhì)，從而增大軸承的振動(dòng)和噪聲[1]。針對滾動(dòng)軸承軸電流問題，現(xiàn)階段主要從電導(dǎo)通和電絕緣兩方面解決：電導(dǎo)通方面，通過絕緣薄油膜參數(shù)最小化，采用導(dǎo)電脂和導(dǎo)電密封等降低擊穿電壓；電絕緣方面，通過絕緣薄油膜參數(shù)最大化，采用絕緣材料等提高擊穿電壓。油膜參數(shù)的控制隨潤滑劑、轉(zhuǎn)速、溫度及載荷而變化，難以控制。選取導(dǎo)電密封，密封圈會(huì)與運(yùn)動(dòng)軸承內(nèi)圈或外圈接觸磨損，導(dǎo)致導(dǎo)電性失效，而絕緣材料的使用對于加工精度、成本控制有著較高要求。因此，在保證潤滑脂抗漏失性、導(dǎo)電衰減率低的前提下，應(yīng)用導(dǎo)電脂是抑制軸電流最簡單直接的有效辦法。

潤滑脂的定義是將稠化劑分散在液體潤滑劑內(nèi)的固體或半流體產(chǎn)品，還可以加入其他組分(添加劑、填料等)，使之賦有特殊的性質(zhì)[2]。文獻(xiàn)[3]研究了納米碳管導(dǎo)電硅脂和石墨烯導(dǎo)電硅脂的性能，在添加量相同時(shí)，納米碳管對硅脂滴點(diǎn)、導(dǎo)電性和摩擦學(xué)性能的改善優(yōu)于石墨烯，當(dāng)納米碳管和石墨烯含量均為0.2%時(shí)，制備的導(dǎo)電硅脂具有更優(yōu)異的抗磨減摩性能。文獻(xiàn)[4]研究了導(dǎo)電復(fù)合鋰基潤滑脂的制備及性能，選用的有機(jī)導(dǎo)電介質(zhì)不但降低了體積電阻，形成的摩擦保護(hù)膜也提高了其潤滑性能。文獻(xiàn)[5]研究了離子液體在潤滑脂中的導(dǎo)電性和摩擦學(xué)性能，制備以離子液體為基礎(chǔ)油，以高堿值復(fù)合磺酸鈣為稠化劑的導(dǎo)電潤滑脂，并考察其體積電阻率、接觸電阻等導(dǎo)電性。文獻(xiàn)[6]以聚環(huán)氧乙烷聚環(huán)氧丙烷單丁基醚(PAG)為基礎(chǔ)油，聚四氟乙烯為稠化劑，分別以氣相生長碳纖維(VGCF)、銀粉和銅粉作為導(dǎo)電填料，制備了電力復(fù)合脂，研究了氣相生長碳纖維作為潤滑脂導(dǎo)電填料的摩擦學(xué)性能。文獻(xiàn)[7]以碳納米材料作為導(dǎo)電劑，制備軸承導(dǎo)電潤滑脂，通過小型軸承通電旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)評價(jià)其防電蝕的性能，具有導(dǎo)電性潤滑脂的軸承上有電流通過時(shí)，由于滾動(dòng)接觸部分形成了通電路徑，降低了滾動(dòng)接觸部分的電流密度，有利于抑制軸承電蝕。

目前，導(dǎo)電材料對潤滑脂的導(dǎo)電性和摩擦性能的影響已有大量研究。聚脲潤滑脂具有優(yōu)良的氧化安定性，非常適用于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備對長壽命潤滑的需求，被認(rèn)為是21世紀(jì)具有發(fā)展?jié)摿Φ臐櫥籟8]；但脲基脂組分對球軸承導(dǎo)電性能影響的研究較少，且現(xiàn)階段潤滑脂的導(dǎo)電性測試大多以靜態(tài)體積電阻率為主，無法動(dòng)態(tài)模擬軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中外圈-球-內(nèi)圈的導(dǎo)電性能。靜態(tài)體積電阻率主要適用于含有大量導(dǎo)電填料的潤滑劑，其形成電導(dǎo)通道的穩(wěn)定性好。對于導(dǎo)電填料含量少的潤滑劑，形成電導(dǎo)通道的穩(wěn)定性差，測試結(jié)果離散性較大，而過多的導(dǎo)電類固體添加劑會(huì)增加滾動(dòng)軸承的磨粒磨損風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文自主搭建脂潤滑球軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性測試試驗(yàn)臺(tái)，通過基礎(chǔ)油黏度、有機(jī)胺類型調(diào)控脲基脂性能，并基于脂潤滑球軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測試方法考察不同無機(jī)碳系導(dǎo)電填料脲基脂潤滑下球軸承的導(dǎo)電性；借助油脂滾筒安定性試驗(yàn)臺(tái)模擬高溫滾壓工況，測試不同導(dǎo)電劑脲基脂高溫滾壓后的動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

基礎(chǔ)油A(40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為100 mm2/s，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為12 mm2/s)與基礎(chǔ)油B(40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為80 mm2/s，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為7 mm2/s)屬于同類合成基礎(chǔ)油。極性強(qiáng)的基礎(chǔ)油制成的脂利于電荷傳導(dǎo)，導(dǎo)電率好[9]。脲基脂由稠化劑A(脂肪胺)、稠化劑B(芳香胺)、稠化劑C(脂環(huán)胺)分別與二苯基甲烷二異氰酸酯反應(yīng)制得。無機(jī)碳系導(dǎo)電填料為導(dǎo)電劑A、導(dǎo)電劑B，均為黑色粉末，基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)電劑技術(shù)參數(shù)

將不同有機(jī)胺、二苯基甲烷二異氰酸酯、基礎(chǔ)油和導(dǎo)電劑按一定比例加入反應(yīng)釜中，60～70 ℃反應(yīng)1 h，升溫至160 ℃，經(jīng)成脂、煉制、研磨分散等過程制備成潤滑脂樣品。潤滑脂制備時(shí)，依據(jù)GB/T 269—1991《潤滑脂和石油脂錐入度測定法》控制潤滑脂的60次工作錐入度為265～295(0.1 mm)，而鋼網(wǎng)分油采用NB/SH/T 0324—2010《潤滑脂分油的測定 錐網(wǎng)法》測試。試驗(yàn)所用潤滑脂樣品組成及特性見表2。

表2 潤滑脂樣品組成及特性

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 微觀形貌測試

采用日本電子株式會(huì)社的掃描顯微鏡觀察所制備的脲基脂稠化劑的微觀形貌，取少量潤滑脂樣品黏附在銅網(wǎng)上，然后浸入正庚烷中洗脫基礎(chǔ)油，直至潤滑脂中的基礎(chǔ)油洗脫干凈，室溫干燥后，將樣品噴金處理，進(jìn)行觀察。

1.2.2 動(dòng)態(tài)脂潤滑軸承擊穿電壓測試

搭建脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)原理如圖1所示。底座為絕緣材料，主軸為鋼質(zhì)材料，電動(dòng)機(jī)通過絕緣聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)軸與2套軸承旋轉(zhuǎn)，正負(fù)極分別連接2套軸承的外圈，電流在2套軸承外圈、內(nèi)圈、軸之間形成回路，串聯(lián)一個(gè)限流保護(hù)電阻R0，通過電流表和電壓表記錄電路的電流值、電壓值。

圖1 脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能試驗(yàn)原理示意圖

測量時(shí)，首先啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)并調(diào)整至試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，然后調(diào)整可編程直流電源以0.1 V為步進(jìn)值從0增大至1 V，超過1 V后以0.5 V步進(jìn)值增加至潤滑膜被擊穿，記錄對應(yīng)的電壓值和電流值，試驗(yàn)條件見表3。

表3 脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性試驗(yàn)條件

1.2.3 潤滑脂滾動(dòng)安定性

采用滾筒試驗(yàn)機(jī)對添加了不同無機(jī)碳系導(dǎo)電填料的脲基脂進(jìn)行滾壓測試，試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。測試時(shí)滾筒內(nèi)加入50 g潤滑脂樣品，放入5 kg的鋼質(zhì)圓柱，封好端蓋，放置在托輥上并在120 ℃下運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(轉(zhuǎn)速165 r/min)鋼質(zhì)圓柱會(huì)持續(xù)輾壓潤滑脂，48 h后結(jié)束試驗(yàn)，取出樣品測試導(dǎo)電性。

圖2 滾筒試驗(yàn)機(jī)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 稠化劑微觀形貌

借助掃描電子顯微鏡觀測稠化劑A，B，C的微觀形貌，如圖3所示：脲基稠化劑A為纖維狀，脲基稠化劑B為短針狀，脲基稠化劑C為紡錘體狀。

(a)稠化劑A

2.2 基礎(chǔ)油黏度對潤滑脂導(dǎo)電特性的影響

利用脂潤滑球軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性試驗(yàn)臺(tái)，測試同一稠化劑類型不同基礎(chǔ)油黏度的潤滑脂樣品(1#，2#)的導(dǎo)電特性，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同基礎(chǔ)油黏度潤滑脂的導(dǎo)電特性

初始階段軸承外圈-鋼球-內(nèi)圈處于絕緣狀態(tài)，軸承兩端的電壓等于電源電壓；當(dāng)電源電壓升高至擊穿電壓時(shí)，擊穿瞬間電路導(dǎo)通，軸承電阻值迅速下降。軸承電阻值發(fā)生突變且電流值隨電源電壓增加呈線性增大時(shí)的臨界電壓即為潤滑脂潤滑膜的擊穿電壓。采用同一脲基稠化劑不同黏度基礎(chǔ)油制備的潤滑脂，隨著基礎(chǔ)油黏度的增加，擊穿電壓顯著提高。由于基礎(chǔ)油黏度增加，600 r/min低速下球軸承接觸區(qū)油膜厚度提高，軸承絕緣性能增強(qiáng)，擊穿電壓變大。

2.3 稠化劑類型對潤滑脂導(dǎo)電特性的影響

利用脂潤滑球軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性試驗(yàn)臺(tái)，測試同一基礎(chǔ)油黏度不同稠化劑類型的潤滑脂樣品(2#，3#，4#)的導(dǎo)電特性，結(jié)果如圖5所示。在相同基礎(chǔ)油黏度下，形貌為短針狀的3#稠化劑的擊穿電壓最低，約19.5 V；形貌為纖維狀的2#稠化劑擊穿電壓最大，達(dá)到29.5 V；形貌為紡錘體狀的4#稠化劑的擊穿電壓約29.0 V。

圖5 不同稠化劑類型潤滑脂的導(dǎo)電特性

2.4 導(dǎo)電劑材料對潤滑脂導(dǎo)電特性的影響

利用脂潤滑球軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性試驗(yàn)臺(tái)，測試同一稠化劑類型、同一基礎(chǔ)油黏度、不同導(dǎo)電劑的潤滑脂樣品(4#，5#，6#)的導(dǎo)電特性，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同導(dǎo)電劑潤滑脂的導(dǎo)電特性

添加1%導(dǎo)電劑A的5#樣品，將擊穿電壓從29.0 V降至13.0 V，而添加1%導(dǎo)電劑B的6#樣品則將擊穿電壓降至3.0 V，導(dǎo)電率提高約4～5倍。這是因?yàn)樘罴訜o機(jī)碳系導(dǎo)電材料可降低脲基脂擊穿電壓，不同碳系材料的導(dǎo)電效率存在差異，其受到材料粒徑、結(jié)構(gòu)、比表面積等因素的影響。

在脂潤滑球軸承使用中，采用無機(jī)碳系導(dǎo)電填料的導(dǎo)電脂會(huì)受機(jī)械剪切、輾壓和高溫聚合等因素的影響出現(xiàn)導(dǎo)電性衰減的狀況。借助油脂滾動(dòng)試驗(yàn)機(jī)模擬高溫輾壓工況，測試不同導(dǎo)電劑脲基脂在120 ℃，48 h高溫滾壓后的動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性，結(jié)果如圖7所示。5#樣品(滾壓后)擊穿電壓從滾壓前的13.0 V下降至7.5 V，高溫滾壓下導(dǎo)電性能提高約40%，而6#樣品(滾壓后)擊穿電壓從3.0 V上升至4.0 V，導(dǎo)電性能變化不明顯。

圖7 滾壓后不同導(dǎo)電劑潤滑脂的導(dǎo)電特性

借助光學(xué)顯微鏡，觀測5#，6#樣品滾壓前后脲基脂導(dǎo)電填料粒徑，如圖8所示。

由圖8可知，在相同放大倍數(shù)下，5#樣品(添加導(dǎo)電劑A)滾壓后導(dǎo)電劑平均粒徑變大，從碳系填料自身的0.030～0.045 μm變至5～6 μm，高溫滾壓出現(xiàn)聚合，更接近微米級(jí)油膜厚度，增加了電導(dǎo)通道形成率，而6#樣品(添加導(dǎo)電劑B)滾壓后導(dǎo)電劑平均粒徑變化不明顯，且分散均勻，電導(dǎo)通道衰減率較低。

(a)5#(滾壓前)

2.5 討論

脲基潤滑脂的導(dǎo)電性能與多種因素有關(guān)，如稠化劑結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)油黏度和無機(jī)導(dǎo)電填料等。稠化劑結(jié)構(gòu)主要通過影響潤滑脂的分油能力和流動(dòng)性能進(jìn)而影響球軸承的動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能；無機(jī)導(dǎo)電填料便于在球軸承接觸區(qū)微米級(jí)油膜內(nèi)形成電荷傳導(dǎo)通道。

球軸承接觸區(qū)油膜由基礎(chǔ)油和稠化劑纖維共同形成。潤滑脂可通過分油或者接觸區(qū)內(nèi)潤滑脂稠化劑纖維結(jié)構(gòu)的破壞釋放基礎(chǔ)油，同時(shí)潤滑脂自生的稠化劑沉積膜也可保證溝道內(nèi)“脂膜”堅(jiān)硬[10]。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)圈-鋼球-外圈脂膜厚度直接決定了潤滑脂的擊穿電壓，脂膜厚時(shí)擊穿電壓大，脂膜薄時(shí)擊穿電壓小。在基礎(chǔ)油類型、黏度相同的情況下，纖維狀脲基稠化劑分子間結(jié)合力強(qiáng)且交聯(lián)緊密，形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)油束縛能力強(qiáng)，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)初期潤滑脂分油少，但在外力作用時(shí)，稠化劑纖維易破壞從而加速分油[11]，同時(shí)脲基稠化劑與軸承溝道金屬間極性吸附力強(qiáng)，會(huì)增強(qiáng)稠化劑沉積膜的厚度，擊穿電壓大；反之短針狀稠化劑分子間結(jié)合力弱，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)油束縛能力弱，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)潤滑脂分油大，受到外力作用時(shí)，稠化劑纖維不易解體，稠度變化小，與軸承溝道金屬間極性吸附力弱，稠化劑沉積膜薄，擊穿電壓小。

3 結(jié)論

搭建脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能試驗(yàn)機(jī)，基于脂潤滑球軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測試方法，考察稠化劑類型、基礎(chǔ)油黏度對脲基脂導(dǎo)電性的影響，同時(shí)評定不同無機(jī)碳系填料對脲基脂導(dǎo)電性的差異，主要結(jié)論如下：

1)脲基脂潤滑下球軸承導(dǎo)電性能與稠化劑結(jié)構(gòu)有較大相關(guān)性，脲基脂分油越小，擊穿電壓越大。

2)采用相同脲基稠化劑，不同基礎(chǔ)油黏度擊穿電壓不同，黏度大時(shí)擊穿電壓顯著提高。

3)受到導(dǎo)電劑材料粒徑、結(jié)構(gòu)、比表面積等因素影響，不同無機(jī)碳系填料的脲基脂擊穿電壓不同，且經(jīng)高溫滾壓后出現(xiàn)不同程度的導(dǎo)電性增強(qiáng)或衰減。