潤滑脂特性與軸承噪聲關聯(lián)研究進展

劉大軍,李陽,姚立丹,孫婧瑋,尚小龍

(1.中石化石油化工科學研究院有限公司,北京 100083;2.北京興普精細化工技術開發(fā)有限公司,北京 100083)

在軸承設計、制造加工和裝配等技術取得飛速發(fā)展的背景下,低噪聲潤滑脂的問題更加凸顯。以往低噪聲潤滑脂的研究和開發(fā)集中在稠化劑、基礎油、添加劑、制備工藝及雜質等因素對噪聲的影響[1-9],這些研究雖然在組成和制備工藝等方面對噪聲的影響取得了一定認識和進展,但基本是從選擇原料和改變工藝條件等“表”相研究獲得經驗,而對潤滑脂特性和降噪機理等“本”相研究還不夠深入。文獻[10-13]從潤滑脂組成、結構和工藝等方面綜述潤滑脂對噪聲的影響,卻較少關注潤滑脂特性對軸承噪聲關聯(lián)研究進展的總結。同時,不同設備和方法評價潤滑脂對軸承噪聲影響時甚至存在矛盾的結果,對低噪聲潤滑脂的研發(fā)和評價造成困難。因此本文總結潤滑脂特性與軸承噪聲關聯(lián)的研究進展, 以便消除爭論,為研究人員提供新思路,選擇更接近事實的評價方式。

1 軸承噪聲測試方法

軸承噪聲的測定原理是基于軸承振動,軸承振動與軸承噪聲有非常好的相關性。根據不同的數(shù)學模型,測試方法分為速度型(單位μm/s)和加速度型(單位dB)噪聲測試方法。常用儀器有BVT-1軸承噪聲測試儀、S0910軸承振動測試儀、BeQuiet Plus軸承噪聲測試儀、MGG11軸承噪聲測試儀等。

1.1 BVT-1軸承噪聲測試儀

BVT-1是速度型軸承噪聲測試儀,通過測試軸承在低頻、中頻和高頻3個頻段的振動速度評價潤滑脂的噪聲性能。采用GB/T 32325—2015《滾動軸承 深溝球軸承振動(速度)技術條件》標準,測量過程中通過揚聲器監(jiān)聽6204軸承噪聲的變化,測量值為10套軸承的均值。該方法優(yōu)點為測試過程中可以獲得感官感受,缺點為對噪聲聲響的判斷存在一定主觀性。

1.2 S0910軸承振動測試儀

S0910屬于加速度型軸承振動測試儀,測得的是振動加速度,信號處理后轉變?yōu)樵肼晢挝?。該方法的局限性為間接測定潤滑脂的噪聲,即需先測出軸承的基礎振動值,再測出注脂后的振動值,兩者的差值越大,說明潤滑脂的降噪性能越好。

1.3 BeQuiet Plus軸承噪聲測試儀

BeQuiet Plus屬于速度型軸承噪聲測試儀,采用的軸承型號為608,測試結果分為GN0,GN1,GN2,GN3和GN4這5個等級,分別對應潤滑脂重度污染、污染、嘈雜、潔凈和超潔凈,每個噪聲等級由BQ1(振動峰值不大于5 μm/s所占的百分比)、BQ2(振動峰值為5～10 μm/s所占的百分比)、BQ3(振動峰值為10～20 μm/s所占的百分比)、BQ4(振動峰值為20～40 μm/s所占的百分比)、BQX(振動峰值大于40 μm/s所占的百分比)組成[14-15]。該方法具有實時統(tǒng)計、客觀準確的優(yōu)點,可有效劃分潤滑脂噪聲等級,但設備價格較高。

1.4 MGG11軸承噪聲測試儀

MGG11屬于速度型軸承噪聲測試儀,測試時需要把待評定潤滑脂裝入選定標準的608 軸承中,根據軸承在中頻段和高頻段的振動特性評價潤滑脂的啟動噪聲性能、運轉噪聲性能和噪聲衰減能力。運轉噪聲性能和噪聲衰減能力用于評價潤滑脂的噪聲等級(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ);啟動噪聲性能共分為 1,2,3,4 級。以噪聲等級/啟動噪聲性能表示潤滑脂的噪聲性能,如Ⅰ/1,Ⅱ/1 等。該方法可直接觀測到軸承的振動波形,并檢測到軸承產生的異常聲;但其只能測定軸承的振動,需判斷噪聲由軸承本身還是由潤滑脂造成。

2 潤滑脂特性與軸承噪聲關聯(lián)研究

2.1 稠度與軸承噪聲

文獻[16]選用平均粒徑4 μm的聚四氟乙烯稠化全氟聚醚油制備了4種錐入度的全氟聚醚潤滑脂,采用S0910測定軸承的噪聲性能,研究錐入度對軸承噪聲的影響,結果見表1,隨著全氟聚醚潤滑脂1/4錐入度的增大(稠度變軟),軸承噪聲下降明顯,表明較軟的全氟聚醚潤滑脂更容易在軸承中形成穩(wěn)定的潤滑狀態(tài),保持軸承平穩(wěn)運轉,起到降噪作用。

表1 錐入度對全氟聚醚潤滑脂噪聲的影響

2.2 機械剪切與軸承噪聲

文獻[17]研究了機械剪切對復合鋰基礎脂和加入質量分數(shù)2%的ZDDP復合鋰基脂噪聲性能的影響。采用滾筒試驗按照4個時間段(2,4,8,24 h)對基礎脂和加劑脂進行剪切,其中,基礎脂試驗編號分別為BG,BG-2,BG-4,BG-8和BG-24;加劑脂試驗編號分別為202,202-2,202-4,202-8,202-24。采用BeQuiet Plus測定潤滑脂的噪聲性能,基礎脂和加劑脂在4個時間段剪切后的噪聲性能如圖1所示:基礎脂和加劑脂在未剪切時噪聲性能均較好,噪聲等級BQ1,BQ2和BQ3占比高;而基礎脂和加劑脂受到剪切后,隨著剪切時間的延長,噪聲等級BQ4以上占比增加,基礎脂噪聲等級BQ1消失,加劑脂噪聲等級BQ2和BQ3占比不同程度地減小。說明剪切后的潤滑脂使軸承振動峰值出現(xiàn)不同程度的增加,剪切削弱了潤滑脂的噪聲性能。

圖1 機械剪切對潤滑脂噪聲性能的影響

基礎脂和加劑脂噪聲測試振動峰值原始數(shù)據如圖2所示:剪切前后基礎脂和加劑脂在中頻段振動峰值變化并不相同,剪切后基礎脂在中頻段振動峰值增加較明顯,而剪切后加劑脂在中頻段振動峰值依舊保持相對穩(wěn)定,表明中頻段剪切后基礎脂比加劑脂的噪聲性能減弱更大;而在高頻段剪切后基礎脂和加劑脂振動峰值均發(fā)生較大的改變,說明高頻段基礎脂和加劑脂在剪切后噪聲性能都變差,與添加劑無關。

(a) 基礎脂中頻段

文獻[18]首先對初始噪聲等級為GN4的低噪聲潤滑脂進行軸承壽命試驗,再通過BeQuiet Plus對軸承試驗時間為50,100,200 h的潤滑脂噪聲等級進行測試,結果見表2:潤滑脂在試驗時間為50 h時,噪聲等級變?yōu)镚N1,試驗時間為100 h時噪聲等級已變?yōu)镚NX(GN1或GN0),出現(xiàn)嚴重衰減,潤滑脂失去減振降噪性能,說明潤滑脂噪聲性能具有衰退行為。

表2 潤滑脂噪聲衰退測試結果

2.3 分油量與軸承噪聲

文獻[19]采用離心分油試驗機進行潤滑脂動態(tài)分油性能試驗,使用BVT-1測試軸承的振動,離心分油量對軸承振動值的影響見表3:5 min離心分油量與軸承振動性能有關,潤滑脂分油量越大,軸承中頻段和高頻段振動值越低,振動值波動趨于穩(wěn)定,噪聲減小,尤其對高頻段振動的影響較明顯。分析認為處于點接觸的脂潤滑屬于貧油潤滑,分油量大有利于潤滑油從邊界區(qū)向接觸區(qū)流動,反之,貧油現(xiàn)象加劇,造成潤滑油膜不穩(wěn)定,致使軸承的徑向跳動加大,振動值增加,有噠噠的聲音。

表3 離心分油量對軸承振動值的影響

2.4 熱穩(wěn)定性與軸承噪聲

文獻[17]將添加二丁基二硫代氨基甲酸鉬的復合鋰基潤滑脂(代號BGA)和有機鉬化合物的復合鋰基潤滑脂(代號BGL)在不同溫度和時長(120 ℃,24 h;150 ℃,24 h;150 ℃,72 h)下進行熱老化處理,采用BeQuiet Plus測定軸承的噪聲性能,結果如圖3所示。因為二丁基二硫代氨基甲酸鉬為固體粉末,加到復合鋰基潤滑脂后噪聲等級為BQ3以上。 在高溫熱老化(120 ℃, 24 h;150 ℃,24 h)后,含二丁基二硫代氨基甲酸鉬的復合鋰基潤滑脂噪聲等級變化不大, 說明添加劑對抗氧化能力起到有效作用;但在更苛刻的熱老化(150 ℃,72 h)后,測定的振動速度峰值明顯變大,主要為BQ4以上,潤滑脂的噪聲性能很差,說明潤滑脂在長時間高溫作用下結構發(fā)生變化,影響了噪聲性能。加入液體狀態(tài)的有機鉬化合物,復合鋰基潤滑脂保持低噪聲性能,存在BQ1,BQ2等低振動峰值。在高溫熱老化后,含有機鉬化合物的復合鋰基潤滑脂噪聲等級下降,表現(xiàn)為BQ1消失,BQ2,BQ3總占比減少,說明當潤滑脂受熱分解后噪聲性能下降。

圖3 BGA和BGL脂熱老化前后軸承噪聲性能對比

2.5 摩擦學性能與軸承噪聲

文獻[20]考察潤滑脂的極壓性能和抗磨性能對軸承振動的影響,試驗采用基礎脂及分別加有PTFE,T323,MoS2添加劑的極壓潤滑脂進行對比,使用VQ-500激光測振儀測試振動信號。3種極壓添加劑均提高了基礎脂的極壓性能和抗磨性能,但對軸承振動的影響卻各不相同。加入PTFE的潤滑脂減振效果優(yōu)于基礎脂,振動測試沒有表現(xiàn)出明顯的頻率峰值,而加入T323和MoS2的潤滑脂減振效果反而比基礎脂差,均出現(xiàn)100 Hz的頻率峰值。極壓添加劑的減振效果明顯不同,說明極壓性能和抗磨性能對軸承振動沒有明顯的影響。

文獻[21]研究了低噪聲復合鈦基脂的摩擦學性能與軸承噪聲的關系,考察摩擦因數(shù)與低頻段、中頻段、高頻段軸承振動值的關系(圖4):低頻段振動值與摩擦因數(shù)沒有嚴格的趨勢關系,中頻段振動值與摩擦因數(shù)整體沒有明顯的趨勢關系,但局部區(qū)域有對應增大關系,高頻段振動值有明顯隨著摩擦因數(shù)增大而增大的趨勢。由于潤滑脂影響中頻段和高頻段軸承的振動,說明潤滑脂噪聲性能與潤滑脂摩擦因數(shù)的關系較大。進一步研究表明,軸承振動值與鋼球磨斑直徑(在四球機上測量潤滑脂的摩擦學性能)沒有明顯的相關性,但與磨斑形貌有關,噪聲性能較好潤滑脂作用下,鋼球磨斑的磨痕均勻,內部較光滑、缺陷較少。

圖4 潤滑脂摩擦因數(shù)均值與噪聲性能的關系

2.6 流變性與軸承噪聲

文獻[22]研究了潤滑脂流變特性對軸承振動值的影響,結果表明潤滑脂流變特性各因素對軸承振動值均有影響:潤滑脂彈性模量、應變率過大說明潤滑脂結構穩(wěn)定性強,屈服強度大,潤滑脂形態(tài)轉變較困難,會造成軸承運轉阻力大,不利于軸承振動值的降低(尤其是軸承運轉初期);潤滑脂表觀黏度隨溫度和剪切速率變化的速率慢,說明潤滑脂觸變性好,抗剪切能力強,軸承振動值相對較低。

文獻[18]通過BeQuiet Plus對老化前后低噪聲聚脲潤滑脂進行了噪聲等級測試,結果老化前為GN4,老化后為GN1。再采用振蕩剪切模式測試老化前后潤滑脂的儲能模量G′、損耗模量G″ 和復合模量G*隨剪切應變的變化,結果如圖5所示,老化后潤滑脂的儲能模量、損耗模量和復合模量在形變起始階段均高于老化前潤滑脂,宏觀表現(xiàn)為更高的硬度。根據流變曲線得出的屈服點和流動點等數(shù)據見表4，屈服應力和流動應力顯著降低，說明稠化劑網絡結構穩(wěn)定性下降；韌性指數(shù)(τf/τy)下降說明潤滑脂膜層可延展性下降, 不連續(xù)性逐漸加劇。 上述原因導致高精密軸承產生嚴重的不規(guī)則跳動,最終影響潤滑脂的減振降噪性能。

圖5 潤滑脂儲能模量、損耗模量和復合模量隨剪切應變的變化曲線

表4 潤滑脂流動點測定結果

文獻[23]建立深溝球軸承噪聲分析模型并采用數(shù)值模擬對計入彈性流體潤滑影響的軸承噪聲進行研究。不同潤滑脂流變指數(shù)n對應的軸承噪聲分布如圖6所示,流變指數(shù)n是反應潤滑脂非牛頓特性的重要指標,其值越小表示潤滑脂的非牛頓特性越強烈。對比圖6a—圖6d可知,流變指數(shù)增加時,軸承最大噪聲逐漸減小。因此, 為降低軸承噪聲,應適當選擇流變指數(shù)大非牛頓特性弱的潤滑脂。

(a) n=0.6

3 結束語

隨著對軸承低噪聲性能的要求越來越高,對低噪聲潤滑脂的研究將是重要方向。通過對國內低噪聲潤滑脂研究進展的歸納,可得到如下規(guī)律:錐入度越大,軸承噪聲下降越多;機械剪切削弱潤滑脂的噪聲性能;潤滑脂分油量越大,軸承振動值越小;受熱分解后潤滑脂噪聲性能下降;潤滑脂噪聲性能與其摩擦因數(shù)、磨斑形貌有較明顯的相關性;潤滑脂流變指數(shù)越大,軸承最大噪聲越小。建立某些潤滑脂特性與軸承噪聲的關聯(lián),可指導研究人員加速開發(fā)低噪聲潤滑脂技術,還可避免因設備和方法不同造成的測試結果差異。

目前,潤滑脂特性與軸承噪聲關聯(lián)還僅停留在定性關系階段,建立嚴格的定量相關性或統(tǒng)一適用的模型還需大量的試驗研究。鑒于現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),在一定條件下,只有潤滑脂的某些特性指標與軸承噪聲指標存在對應關系,應重視和積累能綜合反應潤滑脂特性的流變學數(shù)據,注重潤滑脂流變參數(shù)及其對軸承噪聲的影響理論分析,指導低噪聲潤滑脂研發(fā)。同時,除關注低噪聲潤滑脂本身潤滑壽命外,其低噪聲壽命也需重視。

一般認為,稠化劑方面,皂纖維的大小和長短對軸承噪聲影響較大,短細皂纖維降噪性能較好;基礎油方面,礦物油降噪性能最優(yōu),其次是合成烴油,基礎油黏度高比黏度低時噪聲小;有些添加劑會破壞潤滑脂的纖維結構,增大軸承的噪聲;快冷方式制備潤滑脂的噪聲比慢冷方式制備潤滑脂的噪聲低;雜質會使軸承噪聲升高。