長壽命復(fù)合鋰基潤滑脂性能研究

摘要： 為快速選擇汽車在不同工況下的最佳潤滑脂，以測得樣品的磨痕直徑為評價(jià)指標(biāo)，使用四球機(jī)模擬汽車正常行駛、重負(fù)荷、爬坡和高速4種實(shí)際工況，并結(jié)合滴點(diǎn)、蒸發(fā)損失和氧化安定性，對4種長壽命復(fù)合鋰基潤滑脂的性能進(jìn)行研究，總結(jié)出不同工況下的最佳潤滑脂。

關(guān)鍵詞：長壽命 實(shí)際工況 潤滑脂 磨痕直徑

中圖分類號：U473.6 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240371

Research on the Performance of Long-Life Composite Lithium-Based "Lubricating Greases

Liu Qian， Zhang Haoyue， Xu Yang， Tao Chunsheng

（FAW Jiefang Automobile Co.， Ltd.， Changchun 130011）

Abstract： In order to rapidly select the best lubricating grease for vehicles in different conditions， 4 actual vehicle working conditions are simulated including normal driving， heavy load， climbing and high speed using a four-ball machine with the wear diameter of the measured sample as evaluation index. Combined with droplet point， evaporation loss and oxidation stability， the performance of 4 long-life composite lithium based grease is studied， and the best choice of lubricating grease under different using scenarios are summarized as well.

Key words： Long-life， Actual working conditions， Lubricating grease， Wear scar diamete

1 前言

潤滑脂廣泛應(yīng)用于汽車潤滑部位，具有降低表面溫度、消除摩擦熱、防止燒傷、減緩磨損的作用，可顯著延長零部件壽命。汽車潤滑部位中約60%為軸承與萬向節(jié)，而軸承在高溫、重載的工況下，對長壽命潤滑脂在耐高溫性、抗氧化性、抗磨性與機(jī)械安定性等方面提出了更高的性能要求[1-2]。潤滑脂由基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑組成，其中，稠化劑主要包括鋰基、復(fù)合鋰、鈣基、脲基等[3-6]，在潤滑脂中形成三維網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)骨架，使基礎(chǔ)油被吸附和固定在結(jié)構(gòu)骨架中，決定了潤滑脂的機(jī)械安定性、耐高溫性和抗水性等[7-9]。

復(fù)合鋰基潤滑脂各項(xiàng)性能優(yōu)越，市面上有多種價(jià)格和性能不同的長壽命復(fù)合鋰基潤滑脂，本文選擇4種長壽命復(fù)合鋰基潤滑脂，在正常行駛（轉(zhuǎn)速升高）、重負(fù)荷、爬坡（低速高載荷）和高速（高速低載荷）4種工況下，同時(shí)考慮溫度、載荷、轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間，分析潤滑脂的抗磨性能，以期快速選擇最佳潤滑脂。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的4種潤滑脂的主要理化指標(biāo)如表1所示。

潤滑脂的基礎(chǔ)油可分為礦物油和合成油，其性能差異在此次試驗(yàn)中也進(jìn)行了比較。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文試驗(yàn)所用的設(shè)備如表2所示。

2.3 試驗(yàn)方法

抗磨性能試驗(yàn)過程如下：

a. 將待測軸承材料制成球形試樣，選擇4個(gè)新的測試球，使用超聲波浴在溶劑中清潔并吹干。將測試球固定在試驗(yàn)機(jī)的底座上，形成一個(gè)四球摩擦裝置，在球杯中填入適量潤滑脂并安裝完畢。

b. 待四球機(jī)預(yù)熱15 min后，在“主菜單”中按照試驗(yàn)要求設(shè)置載荷、溫度、運(yùn)行時(shí)間及轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)。

c. 試驗(yàn)結(jié)束后，取下球杯，將測試球上的潤滑脂擦拭干凈，確保鋼球表面潔凈，使用顯微鏡觀察，測量磨斑精度為0.01 mm。

3 性能測試

使用潤滑脂滴點(diǎn)測定儀和潤滑脂氧化安定性測定器對4種潤滑脂的滴點(diǎn)、蒸發(fā)損失和氧化安定性進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。

潤滑脂適用的工作溫度是選擇的重要依據(jù)。滴點(diǎn)為潤滑脂受熱時(shí)從不流動(dòng)狀態(tài)到流動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度，可反映潤滑脂使用時(shí)允許的最高溫度。本文采用GB 4929—1985《潤滑脂滴點(diǎn)測定法》對滴點(diǎn)進(jìn)行測定。由表3可知，潤滑脂A和潤滑脂B的滴點(diǎn)較高，耐高溫程度接近，潤滑脂C和潤滑脂D的耐高溫程度較弱。實(shí)際應(yīng)用中，滴點(diǎn)越高，并不代表潤滑脂越好，需結(jié)合蒸發(fā)損失、氧化安定性和抗磨性綜合考慮。

潤滑脂基礎(chǔ)油蒸發(fā)損失會(huì)導(dǎo)致潤滑脂中的稠化劑占比增大，使用時(shí)內(nèi)摩擦增大，降低潤滑脂壽命。因此，蒸發(fā)損失在一定程度上反映了潤滑脂的高溫使用性能。蒸發(fā)損失越小，性能越好，因此，潤滑脂B耐蒸發(fā)損失性能最佳。

潤滑脂高溫使用時(shí)會(huì)發(fā)生氧化，導(dǎo)致游離堿含量降低或游離有機(jī)酸含量升高，潤滑脂的滴點(diǎn)、稠度、相似粘度下降，并生成具有腐蝕性和破壞結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。本文采用SH/T 0325—1992《潤滑脂氧化安定性測定法》對4種潤滑脂的氧化安定性進(jìn)行測量，其中，潤滑脂A氧化安定性數(shù)值最小，抗氧化性能最佳。

4 結(jié)果分析與討論

本文通過改變溫度、載荷、轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間，充分模擬潤滑脂在正常行駛、重負(fù)荷、爬坡和高速4種實(shí)際工況的使用情況。采用SH/T 0204—1992《潤滑脂抗磨性能測定法（四球機(jī)法）》測定4種潤滑脂的磨痕直徑。

4.1 正常行駛

4種潤滑脂在四球機(jī)中以載荷為392 N、溫度為75 ℃的條件運(yùn)行1 h，轉(zhuǎn)速由900 r/min逐步提高至1 200 r/min，試驗(yàn)期間磨痕直徑的變化如圖1所示。

潤滑脂的磨痕直徑與轉(zhuǎn)速無明顯關(guān)系，說明轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力并未破壞潤滑脂的分油能力，抗磨性能相對穩(wěn)定。潤滑脂B和潤滑脂D比潤滑脂A和潤滑脂C具有更好的潤滑性。這是由于合成油純凈度高，而礦物油以原油為主要原料直接提純并通過添加相關(guān)添加劑制成，雜質(zhì)多且流動(dòng)性較差。因此，基礎(chǔ)油為合成油的潤滑脂成本偏高。

在正常行駛的工況中，礦物油和合成油無太大差別，4種潤滑脂均滿足使用要求。因此，應(yīng)選擇成本較低的產(chǎn)品。

4.2 重負(fù)荷工況

在實(shí)際工況中，商用車常處于重負(fù)荷狀態(tài)，載荷、溫度和工作時(shí)間多個(gè)變量同時(shí)變化，無法準(zhǔn)確研究潤滑脂性能。因此，模擬試驗(yàn)通過控制單一變量法對潤滑脂的使用性能進(jìn)行研究。

4.2.1 載荷的影響

4種潤滑脂在溫度為75 ℃、轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的條件下運(yùn)行1 h，載荷由392 N逐漸提高至784 N，磨痕直徑的變化如圖2所示。

潤滑脂的磨痕直徑隨著載荷的增加而增大，根據(jù)行車經(jīng)驗(yàn)，通常當(dāng)磨痕直徑gt;0.6 mm時(shí)，潤滑脂抗磨性能不足，需要更換潤滑脂。由圖2可知，潤滑脂C不適用于重載荷的工作環(huán)境，潤滑脂A性能中等，在載荷≥588 N時(shí)，潤滑脂D的磨痕直徑未超過潤滑脂B的磨痕直徑，且成本更低，因此，推薦選擇潤滑脂D。

4.2.2 溫度的影響

Kleinlein[10]的研究表明，當(dāng)軸承工作時(shí)，溫度每上升10～15 ℃，潤滑脂的使用壽命降低約50%，潤滑脂的抗磨性能也隨之下降。

在重負(fù)荷工作時(shí)，潤滑脂的運(yùn)行溫度必然升高，潤滑脂的使用性能會(huì)顯著降低。將4種潤滑脂的試驗(yàn)溫度由75 ℃逐步升高至180 ℃，在載荷為392 N、轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的條件下運(yùn)行1 h，試驗(yàn)期間的磨痕直徑變化如圖3所示。

由圖3可知，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，潤滑脂B的磨痕直徑小于其他潤滑脂，且變化幅度最小，同時(shí)，與其他3種潤滑脂相比，潤滑脂B具有最高滴點(diǎn)、最小的蒸發(fā)損失和適中的氧化安定性。

當(dāng)溫度升至約150 ℃時(shí)，潤滑脂C的磨痕直徑突變，結(jié)合表2分析原因如下：

a. 在高溫環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，潤滑脂C的滴點(diǎn)相對較低，潤滑脂中基礎(chǔ)油的蒸發(fā)損失、內(nèi)摩擦增大，產(chǎn)生摩擦熱，使?jié)櫥不蚋稍铩?/p>

b. 潤滑脂發(fā)生氧化反應(yīng)后，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)腐蝕金屬表面，破壞了潤滑性，導(dǎo)致磨痕直徑增大。

綜上所述，在高溫環(huán)境中，潤滑脂B為最佳選擇，潤滑脂A、潤滑脂D的性能適中，當(dāng)溫度高于150 ℃時(shí)不推薦使用潤滑脂C。

4.2.3 工作時(shí)間的影響

在載荷為392 N、轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、溫度為75 ℃的條件下，4種潤滑脂的磨痕直徑隨試驗(yàn)時(shí)間的變化如圖4所示。

隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，潤滑脂磨痕直徑逐漸變大。其中，潤滑脂A的磨痕直徑在5 h內(nèi)均lt;0.6 mm，潤滑脂C變化明顯，潤滑脂B、潤滑脂D的性能中等，結(jié)果表明，潤滑脂A具有相對穩(wěn)定的抗磨性能，為最佳選擇。

因此，綜合考慮載荷、溫度和工作時(shí)間對潤滑脂工作狀態(tài)的影響，在重負(fù)荷工況下應(yīng)選用潤滑脂A。

4.3 爬坡和高速工況

為模擬爬坡和高速2種實(shí)際工況，4種潤滑脂分別在爬坡工況（轉(zhuǎn)速為700 r/min、載荷為784 N、溫度為75 ℃）和高速工況（轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、載荷為392 N、溫度為75 ℃）下運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，磨痕直徑的變化如表4所示。

在爬坡工況下，潤滑脂A的磨痕直徑最小，具有優(yōu)異的抗磨性能且滴點(diǎn)較高，爬坡過程中的耐溫性能好，但蒸發(fā)損失較大，使用一段時(shí)間后需及時(shí)更換。

在高速行駛時(shí)，潤滑脂B表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗磨性能，但成本比國內(nèi)產(chǎn)品高，潤滑脂A更具有性價(jià)比。

5 結(jié)束語

采用四球機(jī)法模擬汽車正常行駛、重負(fù)荷、爬坡和高速4種實(shí)際工況，結(jié)合潤滑脂的滴點(diǎn)、蒸發(fā)損失和氧化安定性分析得到以下結(jié)論：

a. 正常行駛時(shí)，基礎(chǔ)油為合成油或礦物油的潤滑脂均無明顯區(qū)別，4種潤滑脂的滴點(diǎn)、蒸發(fā)損失和氧化安定性指標(biāo)均滿足使用要求，可選擇成本較低的產(chǎn)品。

b. 重負(fù)荷行駛時(shí)，潤滑脂的磨痕直徑隨著載荷、溫度和工作時(shí)間的增加而變大，其中，潤滑脂A具備較好的抗載荷、耐高溫特性，且抗磨周期長、氧化安定性突出，為最佳選擇。

c. 爬坡時(shí)，汽車處于高載荷工作狀態(tài)，選用潤滑脂A可滿足使用要求。但當(dāng)軸承磨損嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換軸承及潤滑脂。

d. 高速行駛時(shí)，潤滑脂B和潤滑脂A的抗磨性、滴點(diǎn)、蒸發(fā)損失和氧化安定性性能指標(biāo)均滿足使用需求。因此，在不考慮成本的情況下，選用潤滑脂B。若考慮經(jīng)濟(jì)性，潤滑脂A為最佳選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1] 艾罡， 萬書曉， 程亮， 等. 車用輪轂軸承復(fù)合鋰基潤滑脂的組成和制備工藝對其性能的影響[J]. 潤滑油， 2021， 36（2）： 55-59.

[2] 陸杭聰， 李興林， 王秋成， 等. 全合成復(fù)合鋰皂潤滑脂的潤滑壽命試驗(yàn)分析[J]. 軸承， 2015（4）： 35-38+48.

[3] 王衛(wèi)攀， 王碩， 王學(xué)宇. 新型鈣基復(fù)合磺酸鈣潤滑脂的合成與性能測定[J]. 河南化工， 2023， 40（7）： 25-27.

[4] 劉敬宇， 王文珍， 楊毅， 等. 聚脲潤滑脂的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 廣東化工， 2019， 46（3）： 96-98+95.

[5] 曲銘海， 張朝陽， 楊志權(quán)， 等. 脲基功能化的咪唑無鹵素離子液體對復(fù)合鋰基潤滑脂摩擦學(xué)性能的影響[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 40（3）： 339-345.

[6] 趙坤， 蘇達(dá)士. 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用四點(diǎn)接觸球軸承潤滑脂選用分析及測評[J]. 軸承， 2016（9）： 46-47+51.

[7] 丁鵬， 曹文輝， 劉朝斌， 等. 鋰基潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)表征的掃描電鏡樣品制備方法及應(yīng)用[J]. 石油學(xué)報(bào)（石油加工）， 2023， 39（6）： 1306-1315.

[8] 劉煥晨， 王曉雨， 蘇懷剛， 等. 納米二氧化硅做稠化劑時(shí)添加量對潤滑脂流變學(xué)行為及摩擦學(xué)性能的影響[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)， 2023， 43（8）： 916-927.

[9] 王慶日， 趙麗， 高宇航， 等. 稠化劑纖維結(jié)構(gòu)對低噪聲潤滑脂降噪性能的影響[J]. 軸承， 2022（5）： 51-55.

[10] KLEINLEIN E. Grease Test System for Impoved Life of Ball and Roller Bearings[J]. Lubrication Engineering， 1992， 48（12）： 916-922.