重載車輛潤滑脂流變及潤滑特性對比分析

于少華，郭小川，石俊峰，吳寶杰

（1. 軍委后勤部保障部駐天津石化代表室，天津300271； 2. 后勤工程學院，重慶401311； 3. 中石化潤滑油天津分公司，天津301500）

重載車輛潤滑脂流變及潤滑特性對比分析

于少華1，郭小川2，石俊峰3，吳寶杰3

（1. 軍委后勤部保障部駐天津石化代表室，天津300271； 2. 后勤工程學院，重慶401311； 3. 中石化潤滑油天津分公司，天津301500）

考察了四種重載車輛潤滑脂的流變學性能和摩擦學性能，分析了基礎油的種類和粘度、稠化劑的種類和含量以及增粘劑等參數在不同溫度下對潤滑脂流變學性能的影響；使用流變儀的“三板球”測試組件對四種潤滑脂摩擦學性能進行測試，考察不同壓力和速度下潤滑脂摩擦系數的變化情況。結果表明：在流變學測試中，LX-4 和 LX-2潤滑脂表現出了較好的高溫性能，說明這兩種潤滑脂在高溫密封性能和高溫粘附性上表現優異，其中LX-4在高低溫范圍都顯示出優良的潤滑性能。在摩擦學測試中，LX-2潤滑脂表現出較低的摩擦系數，特別是在50 N高壓區，LX-2表現出更容易進入薄膜潤滑區，潤滑膜形成更加容易，摩擦系數下降較快。

地面裝備；輪轂；圓錐滾子軸承；潤滑脂；流變學；摩擦學

車輛是潤滑脂的重要應用裝備，據統計有超過三分之一的潤滑脂是應用到車輛裝備上。而車輛各用脂部位中又以輪轂軸承綜合性能要求最為嚴苛，使用量也最大。世界各國都特別重視車輛裝備潤滑脂的應用。上個世紀80年代，我國某標準中明確規定，環境溫度高于-30 ℃以上地區使用汽車通用鋰基潤滑脂，環境溫度低于-30 ℃地區使用寒區多效潤滑脂，完成了用車輛通用鋰基潤滑脂替代鈣基潤滑脂的過程。隨著地面車輛更新換代，對潤滑脂的質量也提出了更高的性能需求[1]。新一代復合型潤滑脂LX-2逐漸替代鋰基脂，成功用于車輛輪轂和底盤各個潤滑部位，解決車輛行駛過程中出現的甩油、流失、軸承卡死問題。合成油型復合皂基潤滑脂LX-3和LX-4，由于低溫性能突出，成功應用于三北地區地面車輛上，及時解決了潤滑脂南北方通用的問題。

車輛裝備的各潤滑部位中，尤其以輪轂部位的潤滑要求最為苛刻。既要求潤滑脂有良好的低溫啟動性、高溫抗氧化性能，同時具備抗水性、耐銹蝕性和良好的承載能力[2]。本文選擇了車輛裝備現用的四個主要潤滑脂產品，通過對潤滑脂樣品的流變學、摩擦學的測試，來全面了解潤滑脂的流變學性能在實際工況中的變化特點，同時結合潤滑脂的摩擦行為的測試，來研究潤滑脂在使用過程中的微觀結構變化和潤滑狀態的轉化過程[3]。通過對潤滑脂流變學和摩擦學性能的研究，來解決潤滑脂在高溫、重載條件下流失、甩脂以及低溫環境下啟動困難等問題，同時為我軍地面裝備正確地選擇和合理使用潤滑脂提供理論支持。

重載車輛輪轂軸承多數使用圓錐滾子軸承，軸承的內圈有兩個作用不同的大小擋邊。其中，小擋邊主要作用是在保持架配合下將滾子和內圈組成一個整體，大擋邊主要作用是承受滾子的軸向分力[4]。因此圓錐滾子軸承在工作時，存在多種潤滑形式包括彈性流體動力潤滑、混合潤滑脂和邊界潤滑。通過研究潤滑脂的摩擦學性能，能夠充分認識潤滑脂在軸承運轉過程中的潤滑形態，有助于了解軸承由于摩擦而引起的能量轉換和材料的損耗，從而有效的預防和控制摩擦和磨損。

1 實驗部分

1.1 潤滑脂樣品的準備

本實驗選取了4個潤滑脂樣品，這四個潤滑脂樣品均是應用于重載車輛裝備的輪轂和底盤潤滑部位。其中Li-1和LX-2是采用礦物油制備的皂基潤滑脂，作為Li-1的升級產品，LX-2具有優異的高溫抗氧化性能、極壓性能和抗水性能，目前 LX-2主要應用于重載車輛和重型設備等部位的潤滑；LX-3和LX-4是采用半合成油或合成油制備的皂基潤滑脂，且都有優異的低溫性能，作為LX-3的升級產品，LX-4具有良好的低溫性能、抗水性能和耐銹蝕性能（表1）。

表1 潤滑脂樣品的性能指標Table 1 Performance indicators of grease samples

1.2 流變學性能測試

1.2.1 試驗目的

作為非牛頓流體的潤滑脂，既具有彈性（存儲能量）又具有粘性（消耗能量）。而流變學中兩個重要參數為G′和G′′，G′為儲能模量，又稱彈性模量，該參數和潤滑脂的保持能力和密封性相關，較高的儲能模量表示潤滑脂內部的能量積蓄的多，保持自己形態的能力強，不容易流失；G′′為損耗模量，又稱粘性模量，指形變時以熱的形式消耗的能量，和潤滑脂的流動性相對應[5,6]。

采用動態流變學試驗模式，對樣品施加一定范圍內的正弦振動作用，保持恒定的角速度，通過對振蕩幅度的掃描，來測定潤滑脂的線性粘彈區（LVE）和流動點（G′和G′′的交點），從而得到線性粘彈區的剪應力y和應變幅度y以及流動點的剪應力f和應變幅度f，以此來分析潤滑脂的流變性能與實際使用中的對應關系[7]。

1.2.2 試驗儀器

Anton Paar公司MCR302旋轉流變儀。機構原理見圖1所示，振蕩模式最小扭矩0.01 μNm；旋轉模式最小扭矩0.05 μNm；最大扭矩200 mNm；扭矩精度0.1 nN·m；轉速范圍10-7～3 000 r/min；角速度范圍10-7～628 rad/s；錐板/平板直徑25 mm；間隙1.000 mm。應變幅度0.1μrad ～∞；法向應力范圍±0.01～±50 N；溫度范圍可控在-40～200 ℃。

圖1 流變儀測量原理Fig.1 Measurement principle of rheometer

1.2.3 試驗方法

輪轂軸承的正常運轉時的溫度范圍 60～90℃，但當軸承出現潤滑不良或異常磨損時，軸承的溫度會升高，有時會達到120 ℃甚至更高。在低于-30 ℃下，礦物油潤滑脂流動性能差造成剪切阻力過大，影響測試馬達的正常工作，在高溫下由于分油過大，潤滑脂在流變儀平板間的壁滑移現象明顯，測試溫度過低或是過高，測得數據不具有科學合理性。考慮到數據的合理性和使用工況的溫度，本測試在-30～120 ℃的范圍內選擇幾個典型的溫度作為測試條件。

潤滑脂流變學的測試采用德國標準DIN51810-2[8]。在恒定溫度下，使用平板測量系統（PP25）通過振動法檢驗潤滑油脂，測試潤滑脂的粘彈性，進而得到潤滑脂的存儲模量G′和損耗模量G′′的曲線。具體試驗條件如下：

溫度：-30 ℃，80 ℃，120 ℃應變范圍：γ =0.01%～100%

1.3 摩擦學性能測試

1.3.1 試驗目的

根據潤滑膜形成原理和特征，潤滑狀態分為六種形式或狀態：流體動壓潤滑、流體靜壓潤滑、彈性流體動壓潤滑、薄膜潤滑、邊界潤滑和干摩擦[9]。典型的Streibeck曲線可以清晰的描述摩擦副的各種潤滑狀態及其轉化過程，適用于描繪所有潤滑表面摩擦的一般特征。本實驗的目的是借助流變儀的摩擦組件對四種潤滑脂的Streibeck曲線進行測試，通過分析潤滑脂摩擦狀態特性和轉換的形式，來推斷不同潤滑脂的潤滑特征。

1.3.2 試驗儀器

Anton Paar公司MCR301旋轉流變儀、“三板球”測試組件。在流變儀上使用“三板球”組件（見圖2），三個矩形鋼片與水平呈45°角均勻固定在圓形組件中，在三個鋼片上涂抹潤滑脂，頂部鋼球通過軸來施加法向力。在測試過程中通過掃描轉子的轉速，得到streibeck曲線，該曲線可以反應不同轉速下摩擦副之間的潤滑狀態和摩擦系數。

1.3.3 試驗方法

具體試驗條件如下：

正壓力：10 N，50 N；

溫度：25 ℃；

線速度：10-8～ 1.41 m/s；

50 N時赫茲壓力是0.013 GPa。

圖2 摩擦學性能測試組件示意圖Fig.2 Schematic diagram of tribological performance test module

2 結果與討論

2.1 流變測試結果及討論

應變隨震蕩幅度變化趨向可分為線形粘彈區（LVE）和過渡流動區。在潤滑脂受小幅作用力時，因為受到的剪切力小于屈服應力，稠化劑構造還未被破壞，此時為線形粘彈區，彈性模量G′和粘性模量 G′′數值不變。隨著外部的震蕩應變幅度增加，彈性模量降低到一定值時，潤滑脂獲得的能量超過了其自身的屈服力，此時潤滑脂為不可恢復的彈性體，變化過程進入過渡區，此時G′和G′′開始不斷變小。振蕩應變振幅不斷增大使G′和G′′持續變小，G′和 G′′相交的點為流動點，在該點之前，潤滑脂呈固體靜止狀態。經過流動點后，潤滑脂的流變性由彈性為主導轉變成以粘性為主導，潤滑脂開始呈現流動的特征[10,11]。

由圖3-5和表2可以看出：-30 ℃時，彈性模量 G′的排序是 LX-2 ＞ Li-1＞LX-3 ＞ LX-4；80 ℃時，彈性模量 G′的排序是是 LX-4 ＞LX-2＞LX-3 ＞ Li-1；120 ℃時，彈性模量G′的排序是LX-4 ＞LX-2 ＞LX-3＞ Li-1。

圖3 -30 ℃下潤滑脂樣品彈性模量和粘性模量的變化曲線Fig.3 Curves of elastic modulus and viscous modulus of grease samples at -30 ℃

彈性模量表征了潤滑脂保持自身形態的能力，也反映了潤滑脂屈服能力，所以潤滑脂的稠化劑濃度、基礎油極性和粘度、增粘劑的添加等因素都會改變潤滑脂的彈性模量，而溫度又可以改變這些因素的影響能力強弱。

圖4 80 ℃下潤滑脂樣品彈性模量和粘性模量的變化曲線Fig.4 Curves of elastic modulus and viscous modulus of grease at 80 ℃

圖5 120 ℃下潤滑脂樣品彈性模量和粘性模量的變化曲線Fig.5 Curves of elastic modulus and viscous modulus of grease at 120 ℃

表 2 不同溫度下潤滑脂進入流變過渡區的流變學參數Table 2 Rheological parameters of grease entering the transition zone at different temperatures

LX-2 ＞ Li-1在低溫情況下具有超高的屈服彈性模量，因為他們的基礎油是礦物油，該類基礎油在低溫下粘度急劇上升，這樣高的數值代表了這兩種潤滑脂已經接近喪失流動性。而其他潤滑脂的彈性模量在該溫度比 LX-2 和 Li-1潤滑脂的低一個數量級，流動性良好。在80和120 ℃下4種潤滑脂的彈性模量表現出了同樣順序，LX-4和LX-2表現出了較好的高溫性能，說明這兩種潤滑脂在高溫密封性能和高溫粘附性上表現優異，其中LX-4潤滑脂在高低溫范圍都顯示出優良的潤滑性能。

表3 不同溫度下潤滑脂在流動點時（G′=G′′）的流變學參數Table 3 Rheological parameters of lubricating grease in the flow point（G′=G′′）under different temperature

由表3可以看出：幾類潤滑脂的應變幅度γ在-30 ℃時的排序是 LX-4＞＞LX-3 ＞ LX-2＞Li-1；80℃時的排序是是 LX-2 ＞LX-3 ＞ Li-1 ＞LX-4；120 ℃時的排序是 LX-2 ＞LX-3 ＞ Li-1 ＞LX-4。交叉流動點的應變幅度γ區分固態靜止區和流動區，潤滑脂稠化劑含量高，基礎油粘度大、極性大均會使γ的數值增大，而γ的數值大則說明潤滑脂受力變為流動形態時需要的外力作用的時間和距離長。本實驗在該流變模式下測試的四種潤滑脂基本符合此規律。升高溫度，基礎油粘度境地，溶解性增強，稠化劑膠團進一步膨化，但熱的能量會降低稠化劑纖維網絡對基礎油的束縛力。LX-4在低溫下表現出較好的流動性能，而在高溫下LX-2具有上佳表現。在80和120 ℃下LX-4的應變幅度最小，這可能和該類潤滑脂中加入了高聚物有關，提高溫度會使基礎油粘度的影響減弱、稠化劑膠團的影響增強，但此這時高分子聚合物分子和潤滑脂稠化劑纖維聯合，消弱了稠化劑的纏擾作用，從而抑制了稠化劑和基礎油形成的膠團的趨勢，γ的數值變小。

2.2 潤滑特性測試結果及分析

圖6-7和表4可以看出：在速度為100 mm/s低速區間內，兩個摩擦副實際上是一個接近相對靜止的狀態，也就是通常定義的靜摩擦區和邊界摩擦區，這時實驗測試到的摩擦系數出現一個從低到高的一個趨勢，壓力為5 N時基本表現為一個穩定值，壓力大時摩擦系數較小。

圖6 在2 5 ℃，10 N壓力下潤滑脂的Streibeck曲線Fig.6 Streibeck curve of grease at 25 ℃,10 N pressure

圖7 在25 ℃，50 N壓力下潤滑脂的Streibeck曲線Fig.7 Streibeck curve of grease at 25 ℃,50 N pressure

表4 不同壓力和速度下潤滑脂的摩擦系數Table 4 Friction coefficient of grease at different pressure and speed

這里測試的摩擦系數是一個靜態摩擦系數，這時當涂有潤滑脂的兩個摩擦副開始準備運動期間，其摩擦系數受控于潤滑脂的屈服應力和摩擦副表面的接觸微峰的多少，但是對應關系不明確。在 100到102mm/s速度區間，被認為是一個混合潤滑區，包括邊界潤滑和薄膜潤滑區，這時無論在哪個壓力范圍內，摩擦系數都是出現了從高到低的變化趨勢，這也是經典的Streibeck摩擦特性，但是不同的潤滑脂表現出了不同的特性。在不同的壓力測試區內，潤滑脂LX-2表現出更容易進入薄膜潤滑區，潤滑膜形成更加容易，摩擦系數下降較快，特別是在50 N高壓區尤為明顯，對此的解釋是該潤滑脂的流動性和粘附性最好，基礎油粘度最高，在壓力相對較高的混合區內容易形成穩定連續的潤滑油膜；在50 N高壓區LX-3和LX-4摩擦系數較高，這也許和他們的基礎油粘度較小，形成的潤滑油膜薄有一定關系；50 N測試條件下，在這個區間Li-1潤滑脂摩擦系數跳躍性較大，混合區內摩擦系數較高，進入薄膜區間時突然變小，這可能是和這種潤滑脂的稠化劑含量低有一定關系，這種潤滑油膜的形成更加依賴于運動速度的提高。在102到103mm/s速度區間，可以認為是經典的彈流潤滑區間，壓力和速度的增加相應的提高了潤滑油膜厚度，摩擦系數大幅降低。50 N的測試結果明顯比10 N測試結果摩擦系數降低了很多，在10 N測試數據內Li-1潤滑脂出現了摩擦系數增加的拐點，因為所有測試潤滑脂中Li-1特性更加接近潤滑油的狀態，所以它也更加容易進入流體潤滑區。同時我們可以看到 LX-2潤滑脂在Streibeck曲線的谷底較為寬闊，摩擦系數比較穩定和平滑，這也說明該潤滑脂自身保持油膜完整性的能力較強，在實際使用中潤滑性和適應性較好。

3 綜合分析

車輛裝備運行條件艱苦和苛刻，對潤滑脂的密封性能、高低溫性和潤滑性要求較高，通過對潤滑脂本身的宏觀流變行為和在摩擦副表面的微觀變化的研究，我們可以從理論上得到指導合理使用各類不同潤滑脂的證據。潤滑脂一般在軸承中分為兩個區域，靜態區和動態區，靜態區的潤滑脂主要負責密封的作用，防止外部的雜質進入和內部的潤滑油流失；動態區的潤滑脂主要負責對軸承的各個部位提供潤滑。在運行環境下，靜態區潤滑脂的彈性模量越高，靜摩擦系數越大，對于軸承的密封性能越突出；在動態區的潤滑脂流動應變幅度越大、進入彈流潤滑脂狀態越快，軸承內摩擦副之間形成的潤滑油膜厚度越大，提供形成油膜的流動越充足。從測試的數據看到LX-2和LX-4潤滑脂在密封性和潤滑性上具有卓越的性能，這些理論的數據也支撐了在潤滑脂指標和配方中的調整和優化方向，這也代表了我軍潤滑脂的技術研究方向。

4 結 論

（1）本研究發現，潤滑脂進入流動區的彈性模量和Streibeck測試曲線中靜態摩擦系數與潤滑脂在軸承中的密封性能直接相關。

（2）在流變測試中，開始流動時交叉應變點大的潤滑脂較容易進入彈流潤滑區，摩擦性能優良。

（3）綜合性能評價，LX-2和LX-4潤滑脂在密封和潤滑性及其高低溫性能上表現優異。

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Comparative Analysis of Rheological and Lubrication Characteristics of Heavy Truck Grease

YU Shao-hua1，GUO Xiao-chuan2，SHI Jun-feng3，WU Bao-jie3
（1. Tianjin Petrochemical Representative Office, Ministry of Logistics, Ministry of Military Affairs，Tianjin 301500, China；2. Logistic Engineering University of PLA，Chongqing 401311, China；3. Sinopec Lubricating Oil Company Tianjin Branch，Tianjin 301500, China)

The rheological and tribological properties of four kinds of heavy vehicle grease were studied, the influence of types and viscosity of base oil, types and contents of thickening agent and tackifier on the rheological properties of grease at different temperatures was analyzed; the tribological performance of four kinds of lubricating grease was determined by the rheometer, the change of friction coefficient of grease under different pressure and speed was investigated. The results showed that: in the rheological test, LX-4 and LX-2 grease showed excellent high temperature performance, which indicates that these two kinds of grease has the excellent performance including high temperature sealing performance and high temperature adhesion; LX-4 showed excellent lubricating properties under high and low temperature. In the tribological test, LX-2 grease exhibited a low friction coefficient, especially in the 50N high-pressure area, LX-2 entered more easily into the thin film lubrication area, lubricating film was formed more easily, the friction coefficient decreased rapidly.

Groundequipment; Hub; Tapered roller bearing; Lubricating grease; Rheology; Tribology

TE 626

文章編號： 1671-0460（2017）11-2226-05

2017-09-15

于少華（1978-），男，山東省高密市人，工程師，2000年畢業于石油大學（華東）化學工程專業，研究方向：軍用油料應用。E-mail：jundaishi@126.com。