長壽命復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指標，使用四球機模擬汽車正常行駛、重負荷、爬坡和高速4種實際工況，并結合滴點、蒸發損失和氧化安定性，對4種長壽命復合鋰基潤滑脂的性能進行研究，總結出不同工況下的最佳潤滑脂。

關鍵詞：長壽命 實際工況 潤滑脂 磨痕直徑

中圖分類號：U473.6 " " 文獻標志碼：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，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]。潤滑脂由基礎油、稠化劑和添加劑組成，其中，稠化劑主要包括鋰基、復合鋰、鈣基、脲基等[3-6]，在潤滑脂中形成三維網絡的結構骨架，使基礎油被吸附和固定在結構骨架中，決定了潤滑脂的機械安定性、耐高溫性和抗水性等[7-9]。

復合鋰基潤滑脂各項性能優越，市面上有多種價格和性能不同的長壽命復合鋰基潤滑脂，本文選擇4種長壽命復合鋰基潤滑脂，在正常行駛（轉速升高）、重負荷、爬坡（低速高載荷）和高速（高速低載荷）4種工況下，同時考慮溫度、載荷、轉速和運行時間，分析潤滑脂的抗磨性能，以期快速選擇最佳潤滑脂。

2 試驗材料和試驗方法

2.1 試驗材料

試驗用的4種潤滑脂的主要理化指標如表1所示。

潤滑脂的基礎油可分為礦物油和合成油，其性能差異在此次試驗中也進行了比較。

2.2 試驗設備

本文試驗所用的設備如表2所示。

2.3 試驗方法

抗磨性能試驗過程如下：

a. 將待測軸承材料制成球形試樣，選擇4個新的測試球，使用超聲波浴在溶劑中清潔并吹干。將測試球固定在試驗機的底座上，形成一個四球摩擦裝置，在球杯中填入適量潤滑脂并安裝完畢。

b. 待四球機預熱15 min后，在“主菜單”中按照試驗要求設置載荷、溫度、運行時間及轉速，啟動試驗機。

c. 試驗結束后，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

使用潤滑脂滴點測定儀和潤滑脂氧化安定性測定器對4種潤滑脂的滴點、蒸發損失和氧化安定性進行測試，測試結果如表3所示。

潤滑脂適用的工作溫度是選擇的重要依據。滴點為潤滑脂受熱時從不流動狀態到流動狀態的轉變溫度，可反映潤滑脂使用時允許的最高溫度。本文采用GB 4929—1985《潤滑脂滴點測定法》對滴點進行測定。由表3可知，潤滑脂A和潤滑脂B的滴點較高，耐高溫程度接近，潤滑脂C和潤滑脂D的耐高溫程度較弱。實際應用中，滴點越高，并不代表潤滑脂越好，需結合蒸發損失、氧化安定性和抗磨性綜合考慮。

潤滑脂基礎油蒸發損失會導致潤滑脂中的稠化劑占比增大，使用時內摩擦增大，降低潤滑脂壽命。因此，蒸發損失在一定程度上反映了潤滑脂的高溫使用性能。蒸發損失越小，性能越好，因此，潤滑脂B耐蒸發損失性能最佳。

潤滑脂高溫使用時會發生氧化，導致游離堿含量降低或游離有機酸含量升高，潤滑脂的滴點、稠度、相似粘度下降，并生成具有腐蝕性和破壞結構的物質。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行測量，其中，潤滑脂A氧化安定性數值最小，抗氧化性能最佳。

4 結果分析與討論

本文通過改變溫度、載荷、轉速和運行時間，充分模擬潤滑脂在正常行駛、重負荷、爬坡和高速4種實際工況的使用情況。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種潤滑脂在四球機中以載荷為392 N、溫度為75 ℃的條件運行1 h，轉速由900 r/min逐步提高至1 200 r/min，試驗期間磨痕直徑的變化如圖1所示。

潤滑脂的磨痕直徑與轉速無明顯關系，說明轉速產生的離心力并未破壞潤滑脂的分油能力，抗磨性能相對穩定。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添加劑制成，雜質多且流動性較差。因此，基礎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，應選擇成本較低的產品。

4.2 重負荷工況

在實際工況中，商用車常處于重負荷狀態，載荷、溫度和工作時間多個變量同時變化，無法準確研究潤滑脂性能。因此，模擬試驗通過控制單一變量法對潤滑脂的使用性能進行研究。

4.2.1 載荷的影響

4種潤滑脂在溫度為75 ℃、轉速為1 200 r/min的條件下運行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，根據行車經驗，通常當磨痕直徑gt;0.6 mm時，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境，潤滑脂A性能中等，在載荷≥588 N時，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，當軸承工作時，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。

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

由圖3可知，在試驗溫度范圍內，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，與其他3種潤滑脂相比，潤滑脂B具有最高滴點、最小的蒸發損失和適中的氧化安定性。

當溫度升至約150 ℃時，潤滑脂C的磨痕直徑突變，結合表2分析原因如下：

a. 在高溫環境中運轉時，潤滑脂C的滴點相對較低，潤滑脂中基礎油的蒸發損失、內摩擦增大，產生摩擦熱，使潤滑脂硬化或干燥。

b. 潤滑脂發生氧化反應后，產生的酸性物質腐蝕金屬表面，破壞了潤滑性，導致磨痕直徑增大。

綜上所述，在高溫環境中，潤滑脂B為最佳選擇，潤滑脂A、潤滑脂D的性能適中，當溫度高于150 ℃時不推薦使用潤滑脂C。

4.2.3 工作時間的影響

在載荷為392 N、轉速為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時間的變化如圖4所示。

隨著試驗時間增加，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，結果表明，潤滑脂A具有相對穩定的抗磨性能，為最佳選擇。

因此，綜合考慮載荷、溫度和工作時間對潤滑脂工作狀態的影響，在重負荷工況下應選用潤滑脂A。

4.3 爬坡和高速工況

為模擬爬坡和高速2種實際工況，4種潤滑脂分別在爬坡工況（轉速為700 r/min、載荷為784 N、溫度為75 ℃）和高速工況（轉速為1 200 r/min、載荷為392 N、溫度為75 ℃）下運轉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，具有優異的抗磨性能且滴點較高，爬坡過程中的耐溫性能好，但蒸發損失較大，使用一段時間后需及時更換。

在高速行駛時，潤滑脂B表現出更優異的抗磨性能，但成本比國內產品高，潤滑脂A更具有性價比。

5 結束語

采用四球機法模擬汽車正常行駛、重負荷、爬坡和高速4種實際工況，結合潤滑脂的滴點、蒸發損失和氧化安定性分析得到以下結論：

a. 正常行駛時，基礎油為合成油或礦物油的潤滑脂均無明顯區別，4種潤滑脂的滴點、蒸發損失和氧化安定性指標均滿足使用要求，可選擇成本較低的產品。

b. 重負荷行駛時，潤滑脂的磨痕直徑隨著載荷、溫度和工作時間的增加而變大，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，汽車處于高載荷工作狀態，選用潤滑脂A可滿足使用要求。但當軸承磨損嚴重時，應及時更換軸承及潤滑脂。

d. 高速行駛時，潤滑脂B和潤滑脂A的抗磨性、滴點、蒸發損失和氧化安定性性能指標均滿足使用需求。因此，在不考慮成本的情況下，選用潤滑脂B。若考慮經濟性，潤滑脂A為最佳選擇。

參考文獻：

[1] 艾罡， 萬書曉， 程亮， 等. 車用輪轂軸承復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. 全合成復合鋰皂潤滑脂的潤滑壽命試驗分析[J]. 軸承， 2015（4）： 35-38+48.

[3] 王衛攀， 王碩， 王學宇. 新型鈣基復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狀及發展趨勢[J]. 廣東化工， 2019， 46（3）： 96-98+95.

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

[6] 趙坤， 蘇達士. 汽車轉向系統用四點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. 鋰基潤滑脂微觀結構表征的掃描電鏡樣品制備方法及應用[J]. 石油學報（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添加量對潤滑脂流變學行為及摩擦學性能的影響[J]. 摩擦學學報， 2023， 43（8）： 916-927.

[9] 王慶日， 趙麗， 高宇航， 等. 稠化劑纖維結構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.