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轮毂轴承润滑脂失效的流变学分析

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Analysis on Failure of Hub Bearing Greases Based on RheologyWu Baojie Mi Hongying Liu Qinglian Guo Xiaochuan Chen Deyou Zhang Guangliao(1.Tianjin Branch of SINOPEC Lubricant Company,Tianjin 300480,China;2.Petrol-Oil and Lubricants Research Institute of General Logistics Department,PLA,Beijing 102300,China;3.Logistic Engineering University of PLA,Chongqing 40131 1,China)Abstract:Rheology properties of five hub greases were measured by Physica MCR301 rheometer,and the results werediscussed combined with these grease fieldwork data.The influences of the parameters such as base oil viscosity and type,tackifer,the type and concentration of thicker on the rheological properties under different temperatures were studied,andthe mechanism was discussed.The resuhs show that the greases,with elastic modulus value of exceeding 80 kPa,strain am-plitude of approximate 4% ,apparent viscosity of more than 20 Pa·S at 120 oC,have the perfect high temperature perform-ance in hub bearing.The prima cause of hub bearing grease failure is the marked change of grease rheology parametersdue to the temperature rising of hub bearing.By adding the content of grease thickener and choosing lithium complex to en-hance the elastic module,increasing base oil viscosity to enlarge grease strain amplitude,adding special polymer in greaseform ula to boost grease apparent viscosity,the high temperature perform ance of the hub bearing greases can be improved。

Keywords:lubricating grease;hub bearing;rheology;elastic modulus流变学是研究物质流动和变形的-门科学,多数物质对外力表现为弹性和黏性双重特性,具有这种特性的物质称之为黏弹性物质,润滑脂是其中-种,其流变性能会因配方组成的不同具有较大差异 。流变测试包括稳态流变实验、瞬态流变实验和动态流变实验,动态流变实验对样品微观结构损伤最小,其中弹性模量 G 和黏性模量 G”可以反映出润滑脂结构的变化情况,应变幅度 是衡量润滑脂开始流动难易程收稿 日期:2013-01-28作者简介:吴宝杰 (1972-),男,硕士,高级工程师 ,从事润滑脂配方开发和应用研究.E-mail:wubj.1ube###sinopec。

度的关键指标 。在中低剪切速率下润滑脂流变性能的数学模型-般符合 Herschel-Bulkley方程 7-Jr。

71(du/dz) ,这里的表观黏度 受基础油黏度和稠化剂特性浓度2个因素影响。润滑脂在轴承中以动空间润滑脂和静空间润滑脂2种形式存在,分别起到密封和润滑的作用 ,两类润滑脂在结合处会出现-个从0到-定值剪切速度的过渡区域,温度和剪速控制着静空间润滑脂的流失,即屈服应力 和表观黏度 是关键参数。J Lauger等 发现润滑脂随着温度的降低 G 和 G”都要增加,应变幅度 也随之增加;L Thomas等 认为润滑脂基础油的极性越大弹性模量G 越高,该规律是建立在范德华力的基础之上。

P M Cann等 发现范德华力和毛细管力把基础油束2013年第8期 吴宝杰等:轮毂轴承润滑脂失效的流变学分析 77缚在皂基稠化剂中,运行过程中热和外力可以把基础油分离出来,这时润滑脂结构被破坏;S Hurley等 1]研究发现剪切后润滑脂模量不可能全部得到恢复,其程度撒于受到的应力大型温度,温度的作用要比应力大。J E Matin.Alfonso等 发现高的基础油黏度和聚合物的加入可以提高G 和G 值,弹性相对降低,黏性增加。

本文作者使用 Physica MCR301旋转流变仪,在- 定温度、剪切速度下测试不同类型润滑脂的流变特性,同时结合几种润滑脂现场应用的结果进行分析,推断出产生高温轮毂轴承润滑脂流失的原因。

1 试验部分1.1 试验材料为了全面地进行润滑脂的流变性分析,实验室选用不同稠化剂、不同黏度和类型的基础油,并根据试验需要在部分样品中加入适量增黏剂,共计制成5个样品,具体数据见表 1。

表 1 5种润滑脂样品基础数据Table 1 The typical propeies of five greases1.2 试验仪 器 ,采用Anton Paar公司Physica MCR301旋转流变仪测试润滑脂流变特性。机构原理如图1所示,振荡模式最小扭矩为 0.01 N·m;旋转模式最小扭矩为0.05 N·m;最大扭矩为 200 mN·m;扭矩精度为0.1 nN·m;转速范围 1×10~~3 000 r/min;角速度范围1×10- ~628 rad/s;锥度为1。;锥板直径为25mm;间隙为0.048 mm。应变幅度为0.1 rad~∞;法向应力 范围 ±0.01~±50 N;温度 范围可控在- 40~200 oC图1 流变仪测量原理Fig 1 Schematic of the cone·-on·plate rheometer1.3 实验室测试为了保证所研究的润滑脂为非牛顿特性,润滑脂试验温度设定为80,120,150 oC。具体设计的试验为:(1)应变控制下的动态流变试验:在控制应变模式下,保持角速度 10 rad/s恒定,振荡幅度不断增加,测试5种润滑脂在3种温度下储存模量和消耗模量随应变增加时的变化过程 。

(2)剪切速率控制下的稳态流变试验:在控制剪切速率模式下,测试5种润滑脂在3种温度下表观黏度和剪切应力随剪切速率增加时的变化过程 。

使用Herschel-Bulkley方程,对测得的数据拟合计算,并进行各个参数的对比分析。

1.4 行车试验选用2O辆斯太尔载重车作为试验车辆,型号为东风EQll18GA,行车地点为海拔 3 000 m以上的高原,试验期间环境温度为15~35℃。试验部位为轮毂轴承,考察单车-次加脂能否完成 3 000,6 000km试验里程或更长里程而不发生润滑脂流失。

78 润滑与密封 第38卷试验后拆检轮毂,检查轴承内润滑脂油膜厚度及分布、保持架上油脂数量、轴承密封圈附近流失情况等。采用 CRC标准色板对轴承滚柱变色进行评价,使用后滚柱温度不同表现为轴承内圈黏贴的CRC标准色板颜色不同 (见图2)。试验结束后对轮毂轴承部位进行拆检取样,根据采样数量,分析检测样品滴点、微锥人度,并用 SEM等仪器对使用前后的皂纤维变化及润滑脂的官能团进行分析。

图 2 CRC标准色板Fig 2 CRC standardOIour plateStrain %(a)80℃爵 图2是 CRC标准色板示意图,级别差为7,跨越不同温度范围,其机制为色板受热后发生-系列化学和物理变化,导致其反射光的颜色不同,该色板测试法广泛应用于对不容易直接接触部位的温度测量。

2 结果与讨论2.1 模量随应变变化的趋势图3示出了 80,120,150℃时 5种润滑脂的弹性模量与黏性模量随应变变化,表2示出了不同温度下5种润滑脂在屈服点的弹性模量和黏性模量值以及交叉流动点对应的应变值∩以看出:8O℃时,屈服点弹性模量 G 的排序是 G (jinzhi.1)>G (jinzhi-2)>G (jinzhi-5)>G,(jinzhi-3)>G (jinzhi-4);120℃时,G 的排序是 G (jinzhi-1)>G (jinzhi-2)>G (jinzhi-3)>G (jinzhi-5)>G (jinzhi-g);150 oC时,G 的排序是 G (jinzhi-1)>G (jinzhi-2)>G (jinzhi-3)>G (iinzhi.4)>G inzhi-5)。

Strain2"/%(c)150℃Strain2"/%(b)120℃图3 80,120,150℃时5种润滑脂的弹性模量与黏性模量随应变变化Fig 3 Variation of elastic modulus and plastic modulus with strain at 80.120 and 150℃2013年第8期 吴宝杰等:轮毂轴承润滑脂失效的流变学分析 79表 2 不同温度下5种润滑脂在屈服点的弹性模量和黏性模量值以及交叉流动点对应的应变值Table 2 G and G about five greases at yield point,and critical strains corresponding tO the flow point弹性模量是润滑脂保持 自己形状的-种能量表现,在-定程度上反映了润滑脂屈服能力,所以润滑脂稠化剂浓度高、基础油极性和黏度大、加入-定量增黏剂等因素都会提高润滑脂的弹性模量,当温度变化时会因环境的不同这些因素起作用的强弱秩序发生调整。测试 的 5种润滑脂稠化剂浓度的排序是:C(jinzhi-3)>c(jinzhi-1)>c(jinzhi-2)>C(jinzhi-4)>c(jinzhi-5);基 础 油 黏 度 排 序 是:p(jinzhi-1)>v(jinzhi-3)>v(jinzhi-2)> (jinzhi-4)> (jinzhi-5)。

基础油活性强弱排序是: (jinzhi-1)> (jinzhi-2)>a(jinzhi-4)>O/(jinzhi-5)> (jinzhi-3)。当温度升高时,基础油黏度和增黏剂的影响降低,稠化剂含量的影响相对加强,基础油极性对稠化剂的膨化作用提高了,其主要原因是因为单个稠化剂胶团的大小尺寸会随着温度提高而被膨化起来,胶团纤维之间的联系会因为布朗运动被削弱,前者的作用是将更多的基础油束缚在纤维内,后者的作用与之相反,最后弹性模量的大小是这2个因素作用的结果。在测试到的数据中发现 jinzhi-5在 80和 120 oC时比jinzhi-4弹性模量高,原因是jinzhi-5的稠化剂是复合锂皂,二元酸的加入使其在-般温度下范德华力和氢键缔合能力增强,提高了稠化剂胶团的强度,当温度提高时这个因素将被弱化。5种润滑脂在80,120,150 oC下进入流变过渡区时的弹性模量G 总体规律是随着温度提高逐渐降低,不同之处在于 120℃时,jinzhi-1、jinzhi-3的弹性模量较其80℃时稍大,这2个产品和其他3种润滑脂相比主要区别是均为稠化剂含量较高的复合锂基脂。M cS6nchez等 在研究中尧现了这个现象。

由表2也可以看出:80℃时,润滑脂在交叉流动点的应变幅度 排序是:y(jinzhi-1)>y(jinzhi-2)>(jinzhi-4)>,(jinzhi-3)>y(jinzhi-5);120℃时为y(jinzhi-1)> (jinzhi-3)> (jinzhi-4)> (jinzhi-5)>3/(jinzhi-2);150℃为 (jinzhi-1)> (jinzhi·3)>y(jinzhi-4)>T(jinzhi-5)>y(jinzhi-2)。

由前面的原理分析知,交叉流动点的应变幅度是区分固态静止区到流动区的关键参数, 的数值越大说明润滑脂在外力的作用下转变为流动形态时需要的外力作用的时间和里程越长,这和受到应力的大小没有关系。润滑脂基稠化剂含量高,基础油极性强引起的胶团力量大均会使分子间相互吸附力增强,这时的数值也表现较大。本文作者在该流变模式下测试的5种润滑脂基本符合这个规律。温度提高后,基础油黏度变小,溶解性增强,稠化剂胶团得到进-步膨化,但是热的能量会抵消-部分稠化剂纤维网络对基础油的束缚力。意外的是jinzhi-2润滑脂在高温时 的数值最小,并且幅度和同类润滑脂相比差别较大,原因是jinzhi-2中加入了-种高分子增黏剂,高温时基础油黏度的影响降低,稠化剂胶团的影响相对增加,但是这时高分子增黏剂分子伸开,链变长,渗透到润滑脂稠化剂纤维中去,降低其缠扰作用,-定程度上消弱稠化剂和基础油形成的胶团的力量,使 的数值降低,从而改变黏弹性,提高流动性能。这与高分子化润滑与密封 第 38卷合物的加入可以提高G 和G, 没有矛盾,只是 G”增加的速度要大-些,或者是G 降低的速度快-些而已 。

120℃时,jinzhi-4、jinzhi-3的应变幅度较其 80℃时稍大,这主要是因为2种润滑脂的稠化剂浓度较高,在 120 cI时稠化剂胶团颗粒得到膨化使纤维对基础油的束缚力相对增加,润滑脂总体上的弹性增强。

增黏剂的加入会使润滑脂稠化剂的纤维变细变长 ,阻碍相互之间的缠绕作用 ,当温度和剪切增加时,润滑脂纤维形态会变得清晰和粗大 。

2.2 黏度随剪切速率的变化关系试验测试了5种润滑脂在剪切速率和温度同时增加的情况下表观黏度的变化趋势,第-部分是低剪切速率下不同温度时的黏度随剪切速率的变化趋势,如图4所示;第二部分是在0~100 S 剪切速率下按照Shear rate户/s1(a1 8O℃Hersche1.Bulkley方程进行拟合,并对各个参数进行对比分析,如表3所示。从图4可以看出:5种润滑脂在3种测试温度范围内表观黏度叼都随着剪切速率的增加逐渐降低,-直达到-个稳定值。这个规律和润滑脂的结构有关,稠化剂纤维结晶体内的张力是由分子间的氢键主导,氢键力量的大小与稠化剂分子及其各个微泻团之间的排列位置相关,在有外部剪切力作用下,各个微泻团空间位置的调整会引起由氢键主导的张力的降低。当温度-定时胶团被剪切到-定程度后,稠化剂纤维微泻团之间的位置开始趋于固定,润滑脂的表观黏度逐渐稳定下来。同时可以看到,高温时润滑脂在剪切力下进入稳定黏度的时间要比低温时快,这主要是由于高温下分子运动加剧,稠化剂胶团骨架被剪切的概率增加所致。

Shear rate s-1(b)120℃图4 80,120,150 oC时5种润滑脂的表观黏度在低剪切速率区内的变化Fig 4 Variation of apparent viscosity with low shear rate at 80.120 and 150℃表3 5种润滑脂不同温度流变方程Table 3 Rheological equations at diferent temperaturesShearrate,;/s1(c)150℃随着温度升高润滑脂的表观黏度 田-般是降低的,降低幅度主要与基础油黏度、稠化剂类型和增黏剂特性等因素相关,在120℃以下基础油黏度和增黏剂特性控制着表观黏度;120 cI以上时稠化剂类型起到主要作用。从表3可以看到,溶解性好的高分子增黏剂 PIB含量较高的jinzhi-2样品在不同温度下都表现出了最高的表观黏度,OCP在基础油中的溶解性差是jinzhi-3样品表观黏度较jinzhi-2低的主要原因。

在基础油黏度相当的情况下,120℃下稠化剂为复合锂的jinzhi-5比锂基脂jinzhi-4的表观黏度稍高。复合锂基脂的胶团黏度比锂基脂要高,随着温度升高,基础油和增黏剂的黏度大幅下降,其对表观黏度的贡献降低,但稠化剂影响继续存在。值得注意的是jinzhi-4和jinzhi-5润滑脂在150 oC下的黏度比120℃时是增加的,这主要是由于润滑脂的抗高温性差和高温分油严重造成测试锥板表面的润滑油高温胶质化后黏度大82 润滑与密封 第 38卷2.4 综合分析和机制探讨综合流变学分析数据和现场行车试验的结果,高原地区运输车辆轮毂轴承润滑脂流失失效原因是由于特殊路况下的连续刹车致使轮毂温度升高,高温引起轴承内润滑脂的各项流变学参数发生显著变化,例如弹性模量、交叉流动点的应变幅度以及表观黏度等,这些变化最终导致了流失的发生。润滑脂配方中-些组分的性能在外界温度变化时表现得非常敏感,如基础油黏度、增黏剂形态和稠化剂胶体能力等,在热的影响下配方中组分性能的变化是润滑脂流变学特性变化的内因。

根据经验可以推测:润滑脂稠化剂分子之间主要靠取向力和氢键力获得晶核在-维方向上成长的动力,众多的已经形成的-维方向上的稠化剂微晶核以色散力和取向力为主成长为-根完整的稠化剂纤维,所有的稠化剂纤维主要靠色散力形成最后的稠化剂网络,其中稠化剂网络和基础油-起主要靠色散力形成稠化剂胶团。基础油黏度指数和苯胺点低,环境极性相对较强,电子数量较多,色散力较大,最后导致范德华力大,所以润滑脂的屈服力或者弹性模量要高-些。稠化剂-般为极性的有机盐,浓度高时,极性大,取向力和色散力强,范德华力变大,稠化剂本身的力量变强,对基础油的束缚力量也大,润滑脂本身的强度变大 。复合锂内双元酸的加入提高了稠化剂的极性强度,对润滑脂的强度有-定的贡献。高分子聚合物的加入起到了稠化剂的作用,由于其极性弱,分子量大,干扰了稠化剂纤维对基础油的束缚能力,对润滑脂的流动性产生-定影响,这个影响不是以电荷能量表现出的。

综上所述,在120℃左右的轮毂轴承运转中,润滑脂在该温度下相对较高的弹性模量可以使其具有-定半固体形态,不易从轴承内部流失;该温度下较高的应变幅度可以延长润滑脂在使用温度下从固态向液态转变的时间;较高的表观黏度可以增强润滑脂在不同剪切速率下在金属表面的保持能力。

3 结论(1)通过对行车试验前后和试验润滑脂流变特性的测试数据分析发现,高原轮毂轴承润滑脂流失失效原因是由于特殊路况下的连续刹车致使轮毂温度升高,从而引起轴承内润滑脂的流变学参数发生变化造成。

(2)研究发现,120 cI下弹性模量超过80 kPa、应变幅度接近 4%、表观黏度大于 20 Pa·s的润滑脂在高温轮毂轴承中表现出了优异的高温性能,在行车试验中使用寿命最长。

(3)通过提高稠化剂含量、选用复合稠化剂增加高温下的弹性模量,通过提高基础油黏度来增大高温下应变幅度,通过加入特种高分子增黏剂来提高表观黏度,可以提高轮毂轴承润滑脂在高温下的性能。

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