耐高溫潤滑脂測試新技術(shù)
如今，隨著行業(yè)對(duì)設(shè)備效率要求的提高，潤滑脂面臨的工況更為嚴(yán)苛。惡劣的工況環(huán)境意味著，潤滑脂必須在高溫條件下為齒輪和軸承提供更好的潤滑和抗磨損保護(hù)。
顯然，潤滑脂的耐高溫性能及對(duì)其的關(guān)注都不再是新鮮話題，但是在過去十年間行業(yè)對(duì)該領(lǐng)域的研究不斷增加和深入。例如，雅富頓公司最新的研究主題是溫度變化對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響以及這些變化與潤滑脂穩(wěn)定性及摩擦性能的關(guān)聯(lián)。穩(wěn)定性和摩擦控制力強(qiáng)的潤滑脂能夠有效減少扭矩?fù)p壞。高溫條件下潤滑脂性能的完整性可以通過現(xiàn)有的幾種技術(shù)和結(jié)合一些新技術(shù)來測定。此外，耐高溫潤滑脂配方完整性的提高，能有效改善磨損，延長軸承壽命。
高溫性能
在歐洲，兩種通用的潤滑脂分類標(biāo)準(zhǔn)分部為DIN51502和ISO6743。兩種分類標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了，如果潤滑脂不能通過指定的120℃溫度測試，那么就該采用滴點(diǎn)來測試最高的操作溫度。
雖然耐高溫潤滑脂在通用的軸承試驗(yàn)上表現(xiàn)一般，但是它們?cè)谔囟ǖ母邷貞?yīng)用中性能表現(xiàn)卓越。在通用的測試中，粘稠的潤滑脂(NLGI 0及以下)會(huì)在軸承中側(cè)漏出來;而通常耐高溫潤滑脂造成軸承故障并不是因?yàn)橛椭到猓鴥H僅是因?yàn)樾孤?/p>
也就是說，特種潤滑脂可能具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，但卻未必能在較好地通過通用標(biāo)準(zhǔn)的軸承潤滑油測試。
潤滑脂高溫性能的定義應(yīng)分為兩部分：即，溫度上限—油脂可以短時(shí)間發(fā)揮作用的最高溫度，以及最高操作溫度——潤滑脂可以保持長時(shí)間工作的最高溫度。
制造商在確定最高操作溫度上差異非常大。分析同類鋰潤滑脂產(chǎn)品數(shù)據(jù)表，我們發(fā)現(xiàn)油脂的最高操作溫度上限在120到250度C之間;此外最近有研究表明，行業(yè)對(duì)最高操作溫度的定義標(biāo)準(zhǔn)不一致，不同的最高溫度測試導(dǎo)致了不同的結(jié)果。
熱量的影響
要定義潤滑脂最高操作溫度可選測試或測試組合的標(biāo)準(zhǔn)，我們就需要了解影響油脂降解的參數(shù)以及降解對(duì)潤滑脂性能的影響。某些研究表明，高溫條件下油脂蒸發(fā)導(dǎo)致降解，這也是造成高溫潤滑性能損失和軸承損壞故障的主要原因。還有研究表明，抗磨性能和邊界性能也在軸承故障中扮演者重要的角色。
同樣地，雅富頓公司對(duì)潤滑脂配方進(jìn)行了多維度的調(diào)查研究，以發(fā)現(xiàn)潤滑脂配方和油脂高溫軸承保護(hù)性能的關(guān)系。研究確定了三個(gè)關(guān)鍵的影響因素，每一個(gè)因素都代表了潤滑脂高溫性能不同的一個(gè)方面。第一個(gè)因素是了解高溫條件下潤滑脂的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。研究的測試包括滴點(diǎn)、熱重分析、油分離和流變應(yīng)變掃描。
滴點(diǎn)表示潤滑脂增稠劑在高溫條件下鎖住油脂的能力。如果油脂的高溫條件下從軸承中被釋放出來，就很有可能會(huì)導(dǎo)致軸承故障。
雅富頓公司的流變儀測試，主要是測量潤滑脂結(jié)構(gòu)完整性被破壞(又稱為屈服點(diǎn))以及油脂完整性丟失后的剛度(稱為在流點(diǎn)的儲(chǔ)能模數(shù))時(shí)的剪切應(yīng)力。這兩個(gè)參數(shù)都是衡量油脂保護(hù)性能的的重要指標(biāo)。流變儀測試采用了3個(gè)潤滑脂樣本，測試溫度在140和160攝氏度之間。不同潤滑脂的屈服點(diǎn)差異顯著。其中一種油脂在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力下顯示出完整性輕微下降，而第二種甚至在更高的溫度下保持了原有的穩(wěn)定性。
第三種潤滑脂在較高溫度下喪失結(jié)構(gòu)完整性所需的應(yīng)力相對(duì)更小。可見，潤滑脂在指定高溫下保持其結(jié)構(gòu)完整性的能力與其溫度潤滑保護(hù)性能密切相關(guān)。
同樣地，傾點(diǎn)的彈性模量(傾點(diǎn)是指潤滑脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始變得像凝膠狀物質(zhì)，像粘性材料的時(shí)候)可能是衡量潤滑脂在應(yīng)用條件下保持在軸承內(nèi)的重要指標(biāo)。3種潤滑脂在傾點(diǎn)測試中又有了截然不同的表現(xiàn)，其中兩個(gè)在140和160攝氏度兩個(gè)溫度中得出測量值差異不大。另一方面，第三種潤滑脂在兩個(gè)不同溫度的測量值變化比較大。測量值表明了潤滑脂的剛度，也意味著油脂流入接觸區(qū)的能力。因此，如果潤滑脂剛度高，油脂就無法很好地移動(dòng)到軸承的接觸區(qū)，并為軸承金屬表面提供潤滑。
雅富頓研究評(píng)估的第二個(gè)因素是潤滑脂的摩擦和磨損性能。雅富頓公司測量邊界潤滑和薄膜的摩擦系數(shù)，并分析了FAG fe-9鉆機(jī)測試后軸承的磨損。我們使用了修改后的版本的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)測量摩擦、磨損以及潤滑脂的耐磨特性。我們用測試的結(jié)果來分析高溫條件下不同潤滑脂配方的摩擦和磨損反應(yīng)。
140攝氏度高溫測試的扭矩痕跡表明，不同潤滑脂在指定高溫條件下的反應(yīng)千變?nèi)f化。高摩擦系數(shù)的潤滑脂因增加軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的能量導(dǎo)致軸承故障，而許多軸承測試通過增加扭矩測試來鑒定軸承故障。
雅富頓公司用來評(píng)價(jià)潤滑脂高溫性能的第三個(gè)參數(shù)是氧化穩(wěn)定性。這促使研究人員對(duì)高溫潤滑脂配方抗氧化組合添加劑的有效性進(jìn)行測試。此外，研究人員在加入極壓劑、抗磨劑和腐蝕抑制劑的情況下，對(duì)抗氧化劑組合進(jìn)行測試。測試比較了七種市售的高溫性能潤滑脂。我們研究了油分離和蒸發(fā)以及在標(biāo)準(zhǔn)測試中的氧化穩(wěn)定性。此外，研究人員將潤滑脂應(yīng)用于滾動(dòng)軸承后進(jìn)行流變儀測試(RBA試驗(yàn))。三周后，打開軸承，將剩余的油脂從油盒中取出，通過余壽命評(píng)估的常規(guī)測試測定試驗(yàn)后的剩油脂抗氧化劑的比例。
RBA試驗(yàn)中的油分離和蒸發(fā)測試結(jié)果表明，單單是標(biāo)準(zhǔn)測試方法，如ASTM D6184，不足以測定在升高的溫度下軸承中潤滑脂的損失。例如，其中一個(gè)樣本油脂在ASTM D6184的測試結(jié)果顯示出最高的油脂損失，但當(dāng)軸承內(nèi)部加熱到120和140攝氏度時(shí)，油脂損失卻比其他油脂少得多。從這一事實(shí)可以很容易理解到，該潤滑脂的滴點(diǎn)非常接近140攝氏度。
無論是壓差掃描量熱法(PDSC)還是RBA試驗(yàn)中，復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂的性能表現(xiàn)都是最好的。與其他潤滑脂相比，磺酸鈣基配方的抗氧化物性能更好，在140攝氏度高溫測試三周后該類潤滑脂保持的原始抗氧化劑比例高達(dá)49%。
在PDSC測試中，鋰加厚和粘土加厚潤滑脂的氧化穩(wěn)定性表現(xiàn)最差。但是，該類油脂在RBA測試中表現(xiàn)卻截然不同。在120攝氏度溫度測試三周后和140攝氏度的兩周后，鋰稠化潤滑脂發(fā)生降解。在兩個(gè)高溫測試中，粘土稠化潤滑脂的失效時(shí)間都是三周后。RBA test中所有潤滑脂的反應(yīng)可以分為兩個(gè)階段。在油脂老化過程的第一階段，扭矩等于或低于新油的扭矩。溫度升高引起油脂滲油，從而導(dǎo)致扭矩降低，這就可能提高對(duì)滾流。在第二階段，扭矩再次開始升高，并最終導(dǎo)致軸承故障。
油脂老化的第二階段，基礎(chǔ)油中的氧化劑和聚合物以及軸承中油脂泄漏，導(dǎo)致潤滑不足，從而造成扭矩增大。RBA試驗(yàn)120和140攝氏度高溫測試的結(jié)果與DIN 51502中確定最高操作溫度上限的SKF r2f-b測試結(jié)果大都吻合。只有一項(xiàng)參數(shù)與SKF r2f-b試驗(yàn)結(jié)果不一致，其中的原因尚不清楚，需要進(jìn)一步調(diào)查。
結(jié)論
流變學(xué)在對(duì)了解潤滑脂各方面性能的重要性變得更加清晰。雅富頓的研究表明，多種技術(shù)能夠幫助潤滑油配方技術(shù)員更好地了解在接近真實(shí)環(huán)境條件下油脂固體和液體的參數(shù)。
標(biāo)準(zhǔn)分析法和測試平臺(tái)的調(diào)整能夠?yàn)闈櫥浞街嘘P(guān)鍵性能參數(shù)提供非常好的觀察分析角度。測定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的能力、摩擦磨損對(duì)高溫扭矩的影響以及油脂的氧化穩(wěn)定性等參數(shù)對(duì)潤滑脂配方人員來說都是無價(jià)之寶。在一個(gè)給定的應(yīng)用程序中對(duì)潤滑脂各方面性能進(jìn)行多層次分析，能夠更好地了解潤滑脂的關(guān)鍵性能參數(shù)，為采用更高效和更具有成本效益的方式研制潤滑脂配方提供了新的方向。
該項(xiàng)研究表明，軸承油脂損失是導(dǎo)致故障的關(guān)鍵因素。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的油脂分離試驗(yàn)并不總能夠在實(shí)際的操作溫度中很好的分析油脂的損耗。相反，靜態(tài)老化軸承的油脂損耗提供了一個(gè)更實(shí)際的方法來確定潤滑脂的操作溫度上限。
滾動(dòng)軸承油脂流變學(xué)測試為分析各種油品配方技術(shù)在較長時(shí)間暴露于升高的溫度下的表現(xiàn)提供了一個(gè)良好的角度。雖然這項(xiàng)研究仍處于早期階段，但是第一次的研究結(jié)果表明，開發(fā)利用流變測量與滾動(dòng)軸承組件有可能成為確定的操作溫度上限的一種方法。
