重载车辆润滑脂流变及润滑特性对比分析

于少华，郭小川，石俊峰，吴宝杰

（1. 军委后勤部保障部驻天津石化代表室，天津300271； 2. 后勤工程学院，重庆401311； 3. 中石化润滑油天津分公司，天津301500）

重载车辆润滑脂流变及润滑特性对比分析

于少华1，郭小川2，石俊峰3，吴宝杰3

（1. 军委后勤部保障部驻天津石化代表室，天津300271； 2. 后勤工程学院，重庆401311； 3. 中石化润滑油天津分公司，天津301500）

考察了四种重载车辆润滑脂的流变学性能和摩擦学性能，分析了基础油的种类和粘度、稠化剂的种类和含量以及增粘剂等参数在不同温度下对润滑脂流变学性能的影响；使用流变仪的“三板球”测试组件对四种润滑脂摩擦学性能进行测试，考察不同压力和速度下润滑脂摩擦系数的变化情况。结果表明：在流变学测试中，LX-4 和 LX-2润滑脂表现出了较好的高温性能，说明这两种润滑脂在高温密封性能和高温粘附性上表现优异，其中LX-4在高低温范围都显示出优良的润滑性能。在摩擦学测试中，LX-2润滑脂表现出较低的摩擦系数，特别是在50 N高压区，LX-2表现出更容易进入薄膜润滑区，润滑膜形成更加容易，摩擦系数下降较快。

地面装备；轮毂；圆锥滚子轴承；润滑脂；流变学；摩擦学

车辆是润滑脂的重要应用装备，据统计有超过三分之一的润滑脂是应用到车辆装备上。而车辆各用脂部位中又以轮毂轴承综合性能要求最为严苛，使用量也最大。世界各国都特别重视车辆装备润滑脂的应用。上个世纪80年代，我国某标准中明确规定，环境温度高于-30 ℃以上地区使用汽车通用锂基润滑脂，环境温度低于-30 ℃地区使用寒区多效润滑脂，完成了用车辆通用锂基润滑脂替代钙基润滑脂的过程。随着地面车辆更新换代，对润滑脂的质量也提出了更高的性能需求[1]。新一代复合型润滑脂LX-2逐渐替代锂基脂，成功用于车辆轮毂和底盘各个润滑部位，解决车辆行驶过程中出现的甩油、流失、轴承卡死问题。合成油型复合皂基润滑脂LX-3和LX-4，由于低温性能突出，成功应用于三北地区地面车辆上，及时解决了润滑脂南北方通用的问题。

车辆装备的各润滑部位中，尤其以轮毂部位的润滑要求最为苛刻。既要求润滑脂有良好的低温启动性、高温抗氧化性能，同时具备抗水性、耐锈蚀性和良好的承载能力[2]。本文选择了车辆装备现用的四个主要润滑脂产品，通过对润滑脂样品的流变学、摩擦学的测试，来全面了解润滑脂的流变学性能在实际工况中的变化特点，同时结合润滑脂的摩擦行为的测试，来研究润滑脂在使用过程中的微观结构变化和润滑状态的转化过程[3]。通过对润滑脂流变学和摩擦学性能的研究，来解决润滑脂在高温、重载条件下流失、甩脂以及低温环境下启动困难等问题，同时为我军地面装备正确地选择和合理使用润滑脂提供理论支持。

重载车辆轮毂轴承多数使用圆锥滚子轴承，轴承的内圈有两个作用不同的大小挡边。其中，小挡边主要作用是在保持架配合下将滚子和内圈组成一个整体，大挡边主要作用是承受滚子的轴向分力[4]。因此圆锥滚子轴承在工作时，存在多种润滑形式包括弹性流体动力润滑、混合润滑脂和边界润滑。通过研究润滑脂的摩擦学性能，能够充分认识润滑脂在轴承运转过程中的润滑形态，有助于了解轴承由于摩擦而引起的能量转换和材料的损耗，从而有效的预防和控制摩擦和磨损。

1 实验部分

1.1 润滑脂样品的准备

本实验选取了4个润滑脂样品，这四个润滑脂样品均是应用于重载车辆装备的轮毂和底盘润滑部位。其中Li-1和LX-2是采用矿物油制备的皂基润滑脂，作为Li-1的升级产品，LX-2具有优异的高温抗氧化性能、极压性能和抗水性能，目前 LX-2主要应用于重载车辆和重型设备等部位的润滑；LX-3和LX-4是采用半合成油或合成油制备的皂基润滑脂，且都有优异的低温性能，作为LX-3的升级产品，LX-4具有良好的低温性能、抗水性能和耐锈蚀性能（表1）。

表1 润滑脂样品的性能指标Table 1 Performance indicators of grease samples

1.2 流变学性能测试

1.2.1 试验目的

作为非牛顿流体的润滑脂，既具有弹性（存储能量）又具有粘性（消耗能量）。而流变学中两个重要参数为G´和G´´，G´为储能模量，又称弹性模量，该参数和润滑脂的保持能力和密封性相关，较高的储能模量表示润滑脂内部的能量积蓄的多，保持自己形态的能力强，不容易流失；G´´为损耗模量，又称粘性模量，指形变时以热的形式消耗的能量，和润滑脂的流动性相对应[5,6]。

采用动态流变学试验模式，对样品施加一定范围内的正弦振动作用，保持恒定的角速度，通过对振荡幅度的扫描，来测定润滑脂的线性粘弹区（LVE）和流动点（G´和G´´的交点），从而得到线性粘弹区的剪应力y和应变幅度y以及流动点的剪应力f和应变幅度f，以此来分析润滑脂的流变性能与实际使用中的对应关系[7]。

1.2.2 试验仪器

Anton Paar公司MCR302旋转流变仪。机构原理见图1所示，振荡模式最小扭矩0.01 μNm；旋转模式最小扭矩0.05 μNm；最大扭矩200 mNm；扭矩精度0.1 nN·m；转速范围10-7～3 000 r/min；角速度范围10-7～628 rad/s；锥板/平板直径25 mm；间隙1.000 mm。应变幅度0.1μrad ～∞；法向应力范围±0.01～±50 N；温度范围可控在-40～200 ℃。

图1 流变仪测量原理Fig.1 Measurement principle of rheometer

1.2.3 试验方法

轮毂轴承的正常运转时的温度范围 60～90℃，但当轴承出现润滑不良或异常磨损时，轴承的温度会升高，有时会达到120 ℃甚至更高。在低于-30 ℃下，矿物油润滑脂流动性能差造成剪切阻力过大，影响测试马达的正常工作，在高温下由于分油过大，润滑脂在流变仪平板间的壁滑移现象明显，测试温度过低或是过高，测得数据不具有科学合理性。考虑到数据的合理性和使用工况的温度，本测试在-30～120 ℃的范围内选择几个典型的温度作为测试条件。

润滑脂流变学的测试采用德国标准DIN51810-2[8]。在恒定温度下，使用平板测量系统（PP25）通过振动法检验润滑油脂，测试润滑脂的粘弹性，进而得到润滑脂的存储模量G´和损耗模量G´´的曲线。具体试验条件如下：

温度：-30 ℃，80 ℃，120 ℃应变范围：γ =0.01%～100%

1.3 摩擦学性能测试

1.3.1 试验目的

根据润滑膜形成原理和特征，润滑状态分为六种形式或状态：流体动压润滑、流体静压润滑、弹性流体动压润滑、薄膜润滑、边界润滑和干摩擦[9]。典型的Streibeck曲线可以清晰的描述摩擦副的各种润滑状态及其转化过程，适用于描绘所有润滑表面摩擦的一般特征。本实验的目的是借助流变仪的摩擦组件对四种润滑脂的Streibeck曲线进行测试，通过分析润滑脂摩擦状态特性和转换的形式，来推断不同润滑脂的润滑特征。

1.3.2 试验仪器

Anton Paar公司MCR301旋转流变仪、“三板球”测试组件。在流变仪上使用“三板球”组件（见图2），三个矩形钢片与水平呈45°角均匀固定在圆形组件中，在三个钢片上涂抹润滑脂，顶部钢球通过轴来施加法向力。在测试过程中通过扫描转子的转速，得到streibeck曲线，该曲线可以反应不同转速下摩擦副之间的润滑状态和摩擦系数。

1.3.3 试验方法

具体试验条件如下：

正压力：10 N，50 N；

温度：25 ℃；

线速度：10-8～ 1.41 m/s；

50 N时赫兹压力是0.013 GPa。

图2 摩擦学性能测试组件示意图Fig.2 Schematic diagram of tribological performance test module

2 结果与讨论

2.1 流变测试结果及讨论

应变随震荡幅度变化趋向可分为线形粘弹区（LVE）和过渡流动区。在润滑脂受小幅作用力时，因为受到的剪切力小于屈服应力，稠化剂构造还未被破坏，此时为线形粘弹区，弹性模量G´和粘性模量 G´´数值不变。随着外部的震荡应变幅度增加，弹性模量降低到一定值时，润滑脂获得的能量超过了其自身的屈服力，此时润滑脂为不可恢复的弹性体，变化过程进入过渡区，此时G´和G´´开始不断变小。振荡应变振幅不断增大使G´和G´´持续变小，G´和 G´´相交的点为流动点，在该点之前，润滑脂呈固体静止状态。经过流动点后，润滑脂的流变性由弹性为主导转变成以粘性为主导，润滑脂开始呈现流动的特征[10,11]。

由图3-5和表2可以看出：-30 ℃时，弹性模量 G´的排序是 LX-2 ＞ Li-1＞LX-3 ＞ LX-4；80 ℃时，弹性模量 G´的排序是是 LX-4 ＞LX-2＞LX-3 ＞ Li-1；120 ℃时，弹性模量G´的排序是LX-4 ＞LX-2 ＞LX-3＞ Li-1。

图3 -30 ℃下润滑脂样品弹性模量和粘性模量的变化曲线Fig.3 Curves of elastic modulus and viscous modulus of grease samples at -30 ℃

弹性模量表征了润滑脂保持自身形态的能力，也反映了润滑脂屈服能力，所以润滑脂的稠化剂浓度、基础油极性和粘度、增粘剂的添加等因素都会改变润滑脂的弹性模量，而温度又可以改变这些因素的影响能力强弱。

图4 80 ℃下润滑脂样品弹性模量和粘性模量的变化曲线Fig.4 Curves of elastic modulus and viscous modulus of grease at 80 ℃

图5 120 ℃下润滑脂样品弹性模量和粘性模量的变化曲线Fig.5 Curves of elastic modulus and viscous modulus of grease at 120 ℃

表 2 不同温度下润滑脂进入流变过渡区的流变学参数Table 2 Rheological parameters of grease entering the transition zone at different temperatures

LX-2 ＞ Li-1在低温情况下具有超高的屈服弹性模量，因为他们的基础油是矿物油，该类基础油在低温下粘度急剧上升，这样高的数值代表了这两种润滑脂已经接近丧失流动性。而其他润滑脂的弹性模量在该温度比 LX-2 和 Li-1润滑脂的低一个数量级，流动性良好。在80和120 ℃下4种润滑脂的弹性模量表现出了同样顺序，LX-4和LX-2表现出了较好的高温性能，说明这两种润滑脂在高温密封性能和高温粘附性上表现优异，其中LX-4润滑脂在高低温范围都显示出优良的润滑性能。

表3 不同温度下润滑脂在流动点时（G´=G´´）的流变学参数Table 3 Rheological parameters of lubricating grease in the flow point（G´=G´´）under different temperature

由表3可以看出：几类润滑脂的应变幅度γ在-30 ℃时的排序是 LX-4＞＞LX-3 ＞ LX-2＞Li-1；80℃时的排序是是 LX-2 ＞LX-3 ＞ Li-1 ＞LX-4；120 ℃时的排序是 LX-2 ＞LX-3 ＞ Li-1 ＞LX-4。交叉流动点的应变幅度γ区分固态静止区和流动区，润滑脂稠化剂含量高，基础油粘度大、极性大均会使γ的数值增大，而γ的数值大则说明润滑脂受力变为流动形态时需要的外力作用的时间和距离长。本实验在该流变模式下测试的四种润滑脂基本符合此规律。升高温度，基础油粘度境地，溶解性增强，稠化剂胶团进一步膨化，但热的能量会降低稠化剂纤维网络对基础油的束缚力。LX-4在低温下表现出较好的流动性能，而在高温下LX-2具有上佳表现。在80和120 ℃下LX-4的应变幅度最小，这可能和该类润滑脂中加入了高聚物有关，提高温度会使基础油粘度的影响减弱、稠化剂胶团的影响增强，但此这时高分子聚合物分子和润滑脂稠化剂纤维联合，消弱了稠化剂的缠扰作用，从而抑制了稠化剂和基础油形成的胶团的趋势，γ的数值变小。

2.2 润滑特性测试结果及分析

图6-7和表4可以看出：在速度为100 mm/s低速区间内，两个摩擦副实际上是一个接近相对静止的状态，也就是通常定义的静摩擦区和边界摩擦区，这时实验测试到的摩擦系数出现一个从低到高的一个趋势，压力为5 N时基本表现为一个稳定值，压力大时摩擦系数较小。

图6 在2 5 ℃，10 N压力下润滑脂的Streibeck曲线Fig.6 Streibeck curve of grease at 25 ℃,10 N pressure

图7 在25 ℃，50 N压力下润滑脂的Streibeck曲线Fig.7 Streibeck curve of grease at 25 ℃,50 N pressure

表4 不同压力和速度下润滑脂的摩擦系数Table 4 Friction coefficient of grease at different pressure and speed

这里测试的摩擦系数是一个静态摩擦系数，这时当涂有润滑脂的两个摩擦副开始准备运动期间，其摩擦系数受控于润滑脂的屈服应力和摩擦副表面的接触微峰的多少，但是对应关系不明确。在 100到102mm/s速度区间，被认为是一个混合润滑区，包括边界润滑和薄膜润滑区，这时无论在哪个压力范围内，摩擦系数都是出现了从高到低的变化趋势，这也是经典的Streibeck摩擦特性，但是不同的润滑脂表现出了不同的特性。在不同的压力测试区内，润滑脂LX-2表现出更容易进入薄膜润滑区，润滑膜形成更加容易，摩擦系数下降较快，特别是在50 N高压区尤为明显，对此的解释是该润滑脂的流动性和粘附性最好，基础油粘度最高，在压力相对较高的混合区内容易形成稳定连续的润滑油膜；在50 N高压区LX-3和LX-4摩擦系数较高，这也许和他们的基础油粘度较小，形成的润滑油膜薄有一定关系；50 N测试条件下，在这个区间Li-1润滑脂摩擦系数跳跃性较大，混合区内摩擦系数较高，进入薄膜区间时突然变小，这可能是和这种润滑脂的稠化剂含量低有一定关系，这种润滑油膜的形成更加依赖于运动速度的提高。在102到103mm/s速度区间，可以认为是经典的弹流润滑区间，压力和速度的增加相应的提高了润滑油膜厚度，摩擦系数大幅降低。50 N的测试结果明显比10 N测试结果摩擦系数降低了很多，在10 N测试数据内Li-1润滑脂出现了摩擦系数增加的拐点，因为所有测试润滑脂中Li-1特性更加接近润滑油的状态，所以它也更加容易进入流体润滑区。同时我们可以看到 LX-2润滑脂在Streibeck曲线的谷底较为宽阔，摩擦系数比较稳定和平滑，这也说明该润滑脂自身保持油膜完整性的能力较强，在实际使用中润滑性和适应性较好。

3 综合分析

车辆装备运行条件艰苦和苛刻，对润滑脂的密封性能、高低温性和润滑性要求较高，通过对润滑脂本身的宏观流变行为和在摩擦副表面的微观变化的研究，我们可以从理论上得到指导合理使用各类不同润滑脂的证据。润滑脂一般在轴承中分为两个区域，静态区和动态区，静态区的润滑脂主要负责密封的作用，防止外部的杂质进入和内部的润滑油流失；动态区的润滑脂主要负责对轴承的各个部位提供润滑。在运行环境下，静态区润滑脂的弹性模量越高，静摩擦系数越大，对于轴承的密封性能越突出；在动态区的润滑脂流动应变幅度越大、进入弹流润滑脂状态越快，轴承内摩擦副之间形成的润滑油膜厚度越大，提供形成油膜的流动越充足。从测试的数据看到LX-2和LX-4润滑脂在密封性和润滑性上具有卓越的性能，这些理论的数据也支撑了在润滑脂指标和配方中的调整和优化方向，这也代表了我军润滑脂的技术研究方向。

4 结 论

（1）本研究发现，润滑脂进入流动区的弹性模量和Streibeck测试曲线中静态摩擦系数与润滑脂在轴承中的密封性能直接相关。

（2）在流变测试中，开始流动时交叉应变点大的润滑脂较容易进入弹流润滑区，摩擦性能优良。

（3）综合性能评价，LX-2和LX-4润滑脂在密封和润滑性及其高低温性能上表现优异。

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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

文章编号： 1671-0460（2017）11-2226-05

2017-09-15

于少华（1978-），男，山东省高密市人，工程师，2000年毕业于石油大学（华东）化学工程专业，研究方向：军用油料应用。E-mail：jundaishi@126.com。