包装机械设备支撑旋转轴承用润滑脂的研制及应用

中国石化润滑油有限公司天津分公司

包装机械设备支撑轴承是专用于编织袋纺织机等设备的一类轴承,一般为深沟球轴承,如型号为6000的轴承用于编织袋编织机械旋转支撑。应用于此类机械的轴承一般为外圈旋转,对载荷及低噪音性能具有较高的要求,并且轴承转速(20 000～30 000 r/min)较高;同时该类轴承在安装到机械设备上时需在轴承外层包覆一层硬质橡胶,在长时间高温的情况下这种橡胶容易老化开裂,因此要求轴承在运转时的温升较低;最后其还具有一定的使用寿命要求,以保证机械设备能够长时间平稳运行,降低维护成本。

编织袋纺织机的旋转轴承代表一类使用工况为高温、高转速、低温升且具有一定载荷的轴承,国内并没有对应的产品可完全满足其工况要求。针对这一特殊工况,研制开发了一种包装机械设备支撑旋转轴承用润滑脂,即长城BLU-H轴承润滑脂(以下简称BLU-H)。本文主要介绍了该产品的研制过程。

旋转轴承使用工况及其润滑要求

使用温度

轴承的使用温度一般是由工作环境来决定的。在轴承的工作温度下,润滑脂表现出的胶体安定性和化学安定性以及润滑特性对轴承的正常运转起着关键作用。根据市场调研结果,确定该产品的使用温度范围在-35 ℃～180 ℃。

低噪音性能

振动和噪音不仅是轴承的重要技术使用指标,也被当作一个重要的诊断指标,成为判断轴承质量的综合指标之一。而润滑脂的低噪音性能直接关系到轴承运转时的低噪音性能。

对于产品低噪音性能的要求,主要有2个方面：

◇振动值越低代表轴承质量等级越高,客户追求低振动值的润滑脂,能为轴承提高等级。

◇低噪音的另一要素是异音数少,润滑脂清洁干净,杂质少,可以安静无噪音地运转,也可以保证轴承不至于因磨损而寿命缩短。

研制润滑脂除需满足低振动值的要求外,还要保证轴承噪音的稳定性,即具有一定的低噪音寿命。

轴承温升

该类轴承在安装到机械设备上时需在轴承外层包覆一层硬质橡胶,在长时间高温的情况下这种橡胶容易老化开裂,因此要求轴承在运转时的温升不能过高。这样可以延长橡胶的寿命,也间接提高了轴承的寿命。

高温下的使用寿命

由于该轴承使用温度较高,因此对滑脂高温寿命有一定的要求。这是一个综合性要求,是润滑脂可靠性的重要体现,它涉及到润滑脂的抗氧化性能、抗流失性能、使用温度下的润滑状态等。在一些苛刻的工况下,润滑脂不但要满足高温的润滑要求,而且要在高温(177 ℃)下拥有较长的使用寿命,以满足电机对可靠性的要求。

防腐蚀性能

该轴承的使用环境决定其可能面临腐蚀介质不同程度的腐蚀,润滑脂对轴承提供一定的防腐蚀保护是有必要的。

产品研制过程

研制指标

根据市场调研结果,针对以上使用工况的要求,确定了BLU-H的研制指标,见表1。

稠化剂的选择

通过工况分析,产品的使用温度范围要求我们采用高温性能、抗氧化性能俱优的聚脲作为产品的稠化剂。根据过往的产品研发经验,异氰酸酯与双胺反应制备的二聚脲润滑脂具有优异的低噪音性能,因此选择二聚脲作为本产品的稠化剂。由于双胺复合使用,两种胺的比例不同,形成的稠化剂的强度不同,对润滑脂基础油的束缚能力也不同,因此需要对脂肪胺和芳香胺的质量配比进行考察。另外,润滑脂的稠度由稠化剂的含量决定,因此皂分也需要一并考察。

以相同的基础油,即矿物油:酯类油=5:1(质量比,下同),采用不同皂分、不同双胺比例,制备了9个样品(T-1～T-9),比较其噪音性能、高温寿命以及温升。

不同样品的噪音性能分析结果见表2。

对以上样品进行了PDSC测试,以PDSC氧化诱导期评价润滑脂的高温寿命。测试条件(下文均同)：温度210 ℃,氧气压力3.5 MPa,氧气流量100 mL/min。不同样品的PDSC氧化诱导期测试结果见图1。

表1 BLU-H研制指标

表2 不同润滑脂样品的噪音性能

同时对以上样品进行了轴承运转温升测试,测试设备是0910型轴承振动测试仪,转速1 500 r/min;测试时间10 min,用点温仪测量轴承外圈前后温度的变化(测试设备、方法、条件下文均同)。不同样品的温升见图2。

由表2、图1、图2可以发现,脂肪胺与芳香胺的比例、皂分的大小对润滑脂的噪音性能、高温寿命以及温升均有不同程度的影响。综合各因素考虑,当皂分为10%(质量分数),脂肪胺:芳香胺为2:1时,制备的润滑脂样品T-5相比其他样品表现出最低的噪音值和温升以及较好的高温寿命,因此确定此配比为产品的稠化剂。

基础油的选择

基于本产品高温寿命和低温升的要求,并考虑到润滑脂的通用性以及成本,认为所选择的基础油要满足以下性能要求：

◇润滑脂的使用温度达到-35 ℃,因此选择的基础油需要含有一定比例的合成油,以保证润滑脂的低温性能。

◇基础油40℃黏度范围在40～60 mm2/s。

◇基础油本身具有良好的抗氧化性能。

酯类油是综合性能较好的一类润滑油,具有良好的黏温特性,同时高低温性能优异,氧化安定性也较好。通过在矿物油中添加小黏度的酯类油,可以在轴承运转启动时迅速分油,使轴承的初期振动值较低。针对以上要求,选取了目前市售的3种不同种类和黏度的矿物油A、B、C和1种小黏度的酯类油,调制出了黏度相近的基础油样品O-1～O-9,不同样品的组成及黏度见表3。

图1 不同润滑脂样品的PDSC氧化诱导期

图2 不同润滑脂样品的温升

表3 不同基础油样品的组成及运动黏度

低温性能

倾点是基础油在规定的试验条件下,被冷却的试样能够流动的最低温度,可用于评价油品的低温使用性能。不同基础油样品的倾点对比见图3。

由图3可以看出,O-5、O-6这2个基础油样品的倾点是最低的,低温性能满足工况要求。

抗氧化性能

为考察基础油的抗氧化性能,以皂分为10%(质量分数)、脂肪胺:芳香胺质量比2:1为稠化剂,以上述9个油样为基础油,制备了9个基础脂,编号S-1～S-9。分别对9个基础油油样、基础脂样品进行了PDSC测试,结果见图4。

由图4可以看出,O-6基础油样品及其制备的基础脂S-6的氧化诱导期最长,抗氧化性能最好。

温升的测试

对以上9个基础脂样品的温升进行了测试,结果见图5。

由图5可以看出,S-6基础脂样品的温升是最小的。综合考虑低温性能、抗氧化性能和温升,确定选择O-6作为本产品的基础油。

防锈剂的选择

通过试验筛选和比较,发现3个防锈剂配方可以提供较好的防锈性能,分别为：

◇A剂1%(质量分数),D剂0.05%(质量分数);

◇A剂1%(质量分数),B剂0.5%(质量分数),D剂0.05%(质量分数);

◇A剂2%(质量分数),C剂0.5%(质量分数)。

图3 不同基础油样品倾点测试结果

图4 不同基础油样品及制备的基础脂的PDSC氧化诱导期

图5 不同基础油样品的温升

以上述筛选出的稠化剂、基础油制备的润滑脂为基础脂,添加抗氧剂及分别添加3种配方的防锈剂,制备出3个样品,即AC-1、AC-2、AC-3。采用润滑脂轴承盐水防锈试验评价其防锈性能,具体测试方法为：

◇在6201轴承上装填相同质量的润滑脂,测试初始振动值,之后滴加相同质量的1%(质量分数)的NaCl溶液,测试振动值。

◇将轴承在52 ℃烘箱中放置24 h后取出,测试振动值。

对比轴承24 h烘烤前后的振动值变化,轴承振动值变化越小,说明轴承因润滑脂的保护未出现明显锈蚀,润滑脂防锈性能好,反之则说明润滑脂防锈性能差。

不同样品的润滑脂轴承盐水防锈试验结果见表4。

由表4可以看出,AC-3的轴承振动值变化平均值最小,轴承盐水防锈试验表现最好。因此,确定选择AC-3的防锈剂配方［A剂2%(质量分数),C剂0.5%(质量分数)］作为BLU-H的防锈剂体系。

研发产品的性能评价

通过上述试验,确定了BLU-H的稠化剂、基础油以及添加剂配方,在以往生产经验的基础上制定和更新了生产工艺。进行了放大试验,对制得的产品进行了性能全分析,结果见表5。

由表5可以看出,开发的BLU-H各项性能均满足研制指标的要求。

为了对产品的使用性能有更为全面、细致的了解,验证产品性能是否与实际工况相吻合,对正式放大生产的润滑脂成品开展了噪音性能、温升及盐水防锈测试。

噪音性能评价

噪音性能是市场对于这款研制产品最主要的需求。选择市场常用的608、6000轴承,对BLU-H、进口品牌N润滑脂进行了噪音性能评价,结果见表6。

由表6可以看出,开发的BLU-H轴承润滑脂与N润滑脂的振动异音数基本相当,这说明该产品具有较优的噪音性能,能够满足市场对具有优异噪音性能的润滑脂的需求。

表4 不同样品的润滑脂轴承盐水防锈试验结果对比

表5 放大试验的BLU-H产品性能分析结果

温升测试

客户要求轴承在运转时的温升不能过高,以间接提高轴承的寿命。对BLU-H及N润滑脂进行了轴承运转温升测试,结果见图6。

由图6可以看出,与N润滑脂相比,BLU-H有较低的轴承运转温升,能够通过降低工作时温升更好地减缓轴承外圈包裹的硬质橡胶开裂老化的情况。

盐水防锈测试

许多应用工况下,对轴承中润滑脂的防锈性能要求比较高。一些精密仪器及工业设备往往承担着较大的由轴承锈蚀带来的风险。考虑到某些场合对润滑脂的防锈性能的特殊要求,对BLU-H进行了更为苛刻的轴承盐水防锈试验,并与N润滑脂作了对比。具体的测试方法如下：

◇在6203轴承上装填润滑脂0.8 g,测试振动值;

◇滴加0.3 g 3%(质量分数)NaCl溶液,分散1～2 min后,测试振动值;

◇将轴承放入52 ℃、100%相对湿度的烘箱,放置24 h,取出后置于室温下,测试振动值,并记录锈蚀情况。

BLU-H与N润滑脂的轴承盐水防锈试验结果见表7。

从表7可以看出, BLU-H润滑脂的轴承振动值变化平均值比N润滑脂小,表现出了优异的盐水防锈性,可以保证较为苛刻的工况下持久的润滑。

产品应用

长城BLU-H轴承润滑脂研发成功之后,在浙江宁波地区某轴承厂生产的型号为6000的编织袋编织机械旋转支撑轴承上进行了应用试验。经客户使用反馈,长城BLU-H轴承润滑脂能很好的满足其噪音、防锈、温升等性能需求,有效地提升了轴承外层包覆的硬质橡胶的寿命。

表6 润滑脂噪音性能评价结果

图6 BLU-H与N润滑脂的温升对比

表7 BLU-H与N润滑脂的轴承盐水防锈试验结果对比

结论

☆新开发的长城BLU-H轴承润滑脂不仅具有优异的高温性能、防锈性能、噪音性能,而且还具有较长的使用寿命,能够在编织袋纺织机的旋转轴承所代表的一类使用工况为高温、高转速、低温升且具有一定载荷的轴承的使用工况中应用。

☆该款低噪音轴承聚脲润滑脂的开发,可以满足包装机械设备轴承的润滑要求,形成对进口品牌的替代,将更好地满足市场需求,创造可观的经济效益。