一種風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂的制備及摩擦學(xué)性能研究

夏延秋，劉魯歡

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

能源是當(dāng)代經(jīng)濟(jì)的重要支撐，是工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。伴隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，煤炭、石油等常規(guī)能源過(guò)度消耗，能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題變得越來(lái)越突出。開發(fā)清潔、可再生能源成為國(guó)家能源戰(zhàn)略的核心部分[1]。風(fēng)力資源作為一種清潔的可再生能源，資源充足且有著較好的發(fā)展前景和潛力[2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)快速發(fā)展并成為供電的重要組成部分，僅2016年全國(guó)風(fēng)電建設(shè)總規(guī)模就達(dá)到了30.38 GW。隨著風(fēng)電機(jī)組建設(shè)數(shù)量的不斷增加，更高功率風(fēng)電機(jī)組以及海上風(fēng)電等的研發(fā)使得風(fēng)電結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，其可靠性問(wèn)題也變得尤為突出[3-4]。而潤(rùn)滑系統(tǒng)作為維持風(fēng)電機(jī)組健康運(yùn)行的重要組成部分，良好的潤(rùn)滑對(duì)機(jī)組運(yùn)行有著重要的作用。風(fēng)電機(jī)組的主軸承、葉片軸承、發(fā)電機(jī)軸承、偏航軸承等部位主要采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑[5]。由于風(fēng)電機(jī)組所在風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速波動(dòng)性較大，運(yùn)行的工況復(fù)雜多變，有的甚至要面臨高海拔、高溫、強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)沙塵等極其惡劣的極端環(huán)境條件。因此，風(fēng)電機(jī)組軸承潤(rùn)滑脂的性能對(duì)機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著非常重要的影響。目前很少發(fā)現(xiàn)有關(guān)風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂的研究報(bào)道，因此開展風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂及其摩擦磨損性能的研究具有重要意義。

本研究以聚α-烯烴(PAO40)為基礎(chǔ)油，以復(fù)合鋰皂為稠化劑制備復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂，考察極壓抗磨劑二丁基二硫代氨基甲酸鉬(T351)、氨基硫代酯(T323)與油性劑苯駢三氮唑脂肪酸胺鹽(T406)及其復(fù)配潤(rùn)滑脂的摩擦磨損性能，在此基礎(chǔ)上，添加了抗氧劑、防銹劑等添加劑制備出風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂(自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂)，并與國(guó)外某著名品牌的風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂(進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂)進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 設(shè)備、儀器及原料

主要設(shè)備和儀器：可變速調(diào)溫油浴機(jī)械攪拌器，鄭州科工貿(mào)有限公司制造；三輥研磨機(jī)，常州自力化工機(jī)械有限公司制造；電子秤，上海花潮電器有限公司生產(chǎn)；2DE磨拋機(jī)，萊州市蔚儀試驗(yàn)器械制造有限公司制造；MFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)科學(xué)院固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制造；光學(xué)顯微鏡，上海光學(xué)儀器進(jìn)出口有限公司生產(chǎn)；EVO-18型掃描電子顯微鏡(SEM)，德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)；能譜分析儀(EDS)，德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)；MS-10J型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)，廈門天機(jī)自動(dòng)化有限公司制造。

試驗(yàn)原料：PAO40基礎(chǔ)油，取自五礦集團(tuán)，主要理化性質(zhì)見(jiàn)表1。氫氧化鋰、癸二酸、十二羥基硬脂酸，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

表1 PAO40的主要理化性質(zhì)

1.2 復(fù)合鋰基脂的制備

復(fù)合鋰基脂是以氫氧化鋰與12-羥基硬脂酸和癸二酸反應(yīng)產(chǎn)物復(fù)合鋰皂作為稠化劑，將PAO40基礎(chǔ)油進(jìn)行稠化制得，其制備工藝流程示意如圖1所示，所得復(fù)合鋰基脂(基礎(chǔ)脂)的理化性能參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 復(fù)合鋰基脂制備工藝流程示意

項(xiàng) 目數(shù) 據(jù)滴點(diǎn)∕℃2581∕4錐入度∕(0.1 mm)74.6銅片腐蝕∕級(jí)1b

1.3 復(fù)合鋰基脂試驗(yàn)

將添加劑T351，T406，T323加入到基礎(chǔ)脂中，選用MFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)潤(rùn)滑脂進(jìn)行摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)，在室溫條件下，采用鋼-鋼球盤接觸，試驗(yàn)30 min，頻率5 Hz，振幅為5 mm，試驗(yàn)載荷分別為60，90，120，150 N；鋼球?yàn)锳ISI 52100鋼(0.95%～1.05% C，0.15%～0.35% Si，0.20%～0.40% Mn，1.30%～1.65% Cr，0.027% P，其余為Fe)，鋼球直徑5 mm，硬度7.05～7.57 GPa；底盤為AISI 52100鋼塊，尺寸為Φ24 mm×7.8 mm，硬度為7.15～7.55 GPa。所用鋼球和鋼塊試驗(yàn)前后均用石油醚超聲清洗10 min，每次在鋼-鋼摩擦副之間涂抹約0.2 g不同添加劑的復(fù)合鋰基脂，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄摩擦因數(shù)。采用光學(xué)顯微鏡測(cè)量鋼塊的磨痕寬度。試驗(yàn)結(jié)束后，采用EVO-18型掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)分析磨痕形貌和表面主要元素。此外，采用MS-10J型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)考察自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂和進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)性能和燒結(jié)負(fù)荷(PD)，試驗(yàn)條件為：載荷392 N，時(shí)間30 min，轉(zhuǎn)速1 200 r/min，溫度75 ℃，鋼球?yàn)镚Cr15軸承鋼(直徑12.7 mm，硬度6.37～6.86 GPa)。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加劑T351的減摩抗磨性能

圖2 添加不同量T351的潤(rùn)滑脂試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼塊磨痕寬度■—基礎(chǔ)脂； ●—1%T351； ▲—1.5%T351； ◆—3%T351

將不同質(zhì)量的T351分別加入基礎(chǔ)脂中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0%，1.5%，2.0%，3.0%的潤(rùn)滑脂，并分別記作1%T351，1.5%T351，2%T351，2.5%T351，3%T351。在改變載荷的條件下測(cè)量潤(rùn)滑脂試驗(yàn)的平均摩擦因數(shù)和鋼塊磨痕寬度，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：隨著載荷增大，基礎(chǔ)脂與各添加了T351的基礎(chǔ)脂試驗(yàn)的摩擦因數(shù)與鋼塊磨痕寬度均增大；與基礎(chǔ)脂相比，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)T351潤(rùn)滑脂試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼塊磨痕寬度都有明顯降低，摩擦因數(shù)降低約10%，磨痕寬度降低約20%。從圖2還可以看出；在相同載荷條件下，2%T351在載荷為50，120，150 N下試驗(yàn)的摩擦因數(shù)均小于其它潤(rùn)滑脂試驗(yàn)的摩擦因數(shù)，且具有最小的磨痕寬度，因此，當(dāng)T351的添加量為2%時(shí)，含有添加劑T351的潤(rùn)滑脂具有最優(yōu)的減摩抗磨性能。

2.2 T351與T406復(fù)配潤(rùn)滑脂的減摩抗磨性能

圖3 T351與T406復(fù)配潤(rùn)滑脂試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼塊磨痕寬度■—基礎(chǔ)脂； ●—2%T351； ▲—2%T351+0.1%T406； ◆—2%T351+0.3%T406；

當(dāng)潤(rùn)滑脂中添加劑T351的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%的T406分別加入其中，得到復(fù)配潤(rùn)滑脂，分別記作2%T351+0.1%T406，2%T351+0.2%T406，2%T351+0.3%T406，2%T351+0.4%T406。相同試驗(yàn)條件下，測(cè)量這些復(fù)配潤(rùn)滑脂試驗(yàn)的平均摩擦因數(shù)和鋼塊磨痕寬度，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：潤(rùn)滑脂加入T351與T406后，摩擦因數(shù)與磨痕寬度隨載荷增大而增大；在相同載荷條件下，T406添加劑的加入在一定程度上降低了摩擦因數(shù)和磨痕寬度，尤其是T406的加入量為0.3%時(shí)的潤(rùn)滑脂(2%T351+0.3%T406)的鋼塊磨痕寬度降低更為明顯，表明2%T351與0.3%T406在基礎(chǔ)脂中表現(xiàn)出最優(yōu)的復(fù)配效果。

2.3 幾種添加劑的協(xié)同作用

目前，各種功能的添加劑種類繁多，不同添加劑之間不僅存在協(xié)同作用，也有可能存在對(duì)抗效應(yīng)。一方面可以通過(guò)調(diào)整添加劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)以期其使?jié)櫥瑩碛懈玫男阅埽硪环矫婵梢詫⒍喾N添加劑復(fù)配，通過(guò)協(xié)同作用提高潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能。本研究在復(fù)配潤(rùn)滑脂2%T351+0.3%T406的基礎(chǔ)上，再添加1.5%T323，并與基礎(chǔ)脂、2%T351、2%T351+0.3%T406進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼塊磨痕寬度見(jiàn)圖4。由圖4可知，相比于另外3種潤(rùn)滑脂，在不同載荷下，添加劑T323均能提高潤(rùn)滑脂的減摩抗磨性能，說(shuō)明T323的加入可以進(jìn)一步增強(qiáng)添加劑的協(xié)同作用。

圖4 添加劑T351，T406，T323復(fù)配潤(rùn)滑脂試驗(yàn)的摩擦因數(shù)和鋼塊磨痕寬度■—基礎(chǔ)脂； ●—2%T351； ▲—2%T351+0.3%T406；

2.4 自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂與進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂的比較

復(fù)配了抗氧劑、防銹劑等添加劑得到自制風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂，并與進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂進(jìn)行理化性能與摩擦學(xué)性能的比較，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，兩種風(fēng)電潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)接近，錐入度相差不大，燒結(jié)負(fù)荷達(dá)到3 920 N，自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂試驗(yàn)的平均摩擦因數(shù)和鋼球磨斑直徑均明顯小于進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂試驗(yàn)的鋼球磨斑直徑，表明自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂具有較好的摩擦學(xué)性能。自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂與進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂在球盤試驗(yàn)和四球試驗(yàn)中的實(shí)時(shí)摩擦因數(shù)比較如圖5所示。由圖5(a)可以看出，在球盤試驗(yàn)中不同載荷下自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂試驗(yàn)均具有穩(wěn)定的較小的摩擦因數(shù)，而進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂試驗(yàn)的摩擦因數(shù)較大并且不平穩(wěn)。圖5(b)是四球試驗(yàn)的實(shí)時(shí)摩擦因數(shù)，自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂試驗(yàn)仍然表現(xiàn)出低而平穩(wěn)的摩擦因數(shù)。這些均表明自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

表3 自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂與進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂的性能對(duì)比

—自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂，60 N； —自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂，90 N； —自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂，120 N； —自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂，150 N； —進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂，60 N； —進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂，90 N

圖5 自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂與進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂不同摩擦形式摩擦試驗(yàn)對(duì)比 —自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂； —進(jìn)口風(fēng)電潤(rùn)滑脂

2.5 摩擦表面分析

圖6 5種潤(rùn)滑條件下的鋼塊磨痕表面SEM形貌照片

為了研究添加劑的抗磨減摩機(jī)理，在頻率5 Hz、載荷150 N、試驗(yàn)時(shí)間30 min的條件下，對(duì)比分析復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂與含有4類添加劑的潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑狀態(tài)下的鋼塊磨痕形貌照片，結(jié)果如圖6所示。圖6(a)是基礎(chǔ)脂潤(rùn)滑下的磨痕表面形貌，其表面比較粗糙，出現(xiàn)了較多的平行犁溝和劃痕；加入T351后，磨痕形貌如圖6(b)所示，相比于基礎(chǔ)脂，犁溝數(shù)量明顯減少，但出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象；圖6(c)為繼續(xù)加入T406的潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下的磨痕表面形貌，由圖6(c)可以看出，此時(shí)潤(rùn)滑脂的抗磨性能和腐蝕性能均得到了一定程度的改善；圖6(d)是含有T351，T406，T323添加劑的潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下的磨痕表面形貌，此時(shí)潤(rùn)滑脂的減摩抗磨性能得到進(jìn)一步提高；圖6(e)是加入抗氧劑、防銹劑后最終獲得的自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下的磨痕表面形貌，相比于圖6(a)～圖6(d)，其表面光滑平整，僅出現(xiàn)了較淺的犁溝，說(shuō)明多種添加劑在復(fù)合鋰基脂中表現(xiàn)出了優(yōu)異的協(xié)同作用，極大地提高了基礎(chǔ)脂的摩擦學(xué)性能。

在摩擦磨損過(guò)程中，摩擦表面發(fā)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)在減摩抗磨方面有著極其重要的作用，因此使用EDS分析了不同潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下的磨痕表面元素組成，結(jié)果如圖7所示，磨痕表面元素含量如表4所示。由圖7和表4可以看出：與基礎(chǔ)脂試驗(yàn)鋼塊的磨痕表面元素相比，含有2%T351潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑試驗(yàn)鋼塊的磨痕表面出現(xiàn)了鉬元素和硫元素，意味著在摩擦副表面形成了摩擦化學(xué)保護(hù)膜，可以減少金屬摩擦表面的摩擦磨損[6-7]；基礎(chǔ)脂添加了2% T351、0.3%T406，1.5%T323后所得潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下磨斑表面的硫含量和鉬含量增加，Khaemba等[8-9]認(rèn)為，由于鉬元素與硫元素發(fā)生反應(yīng)生成了硫化鉬、氧化鉬及鐵的硫化物，和化學(xué)吸附膜共同作用，從而提高了摩擦副的抗磨和減摩性能；在基礎(chǔ)脂中添加多種添加劑制備的自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂中碳的含量提高，說(shuō)明在摩擦反應(yīng)過(guò)程中碳元素填充和沉積在摩擦表面形成物理吸附膜從而提高了摩擦磨損性能[10-11]，因此，在摩擦磨損過(guò)程中，自制風(fēng)電潤(rùn)滑脂可能為碳元素物理吸附膜和金屬硫化物與有機(jī)鉬配位的化合物形成的化學(xué)吸附膜之間的共同作用起到了良好的協(xié)同效果，從而有著比較優(yōu)異的減摩抗磨性能。

圖7 鋼塊的表面能譜

表4 鋼塊磨斑表面元素組成 w，%

3 結(jié) 論

(1)以復(fù)合鋰基脂為基礎(chǔ)脂，通過(guò)多種添加劑的復(fù)配制得潤(rùn)滑脂，試驗(yàn)結(jié)果表明不同的添加劑顯示了不同的減摩和抗磨性能。

(2)自制風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下的磨斑表面存在鉬、硫等化學(xué)元素，表明在磨斑表面形成了相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)膜，起到了減摩抗磨作用。

(3)自制風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂與進(jìn)口風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂的對(duì)比研究表明，自制風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂在摩擦學(xué)性能上優(yōu)于進(jìn)口風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉朝全，姜學(xué)峰.2016年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告[M].北京：石油工業(yè)出版社，2017：1-8

[2] Hansen A D，Iov F，Blaabjerg F，et al.Review of contemporary wind turbine concepts and their market penetration[J].Wind Engineering，2004，28(3)：247-263

[3] Tavner P J，Xiang J，Spinato F.Reliability analysis for wind turbines[J].Wind Energy，2010，10(1)：1-18

[4] Pérez J M P，Márquez F P G，Tobias A，et al.Wind turbine reliability analysis[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2013，23(23)：463-472

[5] 徐建平.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的潤(rùn)滑[J].合成潤(rùn)滑材料，2015，32(4)：22-25

[6] 劉維民，夏延秋，付興國(guó).齒輪傳動(dòng)潤(rùn)滑材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：78

[7] 夏迪，陳國(guó)需，程鵬，等.二烷基二硫代氨基甲酸鉬在鋰基潤(rùn)滑脂中的摩擦學(xué)性能[J].石油煉制與化工，2015，46(5)：86-90

[8] Khaemba D N，Neville A，Morina A .A methodology for Raman characterisation of MoDTC tribofilms and its application in investigating the influence of surface chemistry on friction performance of MoDTC lubricants[J].Tribology Letters，2015，59(3)：1-17

[9] Ye J，Araki S，Kano M，et al.Nanometer-scale mechanical/structural properties of molybdenum dithiocarbamate and zinc dialkylsithiophosphate tribofilms and friction reduction mechanism[J].Japanese Journal of Applied Physics，2005，44(7)：5358-5361

[10] 劉椿，夏延秋，曹正鋒.碳納米管在潤(rùn)滑脂中的導(dǎo)電性和摩擦學(xué)性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(4)：393-397

[11] Fan Xiaoqiang，Xia Yanqiu，Wang Liping，et al.Multilayer graphene as a lubricating additive in bentone grease[J].Tribology Letters，2014，55(3)：455-464