潤滑脂流變特性與小模數(shù)齒輪運轉性能相關性研究

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流變學是研究物質流動和變形的一門科學，它主要研究物理材料在應力、應變、溫度、濕度、輻射等條件下與時間因素有關的變形和流動的規(guī)律[1]。潤滑脂是具有特殊結構的一類潤滑材料，具有典型的彈性和黏性雙重特性[2]，對它的研究屬于流變學范疇。潤滑脂的流變性是指潤滑脂在受到外力作用時的流動和變形的特性[3]，其具有黏彈性、屈服應力和觸變性等特殊的流變性，流變特性的不同會引起潤滑脂在工作過程中表現(xiàn)的不同，潤滑脂的工作性能某種程度上取決于所用潤滑脂的流變特性[4]。

齒輪傳動因其具有傳動平穩(wěn)、傳動比恒定、結構緊湊、能承受較大載荷等優(yōu)點，而廣泛應用于各種機械傳動中和儀器儀表中[5]。齒輪傳動產(chǎn)生的噪聲是這類機械所產(chǎn)生噪聲的主要因素。齒輪嚙合傳動時，由于嚙合面上存在相對滑動，因此必將產(chǎn)生滑動摩擦力[6]。為了使齒輪維持高效率的動力傳動，潤滑脂要在咬合齒面形成安定的油膜，以起到防止金屬接觸從而減小摩耗的作用[7]。

程金山等[1]研究了潤滑脂流變性與軸承振動的關系，結果表明，潤滑脂的流變特性各因素對軸承振動值均有影響。周維貴等[8]研究了鋰基潤滑脂的流變性能，結果表明，鋰基潤滑脂是屈服性假塑性流體，在很小應變范圍內(nèi)以可恢復的彈性變形為主導，達到其屈服應力后，具有明顯的剪切變稀現(xiàn)象；達到其流動點后，表現(xiàn)出黏性流體性質。吳寶杰等[9]研究了潤滑脂的流變性對軸承振動性能的影響，發(fā)現(xiàn)潤滑脂的流變性能對中小型軸承振動噪聲的影響有決定性作用，對微小型軸承的振動性能影響不明顯。但是，目前尚沒有針對潤滑脂流變特性對齒輪運轉性能相關性的系統(tǒng)研究，給齒輪潤滑脂的正確選用帶來諸多不便。

潤滑脂應用于齒輪的特性表現(xiàn)為潤滑、減摩及降噪，不同潤滑脂的加入對齒輪箱電機的啟動電流表現(xiàn)不同。研究潤滑脂的流變特性與齒輪運轉性能的相關性，就可以明確潤滑脂流變特性對齒輪啟動及運轉性能、運行噪聲性能的影響，指導不同工況下潤滑脂的選擇。

本文作者采用德國HAAKE公司RS6000流變儀，測試不同鋰基齒輪降噪潤滑脂的屈服應力、表觀黏度、觸變性、剪切彈性模量等參數(shù)，分析潤滑脂性能對小模數(shù)齒輪降噪及齒輪箱電機啟動性能的影響，探討潤滑脂的流變特性與小模數(shù)齒輪運轉過程中的性能相關性，提出一種齒輪潤滑脂工作性能的評價分析方法，可快速有效地為小模數(shù)齒輪選擇合適的潤滑脂。

1 實驗部分

1.1 流變性能測試

采用德國HAAKE公司生產(chǎn)的RS6000高級旋轉流變儀，扭矩范圍：5～200 mN·m，法向力范圍：0.01～50 N，角速度范圍(振蕩CS)：10-7～1 500 r/min，角速度范圍(旋轉CR)：10-5～1 500 r/min，頻率范圍：10-5～100 Hz。采用半導體溫度控制系統(tǒng)，溫度控制精度可以達到0.01 ℃。考慮到潤滑脂在試驗中表觀黏度的變化，選用了角度為1°、直徑為20 mm的錐形轉子，實驗中錐形轉子距離底板的距離是0.053 μm。錐板試驗示意圖如圖1所示。

圖1 錐板試驗示意圖

1.2 噪聲及電流測試

測試儀器主要有：280-210型隔音箱，深圳市鴻義通儀測有限公司生產(chǎn)；希瑪生產(chǎn)的AR844型在線式數(shù)字噪聲；兆信生產(chǎn)的KXN-3050型直流穩(wěn)壓電源。

采用直流穩(wěn)壓電源，固定電壓為7.5 V，涂抹不同潤滑脂樣品，組裝好齒輪箱，將齒輪箱置于隔音箱中，啟動電機，測試啟動電流及齒輪運轉過程中的電流參數(shù)。采用在線式數(shù)字噪聲計測試齒輪箱運轉時的噪聲特性。

1.3 潤滑脂樣品制備

潤滑脂樣品的制備方法：在1/2的基礎油中加入12-羥基硬脂酸，當溫度升到90～95 ℃時，逐漸加入氫氧化鋰水溶液，皂化1 h，加熱升溫脫水，脫水完全后升溫至160～170 ℃加入25%油稀釋，繼續(xù)升溫到210～220 ℃時完全融化后，加入剩余的基礎油冷卻至170～180 ℃，降溫，待溫度降至100 ℃左右時，研磨制得潤滑脂樣品。

2 結果與討論

2.1 潤滑脂性能測試

用4種不同黏度的PAO制備了稠度為2#的4種鋰基潤滑脂(1#—4#)，選用40 ℃黏度為60 mm2/s的PAO基礎油制備了3種不同稠度的潤滑脂(5#—7#)，測試其性能，結果如表1所示。

表1 潤滑脂試樣性能測試結果

2.2 齒輪箱運轉性能測試

將7種潤滑脂涂抹于小模數(shù)金屬齒輪，測試其噪聲與電流參數(shù)。表2給出了不同潤滑脂潤滑下運轉時的啟動電流以及運轉30 min的噪聲平均值。

可見，潤滑脂黏度越大，稠度越大，齒輪電機的啟動電流越大。而黏度大的潤滑脂具有更好的黏附性能，越容易在齒輪表面形成均勻穩(wěn)定的油膜，起到潤滑降噪的效果。稠化劑含量相對較低的潤滑脂，噪聲減小，但是并非稠化劑含量越小越好，稠化劑很少時，其黏附性減弱，齒輪運轉過程中，潤滑脂不易粘附于齒輪而起到降噪減摩效果。

表2 涂抹不同潤滑脂時的啟動電流和噪聲平均值

圖2所示為7種潤滑脂運轉過程中電流變化曲線。隨著齒輪的運轉，電流逐漸降低至穩(wěn)定值。

圖2 運轉電流隨時間變化曲線

2.3 潤滑脂流變特性與齒輪運轉性能相關性研究

采用HAAKE公司生產(chǎn)的RS6000高級旋轉流變儀測試7種潤滑脂的屈服應力、彈性模量、黏彈性、觸變性和剪切時變性，分析潤滑脂流變性對小模數(shù)齒輪運轉性能的影響。

2.3.1 模量與屈服應力對齒輪運轉性能的影響

潤滑脂是一種既有黏性又有彈性的半固體材料。儲能模量G′代表了潤滑脂黏彈性中的彈性部分，表示應力能量在試驗中暫時儲存，可以恢復，與材料的彈性相對應，又叫彈性模量。該參數(shù)和潤滑脂的保持能力相關，該參數(shù)高時，內(nèi)部的能量積蓄得多，保持自己形態(tài)的能力強。損耗模量G″代表了潤滑脂黏彈性中的黏性部分，表示初始流動所用能量是不可逆的損耗，能量轉變?yōu)榧羟袩幔c黏性相對應，因此又叫黏性模量。該參數(shù)和彈性模量在一起時會更有意義。彈性模量G′和黏性模量G″可以反映出潤滑脂結構的變化情況，是衡量潤滑脂開始流動難易程度的關鍵指標。在剪切作用下，彈性模量逐漸減小，黏性模量逐漸增大，說明體系正在向黏性物質，即液體轉變[1,10]。

利用流變儀對7個鋰基脂樣品進行振蕩實驗，得到了25 ℃溫度下儲能模量G′和損耗模量G″隨剪切應力的變化關系，如圖3、4所示。

圖3 不同黏度潤滑脂彈性模量G′和黏 性模量G″隨剪切應力τ的變化

圖4 不同稠度潤滑脂彈性模量G′和黏 性模量G″隨剪切應力τ的變化

如圖3所示，隨著剪切應力增大，4種不同黏度的鋰基潤滑脂都存在G′=G″的交點(流動點)。G′=G″時的應變率是區(qū)分固態(tài)靜止區(qū)到流動區(qū)的關鍵參數(shù)，它是衡量潤滑脂開始流動難易程度的關鍵指標，是區(qū)分潤滑脂從彈性狀態(tài)轉變成黏性狀態(tài)的重要參數(shù)。隨著鋰基潤滑脂基礎油黏度增大，G′和G″都在減小，其達到流動點的應變和儲存模量均減小。這表明，在齒輪運轉過程中，黏度大的潤滑脂達到流動點所需的勢能越小，具有更好的黏附性能，從而越容易在齒輪表面形成均勻穩(wěn)定的油膜，具有更好的減摩降噪效果。因此，提高潤滑脂的流動性能，對降低齒輪的噪聲有利。

由圖4可以看出，常溫下稠度較大潤滑脂的模量值也較高，相應的屈服應力τ也較大，這與實際齒輪運轉過程的情況是相符的。當齒輪部件轉動時，稠度較大的潤滑脂需要更大的外力才能產(chǎn)生形變，轉動力矩也較高，因此表現(xiàn)出的啟動電流更大。

2.3.2 觸變性能對齒輪運轉性能的影響

觸變性是指在一定剪切速率下受到剪切作用的潤滑脂隨剪切時間的增加稠度下降，而在剪切作用停止后稠度又開始上升，其結構部分恢復的現(xiàn)象[11]。鋰基潤滑脂稠度與皂纖維之間的作用大小及其變化有直接關系。潤滑脂的觸變性反應其結構的恢復能力。

采用CSR模式，ROT測量模塊，剪切速率從0～50 s-1剪切120 s，50 s-1剪切60 s，再由50 s-1～0剪切120 s，測試樣品的觸變性，得出不同樣品的觸變環(huán)面積，用觸變環(huán)面積表征其觸變性。一定時間里，觸變環(huán)面積越大，說明潤滑脂結構恢復速度越慢；反之亦然。

由圖5可見，4種不同黏度的鋰基潤滑脂的上行流動曲線與下行流動曲線不重合，形成了觸變環(huán)。基礎油的黏度增大，觸變環(huán)面積減小。表明鋰基潤滑脂基礎油黏度越大，一定時間內(nèi)其結構恢復越快。圖6中3種不同稠度的鋰基潤滑脂，隨著稠度增大，觸變環(huán)面積增大。隨著皂含量的降低，稠度等級的降低，潤滑脂觸變能減少，即完全破壞內(nèi)部結構所需的能量越來越少，這是因為在相同剪切條件下，單位體積皂纖維越少，其接觸點被破壞越少，結構恢復越快。稠化劑含量低的潤滑脂由于觸變性小，彈性模量小，對齒輪降噪有利，但是并非稠化劑含量越小越好，稠化劑很少時，其黏附性會減弱，齒輪運轉過程中，潤滑脂不易粘附于齒輪而起到降噪減摩效果。

圖5 不同黏度潤滑脂的觸變環(huán)面積

2.3.3 潤滑脂剪切時變性與齒輪啟動性能相關性研究

25 ℃時，剪切速率在0～100 s-1范圍內(nèi)變化時，4種不同基礎油黏度的潤滑脂的表觀黏度變化曲線如圖7所示。4種潤滑脂樣品的表觀黏度均隨著剪切速率的增加而逐漸降低，最終達到一個趨于穩(wěn)定的值。稠化劑纖維結晶體內(nèi)的張力由分子間氫鍵主導，氫鍵力的大小與稠化劑分子排列位置相關，在受到外部剪切力作用并被剪切到一定程度后，稠化劑纖維微小膠團之間的位置又重新開始趨于固定，潤滑脂的表觀黏度也逐漸穩(wěn)定下來。

圖7 表觀黏度-剪切速率曲線

剪切速率恒定為10 s-1時，測試4種不同基礎油黏度的潤滑脂表觀黏度隨時間變化曲線如圖8所示。對比潤滑脂恒定剪切速率下表觀黏度的變化，與對應潤滑脂在涂抹在齒輪上時電機運轉的電流變化，可知潤滑脂表觀黏度變化與運轉電流有很強的相關性。從測試30 min的結果可以看出，表觀黏度變化與電流變化可以大致分為3個階段：啟動階段、磨合階段和穩(wěn)定階段。

圖8 黏度-剪切時間曲線

啟動階段：流變儀轉子剛開始轉動時受到的阻力大，表觀黏度達到最大值；對應齒輪上涂抹的潤滑脂，啟動時潤滑脂比較集中，需要較大的啟動力轉動將其均勻附著在齒輪表面，表現(xiàn)出最大的電流值。磨合階段：隨著齒輪繼續(xù)轉動，潤滑脂的流變特性起作用，潤滑脂的皂結構變化，齒輪受到的阻力逐漸減小，表觀黏度隨之降低，對應的齒輪電機電流降低；此外，隨著齒輪的運轉，多余的潤滑脂逐漸被甩掉，齒輪轉動阻力逐漸減小，電機電流屆隨之降低。穩(wěn)定階段：隨著測試的繼續(xù)進行，潤滑脂逐漸趨于穩(wěn)定，表觀黏度變化平緩，趨于穩(wěn)定值，齒輪電機電流也趨于平穩(wěn)；此外，隨著齒輪繼續(xù)運轉，剩余有效的潤滑脂均勻附著在齒輪表面，也使電流趨于平穩(wěn)。

運轉過程中，在接觸面之間的潤滑脂逐漸稀化，更容易流到間距很小的摩擦面之間形成潤滑膜，黏度大的潤滑脂具有更好的黏附性能，越容易在齒輪表面才形成均勻穩(wěn)定的油膜，起到潤滑降噪的效果。因此潤滑脂在齒輪間運轉過程中，運轉電流和降噪性能與潤滑脂流變性具有相關性，受流變特性的影響。稠度接近條件下，基礎油黏度最高的潤滑脂有最高的電流和最低的噪聲。

3 結論

(1)在齒輪運轉過程中，黏度大的潤滑脂達到流動點的所需的勢能越小，具有更好的黏附性能，越容易在齒輪表面形成均勻穩(wěn)定的油膜，更快速地達到減摩降噪的效果。潤滑脂在齒輪間運轉過程中，運轉電流和降噪性能與潤滑脂流變性具有相關性，受流變特性的影響。稠度接近條件下，基礎油黏度最高的潤滑脂有最高的電流和最低的噪聲。

(2)稠化劑含量低的潤滑脂由于觸變性小，彈性模量小，對齒輪降噪有利，但是并非稠化劑含量越小越好，稠化劑很少時，其黏附性會減弱，齒輪運轉過程中，潤滑脂不易粘附于齒輪而起到降噪減摩效果。