稠化劑纖維結構對低噪聲潤滑脂降噪性能的影響

王慶日，趙麗，高宇航，高鷹，鄒存豐

(遼寧海華科技股份有限公司，遼寧 鞍山 114229)

隨著人們生活質量的提高，辦公設備、家電、機械設備、車輛等運轉和傳動系統中使用的微型或中小型深溝球軸承或角接觸球軸承對振動噪聲的要求越來越高。影響滾動軸承噪聲的因素，除軸承自身(結構設計、材料、加工技術等)外，還有使用的潤滑脂[1]，長期的理論研究和試驗表明潤滑脂對精密軸承的噪聲特性有較大的，甚至是決定性的影響。

從潤滑脂組成的角度分析，影響精密軸承噪聲的主要因素有：潤滑脂的基礎油黏度及種類、稠化劑類型及纖維結構(主要取決于制脂工藝和原材料)、生產過程、雜質及添加劑等[2-3]。本文重點介紹具有不同稠化劑纖維結構的鋰皂潤滑脂對精密軸承噪聲特性的影響。

1 軸承噪聲測試

將試樣分別注入軸承中，按照GB/T 32333—2015《滾動軸承 振動(加速度)測量方法及技術條件》采用S0910-Ⅲ型測振儀進行測試，時間為64 s，每秒記錄一次噪聲值，測試啟動和運轉過程中試樣的噪聲。

SKF開發的潤滑脂噪聲測試儀器BeQuiet Plus是BeQuiet的升級版，采用的軸承型號為608，測試結果分為GN0，GN1，GN2，GN3和GN4這5個等級，分別對應潤滑脂重度污染、污染、嘈雜、潔凈和超潔凈[4]，每個噪聲等級由BQ1(振動峰值不大于5 μm/s所占的百分比)、BQ2(振動峰值為5～10 μm/s所占的百分比)、BQ3(振動峰值為10～20 μm/s所占的百分比)、BQ4(振動峰值為20～40 μm/s所占的百分比)、BQX(振動峰值大于40 μm/s所占的百分比)組成。

MGG11是速度型軸承噪聲測試儀器，測試時需要把待評定潤滑脂裝入選定標準608軸承中，根據軸承在中頻帶和高頻帶的振動特性評價潤滑脂的啟動噪聲特性、運轉噪聲特性和噪聲衰減能力。運轉噪聲特性和噪聲衰減能力用于評價潤滑脂的噪聲等級(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)；啟動噪聲特性共分為1，2，3，4級。以噪聲等級/啟動噪聲特性表示潤滑脂的噪聲特性，如Ⅰ/1，Ⅱ/1等。

2 鋰皂稠化劑對精密軸承噪聲的影響

當軸承采用脂潤滑時，計算潤滑膜厚度通常依據潤滑脂中基礎油性能而不考慮稠化劑的作用。但文獻[5]表明潤滑脂與基礎油相比，由于較弱的回填能力及流變性能使其潤滑膜表現出較復雜的特性，所以潤滑脂中的稠化劑在摩擦副表面起到重要的作用。文獻[6]證實了潤滑脂的潤滑膜厚度大于其基礎油。

為進一步證明鋰皂稠化劑在精密軸承降噪過程中發揮的作用，將具有降噪特性的鋰皂潤滑脂的基礎油A (礦物油、40 ℃運動黏度為80 mm2/s, 3 μm過濾)、潤滑脂B(A基礎油制備的鋰皂潤滑脂)、油脂混合物C(用B潤滑脂將A基礎油密封在軸承中形成油脂混合物)分別注入6201和6207軸承中進行噪聲測試。S0910-Ⅲ型測振儀測試的試樣噪聲如圖1所示。

由圖1可知，在不同型號軸承中潤滑脂對軸承的降噪效果及噪聲的穩定性要優于基礎油和油脂混合物，軸承尺寸越小，潤滑脂與基礎油的降噪差距越大，可以判斷稠化劑對降低軸承噪聲起到決定性的作用。鋰皂潤滑脂的稠化劑結構是研究低噪聲潤滑脂降噪效果的重點。

圖1 3個試樣在6201和6207軸承上的噪聲測試結果

3 鋰皂稠化劑纖維結構的影響因素

影響稠化劑纖維結構的主要因素有稠化劑的酸堿度以及降溫過程中的冷卻工藝。

3.1 稠化劑酸堿度

低噪聲鋰皂潤滑脂的稠化劑主要為12-羥基硬脂酸和單水氫氧化鋰，其酸堿度對稠化劑結構起至關重要的作用。傳統的鋰皂潤滑脂均為弱堿性(單水氫氧化鋰微過量)，在反應過程中稠化劑纖維對過量的單水氫氧化鋰顆粒進行包裹[7]，形成較大的纖維顆粒，普通潤滑脂中過量的單水氫氧化鋰易于皂的形成，有利于反應的進行，但低噪聲潤滑脂中較大的稠化劑纖維可能會影響軸承的降噪效果，因此本文采用單水氫氧化鋰過量和恰好完全反應2種情況制備潤滑脂試樣。

3.2 降溫速度

冷卻條件對鋰皂潤滑脂稠化劑纖維結構的影響非常明顯，冷卻條件不同，成品脂稠化劑纖維結構區別很大，即降溫速度和方式決定了稠化劑纖維的長短和粗細。一般情況，快冷工藝條件下稠化劑纖維細小，潤滑脂具有良好的膠體安定性能；慢冷工藝條件下稠化劑纖維結構較粗，潤滑脂具有良好的機械安定性能。本試驗通過控制冷卻速度(水冷降溫)制備了稠化劑纖維結構不同的試樣，并測試在軸承中的噪聲特性。

4 試樣制備及噪聲評價

4.1 試樣制備

根據上節2個影響因素對鋰皂潤滑脂試樣配方和工藝進行了設計，具體方案見表1，慢冷的速度為1.0 ℃/min;快冷的速度為1.5 ℃/min；階梯式冷卻的速度為1.5 ℃/min, 且每降低10 ℃后保溫5 min。

表1 不同配方和工藝制備的鋰皂潤滑脂試樣

將制備的4個試樣經蒸餾法處理后用掃描電鏡觀察稠化劑的纖維結構，如圖2所示。

圖2 4個試樣稠化劑的SEM圖像

由圖2可知：試樣1(堿過量，慢冷)稠化劑纖維粗大，而且有大顆粒物質；試樣2(慢冷)稠化劑纖維較粗，但與試樣1相比，沒有較大的顆粒物；試樣3(快冷)稠化劑纖維細小，分布較均勻；試樣4(階梯式冷卻)稠化劑纖維粗細和均勻分布程度介于試樣2與試樣3之間。

4.2 S0910加速度噪聲測試

4個試樣的加速度噪聲測試結果如圖3所示：試樣3的啟動噪聲小，且噪聲降速較快，穩定后噪聲平穩；試樣4與試樣3穩定后噪聲接近，但啟動瞬間噪聲降速有一定的差距；試樣2次之；試樣1的啟動噪聲、運轉噪聲及噪聲穩定性均最差。

圖3 4個試樣的加速度噪聲測試結果(6201)

4.3 SKF BeQuiet Plus速度型噪聲測試

4個試樣的噪聲測試結果如圖4所示：試樣1測試結果為GN0，試樣4(GN4)最好，試樣2和試樣3均是GN2；但從振動速度峰值統計結果顯示試樣3是由BQ1，BQ2，BQ3組成(BQ1的比例較高)，而試樣2中只有BQ2 和BQ3；因此可以得出試樣3的降噪特性優于試樣2。

圖4 4個試樣噪聲測試結果(BeQuiet Plus)

4.4 MGG11速度型噪聲測試

試樣2—試樣4的 MGG11測試結果分別為Ⅱ/2，Ⅱ/1，Ⅱ/1，具體測試數據見表2—表4, 中頻為300～1 800 Hz，高頻為1 800～10 000 Hz。

表2 試樣2的噪聲測試結果(MGG11)

表3 試樣3噪聲測試結果(MGG11)

表4 試樣4噪聲測試結果(MGG11)

由表2—表4可知：試樣2噪聲評價為Ⅱ/2，低于試樣3和試樣4，主要表現在啟動時中頻階段5套軸承的平均值超過2.00 μm/s；試樣3與試樣4的測試結果雖然相同，但在啟動階段試樣4中、高頻噪聲特性明顯優于試樣3，并且在運轉過程中有2套軸承被評為Ⅰ級，試樣3中只有1套為Ⅰ級。

4.5 小結

4個試樣的稠化劑纖維結構特點及不同類型測試設備噪聲測試結果見表5。3種設備的測試結果一致：稠化劑纖維細小且分布均勻的潤滑脂試樣啟動噪聲低,降速快,降噪效果較好。

表5 4個試樣的稠化劑纖維結構特點及不同類型測試設備噪聲測試結果

5 結論

通過分析稠化劑纖維結構對鋰皂潤滑脂降噪性能的影響，得到以下結論：

1)潤滑脂的降噪特性優于基礎油，而且軸承尺寸越小，降噪效果越明顯，認為稠化劑對降低精密軸承運轉過程的噪聲起到重要作用。

2)冷卻速度影響稠化劑纖維的大小和均勻分布程度，堿過量易形成較大顆粒，對軸承噪聲影響較大。

3)在S0910加速度噪聲測試過程中發現稠化劑纖維結構越短，分布越均勻的潤滑脂降噪效果越好(降速快，波形穩定)，反之較差；試樣在BeQuiet Plus 和MGG11測試時發現，稠化劑纖維最細小的測試結果不是最好的，而采用階梯式冷卻方式制備的試樣有良好的降噪性能，且兩種設備測試的結果趨勢一致。