【word】 具有良好高低温性能的仪表轴承用润滑油的研制.doc

具有良好高低温性能的仪表轴承用润滑油的研制2010年6月第35卷第6期润滑与密封lubricationengineeringjune2010vol35no.6doi:10.3969/j.issn.02540150.2010.06.022具有良好高低温性能的仪表轴承用润滑油的研制沈雪瑾陶德华顾家铭(1.上海大学机械自动化系上海200072;2.上海天安轴承有限公司上海200233)窖摘要:为使精密仪表轴承在一70一+70宽环境温度范围下运转时能保持低摩擦扭矩,具有更好的灵敏度,研制京一种新的具有良好高,低温性能的优质润滑油.润滑油的理化性能,润滑性能试验和高,低温启动试验表明,所研制的s68聚醚油具有优良的黏温性,低温流动性以及摩擦学特性,完全满足高精密仪表轴承在宽环境温度范围下的运转要求.关键词:精密仪表轴承;润滑油;低温性能.6中图分类号:th117.2文献标识码:a文章编号:02540150(2010)60924studyonthelubricantwithadvancedhigh.1owtemperatureperformanceforinstrumentbearingsshenxuejintaodehuagujiaming(1.departmentofmechanicalautomation,shanghaiuniversity,shanghai200072,china;2.shanghaitiananbearingco.ltd,shanghai200233,china)abstract:inordertomakepresenthigh-precisioninstrumentbearingstomaintainalowfrietiontorqueandbettersensi.tivityunderwiderangeofambienttemperatureof一7070qc.anewhigh-qualitylubricantthadvancedhighlowternpemtureperformancewasdeveloped.basedonphysicalandchemicalpropertiesofthelubricant,lubricationperformancetestsandthehighlowtemperaturestarttests,itisshowedthatthedeveloped68polyetheroilhasgoodviscosity-temperatureproperties,lowtemperaturefluidityaswellasthetribologicalproperties,andcould.fullymeettheoperationrequire-mentsofthehigh-precisioninstrumentbearingsoverawideambienttemperaturerange.keywords:precisioninstrumentbearing;lubricant;lowtemperatureperformance陀螺等仪表轴承是精密仪器的关键动部件,其摩擦性能的优劣严重影响到配套主机的定向和定位功能的实现以及性能的稳定,可靠.为使航天,航空器用高精度仪表轴承在一7o一+70宽环境温度范围下运转时能保持低摩擦扭矩,并具有更好的灵敏度,有必要研制一种同时具有良好高,低温性能的精密仪表轴承用润滑油.1工业润滑油的基本特性随着现代工业的发展,机械装备对工业润滑油的要求越来越高,选择合适性能的润滑油将能保障机器的正常运行,并延长其使用寿命.工业润滑油的基本特性主要包括流动性和摩擦学特性.1.1流动性黏度是反映润滑油流动性的性能指标,润滑油应具有足够的黏度使运动中的摩擦副隔离,而合适的黏度则取决于机器的工作状况和摩擦副材料.润滑油黏基金项目:国家科研项目(jppr一115-2-738).收稿日期:20100427作者简介:沈雪瑾(1963一),女,博士,教授,主要研究方向为摩擦学.email:.度过小,起不到润滑的作用,黏度过大,则会造成能耗损失.润滑油黏度通常以isovg规格表征,即40cc时的运动黏度大小.温度升高黏度会下降,这种变化特性,在40以上的波动一般以黏度指数表示.对精密机械,润滑油的黏度指数w通常要求大于100,vi越高,机械运行越平稳.0qc以下的环境,油的黏温性能不能以w表征,必须以低温黏度和倾点表示,”倾点”仅表示在此温度下油品将失去流动性,是低温流动性的最低要求,在倾点以上润滑油可以流动和润滑.1.2摩擦学特性对于载荷比压小的工况,如精密机械仪表,普通机床,高速低载齿轮,气轮机滑动轴承等,只要润滑油黏温性合宜,摩擦副很少会发生磨损等机械损伤,此时摩擦面间的润滑油膜润滑方式为流体润滑或弹流润滑,其平均油膜厚度h>13o”(为摩擦副的表面粗糙度),即a=h/tr,a3.此时的摩擦力仅与润滑剂的黏度有关,即黏度越大摩擦力越大.在流体润滑条件下,依靠摩擦化学反应的抗磨剂以及纳米减摩剂都起不了作用.2010年第6期沈雪瑾等:具有良好高低温性能的仪表轴承用润滑油的研制93对于载荷比压大的工况,如高压油泵,发动机汽缸凸轮,中载以上齿轮,滚动轴承,切削加工等,摩擦面间的润滑油膜润滑方式为边界润滑状态,其a<1,在此状态下,通常由于干摩擦而使摩擦力急剧上升,且伴有机械磨损,擦伤,胶合等现象发生.此时已不能单纯依靠提高润滑油的黏度来改善润滑状态,而采用摩擦学添加剂则是形成润滑性保护膜的一种非常有效的方法.基于润滑油的特性,作者将主要从不同化学结构的基础油和摩擦学添加剂两大方面着手高精密仪表轴承用宽温度范围润滑油的研制,以满足高精密仪表轴承在低温环境下也能具有低启动扭矩的要求.2润滑油的研制2.1基础油聚醚是以环氧乙烷(eo),环氧丙烷(po),环氧丁烷(bo)或四氢呋喃(thf)等为原料,开环均聚或共聚制得的线型聚合物.将聚醚作为润滑剂的研究工作始于20世纪40年代.1943年美国联合碳化物公司首先实现了聚醚的工业生产,并在1945年以ucon商标推广到工业界,代替蓖麻油和甘油用作汽车制动液.第二次世界大战后,各种类型的聚醚产品在美国获得迅速的发展.我国聚醚润滑剂的研究工作起步较晚,20世纪80年代中期,随着石化工业的发展,聚醚生产才得到相应的发展.现今聚醚产量的大幅度增长,为聚醚润滑剂的发展奠定了物质基础.聚醚液体具有许多优良性能,其中包括良好的润滑性能,高闪点和高黏度指数,低挥发点和低倾点,对金属和橡胶的作用很小,在高温下使用时所生成的氧化物完全溶解在所剩的液体中或完全挥发掉,设备中不留下沉积物.由于氧原子的存在,同水或其他组分混合时,实际上不会燃烧.尤其可贵的是可利用聚醚分子中可变因子灵活地调整聚醚产品的性能,以满足各种不同的使用要求.聚醚的这些特点为它的实际应用开辟了广阔前景.目前,作为合成润滑剂家族中应用最广,产量最大的一类润滑剂,聚醚已被广泛地用作高温润滑油,齿轮油,压缩机油,抗燃液压油,制动油,金属加工液以及特种润滑脂基础油.用作润滑剂的各种聚醚衍生物的理化性质同烃类油一样,差异很大.基于聚醚润滑剂具有的极性,几乎在所有的润滑状态下,能形成黏附性强,承载能力大的稳定润滑膜,在弹性流体动力范围内,黏压系数低,偶极矩高的聚醚润滑剂与相同黏度的矿物油,聚一烯烃和双酯相比,其润滑性能要好.聚醚的润滑性能主要由黏度决定,随着黏度的增加,其润滑性能提高.聚醚的黏度和黏度指数与其分子结构紧密相关,分子主链中环氧烷的类型与比例,端基的类型和浓度,起始剂烃链的结构与长短,以及分子量的大小与分布等都不同程度地影响聚醚的黏度与黏度指数.根据高精密仪表轴承用宽温度范围润滑油的要求,初步筛选出了二种聚醚,其黏度,黏度指数与倾点如表1所示.表1聚醚的流变学性能table1rheologicalperformanceofpolyether2.2添加剂对于适合于边界摩擦中等载荷润滑条件,能生成化学反应膜从而降低磨损作用的抗磨添加剂选用磷氮型无灰抗磨剂taw一2,该剂为含磷的杂环氮唑化合物,主要特征不同于国外普遍采用的二烷基硫磷酸锌(zdtp),它不含有硫和金属元素,系无灰型.添加taw-2的润滑油品,其抗磨性,抗乳化,抗水解,抗腐蚀等性能明显优于含zdtp的油.与矿物油或其他合成油相比,聚醚的氧化安定性并不优越,在氧的存在下,可按一定的游离基历程发生氧化变质.聚醚的氧化是通过生成过氧化自由基,再与氢反应,使聚醚分子断链,最后生成羰基化合物和羧酸.这种氧化降解一直进行到生成低分子化合物,在高温下低分子生成物因气化而挥发,因此,聚醚不生成沉积物和胶状物质.为了有效地防止聚醚的氧化变质,可在聚醚润滑剂中加入能捕捉游离基的抗氧剂,其中阻化酚,芳胺,硫氮杂蒽型的抗氧剂有明显的效果,而矿物油中常用的含硫化合物,磷化物,二硫代磷酸锌等抗氧剂,则对聚醚基本上无效.在润滑油聚醚中加入抗氧剂t-501,通过比较可知,对于同样的聚醚,添加与不添加抗氧剂,其效果相差甚远,加抗氧剂的聚醚的氧化诱导期明显高于不加抗氧剂的聚醚.3润滑油性能试验3.1润滑性能试验一般认为四球式摩擦试验机评定润滑性快捷方便,故筛选油样的先期工作可首先通过四球机模拟试验进行.试验是在改造过的ms一800机械式四球长时抗磨损试验机上进行的.为了保证四球机在边界润滑状态或混合润滑状态下研究载荷对润滑性能的影响,试验是在室温和大气环境中进行的.润滑与密封第35卷表2给出了四球机模拟试验的数据.其中在转速为1450r/min,负荷为294n,四球机运行30min状况下,通过光学读数显微镜测得的3个固定球的平均磨斑直径d可作为评定磨损的指标.表2基于四球机的润滑油摩擦学性能试验结果table2theexperimentalresultsoftribologicalpropertiesoflubricantbasedonfourballtester试验油品如表2所示,其中特5油是由有机硅油复合而成的合成油,是中国航天专用油品,也是高精密仪表轴承原用的油品,其具有很高的黏温性能,但润滑性很差;4123空间精密轴承润滑油是酯型合成油,具有优良的黏度指数和高低温润滑性能;28和68聚醚油则为作者初步筛选的润滑油,是聚醚型合成油,具有优良的黏度指数.抗磨添加剂采用的是作者研制的taw-2和taw-4(即taw-2+zdtp(二烷基二硫磷酸锌).从表2所示的四球机摩擦扭矩试验数据可见,特5油(黏度为25.4mm/s)和28聚醚(黏度为28.3mill./s)的黏度过低(即使都含有抗磨剂),在轻载(98n)下的摩擦扭矩都较大.4123油和68聚醚油的摩擦扭矩较小.特5油由于是硅油混合油,其抗磨性最差,在294n载荷下的四球机试验中10s钟即发生胶合,而68聚醚在四球机的摩擦磨损模拟试验中磨斑直径最小.根据表2综合分析认为,68聚醚油的黏度较适中,而且在含有无灰抗磨剂taw一2时,在轻载(98n),中载(196n)和重载(294n)下均具有较小的摩擦扭矩,且294n载荷下的磨斑直径最小.显然,在98294n载荷范围内,含添加剂taw-2的68聚醚总评分大大优于特5油和28聚醚,在试验油品中其摩擦学性能最好.润滑理论认为:有效的减摩剂在混合润滑条件下能降低摩擦因数,而在边界润滑条件下减摩剂是不起作用的.试验中还对上述诸基础油添加了通常认为有效的纳米金刚石和cf氟化石墨减摩剂,但试验结果表明并没有显示出正效应降低摩擦因数,显然在这里减摩剂没有起到作用,从而说明了高精密仪表轴承试验的工况是处于油膜厚度相对较低的边界润滑条件下.综合试验来看,抗磨剂对降低摩擦扭矩影响很大,尤其是taw-2无灰抗磨剂效果最佳,比含锌taw-4效果更好,在所有试验中都显示出优良效果.3.2轴承的高,低温启动试验temperature/c(a)低温temperature/c(b)中高温图1不同工作温度下的电机启动时间fig1thestal-tilptimeofmotoratdifferenttemperatures(a)lowtemperatures;(b)mediumhightemperature针对高精密仪表轴承性能进行了宽温度范围试验.图1给出了使用28聚醚油,68聚醚油和4123空间精密轴承润滑油润滑时轴承的电机的启动时间与h864s/0量i|盘4_|再荔2010年第6期沈雪瑾等:具有良好高低温性能的仪表轴承用润滑油的研制95工作温度的关系.从图(a)中可以看出,在低温工作段,使用68聚醚油润滑的轴承的电机的启动时间明显少于使用28聚醚油润滑的轴承的电机,且与使用4123空间润滑油轴承的电机的启动时间相当.从图(b)中则可以看出,在高温工作段,使用28聚醚油,68聚醚油和4123空间精密轴承润滑油润滑时轴承的电机的启动时间具有明显差异,其中使用68聚醚油润滑的轴承的电机的启动时间最短.因此,从宽温度范围的适应性来看,3种润滑油中,68聚醚油的润滑性能最佳.4结论(1)研制出了一种具有优良的高,低温性能的新型优质润滑油8聚醚油,它以聚醚作为基础油,添加了一定量的无灰抗磨剂taw一2,抗氧剂t一501和防锈剂而成.(2)68聚醚油的常规分析结果为:运动黏度l,加=64.5mm/s,lo0=10.7mm/s;黏度指数v/=201;倾点小于一55;抗氧性旋转氧弹(150)的氧化诱导期为177min;防锈性为15天无锈;水溶性酸碱性为中性.(3)基于四球机的润滑油摩擦学性能试验表明,与特5油和4123油相比,68聚醚油的摩擦学性能最好.(4)轴承的高,低温启动试验表明,68聚醚油具有与4123空间精密轴承润滑油一样良好的低温性能,且与4123油相比有着更好的中高温性能.参考文献【1】陶德华,张建华,付尚发.工业润滑剂的三个基本要求c.中国机械工程学会摩擦学分会润滑技术专业委员会第九届润滑技术年会论文集,2004:79.【2】颜志光,杨正宇.合成润滑剂m.北京:中国石化出版社,1996.【3】陶德华.液压油用磷氮型无灰抗磨剂制备工艺:中国,zl87101001.1p.【4】周志秋,陶德华.新型润滑剂添加剂j.现代制造工程,2002(7):14.【5】王彬,陶德华,叶斌.新型可生物降解润滑剂的研制j.润滑与密封,2004,29(6):9798.wangbin,taodehua,yebin.theresearchofnewtypebiodegradablelubricantsj.lubricationengineering,2004,29(6):9798.高性能陶瓷润滑和密封材料研究取得系列进展中科院兰州化学物理研究所润滑与防护材料研究发展中心胡丽天研究员带领的课题组在高性能陶瓷润滑和密封材料的制备和应用研究方面取得系列进展.研究人员将纳米陶瓷与陶瓷润滑技术成功结合起来,采用热压烧结工艺,制备了兼具优异力学和摩擦学性能的ytzp/ai:0/mo纳米陶瓷复合材料.材料具有晶内,晶界和纳米一纳米型的复合结构,其断裂韧性高达17.4mpa?nl,高温摩擦时生成的润滑性氧化膜使材料具有较低的摩擦系数,800和si3n4陶瓷球对摩时的摩擦因数低于0.5.这一研究结果发表在新一期摩擦学领域国际权威学术期刊wear(wear2010,268:10911094)上.高性能陶瓷润滑和密封材料因其耐高温,耐化学腐蚀,耐磨损以及具有较高的机械强度和良好的润滑性能等优点,在航空,航天,原子能,微电子等领域具有广阔的应用前景.近年来,通过对晶粒尺寸和增强相成份与结构的精确控制以及合理的摩擦学设计,课题组成功制备了具有优异力学和摩擦学性能的a12o3,tio2,cuo,mo,graphite和mos2