车辆论文发表高档汽车润滑脂的基础油筛选及工艺优化

发布时间：2014-11-10 15:37:22更新时间：2014-11-10 15:40:44 1

　　随着汽车工业的迅速发展，对汽车轮毂单元提出了更高要求。轴承开始向着减轻重量、降低摩擦力矩、单元化设计及结构紧凑等方向发展，高档汽车润滑脂作为高速、重载汽车的轴承、底盘等摩擦部位的润滑脂，必须具备良好的极压抗磨性、胶体安定性、高温性能，较强的高温黏附性能、良好的橡胶相容性、优良的低温性能等。

　　摘要：高档汽车润滑脂等高档产品由于技术性能需求较高，造成生产难度较大，产品市场供应与需求不对称，不利于产品升级换代，文章从原材料、设备、工艺等方面筛选进行介绍，确定关键影响因素，结果表明按照此原材料和生产工艺，生产的高档汽车润滑脂产品质量稳定，能满足技术指标要求。

　　关键词：高档汽车,复合锂,复合,皂化,筛选,定型

　　0引言

　　轮毂轴承(hub bearing)的主要作用是承重和为轮毂的转动提供精确引导，它既承受轴向载荷又承受径向载荷，是一个非常重要的零部件。传统的汽车车轮用轴承是由两套圆锥滚子轴承或球轴承组合而成的，轴承的安装、涂油、密封以及游隙的调整都是在汽车生产线上进行的。这种结构使得其在汽车生产厂装配困难、成本高、可靠性差，而且汽车在维修点维护时，还需要对轴承进行清洗、涂油和调整。轮毂轴承单元是在标准角接触球轴承和圆锥滚子轴承的基础上发展起来的，它将两套轴承做成一体，具有组装性能好、可省略游隙调整、重量轻、结构紧凑、载荷容量大、为密封轴承可事先装入润滑脂、省略外部轮毂密封及免于维修等优点，已广泛用于轿车中，在载重汽车中也有逐步扩大应用的趋势[1]。

　　随着汽车工业的迅速发展，对汽车的轮毂轴承单元提出了更高的要求。减轻重量，降低摩擦力矩，单元化设计以及实现结构紧凑可以很好地减少汽车能源消耗;改善密封性能和设计技术可以提高可靠性和寿命以及提高速度性能和刚度;轮毂轴承的智能化技术极大地促进了ABS技术的普及，显著改善汽车行驶的稳定性和安全性[2-3]。

　　长城牌高档汽车润滑脂是针对Mobilgrease XHPTM 220 Series (美孚滑脂 XHPTM 220系列)中的222(NLGI等级2)和223(NLGI等级3)及壳牌佳度(Gadus)S3 V220C开发的适用于高速、重载等苛刻条件下轿车、大型客车及重载卡车等车辆的轮毂轴承、底盘、电机水泵等摩擦部位的润滑。参比脂部分典型数据见表1。

　　中国石化茂名分公司的润滑脂产量已达到1.5万t，有必要进行高档复合锂产品的本地化生产，满足市场需求，而高档汽车润滑脂等高档产品由于技术性能需求，必须在设备、原材料、工艺等方面进行有效筛选，才能形成稳定的工艺，最终生产出合格的、稳定的高档汽车润滑脂，才能满足汽车轮毂轴承、底盘等摩擦部位的润滑需求。

　　1高档汽车润滑脂技术要求

　　1.1高档汽车润滑脂性能需求

　　根据美孚和壳牌同类产品比较，以及重载、高速等苛刻条件下的汽车轮毂轴承工况分析，高档汽车润滑脂需具备以下几个性能：

　　(1)良好的极压抗磨性能;

　　(2)良好的高温性能;

　　(3)良好的胶体安定性;

　　(4)良好的抗水性和防护性;

　　(5)良好的低温性能;

　　(6)优良的橡胶相容性;

　　(7)较好的噪音特性[4]。

　　从以上技术性能要求及参照国外同类产品，中国石化润滑油公司制定了高档汽车润滑脂的技术标准，高档汽车润滑脂技术指标详见表2。

　　1.2高档汽车润滑脂工艺配方

　　高档汽车润滑脂工艺配方见表3。

　　2高档汽车润滑脂原材料筛选

　　根据高档汽车润滑脂性能需求、技术指标、产品配方、原材料技术质量及润滑油公司现有供应商等多方面综合考虑，筛选了三组原材料方案，具体方案如表4。

　　从表4可知，本次原材料的筛选工作是筛选基础油，而皂化原材料和添加剂从供应商产品质量稳定及借鉴其他产品生产技术总结综合考虑，并未再进行筛选考察。

　　高档汽车润滑脂是一种蓝色均匀油膏的半固体产品，由于功能添加剂已经确定，所以产品颜色主要取决于基础脂颜色，如果基础脂颜色较深，容易造成产品颜色与样品要求不一致，所以需筛选合适基础油，在保证成品外观和技术指标的前提下，较好地控制原材料成本。

　　基础油筛选主要是从基础油H1、基础油I1、基础油H2、基础油I2四个油种进行考察。

　　2.1基础油I1和基础油I2对比和筛选

　　根据减四基础油I1和减三基础油I2技术指标进行比较，具体技术指标和典型分析结果见表5。

　　(1)从色度结果分析可知，减三基础油I2小于减四基础油I1，初步判断利用基础油I2与基础油H1配伍生产的高档汽车基础脂颜色比基础油I1与基础油H1基础油配伍生产的高档汽车基础脂颜色浅，所以加入染色剂后，成品脂的颜色蓝色会更亮丽。

　　(2)从倾点结果分析可知，由于高档汽车润滑脂对低温性能要求较高，筛选减三基础油I2更合适。

　　为了更加直观的反应减三基础油I2和减四基础油I1外观色度区别，进行拍照对比，具体对比情况见图1。

　　综上所述，减三基础油I2与减四基础油I1相比更适合与光亮基础油H配伍作为基础油生产高档汽车润滑脂，且高档汽车润滑脂的低温性能是重要考察因素，所以初步确定减三基础油I2作为高档汽车润滑脂的基础油资源之一。

　　根据以上判断，分别利用减三基础油I2和光亮基础油H1配伍与减四基础油I1和光亮基础油H1配伍小试了两个脂样，并加入添加剂和染色剂，然后采用相同的生产工艺进行生产，得出不同小试脂样外观，具体颜色对比分别见图2、图3。

　　(1)说明以上两种基础油配伍生产的脂样大部分指标(包含高温性能)都能够较好地满足技术指标需求，说明至少工艺设计、生产设备是符合产品技术要求的。　　(2)虽然试生产脂样OK值优于兄弟单位，但是从极压添加剂的类型和加入量判断，OK值勉强达到指标需求，应该是因为基础油硫含量略高原因造成的。不过汽车轮毂轴承需具备较长的轴承使用寿命，所以对基础油中的硫含量提出较高要求，应该继续对基础油进行筛选。

　　(3)从低温转矩结果分析可知，虽然两个项目的分析温度不一样，不过随着温度的降低，分析结果递增效果越明显，说明选用基础油I1和基础油H1配伍试生产的润滑脂低温性能远无法满足高档汽车润滑脂低温性能需求，需要选择低温性能更加优越的基础油配伍使用。

　　综上所述，说明茂名分公司现有基础油资源在基础油色度、硫含量控制、倾点等技术指标上无法满足高档汽车润滑脂的技术需求，需要重新筛选既能保证足够运动黏度，又能有较优低温性能的基础油与基础油I2进行配伍使用。

　　2.2光亮基础油H1和光亮基础油H2对比筛选

　　光亮基础油H1和光亮基础油H2技术指标对比情况，具体技术指标和典型分析结果见表7。表7光亮基础油H1和光亮基础油H2技术指标对比

　　项目基础油H1基础油H2技术指标分析结果技术指标分析结果试验方法外观透明透明透明透明目测运动黏度/mm2・s-1〖6〗GB/T 26540℃报告J′1报告J′2100℃K1～　　从表7可得出以下结论：

　　(1)从色度分析可知，光亮基础油H2明显优于光亮基础油H1，能够有效保证高档汽车润滑脂外观。

　　(2)从倾点分析可知，光亮基础油H2明显优于光亮基础油H1，能够有效保证高档汽车润滑脂的低温性能。

　　为了更加直观地反应光亮基础油H2和光亮基础油H1外观之间的区别，进行了拍照对比，具体对比情况见图4。

　　综上所述，光亮基础油H2相较于光亮基础油H1更加适合作为高档汽车润滑脂基础油之一。

　　综上判断，利用光亮基础油H1和光亮基础油H2分别与减三基础油I2采用相同比例和相同工艺进行小试生产，得出不同小试脂样，具体产品外观见图5、图6。

　　从图5可知，利用光亮基础油H2与减三基础油I2小试生产的高档汽车脂样外观颜色明显优于利用光亮基础油H1与减三基础油I2小试生产的高档汽车脂样，从图6进一步佐证利用光亮基础油H2与减三基础油I2小试生产的高档汽车脂样外观颜色基本与兄弟单位的高档汽车润滑脂外观颜色一致，初步判断光亮基础油 H2与减三基础油I2是比较合适的配伍基础油选择。

　　分别从减三基础油I2和光亮基础油H2技术指标进行分析，两个基础油的倾点都较低，色度理想，闪点较高，两种基础油按照一定比例配比后100℃运动黏度明显高于技术指标要求值，说明两个基础油配伍后应该能够较好地满足高档汽车润滑脂的低温性能、高温性能、外观、油膜厚度等方面的技术需求。

　　3设备筛选

　　3.1茂名分公司现有反应釜设备介绍

　　茂名分公司生产装置包括以接触器为反应釜的生产系统和以行星搅拌方式的压力釜生产系统。两种系统各有其优缺点，具体对比情况如下。

　　接触器与炼制釜相比，具有传热效果好、反应时间短、提高产品收率等优点[6]。不过由于接触器是采用高速搅拌叶片的推进式搅拌方式，一旦遇到稠度较大的润滑脂产品，在釜内无法形成高速湍流运动，存在局部受热不均匀，上部物料停止运动等缺点，所以并不适合生产如复合锂等稠度、黏度较大的产品。行星搅拌方式的压力釜相较于接触器，虽然搅拌速度较低，存在搅拌效率低下的缺点，但是由于其搅拌桨是覆盖整个反应釜，能够直接传动，对整釜物料进行搅拌循环，虽然相较于三重搅拌效率要低得多，不过在生产黏度、稠度较大产品上仍然明显优于接触器，所以在现有设备情况下，选择行星搅拌反应釜生产高档汽车润滑脂会明显优于接触器。

　　3.2高档汽车润滑脂对设备需求及改造

　　高档汽车润滑脂需具备较少的杂质颗粒和较好的产品细腻度，为了达到控制噪音和磨损的目的，需将行星搅拌压力釜采用常压开口方式生产才能较好的满足高档汽车润滑脂性能需求。

　　采用常压方式生产高档汽车润滑脂在生产工艺上一般会采用分步滴加碱液的方式进行生产，不过目前并未具备分步滴定碱液的设备条件。为了达到分步滴碱和控制滴碱速度目的，有必要进行部分设备改造。

　　一是建立简易化碱桶，分散碱液。二是改造转皂管线，并联直通转皂管线，保证转皂效率和中间釜物料温度。

　　4工艺筛选及定型

　　4.1工艺筛选

　　由于高档汽车润滑脂生产工艺筛选前就根据高档汽车润滑脂和现有设备情况确定为常压生产工艺，而常压生产工艺一般是采用分步加入碱液的方式进行生产，生产工艺总体框架如图7所示。

　　工艺筛选主要集中在以下几方面：

　　(1)投料工艺摸索;

　　(2)碱液浓度筛选;

　　(3)碱液滴定工艺;

　　(4)恒温复合时间。4.1.1投料工艺摸索　　由于没有专用化碱罐，从产品性质稳定和操作人员劳动强度两方面综合考虑，对投料工艺进行筛选，分别通过工艺A和工艺B进行投料。两种工艺各生产5批产品，由于投料工艺主要对复合效果及重复性造成影响，所以只对半成品滴点进行比较，具体对比情况如图8。

　　从图8分析可知，工艺B投料方式生产的高档汽车润滑脂半成品滴点和批次产品滴点稳定性明显优于工艺A投料方式生产的半成品，说明工艺A存在不足，造成批次产品之间的滴点重复性不具规律性，所以采用工艺B投料方式有利于高档汽车润滑脂批量化生产工艺的推行。

　　4.1.2碱液浓度筛选

　　根据前人[7]研究成果，复合锂产品要达到较好的复合效果，加水量需要控制在碱总量的5倍左右，随着水量的增加能够适当提高复合效果，但是随着水量的增加，能耗消耗越多。所以针对不同的反应设备，因为其搅拌速度、反应釜投料口开口大小、抽风排水速度等因素不同，需针对该设备摸索出较适合的加水量，从而达到复合效果和升温排水时间及能耗的较优平衡。因为前人的研究成果主要是针对三重搅拌釜进行考察的，鉴于茂名分公司反应设备是行星式双重搅拌釜，所以适当增加加水量，按照总碱量的6倍和6.5倍的加水量进行生产，两者都是按照工艺B进行操作，其余后续工艺条件保持不变，分别进行3批次产品的生产。具体对比情况如表8。

　　从表8分析可知，当加水量增加到6倍总碱量以上，两种不同加水工艺引起的滴点、钢网分油、工作锥入度、10万次延长工作锥入度和工作锥入度差值等理化指标差异不大，说明加水量在6倍以上后的增加对复合锂复合皂化没有太大的递增效率，相反因为水量的增加，造成在后期脱水工艺时，釜内含有更多的水蒸气，需要消耗更多的能源，而且延长了生产周期，所以确定6倍加水量为较优碱液溶度。

　　4.1.3碱液滴定工艺

　　由于第二步碱液是采用滴定方式加入，为了保证滴入碱液和排出蒸汽量取得较好的平衡，所以需要对滴定速度通过滴定时间加以进行控制，根据加水量、排水口面积及釜内温度等因素分析，在采用6倍加水量和B投料工艺前提下，进行P1h、P2h和P3h三种滴定时间工艺的筛选，具体对比情况如表9和图9。

　　从表9和图9分析可知，虽然随着碱液滴定时间的缩短，高档汽车润滑脂的滴点有所变化，排除分析误差外，相互之间的差异并不明显，所以为了提高生产效率和降低能耗，将碱液滴定时间设定在P1h左右。

　　4.1.4恒温复合时间

　　虽然根据复合锂复合皂化理论证明，在常压反应釜中，复合锂的皂化和复合在一定的水量平衡下是同时进行的，不过由于茂名分公司的反应釜是采用桨-框-锚的行星搅拌方式，现有反应釜类型中搅拌效率最低，无法有效保证水量加入与蒸发平衡和釜内物料较高的均匀度，所以需增加无水复合反应阶段，因此需进行复合时间的筛选考察，通过产品部分理化指标和复合过程的搅拌电机电流大小等因素判断复合效果，具体对比结果见表10。

　　从表10分析可知，随着复合时间的减少，反应釜搅拌电流和产品滴点有所下降，不过仍能较好地满足高档汽车润滑脂产品的技术需求，并且与兄弟单位三重搅拌反应釜生产的同类产品理化指标偏差不大，为了较优平衡能耗控制和产品质量，确定Q1h的复合时间为较优工艺。

　　4.2工艺优化

　　根据以上筛选过程和批量化试生产，最终确定以下工艺步骤：

　　(1)利用6倍总碱量的水对氢氧化锂进行溶解;

　　(2)将计算量的脂肪酸A、脂肪酸B和一定量的基础油按照工艺B投料，皂化反应一定时间;

　　(3)控制反应釜温度适当范围，进行第二步碱液滴定，滴定一定时间后，观察电流变化，一旦电流变大，控制反应釜内温度在有效范围，整个滴定时间控制在P1h左右;

　　(4)滴定结束，进行升温排水，观察排水口无水汽后，在120 ℃以上恒温复合Q1h左右，恒温结束后升到最高温度;

　　(5)加入基础油进行釜内急冷，控制急冷温度;

　　(6)转皂，进行后续均质分散工艺和加剂工艺，最后灌装成品。

　　按照以上工艺步骤生产的高档汽车润滑脂分析结果见表11。

　　从以上分析数据可见，按照以上工艺步骤生产的3批高档汽车润滑脂各项理化指标均能满足产品技术指标的质量要求。

　　通过以上高档汽车润滑脂的工艺筛选摸索过程中找出不足，并结合装置的自身特点，确定了生产过程各个环节的控制参数，具备高档汽车润滑脂的批量化、稳定生产能力。