CN106947569A - 行星齿轮润滑脂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种行星齿轮润滑脂，按质量百分比由以下组分组成：基础脂87%～90%；极压剂添加剂9～11%；其他助剂1～2%；其中，所述的基础脂按质量百分比由以下组分组成：基础油80～88%；复合锂皂稠化剂12～20%；粘附添加剂0～3%；所述的基础油由聚α－烯烃与三羟甲基丙烷酯复配而成。本发明行星齿轮润滑脂形成的吸附膜和反应膜具有极好的负荷承载能力，精密行星齿轮在运转过程中噪音降低、温升降低、寿命延长。

Description

行星齿轮润滑脂
[技术领域]
本发明涉及润滑脂，尤其涉及一种行星齿轮润滑脂。
[背景技术]
行星齿轮由齿圈、太阳轮、行星齿构成。运转时，齿圈固定，太阳轮主动，行星架被动。行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，当它们的零件材料和力学性能、制造精度、工作条件等均相同时，行星齿轮传动具有一系列突出的优点，因此它常被用作减速器、增速器、差速器和换向机构以及其他特殊用途。行星齿轮传动的主要特点有，体积小、重量轻、结构紧凑，传递功率大、承载能力高。
行星齿轮已用于许多机械结构，复杂的如汽车变速箱采用行星齿轮组，采用油润滑，简单的如行星齿轮电机，鉴于其紧凑的体积，最适宜用润滑脂来润滑。
润滑脂一般由三种组分构成，基础油(base oil)、稠化剂(thickener)和添加剂(additives)。
基础油主要有矿物油和合成油之分，矿物油是指由石油提炼出的相对于燃料油的重馏份，合成油提指除矿物油之外采用化学合成方法制成的液体。按美国石油学会(API)将基础油分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等类油，其中根据粘度指数、硫含量、饱合烃含量矿物油分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，即Ⅰ类油为传统炼油方法制成的油品，其粘度指数、硫含量、饱合烃含量都在较低的水平，Ⅱ、Ⅲ类油经过加氢裂化、加氢重整等工艺，其粘度指数、硫含量、饱合烃含量都有较大的提高，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等类油为化学合成油。具体分类见表1。
表1 API润滑油基础油分类
稠化剂分为有机金属皂类(含单皂和复合皂)、无机稠化剂、有机稠化剂和烃类稠化剂。
添加剂主要有抗氧剂、防锈剂、抗磨剂、极压剂、结构改善剂等。这些添加剂都是一些具有各种功能的化合物或混合物。
目前普通的行星齿轮电机，对噪音、温升和寿命没有特别的要求，所用的润滑脂只要有合适粘度和一定的极压性，一般均可满足其使用要求，故一般使用2#稠度的极压锂基脂、复合锂基脂或聚脲脂；然而对于精密行星齿轮电机，对噪音要求不大于75dB在2米距离内，对温升的要求不得高于气温35℃，即一般不得高于70℃(更严的要求是不高于65℃)，寿命要求长期运转噪音和温升仍能保持原水平。如采用普通的极压锂基脂、复合锂基脂或聚脲脂噪音和温升均不能满足其要求。
对于精密行星齿轮电机，由于其配合紧密，公差小，在齿轮运转的过程中，采用极压锂基脂、复合锂基脂或聚脲脂等润滑脂来润滑，润滑脂经常被挤压到齿轮边上，齿轮面上存在的润滑脂很少且油膜很薄甚至没有油膜，在运转过程中齿面的润滑状态处于边界摩擦甚至干摩擦状态，因此造成齿轮噪音增大、温度升高，齿轮寿命大幅降低。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种适合于精密行星齿轮润滑的行星齿轮润滑脂。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种行星齿轮润滑脂，按质量百分比由以下组分组成：
基础脂 87％～90％；
极压剂添加剂 9～11％；
其他助剂 1～2％；
其中，所述的基础脂按质量百分比由以下组分组成：
基础油 80～88％；
复合锂皂稠化剂 12～20％；
粘附添加剂 0～3％；
所述的基础油由聚α－烯烃与三羟甲基丙烷酯复配而成。
以上所述的行星齿轮润滑脂，在基础脂中，按质量百分比，聚α－烯烃的含量为68～80％，三羟甲基丙烷酯的含量为8～12％；聚α－烯烃的运动粘度在40℃时为100～200mm2/s，三羟甲基丙烷酯的运动粘度在40℃时为41.6～50.6mm2/s，基础油的运动粘度在40℃时为100～150mm2/s。
以上所述的行星齿轮润滑脂，复合锂皂稠化剂包括12-羟基硬脂酸、癸二酸和氢氧化锂，在基础脂中，按质量百分比，12-羟基硬脂酸的含量为8～12％，癸二酸的含量为2～5％，氢氧化锂的含量为2～4％。
以上所述的行星齿轮润滑脂，所述的粘附添加剂为7306，在基础脂中，按质量百分比，7306的含量为1～3％。
以上所述的行星齿轮润滑脂，所述的极压剂添加剂包括有机金属钼盐、硫代氨基甲酸酯和离子液体，按质量百分比，有机金属钼盐的含量为2～4％，硫代氨基甲酸酯的含量为4～6％，离子液体的含量为1～3％；其他助剂包括抗氧化剂和防锈剂。
以上所述的行星齿轮润滑脂，基础脂按以下方法制备，在部分聚α－烯烃中,加入12-羟基硬脂酸和粘附添加剂,加热至90～95℃,使12-羟基硬脂酸全部熔化；氢氧化锂配成水溶液，将部分氢氧化锂水溶液加入到上述混合物中,在90～95℃下进行皂化反应20～40分钟,然后加入癸二酸,混合均匀；在120分钟内将其余的氢氧化锂水溶液缓慢加入到反应体系中,并保持温度在90～100℃之间,加毕,继续反应10分钟；待12－羟基硬脂酸、癸二酸已反应完毕，继续升温至160℃，加入其余的聚α－烯烃和三羟甲基丙烷酯油,混合均匀，升温至210℃，恒温10分钟，冷却至室温后研磨。。
以上所述的行星齿轮润滑脂，判断12－羟基硬脂酸、癸二酸是否已反应完毕时，取样进行红外光谱扫描，光谱中没有1700～1760cm-1峰，则说明12－羟基硬脂酸、癸二酸已反应完毕。
以上所述的行星齿轮润滑脂，三羟甲基丙烷酸，具有如下的化学结构：
式的R为C5～C9的烷基。
以上所述的行星齿轮润滑脂，所述的离子液体是膦酸铵盐离子液体，其化学结构如下：
式中的R为烷基，所述的烷基包括脂肪族烷基和芳香族烷基，n为1～3，m为4～n；
所述的有机金属钼盐是二正丁基硫代氨基甲酸钼，其化学结构如下：
式中R为丁基；
所述的硫代氨基甲酸酯是4,4’-亚甲基双(二丁基二硫代氨基甲酸酯)，其化学结构如下：
式中的R为丁基。
本发明行星齿轮润滑脂形成的吸附膜和反应膜具有极好的负荷承载能力，精密行星齿轮在运转过程中噪音降低、温升降低、寿命延长。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例行星齿轮润滑脂用四球机测试得到的负荷－磨损曲线图。
[具体实施方式]
本发明实施例中基础油采用合成油聚α－烯烃(简称PAO)和三羟甲基丙烷酯为主要成份。这两种油均是化学合成油。其中聚α－烯烃用α-癸烯在催化剂(如茂金属催化剂)的作用下聚合，并加氢，然后蒸馏切割各馏分制得各种粘度牌号的聚α－烯烃油成品。聚α－烯烃油具有优异的高低温性能和热稳定性，属于Ⅳ类油。三羟甲基丙烷酯是由三羟甲基丙烷和脂肪酸(其碳链一般为C6－C10)在酸或碱催化下，进行酯化反应，然后再经酸洗、碱洗、脱色、过滤制得，根据不同的脂肪酸可以制得多种粘度牌号三羟甲基丙烷酯油成品。三羟甲基丙烷酯油具有优异的高低温性和热稳定性，比矿物油或聚α－烯烃油有更强的极性，对添加剂有较好的溶解性。三羟甲基丙烷酯属于Ⅴ类油。本发明实施例中将聚α－烯烃油和三羟甲基丙烷酯调配制成粘度约为的混合油，作为润滑脂的基础油。
本发明实施例中所采用的聚α－烯烃油的粘度牌号为PAO 8和PAO 40，为了获得更适宜的粘度，将两种PAO调配，其理化数据见表2。
表2：PAO理化数据表
从表2可以看出PAO具有优异的粘温性能(即粘度指数高)和低温性能。
本发明实施例中所用的三羟甲基丙烷酯的化学反应方程式如下：
本发明实施例中所用的三羟甲基丙烷酯的理化性能见表3。
表3：三羟甲基丙烷酯理化数据表
本发明实施例中基础油PAO和三羟甲基丙烷酯调配后的理化性能见表4。
表4：PAO和三羟甲基丙烷酯调配油理化数据表
本发明实施例中的复合锂皂稠化剂，采用12－羟基硬脂酸、癸二酸和氢氧化锂反应制得，是在基础油中进行皂化反应直接生成。12－羟基硬脂酸、癸二酸和氢氧化锂均为市售产品。反应的化学方程式如下：
复合锂皂稠化剂的形成不是简单的化学反应，其中还涉及到共结晶、氢键等方面的内容，这些已是业内所知。
本发明实施例中采用了一种粘附添加剂，该粘附添加剂是美国路博润公司的产品，其牌号为7306，据路博润公司介绍该粘附添加剂是一种功能聚合物，可以改善润滑脂的抗水性能、黏附性能和胶体安定性能，加剂量为1-3％，在一种撞击粘附试验中，含1％或2％7306的润滑脂损失量分别为48％和0％，而不含7306的润滑脂损失量达98％，
本发明实施例中，7306的剂量按质量百分比为2％。
本发明实施例中，极压剂添加剂采用了有机金属钼盐、硫代氨基甲酸酯和离子液体复配，以提高润滑脂的极压抗磨性，提高吸附膜和反应膜的强度，从而达到优秀的润滑效果，噪音和温升都得以降低。
本发明实施例中的有机金属钼盐采用美国Vanderbilt公司的MOLYVAN A，其化学名称是二正丁基硫代氨基甲酸钼，其化学结构见如下。
上式中R为正丁基。
本发明实施例中的离子液体采用美国Vanderbilt公司VANLUBE 692。这是一种膦酸铵盐离子液体。其化学结构如下。
上式中R为烷基(包括脂肪族烷基和芳香族烷基)，n为1-3，m为4-n。
膦酸铵盐主要由酸性磷酸酯与胺类化合物发生中和反应制备。典型的化学反应方程式如下：
上式中R和R’均为烷基。
但是，并不是任何具有上述结构的膦酸铵盐都能作为离子液体添加剂。对烷基的结构与大小，分子中氮与磷的比例(N：P)都有严格的要求。为了获得液体并保证其油溶性，要求P和N上的烷基都是长链且最好具有支链结构。如果反应右胺类化合物的量不够，就不能中和磷酸的酸性，会造成产品具有腐蚀性，但如果胺类化合物过多，又会造成产品抗磨性能降低，并影响油品的抗氧化性能，因此，氮与磷必须保持适当比例，氮与磷的摩尔比应保持在1.0～1.2的范围，最好为1.1。
本发明实施例中的硫代氨基甲酸酯，化学名为4,4’-亚甲基双(二丁基二硫代氨基甲酸酯)，商品名为OCTOPOL MB，为美国纺织橡胶与化工公司Tiarco化学部的产品，其化学结构式如下：
上式中R为丁基。
在本发明实施例中发现，加入MOLYVAN A和OCTOPOL MB，虽然润滑脂的极压性可以达到较高值(最大无卡咬负荷PB达到980N或100kg，烧结负荷PD达到3087N或315kg)，但在精密行星齿轮电机中测试，温度和温升仍均较高，均不符合上述的要求。OCTOPOL MB、MOLYVANA和VANLUBE 692复配使用，润滑脂的极压性更高，最大无卡咬负荷PB达到1323N或135kg，烧结负荷PD达到4900N或500kg，并且在精密行星齿轮电机中测试，温度和温升均符合上述的要求，在连续8小时的长期测试中温度和温升曲线平稳。
在本发明实施例中用于评价润滑脂极压性的方法是四球机法，用最大无卡咬负荷PB和烧结负荷PD来表示润滑脂的极压性。最大无卡咬负荷PB表示在试验条件下不发生卡咬的最大负荷烧结负荷PD表示在试验条件下使转动球与三个静止球发生烧结的最小负荷，它表示已超过润滑脂极压能力。用四球机测试润滑脂的过程可以做出如图1所示的曲线。
图1中：ABE-补偿线；AB-无卡咬区；B-最大无卡咬负荷；BC-初始卡咬区；CD-直接卡咬区；D-烧结负荷.
在本发明实施例中，还加入了烷基二苯胺和二壬基萘磺酸钡分别作为润滑脂的抗氧化剂和防锈剂。
本发明实施例中所用的材料除专门提到生产商的外，均为市售产品。
基础脂实施例的制备：
将185克(37％)PAO 8、163.25克(32.65％)PAO 40混合均匀，取PAO 8/PAO 40混合油的1/3,加入56.5克(11.3％)12-羟基硬脂酸和10克(2％)Lubrizol 7306,加热至90～95℃,12-羟基硬脂酸全部熔化；将16.5克(3.3％)LiOH·H2O和82.5克蒸馏水配成水溶液；将上述1/3的LiOH水溶液加入到上述油和酸的混合物中,开始皂化反应,在90～95℃反应30分钟,然后加入18.75克(3.75％)癸二酸,混合5分钟；将上述2/3的LiOH水溶液缓慢加入到反应体系中,在120分钟内均匀加入,并保持温度在90～100℃之间,加毕,继续反应10分钟,取样约0.05克，红外光谱扫描，光谱中没有1700～1760cm-1峰，则说明12－羟基硬脂酸、癸二酸已反应完毕。继续升温至160℃，加入上述已配好的2/3 PAO 8/PAO 40混合油和50克(10％)三羟甲基丙烷酯油,混合均匀，继续升温，至210℃，恒温10分钟。冷却至室温，用三辊机研磨三遍，即得基础脂490克，该脂锥入度为270 1/10mm,滴点＞330℃。
基础脂对比例的制备：
除不添加10克的Lubrizol 7306外、组分、含量及制备方法同基础脂实施例1，基础脂实施例1中10克Lubrizol 7306的含量,按比例分配给PAO 6和PAO 40。该脂锥入度275 1/10mm,滴点＞330℃。
实施例1
按质量百分比，在87.5％的基础脂(实施例)中加入5％的OCTOPOL MB，3％的MOLYVAN A，1％的二壬基萘磺酸钡，0.5％的烷基二苯胺，3％的VANLUBE 692，搅拌均匀。
实施例2
按质量百分比，在89.5％的基础脂(实施例)加入5％的OCTOPOL MB，3％的MOLYVANA，1％的二壬基萘磺酸钡，0.5％的烷基二苯胺，1％的VANLUBE 692，搅拌均匀。
对比例1
按质量百分比，在90.5％的基础脂(实施例)中加入5％的OCTOPOL MB，3％的MOLYVAN A，1％的二壬基萘磺酸钡，0.5％的烷基二苯胺，搅拌均匀。
对比例2
按质量百分比，在87.5％的基础脂(对比例)中加入5％的OCTOPOL MB，3％的MOLYVAN A，1％的二壬基萘磺酸钡，0.5％的烷基二苯胺，3％的VANLUBE 692，搅拌均匀。
对比例3
按质量百分比，在89.5％的基础脂(对比例)中加入5％的OCTOPOL MB，3％的MOLYVAN A，1％的二壬基萘磺酸钡，0.5％的烷基二苯胺，1％的VANLUBE 692，搅拌均匀。
表5实例组成及试验结果
注1：测试方法：实机测试，将需测试的润滑脂加装到行星齿轮内,运转8小时。
注2：采用GB/T 7326乙法，判定标准为：铜片无黑色或绿色变化即判定为合格。
注3：采用GB/T 0202，试验条件为：室温，1770转/分。
注4：采用声压计，距离2米。
注5：用红外线测温仪读取温度
注6：测试完毕，拆卸齿轮，肉眼观察齿面油膜状态
采用本发明以上实施例，在精密行星齿轮电机中，可以有效地降低精密行星齿轮的噪音，噪音仅有70dB；可以有效地降低温升，温度可以低至60℃，并且在长期运转时仍能保持噪音和温升的稳定，运转完毕时，拆卸电机的齿轮，发现太阳齿、行星齿和固定齿上均有肉眼可见的油膜。与此相比，采用一般极压锂、复合锂及聚脲脂，噪音一般都在80dB以上，温度一般在70℃以上，甚至80℃以上，拆卸电机的齿轮，发现太阳齿、行星齿和固定齿上均没有肉眼可见的油膜，呈现干润滑状态。
本发明以上实施例在行星齿轮在运转过程中，首先，润滑脂紧密地吸附在齿轮表面从而被挤后面仍有油膜，其次，有机金属盐和离子液体在齿轮金属表面形成吸附膜和反应膜，这些吸附膜和反应膜具有极好的负荷承载能力，结果行星齿轮在运转过程中噪音降低、温升降低、寿命延长。

Claims (9)

1.一种行星齿轮润滑脂，其特征在于，按质量百分比由以下组分组成：
基础脂 87％～90％；
极压剂添加剂 9～11％；
其他助剂 1～2％；
其中，所述的基础脂按质量百分比由以下组分组成：
基础油 80～88％；
复合锂皂稠化剂 12～20％；
粘附添加剂 0～3％；
所述的基础油由聚α－烯烃与三羟甲基丙烷酯复配而成。
2.根据权利要求1所述的行星齿轮润滑脂，其特征在于，在基础脂中，按质量百分比，聚α－烯烃的含量为68～80％，三羟甲基丙烷酯的含量为8～12％；聚α－烯烃的运动粘度在40℃时为100～200mm2/s，三羟甲基丙烷酯的运动粘度在40℃时为41.6～50.6mm2/s，基础油的运动粘度在40℃时为100～150mm2/s。
3.根据权利要求2所述的行星齿轮润滑脂，其特征在于，复合锂皂稠化剂包括12-羟基硬脂酸、癸二酸和氢氧化锂，在基础脂中，按质量百分比，12-羟基硬脂酸的含量为8～12％，癸二酸的含量为2～5％，氢氧化锂的含量为2～4％。
4.根据权利要求1所述的行星齿轮润滑脂，其特征在于，所述的粘附添加剂为7306，在基础脂中，按质量百分比，7306的含量为1～3％。
5.根据权利要求1所述的行星齿轮润滑脂，其特征在于，所述的极压剂添加剂包括有机金属钼盐、硫代氨基甲酸酯和离子液体，按质量百分比，有机金属钼盐的含量为2～4％，硫代氨基甲酸酯的含量为4～6％，离子液体的含量为1～3％；其他助剂包括抗氧化剂和防锈剂。
6.根据权利要求3所述的行星齿轮润滑脂，其特征在于，基础脂按以下方法制备，在部分聚α－烯烃中,加入12-羟基硬脂酸和粘附添加剂,加热至90～95℃,使12-羟基硬脂酸全部熔化；氢氧化锂配成水溶液，将部分氢氧化锂水溶液加入到上述混合物中,在90～95℃下进行皂化反应20～40分钟,然后加入癸二酸,混合均匀；在120分钟内将其余的氢氧化锂水溶液缓慢加入到反应体系中,并保持温度在90～100℃之间,加毕,继续反应10分钟；待12－羟基硬脂酸、癸二酸已反应完毕，继续升温至160℃，加入其余的聚α－烯烃和三羟甲基丙烷酯油,混合均匀，升温至210℃，恒温10分钟，冷却至室温后研磨。
7.根据权利要求6所述的行星齿轮润滑脂，其特征在于，判断12－羟基硬脂酸、癸二酸是否已反应完毕时，取样进行红外光谱扫描，光谱中没有1700～1760cm-1峰，则说明12－羟基硬脂酸、癸二酸已反应完毕。
8.根据权利要求2所述的行星齿轮润滑脂，其特征在于，三羟甲基丙烷酸，具有如下的化学结构：
式的R为C5～C9的烷基。
9.根据权利要求5所述的行星齿轮润滑脂，其特征在于，所述的离子液体是膦酸铵盐离子液体，其化学结构如下：
式中的R为烷基，包括脂肪族烷基和芳香族烷基，n为1～3，m为4～n；
所述的有机金属钼盐是二正丁基硫代氨基甲酸钼，其化学结构如下：
式中R为丁基；
所述的硫代氨基甲酸酯是4,4’-亚甲基双(二丁基二硫代氨基甲酸酯)，其化学结构如下：
式中的R为丁基。
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