CN108690560B - 一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂、齿面研磨剂及制备与应用 - Google Patents

一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂、齿面研磨剂及制备与应用 Download PDF

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Abstract

发明属于材料摩擦与润滑技术领域，具体涉及一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂、齿面研磨剂及制备与应用。所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂包含纳米级二氧化钛、氧化锆、氮化铝、铜单质、三氟化铈、二硫化钼和氧化铅，本发明还提供了一种含有上述纳米研磨剂的齿面研磨剂，该齿面研磨剂不仅可以降低摩擦副的启动磨损及边界润滑状态下的硬摩擦，还对齿轮啮合面上的凹坑或凸起进行机械微修复和抛光，使齿轮等摩擦副表面更加光整，可在较短时间内有效改善齿轮摩擦副表面微观形貌，提高传动副接触面的平整度，有效降低齿轮振动，达到传动降振，运行更加平稳的目的，适用于多数金属摩擦副表面微观缺陷修正，降低机械因运动副表面微观形貌缺陷引起的振动。

Description

一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂、齿面研磨剂及制备与 应用
技术领域
发明属于材料摩擦与润滑技术领域，具体涉及一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂、齿面研磨剂及制备与应用。
背景技术
在国内外工业发展中，振动是影响机械使用寿命的重要因素之一。由于机械加工制造的精度有限，很多齿轮厂生产的高精度、低振动传动齿轮的达标率较低，加之齿轮在装配、调试、磨合等方面引起的误差不可绝对的避免，导致齿轮传动过程齿面磨损严重，振动噪声剧烈。对单个齿轮进行后期高精度研磨、修形等精加工方式来改善齿轮传动过程中的振动所能达到的效果有限，因此降低齿轮传动过程中的振动已成为提高齿轮传动效率和寿命的研究焦点之一。
随着纳米技术的发展，纳米材料添加剂在摩擦与润滑方面被研究应用的越来越多，如公布号为CN105331424A含有纳米颗粒的锂基润滑脂及其制备方法；公布号为CN101709243A含纳米金刚石的润滑脂等专利，其目的在于提供一种有效的润滑油(脂)纳米级添加剂，通过纳米添加剂在摩擦副中的作用来改善摩擦副运行状况，改变润滑油(脂)的润滑特性。因为一般的纳米添加剂润滑油(脂)在工件运行过程中纳米粒子始终存在于运动副之间，在工件运行后期可能加剧摩擦磨损，因此本发明专利旨在提供一种纳米研磨剂，此研磨方式仅限于前期跑合阶段，且纳米添加剂的种类较多、各组分比例较高。通过前期高浓度的纳米添加剂在工件表面的研磨，对齿轮齿面完成进一步的精加工，提高表面质量，降低齿轮正常运行过程中的振动，进而提高齿轮寿命。
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂。
本发明的另一目的在于提供上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂的制备方法。
本发明的再一目的在于提供一种可降低齿轮振动的齿面研磨剂，该齿面研磨剂包含上述纳米研磨剂。
本发明的第四个目的在于提供上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂和齿面研磨剂的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂，包含如下按质量份计的组分：
Figure BDA0001706651930000021
所述的二氧化钛、氧化锆、氮化铝、铜单质、三氟化铈、二硫化钼和氧化铅的粒径优选为20～60nm；
所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂，优选还包含如下按质量份计的组分：
Figure BDA0001706651930000022
所述的分散剂优选为硅酸盐类(例如水玻璃)和碱金属磷酸盐类(例如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠等)、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶和脂肪酸聚乙二醇酯中的至少一种，分散剂分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂，可均一分散那些难于溶解于液体的固体及液体颗粒，同时也能防止颗粒的沉降和凝聚；
所述的抗氧化腐蚀剂优选为二烷基二硫代磷酸酚锌盐、对苯二酚、二叔丁基对甲酚等中的至少一种，抗氧化腐蚀剂能提高油品及研磨表面的抗氧化、抗腐蚀性能，在研磨表面上形成化学膜，不仅可使金属表面免受腐蚀，同时还具有在高速运转条件下抗擦伤、抗磨损的性能；
所述的稳定剂优选为铅盐、金属皂、有机锡、有机锑、有机稀土、蓖麻油衍生物和聚乙烯蜡中的至少一种，稳定剂能增加研磨剂混合物的稳定性能，减慢反应，保持化学平衡，降低表面张力，防止光、热分解或氧化分解等作用；
所述的极压抗磨剂优选为硫化异丁烯、二苄基二硫化物等、磷化物(例如：磷酸三甲酚酯、磷酸酯胺盐)中的至少一种，极压抗磨剂用以防止在边界润滑与极压状态(高负荷状况)下，金属表面之间的磨损与擦伤；
所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂的制备方法，包含如下步骤：
将上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂的各组分混合均匀，得到可降低齿轮振动的纳米研磨剂；
一种可降低齿轮振动的齿面研磨剂，包含上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂和基础润滑油(脂)；
所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂和基础油(脂)的质量比优选为1:10；
所述的基础润滑油(脂)优选为壳牌HD220、HD320、RL150、RL460和锂基润滑脂中的至少一种，基础润滑油(脂)作为纳米级磨料的载体，可以均匀分散纳米磨料，形成稳定胶体；
所述的可降低齿轮振动的齿面研磨剂的制备方法，包含如下步骤：
将上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂加入基础润滑油(脂)中，分散均匀，得到可降低齿轮振动的齿面研磨剂；
所述的分散均匀的方式优选为利用超声波或者机械搅拌等方式分散均匀；
所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂和齿面研磨剂在降低摩擦副振动的微观精加工领域中的应用；
一种齿轮研磨的方法，包含如下步骤：
将可降低齿轮振动的齿面研磨剂注入齿轮啮合面，先低转速进行阶段性磨合，之后再中高转速进行齿轮跑合，最后对齿轮啮合面进行清洗；
所述的注入的方式可以选择齿轮常用的润滑油施加方式进行齿面研磨剂的施加，可采用油浴式、喷雾式、离心式、涂抹等方法，目的是让齿面上的齿面研磨剂分散均匀；
所述的阶段性磨合的条件优选为：齿轮的转速小于100r/min，磨合时间为10～15min，先低转速进行阶段性磨合，目的为了防止磨粒在高转速下划伤齿面；
所述的齿轮跑合的条件优选为：齿轮的转速大于300r/min，跑合时间为20～30min；
所述的清洗的具体方式优选为：用基础润滑油或清洗剂对齿轮啮合面进行清洗；所述的基础润滑油优选为壳牌HD220、HD320、RL150和RL460中的一种；所述的清洁剂优选为酒精、丙酮和乙醚中的一种；
本发明的原理：
本发明提供的可降低齿轮振动的齿面研磨剂，包含不同理化特性及份量的纳米级二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氮化铝(AlN)、铜单质(Cu)、三氟化铈(CeF3)、二硫化钼(MOS2)、氧化铅(PbO)粉末、基础润滑油(脂)等，其中纳米二硫化钼、氮化铝和氧化铅为自润滑相，在研磨过程中，对齿轮摩擦副表面进行自润滑；其余几种纳米材料为硬质相，主要完成齿面的研磨过程。将上述纳米材料与基础润滑油脂组成的复合研磨剂注入齿轮啮合面，先低转速进行阶段性研磨，目的为了防止磨粒在高转速下划伤齿面；之后再进行中高速的齿轮跑合，进行齿面稳定阶段的研磨；当齿轮达到研磨要求后，用普通润滑油或者清洁剂对啮合齿面的纳米材料进行清洗，清除齿面残留纳米研磨剂，保证齿轮在以后工作中运动平稳，且不受研磨剂的影响。
在工件表面精加工方面，本发明提供的可降低齿轮振动的齿面研磨剂可在齿轮等摩擦副表面形成的“纳米滚珠”结构，可以有效改变摩擦副的摩擦状态，变滑动为滚动。这种“微轴承”结构不仅可以降低摩擦副的启动磨损及边界润滑状态下的硬摩擦，还对齿轮啮合面上的凹坑或凸起进行机械微修复和抛光，使齿轮等摩擦副表面更加光整，达到传动降振，运行更加平稳的目的；同时数亿计的纳米研磨剂粒子在基础油(脂)中稳定存在，使得研磨剂和基础润滑油形成的复合油膜强度大大增强。数据表明，通过该研磨剂磨合过的齿轮可以使齿轮运转的振动噪声降低10％左右。
本发明提供的可降低齿轮振动的齿面研磨剂及研磨方法利用了纳米微粒材料在摩擦学中所表现的物理-化学性能将机械研磨与化学反应有效结合在一起，从而在较短时间内有效改善齿轮摩擦副表面微观形貌，提高传动副接触面的平整度，有效降低齿轮振动。本发明以斜齿圆柱齿轮为对象进行试验说明，但并不限于齿轮传动，适用于多数金属摩擦副表面微观缺陷修正，降低机械因运动副表面微观形貌缺陷引起的振动。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明提供的降低齿轮振动的齿面研磨剂采用纳米级组分，用于齿轮齿面高精加工，利用纳米微粒材料在摩擦学中所表现的物理-化学性能将机械磨削与化学磨合有效结合在一起，从而在较短时间内有效改善齿轮摩擦副表面微观形貌，使齿轮传动振动有效降低。数据表明，通过该研磨剂磨合过的齿轮可以使齿轮运转的振动噪声降低10％左右。
(2)本发明提供的齿轮研磨的方法，运用了纳米润滑技术、微研磨工艺，主要应用在降低机械零部件振动的微观精加工等方面。
附图说明
图1是实施例1和2制得的齿面研磨剂成品展示图；其中，A：实施例1，B：实施例2。
图2是实施例1～4中纳米研磨剂的组分展示图；其中，1：纳米氧化铅(PbO)、2：纳米二氧化钛(TiO2)、3：纳米氧化锆(ZrO2)、4：纳米铜单质(Cu)、5：纳米氮化铝(AlN)、6：纳米三氟化铈(CeF3)、7：纳米二硫化钼(MoS2)、8：辅加添加剂(分散剂、抗氧化腐蚀剂、稳定剂和极压抗磨剂)。
图3是齿轮研磨及振动检测实验设备布置图；其中，9：m+p振动检测器、10：变频电机、11：齿轮箱、12：扭矩传感器、13：磁粉制动器。
图4是未使用齿面研磨剂，德国m+p振动测试仪器在齿轮转速为500r/min下检测到齿轮的振动加速度图，其中，X：齿轮啮合频率的前三倍频率点；Y：对应倍频的振动幅值。
图5是使用齿面研磨剂后，德国m+p振动测试仪器在齿轮转速为500r/min下检测到齿轮的振动加速度图，其中，X：齿轮啮合频率的前三倍频率点；Y：对应倍频的振动幅值。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中的二氧化钛、氧化锆、氮化铝、铜单质、三氟化铈、二硫化钼和氧化铅的粒径为20～60nm；
实施例1
一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂，包含如下按质量份计的组分：
Figure BDA0001706651930000051
Figure BDA0001706651930000061
所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂的制备方法，包含如下步骤：
将上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂的各组分(图2)混合均匀，得到32mg可降低齿轮振动的纳米研磨剂；
一种可降低齿轮振动的齿面研磨剂，包含上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂和壳牌HD320基础润滑油；
所述的可降低齿轮振动的齿面研磨剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将320mg壳牌HD320基础润滑油加入烧杯中，然后加入上述纳米研磨剂；
(2)利用超声搅拌，使其充分分散均匀，得到352mg稳定的可降低齿轮振动的齿面研磨剂胶体(图1A)。
实施例2
一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂，包含如下按质量份计的组分：
Figure BDA0001706651930000062
所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂的制备方法，包含如下步骤：
将上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂的各组分(图2)混合均匀，得到43mg可降低齿轮振动的纳米研磨剂；
一种可降低齿轮振动的齿面研磨剂，包含上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂和壳牌RL460基础润滑油；
所述的可降低齿轮振动的齿面研磨剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将430mg壳牌RL460基础润滑油加入烧杯中，然后加入上述纳米研磨剂；
(2)利用超声搅拌，使其充分分散均匀，得到473mg稳定的可降低齿轮振动的齿面研磨剂胶体(图1B)。
实施例3
一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂，包含如下按质量份计的组分：
Figure BDA0001706651930000071
所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂的制备方法，包含如下步骤：
将上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂的各组分(图2)混合均匀，得到64mg可降低齿轮振动的纳米研磨剂；
一种可降低齿轮振动的齿面研磨剂，包含上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂和壳牌HD220基础润滑油；
所述的可降低齿轮振动的齿面研磨剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将640mg壳牌HD220基础润滑油加入烧杯中，然后加入上述纳米研磨剂；
(2)利用超声搅拌，使其充分分散均匀，得到704mg稳定的可降低齿轮振动的齿面研磨剂胶体。
实施例4
一种可降低齿轮振动的纳米研磨剂，包含如下按质量份计的组分：
Figure BDA0001706651930000081
所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂的制备方法，包含如下步骤：
将上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂的各组分(图2)混合均匀，得到44mg可降低齿轮振动的纳米研磨剂；
一种可降低齿轮振动的齿面研磨剂，包含上述可降低齿轮振动的纳米研磨剂和壳牌HD220基础润滑油；
所述的可降低齿轮振动的齿面研磨剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将440mg壳牌HD220基础润滑油加入烧杯中，然后加入上述纳米研磨剂；
(2)利用超声搅拌，使其充分分散均匀，得到484mg稳定的可降低齿轮振动的齿面研磨剂胶体。
效果实施例
将实施例1制得的可降低齿轮振动的齿面研磨剂胶体均匀喷涂于齿轮的啮合面11上；调节变频电机10和磁粉制动器(加载)13，先低转速(小于100r/min)进行阶段性研磨，研磨15min；再进行中高速(大于300r/min)的齿轮跑合，跑合时间为30min；最后用HD220基础油对啮合齿面的纳米材料进行清洗，最终完成啮合齿面的微研磨过程。检测清洗后齿轮运行过程中的振动情况，具体为：将变频电机转速调节至500r/min，用德国m+p振动检测器对齿轮研磨前后振动的优化效果进行检测(图3)。
将实施例2制得的可降低齿轮振动的齿面研磨剂胶体均匀喷涂于齿轮的啮合面11上；调节变频电机10和磁粉制动器(加载)13，先低转速(小于100r/min)进行阶段性研磨，研磨10min；再进行中高速(大于300r/min)的齿轮跑合，跑合时间为30min；最后用丙酮对啮合齿面的纳米材料进行清洗，最终完成啮合齿面的微研磨过程。检测清洗后齿轮运行过程中的振动情况，具体为：将变频电机转速调节至500r/min，用德国m+p振动检测器对齿轮研磨前后振动的优化效果进行检测(图3)。
将实施例3制得的可降低齿轮振动的齿面研磨剂胶体均匀喷涂于齿轮的啮合面11上；调节变频电机10和磁粉制动器(加载)13，先低转速(小于100r/min)进行阶段性研磨，研磨12min；再进行中高速(大于300r/min)的齿轮跑合，跑合时间为25min；最后用HD220基础润滑油对啮合齿面的纳米材料进行清洗，最终完成啮合齿面的微研磨过程。检测清洗后齿轮运行过程中的振动情况，具体为：将变频电机转速调节至500r/min，用德国m+p振动检测器对齿轮研磨前后振动的优化效果进行检测(图3)。
将实施例4制得的可降低齿轮振动的齿面研磨剂胶体均匀喷涂于齿轮的啮合面11上；调节变频电机10和磁粉制动器(加载)13，先低转速(小于100r/min)进行阶段性研磨，研磨14min；再进行中高速(大于300r/min)的齿轮跑合，跑合时间为28min；最后用HD220基础润滑油对啮合齿面的纳米材料进行清洗，最终完成啮合齿面的微研磨过程。检测清洗后齿轮运行过程中的振动情况，具体为：将变频电机转速调节至500r/min，用德国m+p振动检测器对齿轮研磨前后振动的优化效果进行检测(图3)。
其中，实施例3与未研磨组进行振动频谱比较，结果如图4、图5所示，经此方式研磨后的齿轮振动频谱相对平整，且一倍频、二倍频和三倍频的振动加速度峰值均有不同程度的降低，可进一步优化机加工齿面的缺陷，并有效降低齿轮振动幅值10％左右。实施例1、2和4结果同实施例3。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种齿轮研磨的方法，其特征在于包含如下步骤：
将可降低齿轮振动的齿面研磨剂注入齿轮啮合面，先低转速进行阶段性磨合，之后再中高转速进行齿轮跑合，最后对齿轮啮合面进行清洗；
所述的可降低齿轮振动的齿面研磨剂包含可降低齿轮振动的纳米研磨剂和基础润滑油/脂；
所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂，包含如下按质量份计的组分：
Figure FDA0002720562090000011
所述的二氧化钛、氧化锆、氮化铝、铜单质、三氟化铈、二硫化钼和氧化铅的粒径为20～60nm；
所述的阶段性磨合的条件为：齿轮的转速小于100r/min，磨合时间为10～15min；
所述的齿轮跑合的条件为：齿轮的转速大于300r/min，跑合时间为20～30min。
2.根据权利要求1所述的齿轮研磨的方法，其特征在于：
所述的可降低齿轮振动的纳米研磨剂，还包含如下按质量份计的组分：
Figure FDA0002720562090000012
3.根据权利要求2所述的齿轮研磨的方法，其特征在于：
所述的分散剂为硅酸盐、碱金属磷酸盐、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、聚丙烯酰胺、古尔胶和脂肪酸聚乙二醇酯中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的齿轮研磨的方法，其特征在于：
所述的抗氧化腐蚀剂为二烷基二硫代磷酸酚锌盐、对苯二酚和二叔丁基对甲酚中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的齿轮研磨的方法，其特征在于：
所述的稳定剂为聚乙烯蜡。
6.根据权利要求2所述的齿轮研磨的方法，其特征在于：
所述的极压抗磨剂为硫化异丁烯、二苄基二硫化物和聚四氟乙烯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的齿轮研磨的方法，其特征在于：
所述的基础润滑油/脂为壳牌HD220、HD320、RL150、RL460和锂基润滑脂中的至少一种。
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