CN110373259A - 矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备及其抗磨性能检测方法 - Google Patents

矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备及其抗磨性能检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备及其抗磨性能检测方法，该制备方法如下：（1）将成品润滑脂放入烧杯，油浴加热；（2）向加热后的成品润滑脂中投入添加剂和span80制得混合物；（3）将所述混合物置于电动搅拌器之下，边油浴加热边搅拌；（4）将搅拌后的混合物室温冷却，得到改性润滑脂。检测所制备产品抗磨性能的方法：（1）使用四球机对矿井提升钢丝绳改性润滑脂进行润滑试验，并分析试验所得钢球磨痕直径、摩擦系数曲线及磨痕形貌；（2）将矿井提升钢丝绳改性润滑脂涂抹在钢丝上，开展钢丝微动磨损试验，分析试验所得摩擦系数、耗散能及磨痕形貌。本发明成本低、步骤简单、可操作性高，可制备应用于各个领域的抗磨减摩润滑脂。

Description

矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备及其抗磨性能检测方法
技术领域
本发明涉及一种矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备及其抗磨性能检测方法。
背景技术
润滑脂是一种稠厚的油脂状半固体，用于机械的摩擦部分，起润滑和密封作用，也用于金属表面，起填充空隙和防锈作用。随着我国润滑与摩擦领域的逐渐扩展，在对各种设备性能提出高要求的同时，对润滑油脂也提出了更高的要求。润滑脂产品由原来的非专业用脂逐渐演变出专业性的特殊用脂。石墨烯是紧密堆积成二维六方蜂窝状晶格结构的单层碳原子，各碳原子之间以sp2杂化方式相连，C-C之间夹角为120°，键长约为0.142nm，键能很强，结构非常稳定。
目前，已有大量关于润滑脂的研究工作被报道。同时，石墨烯纳米材料作为润滑添加剂能够有效改善润滑性能，关于此方面的研究也有很多。但是，关于将石墨烯等材料作为润滑脂添加剂并以此来改善矿井提升钢丝绳润滑脂抗磨性能的研究出现的很少。
发明内容
本发明为结合石墨烯等微纳米材料改善矿井提升钢丝绳润滑脂的抗磨性能，提供了一种矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备及其抗磨性能检测方法。
本发明制备矿井提升钢丝绳改性润滑脂的具体方法如下：
(1)将成品润滑脂放入烧杯，油浴加热；
(2)向加热后的成品润滑脂中投入添加剂和span80制得混合物；
(3)将所述混合物置于电动搅拌器之下，边油浴加热边搅拌；
(4)将搅拌后的混合物室温冷却，得到改性润滑脂。
优选的是，所述步骤(1)中，所述成品润滑脂为矿井提升钢丝绳润滑脂。
优选的是，所述步骤(1)中，所述油浴加热的温度为170℃。
优选的是，所述步骤(2)中，所述成品润滑脂和添加剂的质量比为1:0.001-0.04，所述添加剂和span80的质量比为1:1。
优选的是，所述步骤(2)中，所述添加剂包括但不限于单层石墨烯、多层石墨烯、微米石墨、二硫化钼、三氧化钼及二硫化钨。
优选的是，所述步骤(3)中，所述搅拌速度为300-500r/min。
优选的是，所述步骤(4)中，所述室温温度为10-20℃，冷却时间不少于24h。
本发明检测所制备的矿井提升钢丝绳改性润滑脂抗磨性能的方法，包括以下步骤：
(1)使用四球机对矿井提升钢丝绳改性润滑脂进行润滑试验，并分析试验所得钢球磨
痕直径、摩擦系数曲线及磨痕形貌；
(2)将矿井提升钢丝绳改性润滑脂涂抹在钢丝上，开展钢丝微动磨损试验，分析试验所得摩擦系数、耗散能及磨痕形貌。
优选的是，所述步骤(1)中润滑试验温度为73-77℃、主轴转速为1150-1250r/min、试验加载力为392N，试验时间为60min。
更优选的是，所述步骤(2)中使用钢丝微动磨损试验台进行钢丝微动磨损试验。
本发明的矿井提升钢丝绳改性润滑脂制备及抗磨性能检测方法成本低、步骤简单、可操作性高，可制备应用于各个领域的抗磨减摩润滑脂。
附图说明
图1为试验钢球磨痕直径分布图；
图2为不同多层石墨烯改性润滑脂对应摩擦系数变化曲线；
图3为不同微米石墨改性润滑脂对应摩擦系数变化曲线；
图4为不同润滑条件下疲劳钢丝摩擦系数曲线；
图5为不同润滑条件下钢丝微动磨损累积耗散能；
图6为干摩擦条件下钢丝微动磨损磨痕三维形貌图及相应钢丝轴向截面轮廓曲线；
图7为IRIS润滑条件下钢丝微动磨损磨痕三维形貌图及相应钢丝轴向截面轮廓曲线；
图8为IRIS+2％G润滑条件下钢丝微动磨损磨痕三维形貌图及相应钢丝轴向截面轮廓曲线；
图9为IRIS+2％MG润滑条件下钢丝微动磨损磨痕三维形貌图及相应钢丝轴向截面轮廓曲线；
图10为IRIS+1％G+1％MG润滑条件下钢丝微动磨损磨痕三维形貌图及相应钢丝轴向截面轮廓曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。下列实施例中未注明具体条件的实施方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
(1)将200g矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)放入洁净的烧杯中，再将烧杯放入加热至170℃的油浴锅中固定，等待润滑脂液化。将搅拌器的搅拌棒插入烧杯中，搅拌转子浸入润滑脂中。
(2)称取0.2g span80加入烧杯，开启搅拌器，将span80均匀混入润滑脂中。
(3)称取0.2g多层石墨烯(MG)，加入烧杯。开启搅拌器，在500r/min的转速下持续搅拌30min。
(4)将烧杯从油浴锅中取出，室温冷却24h得到矿井提升钢丝绳改性润滑脂。
实施例2
(1)将200g矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)放入洁净的烧杯中，再将烧杯放入加热至170℃的油浴锅中固定，等待润滑脂液化。将搅拌器的搅拌棒插入烧杯中，搅拌转子浸入润滑脂中。
(2)称取2g span80加入烧杯，开启搅拌器，将span80均匀混入润滑脂中。
(3)称取2g多层石墨烯(MG)，加入烧杯。开启搅拌器，在500r/min的转速下持续搅拌30min。
(4)将烧杯从油浴锅中取出，室温冷却24h得到矿井提升钢丝绳改性润滑脂。
实施例3
(1)将200g矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)放入洁净的烧杯中，再将烧杯放入加热至170℃的油浴锅中固定，等待润滑脂液化。将搅拌器的搅拌棒插入烧杯中，搅拌转子浸入润滑脂中。
(2)称取4g span80加入烧杯，开启搅拌器，将span80均匀混入润滑脂中。
(3)称取4g多层石墨烯(MG)，加入烧杯。开启搅拌器，在500r/min的转速下持续搅拌30min。
(4)将烧杯从油浴锅中取出，室温冷却24h得到矿井提升钢丝绳改性润滑脂。
实施例4
(1)将200g矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)放入洁净的烧杯中，再将烧杯放入加热至170℃的油浴锅中固定，等待润滑脂液化。将搅拌器的搅拌棒插入烧杯中，搅拌转子浸入润滑脂中。
(2)称取6g span80加入烧杯，开启搅拌器，将span80均匀混入润滑脂中。
(3)称取6g多层石墨烯(MG)，加入烧杯。开启搅拌器，在500r/min的转速下持续搅拌30min。
(4)将烧杯从油浴锅中取出，室温冷却24h得到矿井提升钢丝绳改性润滑脂。
实施例5
(1)将200g矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)放入洁净的烧杯中，再将烧杯放入加热至170℃的油浴锅中固定，等待润滑脂液化。将搅拌器的搅拌棒插入烧杯中，搅拌转子浸入润滑脂中。
(2)称取8g span80加入烧杯，开启搅拌器，将span80均匀混入润滑脂中。
(3)称取8g多层石墨烯(MG)，加入烧杯。开启搅拌器，在500r/min的转速下持续搅拌30min。
(4)将烧杯从油浴锅中取出，室温冷却24h得到矿井提升钢丝绳改性润滑脂。
实施例6
(1)将200g矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)放入洁净的烧杯中，再将烧杯放入加热至170℃的油浴锅中固定，等待润滑脂液化。将搅拌器的搅拌棒插入烧杯中，搅拌转子浸入润滑脂中。
(2)称取2g span80加入烧杯，开启搅拌器，将span80均匀混入润滑脂中。
(3)称取2g微米石墨(G)，加入烧杯。开启搅拌器，在500r/min的转速下持续搅拌30min。
(4)将烧杯从油浴锅中取出，室温冷却24h得到矿井提升钢丝绳改性润滑脂。
实施例7
(1)将200g矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)放入洁净的烧杯中，再将烧杯放入加热至170℃的油浴锅中固定，等待润滑脂液化。将搅拌器的搅拌棒插入烧杯中，搅拌转子浸入润滑脂中。
(2)称取4g span80加入烧杯，开启搅拌器，将span80均匀混入润滑脂中。
(3)称取4g微米石墨(G)，加入烧杯。开启搅拌器，在500r/min的转速下持续搅拌30min。
(4)将烧杯从油浴锅中取出，室温冷却24h得到矿井提升钢丝绳改性润滑脂。
实施例8
(1)将200g矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)放入洁净的烧杯中，再将烧杯放入加热至170℃的油浴锅中固定，等待润滑脂液化。将搅拌器的搅拌棒插入烧杯中，搅拌转子浸入润滑脂中。
(2)称取6g span80加入烧杯，开启搅拌器，将span80均匀混入润滑脂中。
(3)称取6g微米石墨(G)，加入烧杯。开启搅拌器，在500r/min的转速下持续搅拌30min。
(4)将烧杯从油浴锅中取出，室温冷却24h得到矿井提升钢丝绳改性润滑脂。
实施例9
(1)将200g矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)放入洁净的烧杯中，再将烧杯放入加热至170℃的油浴锅中固定，等待润滑脂液化。将搅拌器的搅拌棒插入烧杯中，搅拌转子浸入润滑脂中。
(2)称取8g span80加入烧杯，开启搅拌器，将span80均匀混入润滑脂中。
(3)称取8g微米石墨(G)，加入烧杯。开启搅拌器，在500r/min的转速下持续搅拌30min。
(4)将烧杯从油浴锅中取出，室温冷却24h得到矿井提升钢丝绳改性润滑脂。
下面通过四球机试验检测以上各实施例所制备的矿井提升钢丝绳改性润滑脂抗磨性能，四球机试验参数如表1：
表1
四球机试验所使用钢球为上海钢球厂生产的四球机试验专用钢球，材料为GCrl5，直径12.7mm，洛氏硬度HRC64～66。另使用一组未经改性的矿井提升钢丝绳润滑脂进行四球机试验作为对照组，具体试样如表2。
表2
将试样装满球盒，将三个钢球装人球盒中，将固定环压在三个钢球上，上紧锁紧螺母，把三个钢球固定在适当的位置，刮走从固定螺母压出的多余试样，使其与锁紧螺母顶面相平。将一个干净的钢球装人夹头，然后把夹头牢固地固定在试验机主轴上。将球盒放在试验机球盒座上，然后使顶球与球盒中三个钢球接触，施加规定负荷。将温度控制器调节到规定温度75℃，接通加热器，当达到温度时，启动电动机，运转60min后，关闭电动机和加热器，降低球盒组件，取下球盒。
每次试验后按如下方法测量试验球磨痕直径：去掉固定螺母，取出试球，擦净试样，将球放在合适的球座上，用显微镜测量三个钢球的每个钢球两个位置的磨痕直径，报告六次读数的算术平均值作为磨痕直径(mm)。
最终将各组试验中钢球磨痕的直径汇总得出表3。
表3
添加多层石墨烯对摩擦系数的影响：由图1得，向矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)中加入多层石墨烯(MG)，当添加比例在0％到1％时，其抗磨性能呈现先增强后减弱的趋势。试样IRIS+0.1％MG及IRIS+1％MG代表的摩擦系数曲线均处于原润滑脂摩擦系数曲线附近，说明添加1％以内的多层石墨烯对原润滑脂的抗磨性能影响较小。当添加比例处于1％到3％时，其抗磨性能呈现先增强再减弱的趋势，添加比例为2％时抗磨效果较好。当添加比例从3％提升到4％时，润滑脂短时间内的抗磨性能有很好的提升，但长时间的抗磨潜力较小。
添加微米石墨对摩擦系数的影响：由图2得，向矿井提升钢丝绳润滑脂(IRIS)中添加微米石墨(G)，当添加比例从1％增加到4％时，其抗磨性能呈现先减弱再增强最后再减弱的趋势；当添加比例为1％及4％时，微米石墨会降低润滑脂的抗磨性能；当添加比例为2％及3％时，微米石墨会改善润滑脂的抗磨性能，改善效果在添加比例为2％时较佳。
综合上述分析，对各润滑脂试样摩擦系数曲线提取特征参数如表4所示。其中，摩擦系数平均值代表磨损程度，其数值越小越好；最后10min平均斜率在一定程度上代表该摩擦系数稳定状态下的变化趋势，其数值越小越好，但由于摩擦系数曲线上各点数值的随机性，该特征参数同样存在一定随机性；摩擦系数主要趋势代表该摩擦系数曲线在试验过程中的大致走向，下降趋势代表相应改性润滑脂有较大的抗磨潜力。
表4
四球机试验钢球磨痕形貌特征参数：对各润滑脂试样对应的钢球磨痕形貌提取特征参数如表5所示。其中，磨损体积和平均深度代表磨损量，其数值越小说明润滑脂抗磨性能越好；粗糙值用钢球磨痕的最大深度减去平均深度来表示，其在一定程度上代表相应润滑脂的抗磨潜力，数值越小越好。
表5
其中，粗糙值与原润滑脂相近的改性润滑脂有IRIS+0.01％CG、IRIS+0.1％CG、IRIS+2％G和IRIS+4％G；磨痕平均深度比原润滑脂小的仅有IRIS+0.1％CG；磨损体积比原润滑脂小的改性润滑脂有8种，其中较好的4种分别为IRIS+0.1％CG、IRIS+2％G、IRIS+4％G和IRIS+1％MG+1％G。由此可以得出结论：根据磨痕形貌所得抗磨效果较好的改性润滑脂有IRIS+2％G和IRIS+4％G。
最后综合上述四球机试验钢球磨痕直径分析、摩擦系数曲线分析及磨痕形貌分析，可得抗磨性能较好改性润滑脂如表6所示。
表6
从表6中可以看出，三种评价指标下均有较好抗磨表现的改性润滑脂为IRIS+2％G。
钢丝绳广泛用于矿井提升系统。在矿井提升过程中，钢丝绳经受交替的拉伸、弯曲等动态载荷，从而产生钢丝绳和钢丝的张、扭耦合力。张力及扭转力会导致钢丝疲劳，从而在钢丝绳的股和丝之间产生微动磨损。为验证和对比所制备的矿井提升钢丝绳改性润滑脂的实际效果，下面使用钢丝微动磨损试验台进行钢丝微动磨损试验来得出钢丝在拉伸、扭转和螺旋接触形式下的润滑微动磨损特性。
将钢丝绳内钢丝之间的摩擦接触行为简化为三根钢丝的螺旋接触形式，可以模拟不同接触载荷和微动振幅下钢丝之间的摩擦磨损行为。按功能分类，钢丝微动磨损试验台包括：钢丝拉伸扭转部分，钢丝加载扭转部分，钢丝加载挤压部分，角度调节部分，数据采集部分等。
下面选取原润滑脂及抗磨性能较好的三种抗磨润滑脂开展钢丝微动磨损试验，试验用润滑脂如表7所示。
表7
最终在使用原IRIS润滑脂润滑钢丝的试验中，从图5可以看出，经过跑和阶段之后，钢丝在稳定磨损阶段的摩擦系数相比干摩擦大幅减小。在0-10000s之间，有几处摩擦系数骤然增大，这属于随机误差，不影响试验结果。在大概10000s之后，该摩擦系数曲线开始出现剧烈变化，从此时开始，钢丝上油膜出现破裂现象。在大约13000s之后，该摩擦系数曲线出现大幅上升现象，并在后续的试验中一直呈上升趋势，说明在此期间钢丝上的油膜正式破裂，此时的摩擦形式应是干摩擦和边界摩擦混合出现。该结果说明，在此次试验中，向钢丝上涂抹润滑脂会造成摩擦系数的减小，抑制钢丝磨损，但该润滑脂在试验中期存在油膜破裂的风险。
在使用IRIS+2％G、IRIS+2％MG及IRIS+1％G+1％MG润滑脂润滑钢丝的试验中，从图5可以看出，经过跑和阶段之后，三种润滑脂对应试验的摩擦系数始终平稳变化。这说明三种改性润滑脂的润滑稳定性相较于原润滑脂有较大的提升，改性润滑脂的抗磨性能比原润滑脂要好。
图5所示为5种不同润滑条件下钢丝微动磨损试验的累积耗散能。从图5中可以看出，相比于干摩擦，润滑状态下钢丝接触表面的累积耗散能急剧减小，说明润滑脂可以极好地延长钢丝疲劳寿命。当涂抹润滑脂为IRIS时，整个试验过程的累积耗散能为59.7J，比其他三种改性润滑脂对应耗散能多20J左右，说明改性润滑脂能有效降低钢丝磨损时所耗散能量，进而提高钢丝疲劳寿命。三种改性润滑脂对应耗散能相差不大，其中IRIS+1％G+1％MG对应耗散能最小，说明添加剂比例相同时，混合材料添加剂能更好地提升润滑脂抗磨性能。
图6-10所示为不同润滑条件下的钢丝微动磨损磨痕三维形貌图及相应钢丝轴向截面轮廓曲线。三维形貌为带有尺寸刻度标记的45°倾斜俯视图，从轮廓曲线可以看出磨痕深度的大小。
从三维形貌图中可以发现，钢丝微动磨损试验在有无润滑条件下的钢丝磨痕形貌相差很大。相同的试验参数下，干摩擦的磨痕形貌非常明显，最大磨痕深度达80μm左右，磨痕两端有一定的塑性变形；润滑脂润滑工况下的钢丝磨痕则相对较浅，甚至很难观测到形貌。从图8-10中可以看出，使用IRIS原润滑脂润滑的疲劳钢丝磨痕内部表面比未磨损区域略显粗糙；与之相比，使用IRIS+2％G与IRIS+2％MG润滑脂润滑的疲劳钢丝磨痕内部表面与未磨损区域粗糙度相差不大甚至稍显光滑，而使用IRIS+1％G+1％MG润滑脂润滑的钢丝磨痕区域能明显看出比未磨损区域更光滑，说明碳材料添加物能在摩擦磨损中与钢丝发生物理-化学反应形成较为光滑的固体润滑膜。

Claims (10)

1.矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将成品润滑脂放入烧杯，油浴加热；
（2）向加热后的成品润滑脂中投入添加剂和span80制得混合物；
（3）将所述混合物置于电动搅拌器之下，边油浴加热边搅拌；
（4）将搅拌后的混合物室温冷却，得到改性润滑脂。
2.如权利要求1所述的矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述成品润滑脂为矿井提升钢丝绳润滑脂。
3.如权利要求1所述的矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述油浴加热的温度为170℃。
4.如权利要求1所述的矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述成品润滑脂和添加剂的质量比为1:0.001-0.04，所述添加剂和span80的质量比为1:1。
5.如权利要求1所述的矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述添加剂包括但不限于单层石墨烯、多层石墨烯、微米石墨、二硫化钼、三氧化钼及二硫化钨。
6.如权利要求1所述的矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，所述搅拌速度为300-500 r/min。
7.如权利要求1所述的矿井提升钢丝绳改性润滑脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，所述室温温度为10-20℃，冷却时间不少于24 h。
8.一种检测权利要求1-7中任意一项所制备的矿井提升钢丝绳改性润滑脂抗磨性能的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）使用四球机对矿井提升钢丝绳改性润滑脂进行润滑试验，并分析试验所得钢球磨痕直径、摩擦系数曲线及磨痕形貌；
（2）将矿井提升钢丝绳改性润滑脂涂抹在钢丝上，开展钢丝微动磨损试验，分析试验所得摩擦系数、耗散能及磨痕形貌。
9.如权利要求8所述的检测矿井提升钢丝绳改性润滑脂抗磨性能的方法，其特征在于：所述步骤（1）中润滑试验温度为73-77℃、主轴转速为1150-1250 r/min、试验加载力为392N，试验时间为60 min。
10.如权利要求8所述的检测矿井提升钢丝绳改性润滑脂抗磨性能的方法，其特征在于：所述步骤（2）中使用钢丝微动磨损试验台进行钢丝微动磨损试验。
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