一種潤滑脂低溫泵送試驗機的應用考察

馬愛民，吳寶杰，莫林和，融占良，李勇，李紀委

（1.中國石化潤滑油天津分公司，天津 300480;2.中國石化潤滑油公司，北京 100085）

一種潤滑脂低溫泵送試驗機的應用考察

馬愛民1，吳寶杰1，莫林和1，融占良2，李勇1，李紀委1

（1.中國石化潤滑油天津分公司，天津 300480;2.中國石化潤滑油公司，北京 100085）

文章介紹了潤滑脂流動性理論和相關的試驗方法，主要對一種低溫泵送試驗機儀器進行了應用考察。通過繪制測試數據曲線，可以準確表征出潤滑脂的低溫泵送性能，其測試數據和現場應用關聯度大，可以為集中潤滑選脂提供很大幫助。

潤滑脂;集中潤滑;低溫泵送性

0 引言

潤滑脂的潤滑方式有人工脂槍加脂、油杯加脂、壓力注脂器、集中潤滑等幾種，根據工況條件選擇合適的潤滑方式。集中供脂潤滑方式被廣泛應用，主要適用于機械設備中有大量潤滑點或整個車間、工廠潤滑系統而設置的一種潤滑裝置的情況。集中潤滑的優點是:可以提高機械設備潤滑的可靠性和安全性，延長機械的使用壽命，減少維修工作量，減少潤滑操作人員及減輕勞動強度，節省油脂使用量，且可以防止雜質混入等，經濟性明顯［1］，被廣泛應用到設備潤滑領域。

集中潤滑脂潤滑要求潤滑脂具有良好的泵送性，主要涉及溫度和壓力等相關的工況條件［2］。集中潤滑對潤滑脂的選擇一般依靠如錐入度、流動壓力、相似黏度［3］等幾個指標，通過這些指標描述判斷潤滑脂泵送性能，當然還要有足夠的現場工作經驗，這些指標都不能直接描述出潤滑脂的泵送性。一種低溫泵送試驗機，即美鋼聯低溫泵送試驗機，可以在固定條件下直接評定潤滑脂的泵送性，測試結果是在一定的溫度及系統壓力下單位時間泵送潤滑脂的質量，接收的脂量越多潤滑脂的流動性越好［3］，測試結果直觀有說服力，值得學習研究考察。

1 潤滑脂的流動性理論及相關試驗方法

潤滑脂是將稠化劑分散于液體潤滑劑中所形成的一種穩定的半固體產品，這種產品可以加入改善其某些性能的添加劑。根據潤滑脂的組成及性質，其具有顯著的非牛頓性類似于Binham體，但切應力與切應變率呈非線性關系。潤滑脂的流變特性可用近似地表述。潤滑油可以視為牛頓體，切應力與切應變率的關系式是通過原點的直線［4］。圖1表示非牛頓體潤滑脂與牛頓體潤滑油的τ～γ曲線。

圖1 非牛頓體潤滑脂與牛頓體潤滑油的τ－γ曲線

牛頓流體和非牛頓流體的剪切速度與剪切應力的關系是潤滑脂在受到外力作用時的流動和變形的特性，主要表現如下:

（1）當潤滑脂不受外力作用時，能像固體一樣保持一定形狀，即在靜止時不會自動流失。

（2）當受到微弱外力作用后，產生彈性變形;移去外力后又能恢復到原來的位置與形狀，呈現出固體的彈性特性。

（3）當施加的外力足夠大時，潤滑脂發生形變和流動，而不能再自動恢復到原來的位置和形狀，因此潤滑脂在機械運轉部件上的啟動力矩比液體潤滑油大。

（4）在潤滑脂流動過程中，隨著所受剪應力增大，皂纖維在不同程度上定向排列，會使體系的表觀黏度（或相似黏度）隨之減小。在此階段，潤滑脂的表觀黏度隨剪切速度的增大而減小。

（5）在受到極高剪應力的情況下（剪切速度很大），潤滑脂的流動像牛頓流體一樣，黏度能保持一個常數，而不再隨剪切速度的變化而改變。

非牛頓體的潤滑脂與牛頓體潤滑油相比較的優點，具有良好的密封性，可以防止水分、灰塵的侵入，減少漏油、飛濺等造成對機械的污染;要求不太復雜的密封裝置和供油系統;使用壽命長;適合于較寬的使用溫度范圍。基于潤滑脂的優點，好多場合潤滑點多面廣的機械設備部位必須用脂潤滑。潤滑脂天然的不流動性，進入摩擦面必須通過外力實現，作為非牛頓流體的潤滑脂，流動條件必須有外力存在，才有流動的可能，現場使用表現為系統泵壓;此外，環境溫度對潤滑脂結構狀態影響較大，低溫條件下潤滑脂流動所需的壓力明顯增大。所以潤滑脂的低溫泵送性能研究的是溫度與剪切應力（或壓力）的關系。

集中泵送受到越來越多的關注，現代潤滑脂工業把泵送性作為潤滑脂研究的課題在國外開展較多，一些評價潤滑脂的泵送性能的試驗方法，是在應用研究的基礎上建立的，其中有相似黏度、流動壓力、表觀黏度，當然表征潤滑脂低溫泵送性也包括錐入度、低溫轉矩和流變等試驗方法，所有這些試驗方法都與剪切應力、溫度相關。潤滑脂低溫性相關的試驗方法見表1。

表1 潤滑脂低溫性相關的試驗方法

其中應用較廣的低溫試驗方法是相似黏度。潤滑脂在一定溫度下的黏度是隨剪切速度的變化而變化的變量，這種黏度稱為相似黏度，國際計量單位為帕（斯卡）秒（Pa·s）。潤滑脂相似黏度與剪切速度的變化規律稱為潤滑脂黏度－速度特性。潤滑脂黏度隨剪切速度變化愈顯著，其能量損失愈大。一般可以根據低溫下潤滑脂相似黏度的允許值來確定潤滑脂的低溫使用下限。中國石化開展過潤滑脂相似黏度表征潤滑脂低溫性能的工作，該指標對潤滑脂低溫流動性有幫助，低溫泵送試驗機的使用將進一步提高人們指導實踐應用的水平。

2 試驗儀器及應用

鋼廠大部分的工作環境用人工加脂有一定困難（如溫度高、潤滑點多、人工加脂不易接近潤滑點），必須采用干油集中潤滑系統定期加潤滑脂［5］。好多設備對脂潤滑的要求相當高，如臺車滑道密封裝置不允許出現缺、少脂運行，否則將造成滑道的磨損導致漏風;連鑄機潤滑線路長，出現潤滑不良可導致軸承運轉不靈活、壽命下降，拉坯阻力增大，故障停機和檢修時間延長。所以鋼廠的潤滑管理是影響鋼鐵生產的關鍵，采用集中潤滑系統對鋼廠設備進行潤滑非常必要。美國鋼鐵聯合協會（以下簡稱美鋼聯）建立了一種評定潤滑脂低溫流動性的試驗方法，Grease Mobility U.S.Steel方法［6］，可以較直觀地評價潤滑脂的低溫流動性能，為鋼廠設備集中潤滑選脂提供參考依據。

2.1 儀器介紹

任何試驗機都有特定的試驗方法，低溫流動試驗方法適用于在規定條件下測定潤滑脂流動的能力。在控制的溫度與壓力下，通過將試樣泵送到一個標準SOD壓力黏度計里，以g/s為單位來測量潤滑脂的流動性。

美鋼試驗方法的條件是，試驗溫度低至－34.4℃，在低溫下進行潤滑脂流動性試驗以預測潤滑脂的泵送性能。測定應用于集裝或散裝系統里時潤滑脂的適應性，在該系統里采用泵、閥或管線來分配或傳輸潤滑脂。本儀器由壓力黏度計、冷卻浴與冷凍系統組成。不銹鋼制壓力黏度計配備有一個經過改良的40∶1比率的毛細管。在將試樣裝載在壓力黏度計里之后，將組合件安裝在冷卻浴里，并使組合件達到測試溫度。機械冷凍冷卻浴可以得到低至－34.4℃的測試溫度，且穩定性達到±1℃。試樣達到測試溫度時，潤滑脂在選定的壓力下開始流動。在規定的周期里收集潤滑脂來測定每秒的流速。

美鋼低溫泵送試驗儀器及工作原理見圖2、圖3，原理所包括的附件、潤滑脂圓筒（壓力黏度計）、帶有經過改良的No.1 40∶1比率的毛細管試樣收集器轉盤。

電氣要求:115 V 60 Hz，單相，6A 220～240 V 50 Hz或60 Hz，單相，3 A。

尺寸l×w×h，in.（cm）。

冷卻室:12×12×30（30.5×30.5×76）。

冷凍單元:15×12×12（38×30×30）。

凈重:114 lbs（51.7 kg）。

圖2 美鋼低溫流動性試驗機

圖3 美鋼試驗機工作原理示意

2.2 操作過程

首先打開氮氣瓶柜內的氮氣鋼瓶閥，氮氣減壓閥上的0～25 MPa的壓力表顯示的瓶內壓力，壓力指示＞15 kg，調節分壓閥，使分壓表指示在12 kg。

用1/4 kg試驗脂放置在壓力氣缸黏度管容器中，盡可能在樣品中不夾氣泡，從氣缸頂部放入活塞，氣缸底部用軟木輕輕拍打，使脂處于緊湊狀態。

氣缸底部連接毛細管，把蓋頂旋入氣缸，將整體氣缸放入冷浴箱容器內，蓋好冷箱頂蓋，并連接好快速壓力管線。

用熱電偶小心放入底部毛細管中（可隨時觀察潤滑脂到達的溫度）。開啟制冷容器電源開關。

在經過3～4 h運行后，或更長時間，右邊的測溫器會顯示氣缸內潤滑脂的實際溫度。如果想做其他溫度點的實驗，例如－15℃，則需要看右側潤滑脂測溫器溫度到達－15℃后，立即做實驗。

打開氮氣管路閥門，調節壓力表至少量壓力5 s，以使脂充滿毛細管，并將毛細管末端的潤滑脂擦拭干凈。

調節壓力表，至150磅/英寸2，將一個稱重的容器放在毛細管下面，然后打開操作閥門，同時開始計時，收集足夠量的脂樣品，記錄流量時間，并稱出脂的重量（包括收集掛在毛細管上的脂），以建立每秒克流量，單位為g/s，作潤滑脂的流動性。

2.3 試驗樣品制備

本試驗樣品根據需要設計不同稠化劑含量的3個牌號的12羥鋰鈣皂潤滑脂，基礎油選用礦物油HVI650。將12羥基硬脂酸與氫氧化鋰和氫氧化鈣混合水溶液混合進行皂化反應，反應完全后加入升溫油，使皂與基礎油形成真溶液，然后用冷卻油冷卻晶化，加入后調油，用三輥碾磨機研磨制成脂，制備樣品1號脂、2號脂、3號脂的分析數據見表2所示。

表2 不同潤滑脂的分析數據

2.4 應用考察

利用低溫流動試驗機考察潤滑脂低溫性能，包括固定的壓力條件下測試相同牌號潤滑脂不同溫度下的流動性，繪制低溫條件下泵送能力工作曲線;固定的壓力條件不同稠度牌號潤滑脂低溫泵送性，繪制出低溫泵送能力工作曲線;同牌號潤滑脂流動壓力測試數據趨勢工作曲線;對比不同錐入度潤滑脂低溫泵送性。

流壓的測定是將潤滑脂裝入試驗裝置后，在規定的溫度條件下，使壓力以一定的時間間隔上升，測定從檢驗噴嘴里擠掉潤滑脂的瞬間壓力。

錐入度的測定是指標準圓錐體自由下落而穿滑入裝于標準脂杯內的潤滑脂經過5 s達到的深度。

同時使用美鋼低溫泵送試驗、流動壓力試驗、錐入度進行的潤滑脂低溫流動性考察，對不同測試方法表征潤滑脂的低溫流動性加以比較。

3 檢測數據及其分析

3.1 同牌號低溫泵送測試

選定2號脂，調節壓力表至150磅/英寸2，用低溫流動性試驗機分別測試－20℃、－15℃、－10℃、－5℃、0℃下潤滑脂的泵送量，時間統一按照31 s計，稱出收集器內潤滑脂的質量。測試結果繪制出不同溫度2號脂低溫泵送試驗工作曲線如圖4。

圖4 2號脂低溫泵送試驗工作曲線

不同溫度下2號脂的泵送性隨著溫度的升高而逐漸變好，泵送的潤滑脂量呈現規律性增加，泵送潤滑脂的量0℃比－20℃增加大約10倍。低溫泵送試驗機可以較好地描述出2號脂低溫條件的泵脂量工作曲線。

3.2 不同牌號低溫泵送測試

選定不同牌號潤滑脂，有1號脂、2號脂、3號脂三個樣品，調節壓力表至150磅/英寸2，用美鋼低溫流動性試驗機分別測試－20℃、－15℃、－10℃、－5℃、0℃，潤滑脂的泵送量，時間統一按照31 s計，稱出收集器內潤滑脂的質量。測試結果繪制出不同溫度不同牌號潤滑脂低溫泵送試驗工作曲線如圖5。

圖5 不同牌號潤滑脂低溫泵送試驗工作曲線

由工作曲線清晰看出，不同稠度潤滑脂同一溫度條件下牌號越小潤滑脂的泵送性越好，同一稠度潤滑脂泵送性隨溫度升高變好，規律性明顯。1號脂比3號脂的泵送性各個溫度條件泵送量都大。潤滑脂的泵送性與溫度、稠度相關系密切得到驗證。

3.3 同牌號流動壓力測試

使用流動壓力對2號脂做低溫性考察，同樣測試不同溫度條件下－20℃、－15℃、－10℃、－5℃、0℃條件下流動壓力，測試結果繪制出不同溫度2號脂流動壓力試驗工作曲線如圖6。

圖6 2號脂流動壓力試驗工作曲線

由工作曲線看出，隨著溫度的升高，2號脂的流動壓力是下降的，泵送性隨溫度的升高逐漸變好，與美鋼低溫泵送試驗機的測試潤滑脂的低溫泵送性趨勢結果一致。

3.4 不同錐入度潤滑脂低溫泵送性

由表2得知不同錐入度的1號脂、2號脂、3號脂，在－10℃條件下隨著稠化劑含量的增加相似黏度逐漸增大，說明潤滑脂的泵送性隨稠度增加逐漸變差，與美鋼低溫泵送試驗機表征的潤滑脂的低溫泵送性結果同樣一致。

4 討論

作為非牛頓體的潤滑脂化學上屬于分散體系，分散相顆粒形成的網狀結構［7］，所加外力才能發生剪切變形，開始流動。本文試驗選擇的潤滑脂稠化劑類型一致、基礎油類型一致，不同樣品的稠化劑含量不同。低溫流動性試驗機可以準確地測試出固定壓力150磅/英寸2、溫度范圍－20～0℃下潤滑脂的泵送性能，測試出潤滑脂的泵送量單位是g/s，條件可控易于比較，相同牌號的潤滑脂，潤滑脂泵送性隨溫度升高逐漸變好;同一溫度下，錐入度越大泵送脂量越大，泵送性越好。低溫泵送試驗工作曲線，準確表征出潤滑脂泵送性與溫度和稠度的相關性。

同一牌號潤滑脂，溫度越高流動壓力越低，泵送性越好，流動壓力試驗工作曲線，驗證了相同溫度條件下潤滑脂泵送性，與美鋼低溫流動試驗機評價結論一致。該方法在歐洲獲得較好的應用。

不同錐入度的潤滑脂，其數值越小潤滑脂越硬，低溫相似黏度越大，泵送性越差。不同錐入度潤滑脂一定溫度下的泵送性，與低溫泵送試驗結論一致。

在對潤滑脂的流動性評價中低溫泵送試驗機法與流動壓力、錐入度有較好的一致性，可以有效表征出潤滑脂的低溫泵送性能，在實踐中可以根據工況條件要求綜合應用。考察了固定壓力下不同溫度潤滑脂的泵送性，可以根據現場的試驗條件，設定不同壓力完成試驗測試，拓寬該試驗機的應用范圍。低溫流動試驗機可以根據給定的溫度壓力和泵脂量需求，很好地完成潤滑脂品種和牌號的選擇。增加了一種評定潤滑脂低溫性的手段。

潤滑脂的泵送性寶鋼檢測中心使用干油泵固定壓力溫度條件，通過一段時間接收的潤滑脂量，其質量與時間的比值作為評價潤滑脂泵送性。與低溫泵送試驗機對潤滑脂泵送性的考察有異曲同工之處。

5 結論

美鋼聯低溫泵送試驗機是根據實際工況條件評定潤滑脂泵送性的模擬臺架試驗機，可以準確地評價潤滑脂的低溫泵送性能，測試數據誤差較小穩定性極好，與其他表征潤滑脂低溫流動性的試驗方法流動壓力和錐入度有較好的關聯度，其試驗數據可以為現場潤滑工程師選脂和集潤滑設計選脂提供參考幫助，也是實驗室評價篩選潤滑脂配方的一種理想方法。

［1］張澄清.潤滑脂應用指南［M］.北京:中國石化出版社，1993.

［2］曼格·德雷澤爾.潤滑劑與潤滑［M］.北京:化學工業出版社，2003.

［3］朱廷彬.潤滑脂技術大全［M］.北京:中國石化出版社，2005.

［4］溫詩鑄.摩擦學原理［M］.2版.北京:清華大學出版，2002.

［5］胡邦喜.設備潤滑基礎［M］.2版.北京:冶金工業出版社，2002.

［6］United States Steel.The Lubrication Engineers Manual 3rd Printing July［S］，1981.

［7］孫全淑.潤滑脂性能及應用［M］.北京:烴加工出版社，1986.

Study on the Application of a Kind of Testing Machine for Evaluating Low－Temperature Pumpability of Grease

MA Ai－min1，WU Bao－jie1，MO Lin－he1，RONG Zhan－liang2，LIYong1，LI Ji－wei1
（1.Tianjin Branch，Lubricant Company，Sinopec Corp.，Tianjin 300480，China; 2.Lubricant Company，Sinopec Corp.，Beijing 100085，China）

The grease flow theory and related testmethods are introduced.The application of a kind of testingmachine for evaluating low－temperature pumpability ismainly investigated.It can accurately characterize the low－temperature pumpability of grease by drawing the curve of testing data which is related to application.It is very useful for the selection of grease for centralized lubrication.

grease;centralized lubrication;low－temperature pumpability

TE626.4

A

1002-3119（2012）01-0056-05

2011－07－29。

馬愛民（1973－），男，工程師，1999年畢業于河北工業大學化學工程專業，現從事潤滑脂產品的研發工作，曾公開發表論文數篇。