高低溫儀表軸承潤滑油黏溫特性的研究

張黎燕，王燕霜，曹佳偉

(1.河南機電職業學院 機械工程系，鄭州 450002；2.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

在潤滑理論分析中，黏度是潤滑劑最重要的物理性質。在一定的工況條件下，潤滑劑黏度是決定油膜厚度的主要因素[1]。一般來說，黏度越大，油膜厚度就越大。但黏度也是影響摩擦力的重要因素。黏度越大，引起的摩擦損失和熱量就會越大，而且難以對流散熱，從而會使潤滑劑的溫度上升，亦有可能使油膜破裂[2]。黏度隨溫度和壓力的變化而變化，黏溫特性和黏壓特性是潤滑油的重要性能指標。特3、特4和4122潤滑油是3種高低溫儀表油，主要用于高速微型電機軸承和航空儀表軸承的潤滑，工作在高低溫環境下，故要求具有優良的高低溫潤滑性能，即良好的黏溫特性。

關于潤滑油黏溫特性的研究很多，文獻[3]研究了關于噴氣燃料的黏溫特性，文獻[4]對4109和4050航空潤滑油進行了試驗研究，并給出了這2種潤滑油的黏溫特性曲線。但上述研究大都是測得常溫和高溫時油或者潤滑劑的黏度，按照Walther模型畫出黏溫曲線。下文分別采用高溫和低溫運動黏度測量儀，檢測特3、特4和4122潤滑油在高溫和低溫時的黏度，分析了3種潤滑油的黏溫特性，并基于黏溫檢測數據對黏溫模型Walther和Vogel進行了對比分析。

1 檢測裝置及方法

1.1 檢測原理

檢測所用的毛細管式黏度計，是以一定容積的液體依靠自身重力流過一根標準毛細管所需的時間來測定液體的黏度。黏度計常數與流動時間的乘積就是該溫度下所測液體的黏度。

1.2 檢測裝置

高溫黏度檢測采用SYP1003型運動黏度測量儀，低溫黏度檢測采用BSY-108F型低溫運動黏度測量儀。高溫黏度測量儀示意圖如圖1所示，主要由恒溫浴、恒溫套、黏度計、玻璃水銀溫度計、控制和輔助加熱器以及秒表等組成[5-6]。檢測前應按照JJG155毛細管黏度計檢定規程對每只黏度計進行檢定，并確定相應常數。低溫運動黏度測量儀結構與高溫黏度測量儀相似，但需增加壓縮機制冷系統。

圖1 SYP1003黏度測量儀示意圖

考慮到毛細管黏度計清洗不方便，采用YB-DX-98-7型電動吸痰機作為輔助裝置，利用其負壓原理將毛細管中的溶劑油與殘余試劑的混合物吸出來，清洗效果好且效率較高。由于毛細管很細，普通的注射法不能保證注入的油中沒有氣泡，因此，采用電動吸痰機作為注入器的負壓吸引法，其注入過程如圖2所示。

圖2 負壓吸引法

1.3 檢測方法

1.3.1 高溫黏度檢測

檢測時，在恒溫浴中加入恒溫介質，并加熱到檢測所需的溫度。恒溫浴的加熱速度可以自由控制，剛開始可以同時接通600 W和1000 W的加熱器，當加熱到低于所需溫度1.5～2 ℃ 時，1 000 W加熱器將自動停止，600 W加熱器繼續加熱。當距所需溫度≤0.4 ℃時，600 W加熱器與微調指示燈交相閃亮，這時調節微調旋鈕，達到要求的溫度時600 W加熱器停止加熱。此時將先前備好的毛細管黏度計放入恒溫浴介質中保持5～10 min，以使毛細管內、外溫度相等，然后釋放毛細管中的試驗油，同時記下被檢油經過毛細管標定線所需的時間，按照上述方法重復4次。雙層恒溫層中充滿空氣使雙層玻璃不會產生水霧，同時底部還有日光燈照明，故可以清晰地觀察到毛細管的標定線。

1.3.2 低溫黏度檢測

檢測時向低溫浴內注入無水乙醇，選擇所需的測量溫度，接通壓縮機制冷系統。然后通過控制面板上的粗調旋鈕和微調旋鈕控制低溫浴內的溫度。當達到測量所需的溫度時，首先將備好的毛細管黏度計放入低溫浴中保持15～20 min，以使毛細管內、外溫度相同，然后釋放毛細管中的試驗油，同時記下被檢油經過毛細管標定線所需的時間，按照上述方法測量4次。

2 檢測結果

根據相關國家標準的要求，用秒表記錄試驗油的流動時間，應重復測量4次。在15～100 ℃的溫度下檢測黏度時,檢測時間最大值與最小值的差值不應超過算術平均值的±0.5%；當溫度為-30～15 ℃時，該差值不應超過算數平均值的±1.5%。然后取不少于2次的流動時間所得的算數平均值作為試樣的平均流動時間。檢測獲得的特3、特4和4122潤滑油在-30，-20，-10，0，20，40和50 ℃時的黏度見表1。

表1 特3、特4和4122潤滑油的運動黏度

3 黏溫特性分析

特3、特4和4122潤滑油黏度隨溫度變化的特性如圖3和圖4所示。圖中的點表示檢測數據，線表示采用黏溫模型計算的結果。由圖可以看出，3種潤滑油的黏度都隨著溫度的升高而降低，當達到一定溫度時趨于穩定。特3和特4潤滑油黏溫曲線接近，當溫度高于0 ℃ 時，2種潤滑油的黏度基本相同，當溫度低于0 ℃時，特3潤滑油的黏度高于特4，隨溫度的降低，這2種潤滑油的黏度差別越來越大。4122潤滑油的黏度高于特3和特4潤滑油，且其黏度隨溫度的變化較大，黏溫性能不如特3和特4潤滑油。

圖3 Walther模型下的黏溫曲線

圖4 Vogel模型下的黏溫曲線

4 黏溫模型的建立

常見的黏溫模型有Roelands， Erying， Slotte， Vogel以及Walther等。由于Vogel和Walther模型適合的溫度范圍較寬，故采用這2個模型來計算潤滑油的黏度。

用函數形式描述的Vogel模型為

(1)

式中：a,b和c為待確定系數；ν為黏度；T為溫度。

Walther模型為

lg lg(ν+0.6)=A-BlgT，

(2)

式中：A和B為待確定系數。

采用偏差平方和Q作為衡量總偏差的依據，則

(3)

通過使Q達到最小值，利用計算程序尋優，來求得(1)式中的a，b,c或(2)式中的A，B，這樣得到的模型或曲線能更好地接近真實值。

通過上述方法得到特3、特4和4122潤滑油黏溫模型。

Walther黏溫模型

特3潤滑油

lg lg(ν+0.6)=6.699 35-2.641 95lgT，

(4)

特4潤滑油

lg lg(ν+0.6)=6.546 67-2.583 78lgT，

(5)

4122潤滑油

lg lg(ν+0.6)=4.786 11-1.828 45lgT。

(6)

Vogel黏溫模型

特3潤滑油

(7)

特4潤滑油

(8)

4122潤滑油

(9)

從圖3和圖4可以看出，Walther和Vogel黏溫模型都很好地描述了這3種潤滑油黏度隨溫度變化的趨勢。采用Walther黏溫模型得到的計算結果與檢測結果之間的平均誤差分別為6.49%，2.79%和9.61%；采用Vogel黏溫模型得到的計算結果與檢測結果之間的平均誤差分別為1.50%，0.49%和7.54%。可見，Vogel模型計算精度明顯好于Walther模型。

5 結論

(1)當溫度高于0 ℃時，特3和特4潤滑油的黏度基本相同，溫度低于0 ℃時，特3潤滑油的黏度大于特4油，且隨著溫度的降低，兩者的黏度差越來越大。

(2)特3和特4潤滑油的黏溫性能相近，都好于4122油的黏溫性能。

(3)Vogel模型的計算精度高于Walther模型。