航天軸承潤滑油黏溫特性及流變特性試驗分析

王燕霜，承軍偉

(1. 河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2. 天津職業技術師范大學 天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

空間飛行器中，軸承被大量應用到許多功能部件中。潤滑劑的存在能夠防止軸承零件的直接接觸，使軸承在工作時能減小摩擦、磨損，提高使用壽命，但隨著軸承的不斷運行，潤滑劑的特性可能發生改變，致使軸承摩擦和發熱嚴重，形成局部高溫，最終導致軸承的潤滑失效。因此，進行潤滑劑黏溫特性和流變特性的研究具有重要的意義。

近年來國內外一些學者對潤滑劑的黏溫特性、流變特性進行了研究[1-5]。文獻[6]測定低溫下單種油樣及混合油樣的黏度，分析了低溫對潤滑油性能的影響。文獻[7]研究了2種航空潤滑油的黏溫特性，采用 Walther計算公式擬合獲得不同溫度下潤滑油的黏度。文獻[8]通過測量不同基礎油的潤滑油拖動曲線進而推導了流變參數。目前大部分的研究主要集中在潤滑油的合成、運動黏度的測量及摩擦特性等方面，對航天潤滑油在低剪切速率下的穩態和動態特性的研究還鮮有報道。

鑒于此，下文在MCR302旋轉流變儀上對4116，4129航天潤滑油進行了穩態特性測試和動態特性測試。從潤滑油的穩態流變行為出發，測定了2種潤滑油的動力黏度和剪應力，分析其黏溫特性且建立Vogel黏溫模型，探討小剪切速率下，剪應力、黏度與剪切速率的關系；從動態流變特性出發，研究掃描頻率對潤滑油損耗模量和復數黏度的影響。

1 試驗

1.1 試樣

1)4116航天潤滑油:以氯苯基硅油為基礎油合成的高低溫儀表油，適用于航天高速微型電機軸承；

2)4129航天潤滑油:以合成油為基礎油的精密含油軸承潤滑油，適用于航天飛行器慣導系統的陀螺馬達、動量輪等精密軸承。

1.2 試驗方案

采用Physical MCR302旋轉流變儀進行穩態流變試驗和動態流變試驗。穩態流變試驗時，設定流變儀的剪切速率恒為10 s-1，溫度的變化范圍0～100 ℃，分別測定潤滑油4116，4129的動力黏度隨溫度的變化關系；在控制剪切速率模式下，分別測試2種潤滑油在25 ℃時剪應力和黏度隨剪切速率的變化過程。動態流變試驗時，在應變控制(CSD)的振蕩模式下，設置恒定的振幅，掃描溫度為25 ℃，掃描頻率范圍0 ～100 s-1，分別對潤滑油4116，4129進行定溫頻率掃描，觀察2種潤滑油的損耗模量和復數黏度隨掃描頻率的變化歷程。

2 試驗結果與討論

2.1 黏溫特性

試驗設計的測量方法是每隔2 ℃采集一次潤滑油的黏度，4116，4129潤滑油黏度隨溫度變化的情況如圖1所示，其中點為試驗數據，線為采用黏溫模型的計算結果。由圖可知,2種潤滑油的黏度都隨著溫度的升高而降低， 4116的黏度小于4129的黏度；隨溫度的降低，2種潤滑油的黏度差異越來越大。4129的黏度隨溫度升高而降低的速率比較快，當溫度大于30 ℃時，黏度曲線趨于平緩。4116的黏度隨溫度升高而減小的速率比較緩慢，整個測試溫度范圍內其黏度隨溫度的變化幅度較小。所以相同溫度下，4129的黏度高于4116，且其黏度對溫度的變化較敏感，黏溫性能比4116差。

圖1 Vogel模型下的黏溫曲線

2.2 黏溫模型的建立

常見的黏溫模型有Roelands模型、Erying模型、Slotte模型、Vogel模型以及Walther模型等。Vogel模型和Walther模型適合的溫度范圍較寬，故采用Vogel模型來計算潤滑油的黏度。

Vogel模型的函數表達式為

(1)

式中：ν為動力黏度；A，B,C為待定系數；T為溫度。

(1)式為多元非線性函數，采用最小二乘法對測試工況下的試驗點進行擬合可得到A，B和C的值，從而得到黏溫模型的計算公式。

4116潤滑油的Vogel黏溫模型為

。(2)

4129潤滑油的Vogel黏溫模型為

。(3)

2.3 剪應力和黏度隨剪切速率的變化

2種潤滑油在T=25 ℃時剪應力和動力黏度隨剪切速率的變化情況如圖2、圖3所示。由圖2可知，剪應力與剪切速率的關系是通過原點的直線，隨著剪切速率的增加，2種潤滑油的剪應力呈線性逐漸增加，且4129增加的趨勢更快。這是因為在低剪切速率下潤滑油表現出牛頓流體特性，此時，剪應力與剪切速率成正比關系，所以潤滑油的剪應力隨剪切速率呈線性增加。由圖1可知，當壓力一定時，4129在25 ℃時的黏度遠大于4116，因此，4129剪應力隨剪切速率增加得更快、更明顯。

圖2 剪應力與剪切速率的變化關系

圖3 動力黏度與剪切速率的變化關系

由圖3可知，剪切速率對2種潤滑油黏度的影響不明顯，當溫度恒定時，潤滑油黏度基本保持不變。這是因為潤滑油在低剪切速率下表現出牛頓流體特性，其黏度只隨溫度和壓力而改變，與剪切速率無關。

2.4 損耗模量和復數黏度隨掃描頻率的變化

損耗模量是指材料形變時以熱的形式消耗的能量，表征了潤滑油的黏性，可以反映出潤滑油結構的變化情況。恒溫、恒定振幅下掃描頻率對2種潤滑油損耗模量的影響如圖4所示。

圖4 損耗模量隨掃描頻率的變化關系

由圖可知，2種潤滑油損耗模量隨掃描頻率的變化趨勢相同，隨著掃描頻率的增加，潤滑油的損耗模量逐漸增大。2種潤滑油的損耗模量值都很小，說明2種潤滑油都具有優良的潤滑性能。4116相比4129的損耗模量更小，需要的剪應力更大，說明其在該溫度下結構的保持能力更強。值得注意的是，掃描頻率在0.1～100 s-1區間時，2種潤滑油損耗模量增加的速率幾乎相同，這是因為其基礎油的分子結構不易受到破壞或者受到破壞后又馬上重新構建，從而損耗模量的增速在此區間不隨頻率的變化而變化。

復數黏度是每個振蕩循環中能量耗散的量度。在振蕩模式下使用流變儀所測到的黏度，其數值是一個復數，而結果所顯示的數值是這個復數的模。4129，4116的復數黏度隨掃描頻率變化情況如圖5所示。由圖可知，隨著掃描頻率的增加，2種潤滑油的復數黏度出現小幅度降低，并沒有呈現剪切變稀特征，表明2種潤滑油振蕩測試中分子結構沒有發生變化，而復數黏度小幅度降低可能是振蕩中熱量的耗散所致，故這2種潤滑油適用于高速工況條件。

圖5 復數黏度隨掃描頻率的變化關系

3 結論

1)溫度低于30 ℃時，4129潤滑油黏度隨溫度的變化非常大；4116在0～100 ℃內表現出優異的黏溫性能，更適合用于寬溫度的工況；建立的Vogel黏溫模型較準確地預測了2種潤滑油黏度隨溫度的變化關系。

2)在低剪切速率時，4116和4129潤滑油呈牛頓流體特性，潤滑油黏度越大，剪應力增加的速率越快。

3)2種潤滑油的損耗模量隨掃描頻率的增大而增大，基礎油的類型對損耗模量也有影響；復數黏度隨掃描頻率的增大而小幅度緩慢降低，2種潤滑油都適合用于高速工況。

4)4116潤滑油的抗剪切能力更強，結構更穩定。