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(yè)技術(shù)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(fā)生改變，致使軸承摩擦和發(fā)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(nèi)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(shù)。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(wěn)態(tài)和動態(tài)特性的研究還鮮有報道。

鑒于此，下文在MCR302旋轉(zhuǎn)流變儀上對4116，4129航天潤滑油進行了穩(wěn)態(tài)特性測試和動態(tài)特性測試。從潤滑油的穩(wěn)態(tài)流變行為出發(fā)，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(guān)系；從動態(tài)流變特性出發(fā)，研究掃描頻率對潤滑油損耗模量和復數(shù)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(tǒng)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(zhuǎn)流變儀進行穩(wěn)態(tài)流變試驗和動態(tài)流變試驗。穩(wěn)態(tài)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(guān)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(tài)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(shù)黏度隨掃描頻率的變化歷程。

2 試驗結(jié)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(shù)據(jù)，線為采用黏溫模型的計算結(jié)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(nèi)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(shù)表達式為

(1)

式中：ν為動力黏度；A，B,C為待定系數(shù)；T為溫度。

(1)式為多元非線性函數(shù)，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(guān)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(xiàn)出牛頓流體特性，此時，剪應力與剪切速率成正比關(guān)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(guān)系

圖3 動力黏度與剪切速率的變化關(guān)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(xiàn)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(guān)。

2.4 損耗模量和復數(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)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(yōu)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(jié)構(gòu)的保持能力更強。值得注意的是，掃描頻率在0.1～100 s-1區(qū)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(jié)構(gòu)不易受到破壞或者受到破壞后又馬上重新構(gòu)建，從而損耗模量的增速在此區(qū)間不隨頻率的變化而變化。

復數(shù)黏度是每個振蕩循環(huán)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(shù)值是一個復數(shù)，而結(jié)果所顯示的數(shù)值是這個復數(shù)的模。4129，4116的復數(shù)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(shù)黏度出現(xiàn)小幅度降低，并沒有呈現(xiàn)剪切變稀特征，表明2種潤滑油振蕩測試中分子結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，而復數(shù)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(shù)黏度隨掃描頻率的變化關(guān)系

3 結(jié)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(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)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(guān)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(shù)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(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。