潤滑油粘度指標分析

郭忠烈 費逸偉 姜旭峰 彭顯才 劉鴻銘

(1.空軍勤務學院學員一大隊，江蘇 徐州 221000；2.空軍勤務學院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

潤滑油粘度指標分析

郭忠烈 費逸偉2姜旭峰2彭顯才1劉鴻銘1

(1.空軍勤務學院學員一大隊，江蘇 徐州 221000；2.空軍勤務學院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

粘度是潤滑油的一個重要指標，對潤滑油的使用和研究有重要作用。本文總結了粘度的評價方法，分析了基礎油組成、溫度、壓力、添加劑以及剪切力對潤滑油粘度的影響，研究了粘度與潤滑油潤滑性、流動性以及抗泡性的關系，為潤滑油的選用和研究提供參考依據。

潤滑油粘度 評價方法 影響粘度因素 潤滑油性能

潤滑油是機械設備中廣泛使用的油品，不僅能夠降低摩擦磨損，還具有清潔、散熱、防護和密封等作用[1]，對保持機械的良好狀態，提高運行效率，延長使用壽命都有積極作用。粘度作為潤滑油的主要質量指標，對發動機的啟動性能、工作效率和磨損程度都有直接影響，是潤滑油選用、牌號劃分、儲存輸送和生產指導的重要依據[2]。分析潤滑油的粘度指標，對于潤滑油的使用、生產和研究都有重要意義。

1粘度及粘溫性的表示方法

液體在外力作用下發生流動時，由于液體和固體壁面之間有附著力，液體內部分子之間存在相互作用力，使得液體內部出現不同流動速度的液體層，相鄰液體層間速度不同而產生摩擦阻力的性質叫做液體的粘滯性，衡量粘滯性大小的物理量稱之為粘度。

1.1 粘度的表示方法

潤滑油粘度常用的表示方法有動力粘度和運動粘度，在少數油品中會用到條件粘度。

(1)動力粘度

牛頓流體的摩擦阻力可以用牛頓內摩擦定律計算。如圖1所示，假設在兩塊平行板間充滿流體，上板以速度沿x軸正方向運動，下板固定不動，粘附在上板上的流體速度與上板相同為，粘附在下板上的流體速度為0，兩板間流體作層流運動。

取其中一微小流層，其下表面坐標為z，流速為v，上表面坐標為z+ds，流速為v+dv，根據牛頓內摩擦定律該流層受到的摩擦阻力F可按公式(1)計算：

圖1 兩平面間的流體流動Fig 1 the fluid between the two planes

(1)

進一步推導得到公式(2)

(2)

其中S為流層面積，dv/dz通常稱為速度梯度或剪切速度，μ為內摩擦因素，由流體性質決定，稱為動力粘度、絕對粘度或粘度系數。動力粘度的單位為帕秒(Pa·s)、毫帕秒(mPa·s)或泊(P)、厘泊(cP),其轉化關系如(3)所示。

1mPa·s=1cP=10-2P=10-3Pa·s

(3)

(2)運動粘度

由于液體流動的快慢同時與內摩擦阻力和流體密度有關，將液體動力粘度與該溫度下液體密度的比值，稱作運動粘度，用v表示，如公式(4)所示。運動粘度綜合表現液體的流動快慢和難易程度。

υ=μ/ρ

(4)

其中ρ為液體在該溫度下的密度。運動粘度的單位有平方米每秒(m2/s)、平方厘米每秒(cn3/s)、斯(St)、厘斯(cSt)實際使用主要采用斯和厘斯作單位，其轉換關系為公式(5)

1cSt=10-2St=10-2cm2/s=10-6m2/s

(5)

國際上通常用運動粘度表示流體的粘度，油品的粘度也通常采用運動粘度表示。

(3)條件粘度

條件粘度是在一些規定的條件下評定得出的粘度值，又叫做相對粘度，包括賽氏粘度、雷氏粘度、恩氏粘度、巴比流度等等。賽氏粘度和雷氏粘度是以一定體積液體從儀器中流出的時間表示粘度；巴比流度以一定時間內液體從儀器中流出的數量表示粘度；我國采用的條件粘度主要是恩氏粘度，是以液體從儀器中流出的時間與該條件下水從儀器中流出的時間的比值表示粘度。

由于條件粘度的值沒有絕對的物理意義，且其測定精度不高，不同條件粘度之間測定的條件相差較大，單位不統一，條件粘度逐漸淘汰使用。我國在僅在少數大粘度、深色油品中使用恩氏粘度。

1.2 粘溫性能表示方法

潤滑油需要良好的粘溫性能，粘溫性差的潤滑油粘度隨溫度變化大，使用溫度范圍窄。為了評價潤滑油的粘溫性能，通常采用粘度比、粘溫系數、粘度指數等指標。

(1)粘度比

將同一種潤滑油低溫粘度與高溫粘度的比值叫做粘度比，如υ-20 ℃/υ-50 ℃與υ-50 ℃/υ-100 ℃，粘度比小說明粘度隨溫度變化小，油品粘溫性能好，粘度比大說明粘度隨溫度變化大，粘溫性能差。

(2)粘溫系數

將潤滑油0 ℃粘度與100 ℃粘度的差值比上該潤滑油50 ℃粘度得到粘溫系數，表示為(υ0 ℃-υ-1000 ℃)/υ-50 ℃，粘溫系數越小表明粘溫性能越好，反之則越差。這一指標常用于航空活塞式發動機潤滑油粘溫性能評定。

(3)粘度指數

目前最為廣泛使用的粘溫性能指標是粘度指數，它是將潤滑油與標準油的粘溫性能相比較，從而得出粘溫性能的評定結果。標準油由粘溫性好的H系列油和粘溫性差的L系列油組成，每個系列都包含有不同粘度的油，將H系列油粘度指數定為100，L系列油粘度指數定為0，兩個系列油40 ℃和100 ℃時的運動粘度作為基準數據。評定粘度指數時，在測得該油品100 ℃和40 ℃時的運動粘度后，與其100℃粘度相同的兩標準油比較40 ℃的粘度值，按照以下公式(6)計算粘度指數。

(6)

其中L為低標準油40℃運動粘度，H為高標準油40 ℃運動粘度，U為所測油品在40 ℃的運動粘度。當粘度指數大于100時，采用公式(7)、(8)計算。

(7)

(8)

式中，為所測油品在100 ℃的運動粘度。H和L的值可從標準表中直接查到或通過內插法計算得到。

2影響粘度的因素

2.1 基礎油對粘度的影響

基礎油時潤滑油的主體部分，決定著潤滑油的基本性質，潤滑油的粘度與基礎油的化學組成有直接關系。

礦物潤滑油基礎油主要由烷烴、環烷烴和芳香烴組成，餾程越高，烴分子相對分子質量越大，分子間引力越強，粘度越大；在烴類中碳原子數相同時，烷烴粘度最小，芳香烴次之，環烷烴粘度最大，且分子異構程度越大粘度越大；環狀碳原子在油品分子中所占比例越大粘度也越大。礦物潤滑油組分中，粘度指數最高的是正構烷烴，異構烷烴粘度指數低于正構烷烴，并且隨著分支側鏈越多粘度指數越低，環烷烴和芳香烴的粘度指數都低于正構烷烴，當分子中環狀結構增多時粘度指數顯著降低，當環數相同時，其環狀結構的側鏈越長粘度指數越高，側鏈上分支增多，粘度指數下降[2]。

合成潤滑油根據其種類和餾分的不同，粘度和粘溫性質都有所不同。聚-α-烯烴油粘度指數高，可達到135～145，粘度范圍可根據餾分范圍和聚合次數調整，可以生產出100 ℃運動粘度為3～120 mm2/s或40℃運動粘度為17～2 000 mm2/s的各種潤滑油；酯類油中雙酯的粘度指數一般在150以上，有時甚至高達180，復酯的粘度最大，100 ℃運動粘度在19～25 mm2/s之間，二乙二醇醚酯的粘度最小，粘溫性能最好；硅油中甲基硅油粘溫性能最好，甲基氯苯硅油次之，乙基硅油稍差，甲基苯硅油最差，并且苯含量越多粘溫性能越差。

2.2 溫度對粘度的影響

潤滑油的粘度主要來源于分子之間的相互作用力，當溫度升高時，伴隨著體積膨脹，分子間的距離增大，分之間的作用力減小，粘度也隨之減小，相反，當溫度降低時粘度增大，尤其在低溫條件下這種變化更為突出。

我國石油產品粘度和溫度之間關系可由經驗公式(9)確定：

lg(υt+0.65)=A-BlgT

(9)

其中為油品在溫度t時的運動粘度，A、B為隨油品性質而定的經驗常數，0.65為適用于我國石油產品的經驗常數，國外常采用0.8，T為油品熱力學溫度[3]。

溫度對粘度的影響極大，郝敬團[4]等比較了SC30汽油潤滑油和20號航空潤滑油在不同溫度下的運動粘度，其中SC30汽油機潤滑油10℃時運動粘度是50℃時粘度的12倍，而20號航空潤滑油在同樣條件下粘度達到原來的20倍。

國家防總副總指揮、水利部部長陳雷出席會議并講話，他強調，做好2014年防汛抗旱防臺風工作，要堅持以人為本、依法防控、科學防控、群防群控，確保大江大河、大型和重點中型水庫、大中城市的防洪安全，全力保障人民群眾生命安全和城鄉居民生活用水安全，努力保證中小河流和一般中小型水庫安全度汛，千方百計滿足生產和生態用水需求，最大程度減輕洪澇干旱臺風災害損失，為促進經濟社會持續健康發展提供更加可靠的防災減災安全保障。國家防總秘書長、水利部副部長劉寧主持會議，國家防總副秘書長、中國氣象局副局長矯梅燕介紹2014年天氣形勢預測情況。

2.3壓力對粘度的影響

液體受到壓力時，分子間的距離縮短，吸引力增大，粘度會升高，當壓力低于0.5×107Pa時，粘度隨壓力的變化可以忽略，當壓力超過2×107Pa時，壓力對粘度的影響比較明顯。

根據大量實驗數據，人們歸納得出一系列粘度與壓力、溫度之間的經驗關系公式，其中Rotermund提出的公式(10)[5]與實際結果有很好的一致性。

(10)

式中為壓力下的動力粘度，分別為壓力值和大氣壓值，T為熱力學溫度，A、B、C、D、E為常數。Knezevic等利用公式分析石蠟基液壓油的粘度，結果表明在20.5℃和40℃時，將液壓油的壓力提高到350×105Pa時，其動力粘度分別增大為環境壓力下的2.3375和2.08倍[4]。

2.4 添加劑對粘度的影響

潤滑油中常加入粘度指數改進劑(增粘劑)來改善粘溫性能。粘度指數改進劑均為高分子化合物，在油品中隨溫度的變化而呈現不同的狀態。低溫時，改進劑分子收縮，體積小，對潤滑油粘度的影響小；高溫時，改進劑分子溶脹，流體力學的體積和表面積增大，溶液內摩擦增加，有利于增加粘度，使潤滑油粘度不至于因溫度升高而降太低。使用粘度指數改進劑之后，潤滑油基礎油可以選用粘度更低的組分，有利于在潤滑油低溫下使用。

表1 多級油與普通潤滑油的低溫性能比較Table 1 the comparison of low temperature performance between multi-grade oil and conventional oil

粘度指數改進劑是潤滑油中廣泛使的一種添加劑，尤其在多級汽油機油和多級柴油機油中必須使用這種添加劑，表1是普通油和添加了粘度指數改進劑的多級油的低溫性能比較[6]。

2.5 剪切力對粘度的影響

潤滑油可能在剪切速率極高的場合使用，如航空發動機的挺桿、凸輪等部位工作時的剪切速率達到，高剪切速率會對潤滑油粘度造成一定影響。

潤滑油中聚合物成分在剪切力作用下容易發生碳鏈的斷裂，生成小分子的組分，因此在剪切力作用下潤滑油粘度會有所降低。不同的剪切力、剪切速率、剪切時間、聚合物分子量、聚合物濃度以及基礎油粘度等都會對潤滑油粘度造成不同程度的影響。王國金等[7]研究了多級油粘度與剪切力的關系，發現在剪切的初期，隨剪切時間的增加，粘度迅速下降，在以后的時間里，粘度下降變得緩慢。他認為，當多級油中聚合物分子被剪切到一定水品，分子量不再減小，粘度損失也就緩慢，當增大剪切應力或提高聚合物或者是基礎油的粘度時，百分粘度損失都會相應增加。相對于溫度和壓力等因素，剪切力對粘度的影響比較小，然而隨著溫度的升高和壓力的增大，剪切力的影響作用會逐漸增強[8]。

3粘度與潤滑油性能的關系

3.1 粘度與潤滑性的關系

在一定的范圍內，通常粘度越高機械的潤滑效果越好。郭和軍等[10]研究了低硫柴油潤滑性，認為在柴油機工作負荷較小、噴油壓力較低時，高壓油泵主要處于流體潤滑狀態，這時油膜的厚度決定油泵內摩擦副間的磨損程度，因而磨損程度只與粘度有關，粘度越高，油膜厚度越大，磨損程度越低，反之，粘度越低則磨損程度越高。用HFRR法對不同粘度的柴油餾分進行抗磨性實驗，結果表明磨斑直徑與粘度之間存在較好的相關性，隨粘度上升而呈線性降低。粟斌等[11]采用GB/T3142-82:“四球法”評定不同粘度等級潤滑油的潤滑性能，結果表明，四球最大無卡咬負荷值基本隨粘度等級的增加而增大。

當潤滑油粘度過大時，工作阻力增大，粘度增加反而有損機械。張增強等[12]通過熱彈流潤滑數值計算，分析了潤滑油粘度對齒輪接觸疲勞壽命的影響，結果表明對齒輪潤滑而言，并非潤滑油粘度越高越好。他認為在一定的工況條件下，選用粘度大的潤滑油不僅會加大潤滑成本，還有損于齒輪傳動的接觸疲勞壽命，國際齒輪強度計算標準中所推薦的潤滑系數隨潤滑油粘度的增大而單調上升的結論只能在一定的工況條件下使用。

可見，潤滑油粘度與潤滑性之間有密切的聯系。在適當的范圍內粘度越大越有利于摩擦表面的保護，潤滑效果越好，但是粘度過大會增大機械的工作阻力，不利于機械運行，甚至有損設備。實際工作中要根據機械的轉速、負荷、潤滑方式等選擇合適粘度的潤滑油。

3.2 粘度與低溫流動性的關系

潤滑油需要有良好的低溫流動性，以便在低溫條件下也能從潤滑系統中順利地輸送到零件的各個部位；同時，為了達到良好的潤滑效果，摩擦表面需要經常保持足夠的潤滑油，良好的流動性也有助于潤滑油膜的快速形成，降低摩擦磨損；此外潤滑油在使用中常常擔負有清潔和散熱的作用，這也對潤滑油的流動性提出了要求。

潤滑油低溫流動性與低溫粘度息息相關。一般來說粘度越低流動性越好，越有利于潤滑油快速輸送到潤滑部位，粘度越高則流動越困難。在低溫條件下，潤滑油的粘度會急劇增大，流動性變差，流到摩擦副表面的時間就會延長，摩擦表面直接接觸的可能性就越大，磨損也就加劇。發動機啟動時的磨損約占發動機磨損量的2/3，一方面是因為發動機啟動時摩擦表面缺油，另一方面因為啟動時發動機溫度低，潤滑油流動困難[2]。

合成類潤滑油一般有較好的粘溫性能，可以在一定低溫下不至于粘度過高，保持一定的流動性。礦物潤滑油中選擇粘度更低的基礎油有利于保證低溫粘度不過大，為了保證高溫下粘度不至于太小，還需要配合粘度指數改進劑使用。

3.3 粘度與抗泡性的關系

潤滑油在潤滑系統中不斷流動和循環，可能混入空氣而產生氣泡。潤滑油中的氣泡若不及時消除會使潤滑油的潤滑性能下降、冷卻效果變差、清凈分散性不好，甚至發生汽蝕，腐蝕機械[13]。這要求潤滑油具有良好的抗泡性，能減少泡沫的產生和及時消除泡沫。

潤滑油的抗泡性能與表面活性劑以及潤滑油的粘度有關。表面活性劑會使潤滑油更容易產生泡沫，且產生的泡沫膜壁堅韌不容易破裂，因而抗泡性能下降。抗泡性能與粘度的關系是：在一定的粘度范圍內，潤滑油抗泡性能達到最差，此時最容易產生氣泡且氣泡不容易去除，若增大或減少粘度抗泡性都會有所提高。這是因為粘度減小時，形成氣泡膜的液體容易流失，膜壁容易變薄，因而氣泡破裂而消除變得容易，當粘度增大，不利于氣泡的產生，抗泡能力亦增強。

粘度與溫度相互關聯，對于粘度不太大的潤滑油而言，溫度升高時粘度變小，抗泡能力有所增強，對于較粘稠的潤滑油來說，溫度升高，粘度下降到一定的范圍，反而會增大泡沫形成的傾向。

4結 語

粘度是潤滑油的一個重要指標，對潤滑油的牌號劃分和選用以及潤滑油性質的研究都有重要意義。粘度的常用表示方法包括動力粘度、運動粘度、條件粘度，其中運動粘度最為常用；潤滑油粘溫性能的表示方法有粘度比、粘溫系數和粘度指數等；潤滑油基礎油的組成、溫度、壓力、添加劑以及剪切力等因素都會對粘度造成影響；粘度對潤滑油的潤滑性、流動性以及抗泡性都有一定的指示作用，根據使用場合選擇合適粘度的潤滑油使潤滑性達到最佳同時保持一定的流動性和抗泡性，有利于減少摩擦磨損、提高機械效率、延長設備使用壽命。

隨著現代工業的發展，機械設備日益精細復雜，使用環境更加苛刻極端，尤其是在航空航天領域，潤滑油常常在高溫、高壓、高速剪切的條件下使用，這對潤滑油的品質提高了要求。研究潤滑油的粘度指標，有利于配合下一步對潤滑油性質的評價和研究，對潤滑油的研究工作有實際意義。

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IndexAnalysisofLubricantViscosity

Guo Zhonglie1Fei Yiwei2Jiang Xufeng2Peng Xiancai1Liu Hongming1

(1. Cadet Brigade 1, Air Force Logistics College,Jiangsu Xuzhou 221000； 2. Department of Aviation Oil and Material, Air Force Logistics College,Jiangsu Xuzhou 221000)

Viscosity is avital indicator of lubricating oiland and it plays an important role in the use and research of lubricant. The methods for the determination of viscosity were summarized. The factors affecting the lubricant viscosity, such as the composition of base oil, temperature, pressure, additives and shear force, were analyzed. The relationship between viscosity and lubricity, liquidity and foam resistance were studied. It provided a reference for the selection and research of lubricants.

lubricant viscosity evaluation methods factors affecting viscosity performance of lubricant

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.05.010

2017-03-27

郭忠烈(1994～)，男，碩士生，主要研究方向：航空油料應用技術