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(jī)電職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，鄭州 450002；2.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(zhì)。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(huì)越大，而且難以對流散熱，從而會(huì)使?jié)櫥瑒┑臏囟壬仙?，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(biāo)。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(jī)軸承和航空儀表軸承的潤滑，工作在高低溫環(huán)境下，故要求具有優(yōu)良的高低溫潤滑性能，即良好的黏溫特性。

關(guān)于潤滑油黏溫特性的研究很多，文獻(xiàn)[3]研究了關(guān)于噴氣燃料的黏溫特性，文獻(xiàn)[4]對4109和4050航空潤滑油進(jìn)行了試驗(yàn)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(shí)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(yùn)動(dòng)黏度測量儀，檢測特3、特4和4122潤滑油在高溫和低溫時(shí)的黏度，分析了3種潤滑油的黏溫特性，并基于黏溫檢測數(shù)據(jù)對黏溫模型Walther和Vogel進(jìn)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(xì)管式黏度計(jì)，是以一定容積的液體依靠自身重力流過一根標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管所需的時(shí)間來測定液體的黏度。黏度計(jì)常數(shù)與流動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)黏度測量儀，低溫黏度檢測采用BSY-108F型低溫運(yùn)動(dòng)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(jì)、玻璃水銀溫度計(jì)、控制和輔助加熱器以及秒表等組成[5-6]。檢測前應(yīng)按照J(rèn)JG155毛細(xì)管黏度計(jì)檢定規(guī)程對每只黏度計(jì)進(jìn)行檢定，并確定相應(yīng)常數(shù)。低溫運(yùn)動(dòng)黏度測量儀結(jié)構(gòu)與高溫黏度測量儀相似，但需增加壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)。

圖1 SYP1003黏度測量儀示意圖

考慮到毛細(xì)管黏度計(jì)清洗不方便，采用YB-DX-98-7型電動(dòng)吸痰機(jī)作為輔助裝置，利用其負(fù)壓原理將毛細(xì)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(xì)管很細(xì)，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(dòng)吸痰機(jī)作為注入器的負(fù)壓吸引法，其注入過程如圖2所示。

圖2 負(fù)壓吸引法

1.3 檢測方法

1.3.1 高溫黏度檢測

檢測時(shí)，在恒溫浴中加入恒溫介質(zhì)，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(shí)接通600 W和1000 W的加熱器，當(dāng)加熱到低于所需溫度1.5～2 ℃ 時(shí)，1 000 W加熱器將自動(dòng)停止，600 W加熱器繼續(xù)加熱。當(dāng)距所需溫度≤0.4 ℃時(shí)，600 W加熱器與微調(diào)指示燈交相閃亮，這時(shí)調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕，達(dá)到要求的溫度時(shí)600 W加熱器停止加熱。此時(shí)將先前備好的毛細(xì)管黏度計(jì)放入恒溫浴介質(zhì)中保持5～10 min，以使毛細(xì)管內(nèi)、外溫度相等，然后釋放毛細(xì)管中的試驗(yàn)油，同時(shí)記下被檢油經(jīng)過毛細(xì)管標(biāo)定線所需的時(shí)間，按照上述方法重復(fù)4次。雙層恒溫層中充滿空氣使雙層玻璃不會(huì)產(chǎn)生水霧，同時(shí)底部還有日光燈照明，故可以清晰地觀察到毛細(xì)管的標(biāo)定線。

1.3.2 低溫黏度檢測

檢測時(shí)向低溫浴內(nèi)注入無水乙醇，選擇所需的測量溫度，接通壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)。然后通過控制面板上的粗調(diào)旋鈕和微調(diào)旋鈕控制低溫浴內(nèi)的溫度。當(dāng)達(dá)到測量所需的溫度時(shí)，首先將備好的毛細(xì)管黏度計(jì)放入低溫浴中保持15～20 min，以使毛細(xì)管內(nèi)、外溫度相同，然后釋放毛細(xì)管中的試驗(yàn)油，同時(shí)記下被檢油經(jīng)過毛細(xì)管標(biāo)定線所需的時(shí)間，按照上述方法測量4次。

2 檢測結(jié)果

根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，用秒表記錄試驗(yàn)油的流動(dòng)時(shí)間，應(yīng)重復(fù)測量4次。在15～100 ℃的溫度下檢測黏度時(shí),檢測時(shí)間最大值與最小值的差值不應(yīng)超過算術(shù)平均值的±0.5%；當(dāng)溫度為-30～15 ℃時(shí)，該差值不應(yīng)超過算數(shù)平均值的±1.5%。然后取不少于2次的流動(dòng)時(shí)間所得的算數(shù)平均值作為試樣的平均流動(dòng)時(shí)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(shí)的黏度見表1。

表1 特3、特4和4122潤滑油的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)表示檢測數(shù)據(jù)，線表示采用黏溫模型計(jì)算的結(jié)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(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)趨于穩(wěn)定。特3和特4潤滑油黏溫曲線接近，當(dāng)溫度高于0 ℃ 時(shí)，2種潤滑油的黏度基本相同，當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，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(gè)模型來計(jì)算潤滑油的黏度。

用函數(shù)形式描述的Vogel模型為

(1)

式中：a,b和c為待確定系數(shù)；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(shù)。

采用偏差平方和Q作為衡量總偏差的依據(jù)，則

(3)

通過使Q達(dá)到最小值，利用計(jì)算程序?qū)?yōu)，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(shí)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(jì)算結(jié)果與檢測結(jié)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(jì)算結(jié)果與檢測結(jié)果之間的平均誤差分別為1.50%，0.49%和7.54%?？梢姡琕ogel模型計(jì)算精度明顯好于Walther模型。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)溫度高于0 ℃時(shí)，特3和特4潤滑油的黏度基本相同，溫度低于0 ℃時(shí)，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(jì)算精度高于Walther模型。