航天軸承潤(rùn)滑油黏溫特性及流變特性試驗(yàn)分析

王燕霜，承軍偉

(1. 河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222)

空間飛行器中，軸承被大量應(yīng)用到許多功能部件中。潤(rùn)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(shí)能減小摩擦、磨損，提高使用壽命，但隨著軸承的不斷運(yùn)行，潤(rùn)滑劑的特性可能發(fā)生改變，致使軸承摩擦和發(fā)熱嚴(yán)重，形成局部高溫，最終導(dǎo)致軸承的潤(rùn)滑失效。因此，進(jìn)行潤(rùn)滑劑黏溫特性和流變特性的研究具有重要的意義。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)潤(rùn)滑劑的黏溫特性、流變特性進(jìn)行了研究[1-5]。文獻(xiàn)[6]測(cè)定低溫下單種油樣及混合油樣的黏度，分析了低溫對(duì)潤(rùn)滑油性能的影響。文獻(xiàn)[7]研究了2種航空潤(rùn)滑油的黏溫特性，采用 Walther計(jì)算公式擬合獲得不同溫度下潤(rùn)滑油的黏度。文獻(xiàn)[8]通過(guò)測(cè)量不同基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑油拖動(dòng)曲線(xiàn)進(jìn)而推導(dǎo)了流變參數(shù)。目前大部分的研究主要集中在潤(rùn)滑油的合成、運(yùn)動(dòng)黏度的測(cè)量及摩擦特性等方面，對(duì)航天潤(rùn)滑油在低剪切速率下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的研究還鮮有報(bào)道。

鑒于此，下文在MCR302旋轉(zhuǎn)流變儀上對(duì)4116，4129航天潤(rùn)滑油進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)特性測(cè)試和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。從潤(rùn)滑油的穩(wěn)態(tài)流變行為出發(fā)，測(cè)定了2種潤(rùn)滑油的動(dòng)力黏度和剪應(yīng)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(yīng)力、黏度與剪切速率的關(guān)系；從動(dòng)態(tài)流變特性出發(fā)，研究掃描頻率對(duì)潤(rùn)滑油損耗模量和復(fù)數(shù)黏度的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

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

2)4129航天潤(rùn)滑油:以合成油為基礎(chǔ)油的精密含油軸承潤(rùn)滑油，適用于航天飛行器慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺馬達(dá)、動(dòng)量輪等精密軸承。

1.2 試驗(yàn)方案

采用Physical MCR302旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流變?cè)囼?yàn)和動(dòng)態(tài)流變?cè)囼?yàn)。穩(wěn)態(tài)流變?cè)囼?yàn)時(shí)，設(shè)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(cè)定潤(rùn)滑油4116，4129的動(dòng)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(cè)試2種潤(rùn)滑油在25 ℃時(shí)剪應(yīng)力和黏度隨剪切速率的變化過(guò)程。動(dòng)態(tài)流變?cè)囼?yàn)時(shí)，在應(yīng)變控制(CSD)的振蕩模式下，設(shè)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(duì)潤(rùn)滑油4116，4129進(jìn)行定溫頻率掃描，觀察2種潤(rùn)滑油的損耗模量和復(fù)數(shù)黏度隨掃描頻率的變化歷程。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 黏溫特性

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)量方法是每隔2 ℃采集一次潤(rùn)滑油的黏度，4116，4129潤(rùn)滑油黏度隨溫度變化的情況如圖1所示，其中點(diǎn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，線(xiàn)為采用黏溫模型的計(jì)算結(jié)果。由圖可知,2種潤(rùn)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(rùn)滑油的黏度差異越來(lái)越大。4129的黏度隨溫度升高而降低的速率比較快，當(dāng)溫度大于30 ℃時(shí)，黏度曲線(xiàn)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(gè)測(cè)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(duì)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(xiàn)

2.2 黏溫模型的建立

常見(jiàn)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(lái)計(jì)算潤(rùn)滑油的黏度。

Vogel模型的函數(shù)表達(dá)式為

(1)

式中：ν為動(dòng)力黏度；A，B,C為待定系數(shù)；T為溫度。

(1)式為多元非線(xiàn)性函數(shù)，采用最小二乘法對(duì)測(cè)試工況下的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行擬合可得到A，B和C的值，從而得到黏溫模型的計(jì)算公式。

4116潤(rùn)滑油的Vogel黏溫模型為

。(2)

4129潤(rùn)滑油的Vogel黏溫模型為

。(3)

2.3 剪應(yīng)力和黏度隨剪切速率的變化

2種潤(rùn)滑油在T=25 ℃時(shí)剪應(yīng)力和動(dòng)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(yīng)力與剪切速率的關(guān)系是通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，隨著剪切速率的增加，2種潤(rùn)滑油的剪應(yīng)力呈線(xiàn)性逐漸增加，且4129增加的趨勢(shì)更快。這是因?yàn)樵诘图羟兴俾氏聺?rùn)滑油表現(xiàn)出牛頓流體特性，此時(shí)，剪應(yīng)力與剪切速率成正比關(guān)系，所以潤(rùn)滑油的剪應(yīng)力隨剪切速率呈線(xiàn)性增加。由圖1可知，當(dāng)壓力一定時(shí)，4129在25 ℃時(shí)的黏度遠(yuǎn)大于4116，因此，4129剪應(yīng)力隨剪切速率增加得更快、更明顯。

圖2 剪應(yīng)力與剪切速率的變化關(guān)系

圖3 動(dòng)力黏度與剪切速率的變化關(guān)系

由圖3可知，剪切速率對(duì)2種潤(rùn)滑油黏度的影響不明顯，當(dāng)溫度恒定時(shí)，潤(rùn)滑油黏度基本保持不變。這是因?yàn)闈?rùn)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(wú)關(guān)。

2.4 損耗模量和復(fù)數(shù)黏度隨掃描頻率的變化

損耗模量是指材料形變時(shí)以熱的形式消耗的能量，表征了潤(rùn)滑油的黏性，可以反映出潤(rùn)滑油結(jié)構(gòu)的變化情況。恒溫、恒定振幅下掃描頻率對(duì)2種潤(rùn)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(rùn)滑油損耗模量隨掃描頻率的變化趨勢(shì)相同，隨著掃描頻率的增加，潤(rùn)滑油的損耗模量逐漸增大。2種潤(rùn)滑油的損耗模量值都很小，說(shuō)明2種潤(rùn)滑油都具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能。4116相比4129的損耗模量更小，需要的剪應(yīng)力更大，說(shuō)明其在該溫度下結(jié)構(gòu)的保持能力更強(qiáng)。值得注意的是，掃描頻率在0.1～100 s-1區(qū)間時(shí)，2種潤(rùn)滑油損耗模量增加的速率幾乎相同，這是因?yàn)槠浠A(chǔ)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(fù)數(shù)黏度是每個(gè)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(cè)到的黏度，其數(shù)值是一個(gè)復(fù)數(shù)，而結(jié)果所顯示的數(shù)值是這個(gè)復(fù)數(shù)的模。4129，4116的復(fù)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(rùn)滑油的復(fù)數(shù)黏度出現(xiàn)小幅度降低，并沒(méi)有呈現(xiàn)剪切變稀特征，表明2種潤(rùn)滑油振蕩測(cè)試中分子結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化，而復(fù)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(rùn)滑油適用于高速工況條件。

圖5 復(fù)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(shí)，4129潤(rùn)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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了2種潤(rùn)滑油黏度隨溫度的變化關(guān)系。

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

3)2種潤(rùn)滑油的損耗模量隨掃描頻率的增大而增大，基礎(chǔ)油的類(lèi)型對(duì)損耗模量也有影響；復(fù)數(shù)黏度隨掃描頻率的增大而小幅度緩慢降低，2種潤(rùn)滑油都適合用于高速工況。

4)4116潤(rùn)滑油的抗剪切能力更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。