時(shí)間累積效應(yīng)對(duì)油膜軸承油粘度的影響研究

張亞南，王建梅，張艷娟，張笑天

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

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時(shí)間累積效應(yīng)對(duì)油膜軸承油粘度的影響研究

張亞南，王建梅，張艷娟，張笑天

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

摘要：為了研究時(shí)間累積效應(yīng)對(duì)油膜軸承油粘度的影響，采用NDJ-5S數(shù)顯旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)針對(duì)S220、M220和H460號(hào)油膜軸承油進(jìn)行分析，測(cè)定了三種不同油品在工作一定時(shí)間后的粘度值。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了不同情況下的粘溫曲線及不同溫度下粘度隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的變化圖。分析可知：隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，潤(rùn)滑油粘度值下降，且潤(rùn)滑油粘度值越高，粘度下降程度越明顯；同時(shí)建立了粘度和測(cè)試溫度和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系模型，提出了一種參數(shù)評(píng)估運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的溫度敏感性參數(shù)，可為工作中油膜軸承油的潤(rùn)滑性能分析提供參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：潤(rùn)滑油；時(shí)間累積；潤(rùn)滑性能

油膜軸承具有承載能力大、速度范圍寬、抗沖擊性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于板帶材、熱連軋機(jī)上。潤(rùn)滑油作為油膜軸承潤(rùn)滑介質(zhì)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，粘度會(huì)降低，而油粘度的降低會(huì)使油膜厚度變薄，造成軸承承載能力下降，易導(dǎo)致兩摩擦副之間產(chǎn)生摩擦磨損或者更嚴(yán)重的事故，因此研究油膜軸承油的性能顯得尤為重要。

近年來(lái)一些學(xué)者對(duì)潤(rùn)滑油的現(xiàn)狀、研制、性能和應(yīng)用做了系統(tǒng)和深入的研究[1-10]。郝敬團(tuán)等[3]研究了影響航空潤(rùn)滑油粘度的因素探究，給出了溫度-粘度、溫度-壓力-粘度的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式，并比較了潤(rùn)滑油關(guān)于剪切力的實(shí)驗(yàn)方法；付洪瑞等[5]研究3種硅油與癸二酸二異辛酯混合基礎(chǔ)油的黏溫性能，發(fā)現(xiàn)在一定比例范圍內(nèi)硅油與酯類油的混合基礎(chǔ)油，其低溫運(yùn)動(dòng)黏度比硅油與酯類油的低溫運(yùn)動(dòng)黏度都要小；Jiupeng Zhang等[9]研究了瀝青粘結(jié)劑的粘溫特性，發(fā)現(xiàn)表觀粘度指數(shù)隨著溫度的增加而減小，可被視為獨(dú)立的剪切速率的動(dòng)態(tài)粘滯度指數(shù)隨添加劑用量的增加，粘度表現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)。

影響潤(rùn)滑油粘度因素的研究在理論研究和定性分析方面居多，也有通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析獲得了粘溫公式，但針對(duì)潤(rùn)滑油在一定使用的時(shí)間后，其粘溫特性的變化情況的研究較少。本文主要針對(duì)油膜軸承油，利用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)采集不同潤(rùn)滑油在使用一定的時(shí)間后，其溫度變化時(shí)的粘度數(shù)據(jù)。

1油膜軸承潤(rùn)滑油粘度

潤(rùn)滑油粘度是表征油液分子間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力大小的參數(shù)指標(biāo)，其大小主要取決于分子間的熱運(yùn)動(dòng)和分子的內(nèi)聚力。油膜軸承油在楔形間隙內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于軋輥的運(yùn)轉(zhuǎn)及潤(rùn)滑油自身的熱運(yùn)動(dòng)，使得潤(rùn)滑油各層的速度有所差異，從而不同速度的流體層間產(chǎn)生摩擦力。油膜軸承在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，影響潤(rùn)滑油的粘度的主要為油膜壓力、油膜溫度及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間這三個(gè)因素。

本文主要研究運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間及溫度對(duì)油膜軸承油粘度的影響，準(zhǔn)確掌握實(shí)際應(yīng)用的油膜軸承油在運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后的粘度特性的變化規(guī)律對(duì)潤(rùn)滑特性分析具有重要意義。

2潤(rùn)滑油臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

通過(guò)大型軋機(jī)油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)對(duì)S-220、M-220和H-460三種油品進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)不同的時(shí)間后，對(duì)油品進(jìn)行取樣，然后分析運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間及溫度對(duì)其粘度的影響情況。油品在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不與空氣接觸，三種樣本的油均從油箱直接抽取。如圖1為油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)裝置。

圖1　油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)裝置

3油膜軸承油粘溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)

如圖2所示為油膜軸承油粘溫特性測(cè)量裝置，系統(tǒng)主要由粘度計(jì)、溫度傳感器、計(jì)算機(jī)、水浴加熱器以及潤(rùn)滑油柱狀容器組成。采用數(shù)顯旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(NDJ-5S)測(cè)量油膜軸承油的粘度，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集則由計(jì)算機(jī)完成。

圖2　粘溫特性測(cè)量裝置示意圖

加熱裝置是在盛有油膜軸承油的燒杯外裝有由水浴加熱器，由水浴加熱器對(duì)油膜軸承油進(jìn)行加熱，通過(guò)恒溫控制儀對(duì)設(shè)定的加熱溫度進(jìn)行調(diào)控，以保證加熱的溫度在要求的范圍內(nèi)。

4試驗(yàn)結(jié)果

為研究不同油品粘度與溫度和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系，分別繪制了圖3，圖4.圖3不同油品在不同運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的粘溫特性曲線，圖4為不同油品在不同溫度下粘度隨時(shí)間的變化情況。

分析可得，S-220和M-220潤(rùn)滑油在低溫區(qū)隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，其粘度值逐漸減??；高溫區(qū)三者的差距很小，曲線幾乎重合。H-460與220油相比較，其低溫區(qū)和高溫區(qū)出現(xiàn)相同的情況，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，其粘度值逐漸減小。這是由于潤(rùn)滑油在試驗(yàn)過(guò)程中和外空氣接觸，參入雜物和水分使原始的潤(rùn)滑油變稀所引起。但是由于460油粘度高于220油粘度，故其相對(duì)變化量較為明顯。

5考慮時(shí)間累積效應(yīng)和溫度的粘度數(shù)學(xué)模型

受溫度影響的粘度方程可表示為：

η=η0×e-λ(T-T0)

(1)

由上面的分析可知，粘度η0隨時(shí)間t呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，則：

η0t=η0-α2t

(2)

參數(shù)λ也是隨時(shí)間變化的一個(gè)參數(shù)，可將其表示為：

λt=α3+α4t

(3)

圖3　不同油品在不同運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的粘溫特性曲線

圖4　不同油品在不同溫度下粘度隨時(shí)間的變化情況

由上分析，將式(2)和式(3)式帶入式(1)可建立粘度與溫度以及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，關(guān)系可表示為：

η(t,T)=(α1-α2t)e-α3(1+α4t)T

(4)

其中：η(t,T)為潤(rùn)滑油的粘度，Pa·s；t為運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，h；T為溫度，℃；α1、α2、α3和α4為相關(guān)系數(shù)，擬合可得，結(jié)果如圖表1所示。

表1　粘度數(shù)學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)

設(shè)定參數(shù)m=-(α3+α4t)用來(lái)評(píng)估運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后的溫度敏感性，m值越大，其溫度敏感度越大。

6結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)S-220、M-220和H-460三種油膜軸承油運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后的粘溫特性分析，可知隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，其粘度值將下降，低溫區(qū)更為明顯，且潤(rùn)滑油粘度越大，下降程度越明顯。

(2)建立了粘度和測(cè)試溫度和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系模型。根據(jù)這一模型，提出了一種參數(shù)評(píng)估運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的溫度敏感性參數(shù)，可以為工作中油膜軸承油的潤(rùn)滑性能分析和安全運(yùn)行提供參考和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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Influence of Time-acculumation Effect on Viscosity Performance for Oil-Film Bearing Oil

ZHANG Ya-nan ，WANG Jian-mei，ZHANG Yan-juan，ZHANG Xiao-tian

(School of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract：In order to study the influence of time-accumulation effect on oil-film bearing oil viscosity change with time，the NDJ-5S digital viscometer was adopted to measure the viscosity of S220 oil，M220 oil，and H460 oil under normal pressure and at different temperature.Then the experimental data was analyzed to get the viscosity-temperature curve of the three oils and viscosity with the variation of operation time at different temperature.Owing to the experiment，we can know that the viscosity of oil drops with operation time，and the lubricating oil viscosity value is higher，the decline is more obvious.Moreover，the relationship between viscosity and test temperature and run time model was established，and a parameter to evaluate temperature sensitivity of operation time parameters was proposed，which could provide reference and basis for future research and evidence of lubricating performances of oil film.

Key words：oil-film bearing oil，time-accumulation，lubricating performances

中圖分類號(hào)：TE626.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.01.014

文章編號(hào)：1673-2057(2016)01-0064-04

作者簡(jiǎn)介：張亞南(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)；通訊作者：王建梅，教授，E-mail：wjmhdb@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51205269)；山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(2013-093)；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012011018-2)

收稿日期：2015-03-16