潤滑油潤滑性的影響因素與評定方法

郭忠烈，費逸偉，姜旭峰，彭顯才，劉鴻銘

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

潤滑油潤滑性的影響因素與評定方法

郭忠烈，費逸偉，姜旭峰，彭顯才，劉鴻銘

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

潤滑性是潤滑油最基本的特性，直接影響潤滑效果。文章分析了影響潤滑油潤滑性的因素，包括黏度、油性以及極壓性，總結(jié)了潤滑油潤滑性的評定方法，當(dāng)摩擦副處于流體潤滑狀態(tài)時，用黏度評定其潤滑性，當(dāng)處于邊界潤滑狀態(tài)時用摩擦-磨損試驗機評定其潤滑性。

潤滑油；潤滑性；黏度；摩擦-磨損試驗機

0 引言

世界能源的1/3～1/2最終以各種不同形式的摩擦消耗掉，降低機械的摩擦損失對節(jié)約能源有著至關(guān)重要的作用，潤滑油是機械降低摩擦、減小磨損的有效手段，同時還擔(dān)負(fù)著冷卻降溫、防止腐蝕、傳遞作用力、減振、絕緣、清潔、密封等任務(wù)[1]，對現(xiàn)代各型機械設(shè)備的正常運行起著無法替代的作用。潤滑油降摩減磨的效果直接取決于潤滑油潤滑性的好壞，潤滑性也是潤滑油最基本的特性。研究潤滑油潤滑性對于研究和研發(fā)潤滑油都有重要意義。

1 潤滑油潤滑性影響因素

潤滑性是指潤滑劑減少摩擦和磨損的能力。作為潤滑油最基本的性質(zhì)，潤滑性直接影響到機械磨損程度，與機械的使用壽命和使用效率息息相關(guān)，從某種意義上講，潤滑油的好壞很大程度取決于潤滑性能的好壞。潤滑油潤滑性取決于油品的黏度、油性和極壓性三個方面的性質(zhì)[2]。

1.1 黏度

液體在外力作用下作層流運動時，相鄰兩層流體分子間存在內(nèi)摩擦力阻滯液體流動，這種特性稱為液體的黏滯性，衡量黏滯性大小的物理量稱為黏度[3]。油品黏度常用的表示方法主要是運動黏度和動力黏度，這兩種黏度表示方法表示的是絕對黏度，其中動力黏度常用于理論分析和計算，運動黏度普遍用于汽油機油、柴油機油、柴油、噴氣燃料、液壓油、潤滑油的技術(shù)指標(biāo)中。在一些場合會使用相對黏度，包括恩氏黏度、賽氏黏度、巴比黏度等，我國使用的是恩氏黏度，且僅在個別大黏度、深色的油品中使用。黏度越大，油品流動的摩擦阻力越大，流動越困難，從宏觀上表現(xiàn)為油品更黏稠。

根據(jù)潤滑油在摩擦副表面所形成的潤滑膜層的性質(zhì)和狀態(tài)，潤滑可以分為流體潤滑和邊界潤滑兩大類，而黏度對潤滑性的影響主要體現(xiàn)在流體潤滑中。流體潤滑中，兩摩擦表面被一層可流動的潤滑膜隔開，膜厚比通常大于3，正是由于流體潤滑膜的存在，使得摩擦系數(shù)很低，磨損極小，是最為理想的潤滑狀態(tài)。

流體潤滑膜的形成與油品黏度有重要關(guān)系。流體油膜形成的起因是流體油壓的產(chǎn)生，而油壓的產(chǎn)生與流體在摩擦面上的流動阻力有關(guān)，也就是和黏度有關(guān)[4]。黏度越大，油品保持流體潤滑層的能力越強，越能減少磨損，因此，在低轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷的場合，流體潤滑膜形成困難，需使用大黏度的潤滑油來減少磨損，但同時黏度增加會增大機械的工作阻力，而在高轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷的場合，流體潤滑膜形成較容易，使用黏度較低的潤滑油就能起到良好的潤滑效果，還避免了因黏度增加而增大的工作阻力，提高了機械效率。

1.2 油性

在機械工作條件不足以形成足夠厚度或連續(xù)的流體潤滑膜時，摩擦副的潤滑主要靠一層極薄的(約0.01 μm)，非流動狀態(tài)的潤滑膜，此時處于邊界潤滑狀態(tài)。由于潤滑膜呈非流動狀態(tài)，潤滑油的黏度不再是潤滑的重要影響因素，而潤滑油與固體間的物理化學(xué)作用成為影響潤滑效果的主要因素[5]。

潤滑油在金屬表面形成吸附膜的性質(zhì)稱為油性，油性與油分子的極性有關(guān)。油品中與金屬表面親和性強的極性的組分與金屬表面分子依靠范德華力而形成物理吸附潤滑膜，當(dāng)油品中存在脂肪酸類化合物時，還會和金屬表面形成暫時性的脂肪酸金屬皂，形成半化學(xué)半物理性質(zhì)的吸附潤滑膜[6]，這種帶有半化學(xué)性質(zhì)的吸附膜比單純的物理吸附膜有更強的吸附能力。正是吸附膜的存在，使得摩擦副不至于直接接觸，從而降低磨損，并且油品油性越強，吸附膜就越容易形成，潤滑效果也就越好。一般情況下油品中極性分子的極性越強、分子鏈長越長或是在油品中含量越多，潤滑油油性就越強，吸附膜的厚度和強度也都會增加，潤滑效果也就越好[7]。

相比于流體潤滑，吸附膜潤滑要差得多，但也能起到較好的潤滑效果。當(dāng)溫度升高或者是摩擦副之間滑動速度過快時，這種靠分子極性而形成的吸附膜會發(fā)生解吸，而失去潤滑作用，因此吸附膜潤滑只使用于溫度和速度不高的場合。

1.3 極壓性

油品在金屬表面形成邊界反應(yīng)潤滑膜的性質(zhì)稱為極壓性。在高溫、高壓時，邊界吸附膜潤滑會受到破壞而失去潤滑作用，這時候需要靠油品的極壓添加劑與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)反應(yīng)邊界膜來潤滑。

潤滑油基礎(chǔ)油成分不能與金屬發(fā)生反應(yīng)，因此需要在基礎(chǔ)油中添加極壓添加劑，它們是含硫、磷、氯等元素的有機化合物，在苛刻條件下潤滑時，吸附膜失去潤滑作用，兩摩擦副出現(xiàn)大面積接觸，摩擦產(chǎn)生熱量使得極壓添加劑分解出活性元素，活性元素與金屬之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在摩擦副表面形成一層金屬化合物，這些金屬化合物的硬度和剪切強度比金屬低得多，且熔點較低，在摩擦過程中產(chǎn)生的高溫高壓條件下能發(fā)生部分變形和流動，使摩擦表面更加光滑，有助于潤滑[5]。

化學(xué)反應(yīng)膜相對于吸附膜有更好的穩(wěn)定性，可以在更高的負(fù)荷和溫度下起到潤滑作用，但在低溫下由于難以產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，反而不適合潤滑?；瘜W(xué)反應(yīng)膜的形成靠的是潤滑油中的極壓添加劑，添加劑的反應(yīng)能力亦不能太強，否則會加快金屬材料的損耗，從另一個角度講，金屬發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)也就是發(fā)生了化學(xué)腐蝕。

2 潤滑油潤滑性評定方法

潤滑油的潤滑性能與潤滑油本身以及摩擦副的潤滑狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)摩擦副處于流體潤滑狀態(tài)，黏度是影響潤滑性的主要原因，可以通過黏度評價其潤滑性，而當(dāng)摩擦副處于邊界潤滑狀態(tài)時，油性和極壓性是影響潤滑的主要原因，此時無法用理化指標(biāo)評定其潤滑性，通常采用摩擦-磨損試驗機對潤滑性進(jìn)行評價。

2.1 流體潤滑狀態(tài)潤滑性的評定

部件處于流體潤滑狀態(tài)時，通常以運動黏度表示潤滑油的潤滑性。我國運動黏度按照國家標(biāo)準(zhǔn)《石油產(chǎn)品運動黏度測定法》(GB/T 265-1988(2004))測量。該方法采用玻璃毛細(xì)管黏度計，通過測量油品流過毛細(xì)管的時間，計算得出油品的運動黏度。

其測定依據(jù)是泊塞耳方程。根據(jù)方程，牛頓流體的動力黏度滿足公式(1)。

(1)

η為動力黏度，r為毛細(xì)管半徑，L為毛細(xì)管長度，V為從毛細(xì)管流出的試樣體積，p為毛細(xì)管兩端的壓力差，τ為試樣流出需要的時間。在毛細(xì)管中，兩端的壓力差又可用油柱的靜壓表示為(2),動力黏度可表示為(3)。

p=h·ρ·g

(2)

η=ν·ρ

(3)

h為液柱高度，ρ為試樣密度，g為重力加速度，ν為試樣運動黏度。則由公式(1)可得到(4)。

(4)

對于某一毛細(xì)管黏度計，其r、h、V、L都是定值，將(πr4hg)/8VL稱為毛細(xì)管常數(shù)，用c表示，則運動黏度只與毛細(xì)管常數(shù)c和試樣流出的時間τ有關(guān)。每一只毛細(xì)管常數(shù)c已經(jīng)提前測定，因此只需要測出試樣流出時間τ，通過公式(5)即可計算實驗溫度下的運動黏度。

ν=c·τ

(5)

而對于動力黏度可根據(jù)公式(3)計算得出。

值得注意的是由于溫度對黏度的影響很大，潤滑油不僅要有合適的黏度還需要良好的黏溫性能，要保證在使用溫度下有合適的黏度才能保證其潤滑效果。

2.2 邊界潤滑狀態(tài)潤滑性的評定

處于邊界潤滑狀態(tài)時，潤滑油的油性和極壓性是影響潤滑的主要因素，通常用摩擦-磨損試驗機通過測定其摩擦系數(shù)、磨痕直徑、承載負(fù)荷等指標(biāo)評定潤滑性能。常用的試驗機包括四球機、梯姆肯(Timken)試驗機、法萊克斯(Felex)試驗機等。

(1)四球試驗機評定

四球試驗機的主要試驗部件為四顆鋼球，將下面三顆球固定，轉(zhuǎn)動上面的球，上面的球與下面的球之間為點與點接觸的滑動摩擦。評定潤滑油潤滑性能較為經(jīng)濟(jì)，試驗周期短且用量少，適用于潤滑油的質(zhì)量檢測[8]，是潤滑劑承載能力試驗的主要裝置，也是對潤滑劑臺架試驗預(yù)篩選的有力工具[9]，其應(yīng)用也最為廣泛。

四球機試驗中各國采用的方法和評價指標(biāo)都不同，表1為四球機試驗常用試驗標(biāo)準(zhǔn)。

表1 四球機試驗標(biāo)準(zhǔn)

我國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3142-82法是在室溫下，轉(zhuǎn)速為(1450±50)r/min，將負(fù)荷從6 kg到800 kg分為22個級別，在每一個級別的負(fù)荷下進(jìn)行10 s摩擦試驗后記錄該負(fù)荷下鋼球的磨痕直徑，直到鋼球燒結(jié)。用最大無卡咬負(fù)荷PB、燒結(jié)負(fù)荷PD和綜合磨損值ZMZ表示潤滑油承載能力。國家標(biāo)準(zhǔn)還包括GB/T 12583-1998法，二者的試驗條件差別主要在于轉(zhuǎn)速，后者的轉(zhuǎn)速高于前者，兩者的測試指標(biāo)均包括最大無卡咬負(fù)荷PB和燒結(jié)負(fù)荷PD，但由于轉(zhuǎn)速不同，兩個值都有所不同，同時，GB/T 3142法采用綜合磨損值ZMZ指標(biāo)，而GB/T 12583法采用負(fù)荷-磨損指數(shù)LWI，二者在計算方法上也有所差別[10]。

我國石化行業(yè)的四球機標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0189-92，是在147 N或392 N負(fù)荷，溫度為75 ℃條件下，以1200 r /min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)60 min，使用下面三個球的磨斑直徑的平均值來評價潤滑油的抗磨性能。SH/T 0762-2005是將在規(guī)定條件下磨合后符合要求的鋼球在試油溫度為75 ℃，轉(zhuǎn)速為600 r/min的條件下，將負(fù)荷從98.1 N開始，每10 min增加98.1 N負(fù)荷并記錄下摩擦系數(shù)，直到摩擦記錄儀開始出現(xiàn)跳動，根據(jù)摩擦力、摩擦力臂長度和試驗負(fù)荷，選用相應(yīng)公式計算摩擦系數(shù)。

四球機通過測定最大無卡咬負(fù)荷、燒結(jié)負(fù)荷、綜合磨損值、負(fù)荷-磨損指數(shù)、磨斑直徑、摩擦系數(shù)等指標(biāo)評價潤滑油的潤滑性能，在潤滑油及其添加劑摩擦學(xué)性能的研究中應(yīng)用很廣泛。楊洪濱[11]等利用四球試驗機評價了硫、磷添加劑的降解對齒輪油的極壓抗磨性能的影響，通過測定平均磨斑直徑、最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷考察齒輪油使用后極壓抗磨性能的變化；陸強[12]等用四球機對由稻殼制備的生物油及其與4種助劑的混合物的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究；李柯[13]等采用四球機測定添加納米羥基磷灰石的潤滑油的承載能力。

(2)梯姆肯(Timken)試驗機

梯姆肯試驗機又稱為環(huán)-塊試驗機，被廣泛地應(yīng)用于評定潤滑油脂的極壓性水平和規(guī)格試驗[14]，試驗機的主要試驗部件為一個試塊和一個試環(huán)，試驗時試塊固定，試環(huán)轉(zhuǎn)動，試環(huán)與試塊之間為線接觸形式的滑動摩擦，通過測定OK值判斷潤滑油的抗擦傷能力。

表2 梯姆肯試驗機的試驗方法

梯姆肯試驗機的試驗標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，GB/T 11144-2007和SH/T 0532-1992的測定過程相似，是在規(guī)定的溫度下，主軸的轉(zhuǎn)速為(800±5)r/min，按照規(guī)定的負(fù)荷級別加載負(fù)荷，在每級負(fù)荷下運行10 min±15 s后，觀察試塊的磨痕，直到出現(xiàn)擦傷，將出現(xiàn)擦傷時的負(fù)荷減小到規(guī)定的值繼續(xù)試驗，若不出現(xiàn)擦傷則此時的負(fù)荷為OK值，若出現(xiàn)擦傷則把此負(fù)荷減少一定的值后作為OK值。二者在試樣溫度和負(fù)荷級的增量之間稍有差別，但基本相似，對應(yīng)的美國試驗方法為ASTM D2782-2001。

潤滑油的梯姆肯OK值可以表示在特定條件下潤滑油防止特定的金屬試件出現(xiàn)擦傷的能力，與油品的油性、極壓性、跑合性和金屬材料都有一定的關(guān)系[15]，但梯姆肯機OK值的再現(xiàn)性以及和現(xiàn)實的相關(guān)性不夠好，這也使得將OK值作為產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)受到很多學(xué)者的質(zhì)疑。作為一種研究手段，梯姆肯試驗機還是可以在一定條件下配合其他試驗項目作為潤滑性的評定依據(jù)的，王穩(wěn)[16]等采用梯姆肯試驗機和四球摩擦磨損試驗機綜合考察了烴分子添加劑在公交車兩用燃料發(fā)動機油中的摩擦學(xué)性能，其研究有一定指導(dǎo)意義。

(3)法萊克斯(Felex)試驗機

法萊克斯試驗機的主要試驗部件為一個試驗軸(或銷)和兩個V形塊，實驗時軸(銷)處于V形塊的V形槽內(nèi)，試驗軸(銷)轉(zhuǎn)動與V塊之間為線性接觸的滑動摩擦，表3為法萊克斯試驗機的試驗方法。

表3 法萊克斯試驗機的試驗方法

SH/T 0201-1992法是將兩個靜止的V形塊浸沒在液體潤滑劑中，試驗銷對著V形槽面，以(290±10)r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，給V形塊施加一定的負(fù)荷，測定試驗銷的摩擦扭矩，用校正后的扭矩和負(fù)荷計算摩擦系數(shù)；SH/T 0187-1992法的試驗條件和SH/T 0201-1992相同，是通過連續(xù)增加負(fù)荷直到試驗部件失效或是以梯度增加負(fù)荷，在每個負(fù)荷下恒定1 min，直到失效，得出試驗失效負(fù)荷，然后用校正后的失效負(fù)荷作為判斷油品極壓性的依據(jù)；SH/T 0188-1992法是將試驗軸和V形塊在規(guī)定的時間和載荷下試驗，由于磨損引起載荷下降，棘輪齒數(shù)發(fā)生變化，通過測定試驗開始和結(jié)束時棘輪齒數(shù)之差來表示磨損情況。

李廣宇[17]等采用法萊克斯試驗機評價乳化切削液的極壓性能，發(fā)現(xiàn)乳化切削液的極壓潤滑性能與添加劑的種類密切相關(guān);童宗文[18]等用法萊克斯試驗機考察了硫化異丁烯在聚α-烯烴中的摩擦學(xué)性能，證明了硫化異丁烯可以提高潤滑油的極壓性能。

除了以上試驗標(biāo)準(zhǔn)外，我國石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法中還有擺錘式(振子)試驗機的試驗標(biāo)準(zhǔn)方法SH/T 0072-1991，CL-100(或FZG)齒輪機的試驗方法SH/T 0306-92，M-200試驗機(或SAE試驗機)的試驗標(biāo)準(zhǔn)方法SH/T 0190-1992，SRV試驗機的標(biāo)準(zhǔn)方法NB/SH/T 0847-2010,此外還有很多試驗機方法并未列入石化標(biāo)準(zhǔn)，如阿爾門試驗機、阿姆拉斯試驗機等。值得注意的是摩擦磨損試驗機是將復(fù)雜的實際的摩擦情況進(jìn)行簡化以便研究，其結(jié)果只能是在一定的條件下表征潤滑油的潤滑性能，與實際潤滑情況不一定相同。在現(xiàn)實使用中要根據(jù)油品的使用條件選擇合適的測試方法和指標(biāo)或綜合利用幾種試驗機進(jìn)行試驗，而需要更精確地了解實際潤滑情況時還可以做臺架試驗或?qū)嵨镌囼?，但這需要更長的試驗周期和更多的資金投入。對于一般的潤滑性研究，摩擦-磨損試驗機無疑是很好的選擇。

3 結(jié)束語

潤滑是節(jié)約能源的重要手段，也是機械設(shè)備良好運行必不可少的條件，而使用潤滑油是最直接有效的方式。潤滑油的好壞很大程度上取決于其潤滑性的好壞，研究其潤滑性對潤滑油的選用和研發(fā)都有意義。對于潤滑油自身而言，影響潤滑性的因素包括黏度、油性和極壓性，三者在不同的潤滑狀態(tài)起作用，當(dāng)摩擦副處于流體潤滑狀態(tài)時，用黏度評定其潤滑性，處于邊界潤滑時用摩擦磨損試驗機評定其潤滑性。雖然摩擦磨損試驗機已經(jīng)廣泛用于潤滑油潤滑性能的評定，但其簡化的試驗條件與實際潤滑情況并不完全相同，只能在一定條件下表征潤滑油的潤滑性能，在實際應(yīng)用中要根據(jù)油品的產(chǎn)品要求和使用條件選擇合適的試驗機進(jìn)行試驗，有條件或是對結(jié)果有更精確的要求時可以進(jìn)行更符合實際情況的臺架試驗或是直接進(jìn)行實物試驗。

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Effect Factors and Evaluation Methods of Lubricating Oil' s Lubricity

GUO Zhong-lie, FEI Yi-wei, JIANG Xu-feng, PENG Xian-cai, LIU Hong-ming

(Department of Aviation Oil and Material, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

Lubricity is the most basic feature of lubricating oil which affects the lubricating effect directly. This paper analyzes the factors that affect the lubricity of lubricating oil, including viscosity, oiliness and extreme pressure property. The evaluating methods for lubricity are summarized, when friction pairs are in fluid lubrication state, lubricity is evaluated by viscosity, when friction pairs are in boundary lubrication state, friction-wear tester is used to evaluate the lubricity.

lubricating oil; lubricity; viscosity; friction-wear tester

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.04.009

1002- 3119(2017)04- 0044- 05

TE626.3

A

2017-04-17。

郭忠烈，碩士研究生，主要研究方向：航空油料應(yīng)用技術(shù)。E-mail：1241781945@qq.com