從三大方面分析潤(rùn)滑油粘度指標(biāo)

2017-12-22   來(lái)源：潤(rùn)滑油情報(bào)

    潤(rùn)滑油是機(jī)械設(shè)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(hù)和密封等作用，對(duì)保持機(jī)械的良好狀態(tài)，提高運(yùn)行效率，延長(zhǎng)使用壽命都有積極作用。粘度作為潤(rùn)滑油的主要質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能、工作效率和磨損程度都有直接影響，是潤(rùn)滑油選用、牌號(hào)劃分、儲(chǔ)存輸送和生產(chǎn)指導(dǎo)的重要依據(jù)。分析潤(rùn)滑油的粘度指標(biāo)，對(duì)于潤(rùn)滑油的使用、生產(chǎn)和研究都有重要意義。

粘度及黏溫性的表示方法

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

1.1粘度的表示方法

潤(rùn)滑油粘度常用的表示方法有動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度，在少數(shù)油品中會(huì)用到條件粘度。

(1) 動(dòng)力粘度

牛頓流體的摩擦阻力可以用牛頓內(nèi)摩擦定律計(jì)算。如圖1所示，假設(shè)在兩塊平行板間充滿(mǎn)流體，上板以速度沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)，下板固定不動(dòng)，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(yùn)動(dòng)。取其中一微小流層，其下表面坐標(biāo)為z，流速為v，上表面坐標(biāo)為z+ds，流速為v+dv，根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律該流層受到的摩擦阻力F可按公式(1)計(jì)算：

進(jìn)一步推導(dǎo)得到公式(2)

其中S為流層面積，dv/dz通常稱(chēng)為速度梯度或剪切速度，μ為內(nèi)摩擦因素，由流體性質(zhì)決定，稱(chēng)為動(dòng)力粘度、絕對(duì)粘度或粘度系數(shù)。動(dòng)力粘度的單位為帕秒(Pa·s)、毫帕秒(mPa·s)或泊(P)、厘泊(cP)，其轉(zhuǎn)化關(guān)系如(3)所示。

(2) 運(yùn)動(dòng)粘度

由于液體流動(dòng)的快慢同時(shí)與內(nèi)摩擦阻力和流體密度有關(guān)，將液體動(dòng)力粘度與該溫度下液體密度的比值，稱(chēng)作運(yùn)動(dòng)粘度，用v表示，如公式(4)所示。運(yùn)動(dòng)粘度綜合表現(xiàn)液體的流動(dòng)快慢和難易程度。

其中ρ為液體在該溫度下的密度。運(yùn)動(dòng)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(shí)際使用主要采用斯和厘斯作單位，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為公式(5)

國(guó)際上通常用運(yùn)動(dòng)粘度表示流體的粘度，油品的粘度也通常采用運(yùn)動(dòng)粘度表示。

(3) 條件粘度

條件粘度是在一些規(guī)定的條件下評(píng)定得出的粘度值，又叫做相對(duì)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(shí)間表示粘度；巴比流度以一定時(shí)間內(nèi)液體從儀器中流出的數(shù)量表示粘度；我國(guó)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(shí)間與該條件下水從儀器中流出的時(shí)間的比值表示粘度。

由于條件粘度的值沒(méi)有絕對(duì)的物理意義，且其測(cè)定精度不高，不同條件粘度之間測(cè)定的條件相差較大，單位不統(tǒng)一，條件粘度逐漸淘汰使用。我國(guó)在僅在少數(shù)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(rùn)滑油需要良好的粘溫性能，粘溫性差的潤(rùn)滑油粘度隨溫度變化大，使用溫度范圍窄。為了評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的粘溫性能，通常采用粘度比、粘溫系數(shù)、粘度指數(shù)等指標(biāo)。

(1) 粘度比

將同一種潤(rùn)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(shuō)明粘度隨溫度變化小，油品粘溫性能好，粘度比大說(shuō)明粘度隨溫度變化大，粘溫性能差。

(2) 粘溫系數(shù)

將潤(rùn)滑油0℃粘度與100℃粘度的差值比上該潤(rùn)滑油50℃粘度得到粘溫系數(shù)，表示為(υ0℃-υ-1000℃)/υ－50℃，粘溫系數(shù)越小表明粘溫性能越好，反之則越差。這一指標(biāo)常用于航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油粘溫性能評(píng)定。

(3) 粘度指數(shù)

目前最為廣泛使用的粘溫性能指標(biāo)是粘度指數(shù)，它是將潤(rùn)滑油與標(biāo)準(zhǔn)油的粘溫性能相比較，從而得出粘溫性能的評(píng)定結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)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(gè)系列都包含有不同粘度的油，將H系列油粘度指數(shù)定為100，L系列油粘度指數(shù)定為0，兩個(gè)系列油40℃和100℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。評(píng)定粘度指數(shù)時(shí)，在測(cè)得該油品100℃和40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度后，與其100℃粘度相同的兩標(biāo)準(zhǔn)油比較40℃的粘度值，按照以下公式(6)計(jì)算粘度指數(shù)。

其中L為低標(biāo)準(zhǔn)油40℃運(yùn)動(dòng)粘度，H為高標(biāo)準(zhǔn)油40℃運(yùn)動(dòng)粘度，U為所測(cè)油品在40℃的運(yùn)動(dòng)粘度。當(dāng)粘度指數(shù)大于100時(shí)，采用公式(7)、(8)計(jì)算。
  

式中，為所測(cè)油品在100℃的運(yùn)動(dòng)粘度。H和L的值可從標(biāo)準(zhǔn)表中直接查到或通過(guò)內(nèi)插法計(jì)算得到。

影響粘度的因素

2.1基礎(chǔ)油對(duì)粘度的影響

基礎(chǔ)油是潤(rùn)滑油的主體部分，決定著潤(rùn)滑油的基本性質(zhì)，潤(rùn)滑油的粘度與基礎(chǔ)油的化學(xué)組成有直接關(guān)系。

 礦物潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油主要由烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴組成，餾程越高，烴分子相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間引力越強(qiáng)，粘度越大；在烴類(lèi)中碳原子數(shù)相同時(shí)，烷烴粘度最小，芳香烴次之，環(huán)烷烴粘度最大，且分子異構(gòu)程度越大粘度越大;環(huán)狀碳原子在油品分子中所占比例越大粘度也越大。礦物潤(rùn)滑油組分中，粘度指數(shù)最高的是正構(gòu)烷烴，異構(gòu)烷烴粘度指數(shù)低于正構(gòu)烷烴，并且隨著分支側(cè)鏈越多粘度指數(shù)越低，環(huán)烷烴和芳香烴的粘度指數(shù)都低于正構(gòu)烷烴，當(dāng)分子中環(huán)狀結(jié)構(gòu)增多時(shí)粘度指數(shù)顯著降低，當(dāng)環(huán)數(shù)相同時(shí)，其環(huán)狀結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈越長(zhǎng)粘度指數(shù)越高，側(cè)鏈上分支增多，粘度指數(shù)下降。

合成潤(rùn)滑油根據(jù)其種類(lèi)和餾分的不同，粘度和粘溫性質(zhì)都有所不同。聚-α-烯烴油粘度指數(shù)高，可達(dá)到135~145，粘度范圍可根據(jù)餾分范圍和聚合次數(shù)調(diào)整，可以生產(chǎn)出100℃運(yùn)動(dòng)粘度為3~120mm2/s或40℃運(yùn)動(dòng)粘度為17~2000mm2/s的各種潤(rùn)滑油;酯類(lèi)油中雙酯的粘度指數(shù)一般在150以上，有時(shí)甚至高達(dá)180，復(fù)酯的粘度最大，100℃運(yùn)動(dòng)粘度在19~25mm2/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(duì)粘度的影響

潤(rùn)滑油的粘度主要來(lái)源于分子之間的相互作用力，當(dāng)溫度升高時(shí)，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(dāng)溫度降低時(shí)粘度增大，尤其在低溫條件下這種變化更為突出。

我國(guó)石油產(chǎn)品粘度和溫度之間關(guān)系可由經(jīng)驗(yàn)公式(9)確定：

其中為油品在溫度t時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度，A、B為隨油品性質(zhì)而定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，0.65為適用于我國(guó)石油產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，國(guó)外常采用0.8，T為油品熱力學(xué)溫度。

溫度對(duì)粘度的影響極大，比較了SC30汽油潤(rùn)滑油和20號(hào)航空潤(rùn)滑油在不同溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度，其中SC30汽油機(jī)潤(rùn)滑油10℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度是50℃時(shí)粘度的12倍，而20號(hào)航空潤(rùn)滑油在同樣條件下粘度達(dá)到原來(lái)的20倍。

2.3壓力對(duì)粘度的影響

液體受到壓力時(shí)，分子間的距離縮短，吸引力增大，粘度會(huì)升高，當(dāng)壓力低于0．5×107Pa時(shí)，粘度隨壓力的變化可以忽略，當(dāng)壓力超過(guò)2×107Pa時(shí)，壓力對(duì)粘度的影響比較明顯。

根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，人們歸納得出一系列粘度與壓力、溫度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式，其中Ｒotermund提出的公式(10)與實(shí)際結(jié)果有很好的一致性。

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

2.4添加劑對(duì)粘度的影響

潤(rùn)滑油中常加入粘度指數(shù)改進(jìn)劑(增粘劑)來(lái)改善粘溫性能。粘度指數(shù)改進(jìn)劑均為高分子化合物，在油品中隨溫度的變化而呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。低溫時(shí)，改進(jìn)劑分子收縮，體積小，對(duì)潤(rùn)滑油粘度的影響��；高溫時(shí)，改進(jìn)劑分子溶脹，流體力學(xué)的體積和表面積增大，溶液內(nèi)摩擦增加，有利于增加粘度，使?jié)櫥�油粘度不至于因溫度升高而降太低。使用粘度指�?shù)改進(jìn)劑之后，潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油可以選用粘度更低的組分，有利于在潤(rùn)滑油低溫下使用。

表1  多級(jí)油與普通潤(rùn)滑油的低溫性能比較

粘度指數(shù)改進(jìn)劑是潤(rùn)滑油中廣泛使的一種添加劑，尤其在多級(jí)汽油機(jī)油和多級(jí)柴油機(jī)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(shù)改進(jìn)劑的多級(jí)油的低溫性能比較。

2.5剪切力對(duì)粘度的影響

潤(rùn)滑油可能在剪切速率極高的場(chǎng)合使用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的挺桿、凸輪等部位工作時(shí)的剪切速率達(dá)到，高剪切速率會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油粘度造成一定影響。潤(rùn)滑油中聚合物成分在剪切力作用下容易發(fā)生碳鏈的斷裂，生成小分子的組分，因此在剪切力作用下潤(rùn)滑油粘度會(huì)有所降低。不同的剪切力、剪切速率、剪切時(shí)間、聚合物分子量、聚合物濃度以及基礎(chǔ)油粘度等都會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油粘度造成不同程度的影響。王國(guó)金等研究了多級(jí)油粘度與剪切力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在剪切的初期，隨剪切時(shí)間的增加，粘度迅速下降，在以后的時(shí)間里，粘度下降變得緩慢。他認(rèn)為，當(dāng)多級(jí)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(dāng)增大剪切應(yīng)力或提高聚合物或者是基礎(chǔ)油的粘度時(shí)，百分粘度損失都會(huì)相應(yīng)增加。相對(duì)于溫度和壓力等因素，剪切力對(duì)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(huì)逐漸增強(qiáng)。

粘度與潤(rùn)滑油性能的關(guān)系

3.1粘度與潤(rùn)滑性的關(guān)系

潤(rùn)滑性表示潤(rùn)滑油的減磨性能，與油品的粘度、油性、極壓性有關(guān)，主要體現(xiàn)在油品粘度上。粘度主要影響的是流體潤(rùn)滑的過(guò)程，它對(duì)形成潤(rùn)滑油膜的厚度有直接影響。

在一定的范圍內(nèi)，通常粘度越高機(jī)械的潤(rùn)滑效果越好。郭和軍等研究了低硫柴油潤(rùn)滑性，認(rèn)為在柴油機(jī)工作負(fù)荷較小、噴油壓力較低時(shí)，高壓油泵主要處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，這時(shí)油膜的厚度決定油泵內(nèi)摩擦副間的磨損程度，因而磨損程度只與粘度有關(guān)，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(duì)不同粘度的柴油餾分進(jìn)行抗磨性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明磨斑直徑與粘度之間存在較好的相關(guān)性，隨粘度上升而呈線(xiàn)性降低。粟斌等采用GB/T3142-82：“四球法”評(píng)定不同粘度等級(jí)潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能，結(jié)果表明，四球最大無(wú)卡咬負(fù)荷值基本隨粘度等級(jí)的增加而增大。

當(dāng)潤(rùn)滑油粘度過(guò)大時(shí)，工作阻力增大，粘度增加反而有損機(jī)械。張?jiān)鰪?qiáng)等通過(guò)熱彈流潤(rùn)滑數(shù)值計(jì)算，分析了潤(rùn)滑油粘度對(duì)齒輪接觸疲勞壽命的影響，結(jié)果表明對(duì)齒輪潤(rùn)滑而言，并非潤(rùn)滑油粘度越高越好。他認(rèn)為在一定的工況條件下，選用粘度大的潤(rùn)滑油不僅會(huì)加大潤(rùn)滑成本，還有損于齒輪傳動(dòng)的接觸疲勞壽命，國(guó)際齒輪強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中所推薦的潤(rùn)滑系數(shù)隨潤(rùn)滑油粘度的增大而單調(diào)上升的結(jié)論只能在一定的工況條件下使用。

 可見(jiàn)，潤(rùn)滑油粘度與潤(rùn)滑性之間有密切的聯(lián)系。在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)粘度越大越有利于摩擦表面的保護(hù)，潤(rùn)滑效果越好，但是粘度過(guò)大會(huì)增大機(jī)械的工作阻力，不利于機(jī)械運(yùn)行，甚至有損設(shè)備。實(shí)際工作中要根據(jù)機(jī)械的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、潤(rùn)滑方式等選擇合適粘度的潤(rùn)滑油。

3.2粘度與低溫流動(dòng)性的關(guān)系

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

潤(rùn)滑油低溫流動(dòng)性與低溫粘度息息相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)粘度越低流動(dòng)性越好，越有利于潤(rùn)滑油快速輸送到潤(rùn)滑部位，粘度越高則流動(dòng)越困難。在低溫條件下，潤(rùn)滑油的粘度會(huì)急劇增大，流動(dòng)性變差，流到摩擦副表面的時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，摩擦表面直接接觸的可能性就越大，磨損也就加劇。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的磨損約占發(fā)動(dòng)機(jī)磨損量的2/3，一方面是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)摩擦表面缺油，另一方面因?yàn)閱��?dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低，潤(rùn)滑油流動(dòng)困難。

合成類(lèi)潤(rùn)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(guò)高，保持一定的流動(dòng)性。礦物潤(rùn)滑油中選擇粘度更低的基礎(chǔ)油有利于保證低溫粘度不過(guò)大，為了保證高溫下粘度不至于太小，還需要配合粘度指數(shù)改進(jìn)劑使用。

3.3粘度與抗泡性的關(guān)系

潤(rùn)滑油在潤(rùn)滑系統(tǒng)中不斷流動(dòng)和循環(huán)，可能混入空氣而產(chǎn)生氣泡。潤(rùn)滑油中的氣泡若不及時(shí)消除會(huì)使?jié)櫥�油的�?rùn)滑性能下降、冷卻效果變差、清凈分散性不好，甚至發(fā)生汽蝕，腐蝕機(jī)械。這要求潤(rùn)滑油具有良好的抗泡性，能減少泡沫的產(chǎn)生和及時(shí)消除泡沫。

潤(rùn)滑油的抗泡性能與表面活性劑以及潤(rùn)滑油的粘度有關(guān)。表面活性劑會(huì)使?jié)櫥�油更容易產(chǎn)生泡沫，且產(chǎn)生的泡沫膜壁堅(jiān)韌不容易破裂，因而抗泡性能下降�？古菪阅芘c粘度的關(guān)系是:在一定的粘度范圍內(nèi)，潤(rùn)滑油抗泡性能達(dá)到最差，此時(shí)最容易產(chǎn)生氣泡且氣泡不容易去除，若增大或減少粘度抗泡性都會(huì)有所提高。這是因?yàn)檎扯葴p小時(shí)，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(dāng)粘度增大，不利于氣泡的產(chǎn)生，抗泡能力亦增強(qiáng)。粘度與溫度相互關(guān)聯(lián)，對(duì)于粘度不太大的潤(rùn)滑油而言，溫度升高時(shí)粘度變小，抗泡能力有所增強(qiáng)，對(duì)于較粘稠的潤(rùn)滑油來(lái)說(shuō)，溫度升高，粘度下降到一定的范圍，反而會(huì)增大泡沫形成的傾向。

結(jié)語(yǔ)

粘度是潤(rùn)滑油的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)潤(rùn)滑油的牌號(hào)劃分和選用以及潤(rùn)滑油性質(zhì)的研究都有重要意義。

粘度的常用表示方法包括動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)粘度、條件粘度，其中運(yùn)動(dòng)粘度最為常用；潤(rùn)滑油粘溫性能的表示方法有粘度比、粘溫系數(shù)和粘度指數(shù)等；潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的組成、溫度、壓力、添加劑以及剪切力等因素都會(huì)對(duì)粘度造成影響；粘度對(duì)潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性、流動(dòng)性以及抗泡性都有一定的指示作用，根據(jù)使用場(chǎng)合選擇合適粘度的潤(rùn)滑油使?jié)櫥�性達(dá)到最佳同時(shí)保持一定的流動(dòng)性和抗泡性，有利于減少摩擦磨損、提高機(jī)械效率、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備日益精細(xì)復(fù)雜，使用環(huán)境更加苛刻極端，尤其是在航空航天領(lǐng)域，潤(rùn)滑油常常在高溫、高壓、高速剪切的條件下使用，這對(duì)潤(rùn)滑油的品質(zhì)提高了要求。研究潤(rùn)滑油的粘度指標(biāo)，有利于配合下一步對(duì)潤(rùn)滑油性質(zhì)的評(píng)價(jià)和研究，對(duì)潤(rùn)滑油的研究工作有實(shí)際意義。