高低温仪表轴承润滑油黏温特性的研究

张黎燕，王燕霜，曹佳伟

(1.河南机电职业学院 机械工程系，郑州 450002；2.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003)

在润滑理论分析中，黏度是润滑剂最重要的物理性质。在一定的工况条件下，润滑剂黏度是决定油膜厚度的主要因素[1]。一般来说，黏度越大，油膜厚度就越大。但黏度也是影响摩擦力的重要因素。黏度越大，引起的摩擦损失和热量就会越大，而且难以对流散热，从而会使润滑剂的温度上升，亦有可能使油膜破裂[2]。黏度随温度和压力的变化而变化，黏温特性和黏压特性是润滑油的重要性能指标。特3、特4和4122润滑油是3种高低温仪表油，主要用于高速微型电机轴承和航空仪表轴承的润滑，工作在高低温环境下，故要求具有优良的高低温润滑性能，即良好的黏温特性。

关于润滑油黏温特性的研究很多，文献[3]研究了关于喷气燃料的黏温特性，文献[4]对4109和4050航空润滑油进行了试验研究，并给出了这2种润滑油的黏温特性曲线。但上述研究大都是测得常温和高温时油或者润滑剂的黏度，按照Walther模型画出黏温曲线。下文分别采用高温和低温运动黏度测量仪，检测特3、特4和4122润滑油在高温和低温时的黏度，分析了3种润滑油的黏温特性，并基于黏温检测数据对黏温模型Walther和Vogel进行了对比分析。

1 检测装置及方法

1.1 检测原理

检测所用的毛细管式黏度计，是以一定容积的液体依靠自身重力流过一根标准毛细管所需的时间来测定液体的黏度。黏度计常数与流动时间的乘积就是该温度下所测液体的黏度。

1.2 检测装置

高温黏度检测采用SYP1003型运动黏度测量仪，低温黏度检测采用BSY-108F型低温运动黏度测量仪。高温黏度测量仪示意图如图1所示，主要由恒温浴、恒温套、黏度计、玻璃水银温度计、控制和辅助加热器以及秒表等组成[5-6]。检测前应按照JJG155毛细管黏度计检定规程对每只黏度计进行检定，并确定相应常数。低温运动黏度测量仪结构与高温黏度测量仪相似，但需增加压缩机制冷系统。

图1 SYP1003黏度测量仪示意图

考虑到毛细管黏度计清洗不方便，采用YB-DX-98-7型电动吸痰机作为辅助装置，利用其负压原理将毛细管中的溶剂油与残余试剂的混合物吸出来，清洗效果好且效率较高。由于毛细管很细，普通的注射法不能保证注入的油中没有气泡，因此，采用电动吸痰机作为注入器的负压吸引法，其注入过程如图2所示。

图2 负压吸引法

1.3 检测方法

1.3.1 高温黏度检测

检测时，在恒温浴中加入恒温介质，并加热到检测所需的温度。恒温浴的加热速度可以自由控制，刚开始可以同时接通600 W和1000 W的加热器，当加热到低于所需温度1.5～2 ℃ 时，1 000 W加热器将自动停止，600 W加热器继续加热。当距所需温度≤0.4 ℃时，600 W加热器与微调指示灯交相闪亮，这时调节微调旋钮，达到要求的温度时600 W加热器停止加热。此时将先前备好的毛细管黏度计放入恒温浴介质中保持5～10 min，以使毛细管内、外温度相等，然后释放毛细管中的试验油，同时记下被检油经过毛细管标定线所需的时间，按照上述方法重复4次。双层恒温层中充满空气使双层玻璃不会产生水雾，同时底部还有日光灯照明，故可以清晰地观察到毛细管的标定线。

1.3.2 低温黏度检测

检测时向低温浴内注入无水乙醇，选择所需的测量温度，接通压缩机制冷系统。然后通过控制面板上的粗调旋钮和微调旋钮控制低温浴内的温度。当达到测量所需的温度时，首先将备好的毛细管黏度计放入低温浴中保持15～20 min，以使毛细管内、外温度相同，然后释放毛细管中的试验油，同时记下被检油经过毛细管标定线所需的时间，按照上述方法测量4次。

2 检测结果

根据相关国家标准的要求，用秒表记录试验油的流动时间，应重复测量4次。在15～100 ℃的温度下检测黏度时,检测时间最大值与最小值的差值不应超过算术平均值的±0.5%；当温度为-30～15 ℃时，该差值不应超过算数平均值的±1.5%。然后取不少于2次的流动时间所得的算数平均值作为试样的平均流动时间。检测获得的特3、特4和4122润滑油在-30，-20，-10，0，20，40和50 ℃时的黏度见表1。

表1 特3、特4和4122润滑油的运动黏度

3 黏温特性分析

特3、特4和4122润滑油黏度随温度变化的特性如图3和图4所示。图中的点表示检测数据，线表示采用黏温模型计算的结果。由图可以看出，3种润滑油的黏度都随着温度的升高而降低，当达到一定温度时趋于稳定。特3和特4润滑油黏温曲线接近，当温度高于0 ℃ 时，2种润滑油的黏度基本相同，当温度低于0 ℃时，特3润滑油的黏度高于特4，随温度的降低，这2种润滑油的黏度差别越来越大。4122润滑油的黏度高于特3和特4润滑油，且其黏度随温度的变化较大，黏温性能不如特3和特4润滑油。

图3 Walther模型下的黏温曲线

图4 Vogel模型下的黏温曲线

4 黏温模型的建立

常见的黏温模型有Roelands， Erying， Slotte， Vogel以及Walther等。由于Vogel和Walther模型适合的温度范围较宽，故采用这2个模型来计算润滑油的黏度。

用函数形式描述的Vogel模型为

(1)

式中：a,b和c为待确定系数；ν为黏度；T为温度。

Walther模型为

lg lg(ν+0.6)=A-BlgT，

(2)

式中：A和B为待确定系数。

采用偏差平方和Q作为衡量总偏差的依据，则

(3)

通过使Q达到最小值，利用计算程序寻优，来求得(1)式中的a，b,c或(2)式中的A，B，这样得到的模型或曲线能更好地接近真实值。

通过上述方法得到特3、特4和4122润滑油黏温模型。

Walther黏温模型

特3润滑油

lg lg(ν+0.6)=6.699 35-2.641 95lgT，

(4)

特4润滑油

lg lg(ν+0.6)=6.546 67-2.583 78lgT，

(5)

4122润滑油

lg lg(ν+0.6)=4.786 11-1.828 45lgT。

(6)

Vogel黏温模型

特3润滑油

(7)

特4润滑油

(8)

4122润滑油

(9)

从图3和图4可以看出，Walther和Vogel黏温模型都很好地描述了这3种润滑油黏度随温度变化的趋势。采用Walther黏温模型得到的计算结果与检测结果之间的平均误差分别为6.49%，2.79%和9.61%；采用Vogel黏温模型得到的计算结果与检测结果之间的平均误差分别为1.50%，0.49%和7.54%。可见，Vogel模型计算精度明显好于Walther模型。

5 结论

(1)当温度高于0 ℃时，特3和特4润滑油的黏度基本相同，温度低于0 ℃时，特3润滑油的黏度大于特4油，且随着温度的降低，两者的黏度差越来越大。

(2)特3和特4润滑油的黏温性能相近，都好于4122油的黏温性能。

(3)Vogel模型的计算精度高于Walther模型。