时间累积效应对油膜轴承油粘度的影响研究

张亚南，王建梅，张艳娟，张笑天

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)



时间累积效应对油膜轴承油粘度的影响研究

张亚南，王建梅，张艳娟，张笑天

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

摘要：为了研究时间累积效应对油膜轴承油粘度的影响，采用NDJ-5S数显旋转粘度计针对S220、M220和H460号油膜轴承油进行分析，测定了三种不同油品在工作一定时间后的粘度值。通过对实验数据进行处理，得到了不同情况下的粘温曲线及不同温度下粘度随运转时间的变化图。分析可知：随着运转时间的增加，润滑油粘度值下降，且润滑油粘度值越高，粘度下降程度越明显；同时建立了粘度和测试温度和运转时间的关系模型，提出了一种参数评估运转时间的温度敏感性参数，可为工作中油膜轴承油的润滑性能分析提供参考和依据。

关键词：润滑油；时间累积；润滑性能

油膜轴承具有承载能力大、速度范围宽、抗冲击性强等优点，广泛应用于板带材、热连轧机上。润滑油作为油膜轴承润滑介质，在运转过程中，粘度会降低，而油粘度的降低会使油膜厚度变薄，造成轴承承载能力下降，易导致两摩擦副之间产生摩擦磨损或者更严重的事故，因此研究油膜轴承油的性能显得尤为重要。

近年来一些学者对润滑油的现状、研制、性能和应用做了系统和深入的研究[1-10]。郝敬团等[3]研究了影响航空润滑油粘度的因素探究，给出了温度-粘度、温度-压力-粘度的关系经验公式，并比较了润滑油关于剪切力的实验方法；付洪瑞等[5]研究3种硅油与癸二酸二异辛酯混合基础油的黏温性能，发现在一定比例范围内硅油与酯类油的混合基础油，其低温运动黏度比硅油与酯类油的低温运动黏度都要小；Jiupeng Zhang等[9]研究了沥青粘结剂的粘温特性，发现表观粘度指数随着温度的增加而减小，可被视为独立的剪切速率的动态粘滞度指数随添加剂用量的增加，粘度表现线性下降的趋势。

影响润滑油粘度因素的研究在理论研究和定性分析方面居多，也有通过实验测量分析获得了粘温公式，但针对润滑油在一定使用的时间后，其粘温特性的变化情况的研究较少。本文主要针对油膜轴承油，利用旋转粘度计采集不同润滑油在使用一定的时间后，其温度变化时的粘度数据。

1油膜轴承润滑油粘度

润滑油粘度是表征油液分子间产生内摩擦力大小的参数指标，其大小主要取决于分子间的热运动和分子的内聚力。油膜轴承油在楔形间隙内流动时，由于轧辊的运转及润滑油自身的热运动，使得润滑油各层的速度有所差异，从而不同速度的流体层间产生摩擦力。油膜轴承在实际运转时，影响润滑油的粘度的主要为油膜压力、油膜温度及运转时间这三个因素。

本文主要研究运转时间及温度对油膜轴承油粘度的影响，准确掌握实际应用的油膜轴承油在运转一定时间后的粘度特性的变化规律对润滑特性分析具有重要意义。

2润滑油台架实验

通过大型轧机油膜轴承综合试验台对S-220、M-220和H-460三种油品进行台架试验，在运转不同的时间后，对油品进行取样，然后分析运转时间及温度对其粘度的影响情况。油品在运转过程中不与空气接触，三种样本的油均从油箱直接抽取。如图1为油膜轴承试验台装置。

图1　油膜轴承试验台装置

3油膜轴承油粘温测试实验

如图2所示为油膜轴承油粘温特性测量装置，系统主要由粘度计、温度传感器、计算机、水浴加热器以及润滑油柱状容器组成。采用数显旋转粘度计(NDJ-5S)测量油膜轴承油的粘度，进行数据采集则由计算机完成。

图2　粘温特性测量装置示意图

加热装置是在盛有油膜轴承油的烧杯外装有由水浴加热器，由水浴加热器对油膜轴承油进行加热，通过恒温控制仪对设定的加热温度进行调控，以保证加热的温度在要求的范围内。

4试验结果

为研究不同油品粘度与温度和运转时间的关系，分别绘制了图3，图4.图3不同油品在不同运转时间的粘温特性曲线，图4为不同油品在不同温度下粘度随时间的变化情况。

分析可得，S-220和M-220润滑油在低温区随着运转时间的增加，其粘度值逐渐减小；高温区三者的差距很小，曲线几乎重合。H-460与220油相比较，其低温区和高温区出现相同的情况，随着运转时间的增加，其粘度值逐渐减小。这是由于润滑油在试验过程中和外空气接触，参入杂物和水分使原始的润滑油变稀所引起。但是由于460油粘度高于220油粘度，故其相对变化量较为明显。

5考虑时间累积效应和温度的粘度数学模型

受温度影响的粘度方程可表示为：

η=η0×e-λ(T-T0)

(1)

由上面的分析可知，粘度η0随时间t呈现下降的趋势，则：

η0t=η0-α2t

(2)

参数λ也是随时间变化的一个参数，可将其表示为：

λt=α3+α4t

(3)

图3　不同油品在不同运转时间的粘温特性曲线

图4　不同油品在不同温度下粘度随时间的变化情况

由上分析，将式(2)和式(3)式带入式(1)可建立粘度与温度以及运转时间的数学模型，关系可表示为：

η(t,T)=(α1-α2t)e-α3(1+α4t)T

(4)

其中：η(t,T)为润滑油的粘度，Pa·s；t为运转时间，h；T为温度，℃；α1、α2、α3和α4为相关系数，拟合可得，结果如图表1所示。

表1　粘度数学模型的相关系数

设定参数m=-(α3+α4t)用来评估运转一定时间后的温度敏感性，m值越大，其温度敏感度越大。

6结论

(1)通过对S-220、M-220和H-460三种油膜轴承油运转一定时间后的粘温特性分析，可知随着运转时间的增加，其粘度值将下降，低温区更为明显，且润滑油粘度越大，下降程度越明显。

(2)建立了粘度和测试温度和运转时间的关系模型。根据这一模型，提出了一种参数评估运转时间的温度敏感性参数，可以为工作中油膜轴承油的润滑性能分析和安全运行提供参考和依据。

参考文献：

[1]王建梅，黄庆学，丁光正.轧机油膜轴承润滑理论研究进展[J].润滑与密封，2012，37(10)：112-116.

[2]张艳娟，王建梅，吉宏斌，等.油膜轴承油粘温特性研究[J].润滑与密封，2014，39(3)：75-78.

[3]郝敬团，姚婷，马玉红，等.影响航空润滑油粘度的因素探究[J].广州化工，2014，42(8)：29-31.

[4]刘维民，许俊，冯大鹏，等.合成润滑油的研究现状及发展趋势[J].摩擦学学报，2013，33(1)：91-104.

[5]付洪瑞，刘淑真.硅油与酯类油混合基础油粘温性能的研究[J].润滑与密封.2011，36(5)：89-91.

[6]孙冬梅，张贝，王燕霜，等.两种航空润滑油粘温特性研究[J].液压气动与密封.2004(5)：12-13.

[7]张笑天，王建梅，张亚南，等.润滑油温度变化速率影响因素的灰色关联分析[J].太原科技大学学报.2015，36(1)：40-44.

[8]SALMA HALELFADL，PATRICE ESTELLÉB，BAHADIRALADAG，et al.Viscosity of carbon nanotubes water-based nanofluids：Influence ofconcentration and temperature[J].International Journal of Thermal Sciences，2013，77(9)：111-117.

[9]ZHANGJIUPENG，YANG FENGHUA，PEIJIANZHONG，et al.Viscosity-temperature characteristics of warm mix asphalt binder with Sasobit[J].Construction and Building Materials，2015，78(1)：34-39.

[10]BYUNGIN CHOI，MOON SIKJEONG，KUN SANG LEE.Temperature-dependent viscosity model of HPAM polymer throughhigh-temperature reservoirs[J].Polymer Degradation and Stability，2014，110(9)：225-231.

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

中图分类号：TE626.3

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.01.014

文章编号：1673-2057(2016)01-0064-04

作者简介：张亚南(1989-)，女，硕士研究生，主要研究方向为摩擦学；通讯作者：王建梅，教授，E-mail：wjmhdb@163.com

基金项目：国家青年科学基金项目(51205269)；山西省回国留学人员科研资助项目(2013-093)；山西省自然科学基金项目(2012011018-2)

收稿日期：2015-03-16