润滑油润滑性的影响因素与评定方法

郭忠烈，费逸伟，姜旭峰，彭显才，刘鸿铭

(空军勤务学院航空油料物资系，江苏 徐州 221000)

润滑油润滑性的影响因素与评定方法

郭忠烈，费逸伟，姜旭峰，彭显才，刘鸿铭

(空军勤务学院航空油料物资系，江苏 徐州 221000)

润滑性是润滑油最基本的特性，直接影响润滑效果。文章分析了影响润滑油润滑性的因素，包括黏度、油性以及极压性，总结了润滑油润滑性的评定方法，当摩擦副处于流体润滑状态时，用黏度评定其润滑性，当处于边界润滑状态时用摩擦-磨损试验机评定其润滑性。

润滑油；润滑性；黏度；摩擦-磨损试验机

0 引言

世界能源的1/3～1/2最终以各种不同形式的摩擦消耗掉，降低机械的摩擦损失对节约能源有着至关重要的作用，润滑油是机械降低摩擦、减小磨损的有效手段，同时还担负着冷却降温、防止腐蚀、传递作用力、减振、绝缘、清洁、密封等任务[1]，对现代各型机械设备的正常运行起着无法替代的作用。润滑油降摩减磨的效果直接取决于润滑油润滑性的好坏，润滑性也是润滑油最基本的特性。研究润滑油润滑性对于研究和研发润滑油都有重要意义。

1 润滑油润滑性影响因素

润滑性是指润滑剂减少摩擦和磨损的能力。作为润滑油最基本的性质，润滑性直接影响到机械磨损程度，与机械的使用寿命和使用效率息息相关，从某种意义上讲，润滑油的好坏很大程度取决于润滑性能的好坏。润滑油润滑性取决于油品的黏度、油性和极压性三个方面的性质[2]。

1.1 黏度

液体在外力作用下作层流运动时，相邻两层流体分子间存在内摩擦力阻滞液体流动，这种特性称为液体的黏滞性，衡量黏滞性大小的物理量称为黏度[3]。油品黏度常用的表示方法主要是运动黏度和动力黏度，这两种黏度表示方法表示的是绝对黏度，其中动力黏度常用于理论分析和计算，运动黏度普遍用于汽油机油、柴油机油、柴油、喷气燃料、液压油、润滑油的技术指标中。在一些场合会使用相对黏度，包括恩氏黏度、赛氏黏度、巴比黏度等，我国使用的是恩氏黏度，且仅在个别大黏度、深色的油品中使用。黏度越大，油品流动的摩擦阻力越大，流动越困难，从宏观上表现为油品更黏稠。

根据润滑油在摩擦副表面所形成的润滑膜层的性质和状态，润滑可以分为流体润滑和边界润滑两大类，而黏度对润滑性的影响主要体现在流体润滑中。流体润滑中，两摩擦表面被一层可流动的润滑膜隔开，膜厚比通常大于3，正是由于流体润滑膜的存在，使得摩擦系数很低，磨损极小，是最为理想的润滑状态。

流体润滑膜的形成与油品黏度有重要关系。流体油膜形成的起因是流体油压的产生，而油压的产生与流体在摩擦面上的流动阻力有关，也就是和黏度有关[4]。黏度越大，油品保持流体润滑层的能力越强，越能减少磨损，因此，在低转速、高负荷的场合，流体润滑膜形成困难，需使用大黏度的润滑油来减少磨损，但同时黏度增加会增大机械的工作阻力，而在高转速、低负荷的场合，流体润滑膜形成较容易，使用黏度较低的润滑油就能起到良好的润滑效果，还避免了因黏度增加而增大的工作阻力，提高了机械效率。

1.2 油性

在机械工作条件不足以形成足够厚度或连续的流体润滑膜时，摩擦副的润滑主要靠一层极薄的(约0.01 μm)，非流动状态的润滑膜，此时处于边界润滑状态。由于润滑膜呈非流动状态，润滑油的黏度不再是润滑的重要影响因素，而润滑油与固体间的物理化学作用成为影响润滑效果的主要因素[5]。

润滑油在金属表面形成吸附膜的性质称为油性，油性与油分子的极性有关。油品中与金属表面亲和性强的极性的组分与金属表面分子依靠范德华力而形成物理吸附润滑膜，当油品中存在脂肪酸类化合物时，还会和金属表面形成暂时性的脂肪酸金属皂，形成半化学半物理性质的吸附润滑膜[6]，这种带有半化学性质的吸附膜比单纯的物理吸附膜有更强的吸附能力。正是吸附膜的存在，使得摩擦副不至于直接接触，从而降低磨损，并且油品油性越强，吸附膜就越容易形成，润滑效果也就越好。一般情况下油品中极性分子的极性越强、分子链长越长或是在油品中含量越多，润滑油油性就越强，吸附膜的厚度和强度也都会增加，润滑效果也就越好[7]。

相比于流体润滑，吸附膜润滑要差得多，但也能起到较好的润滑效果。当温度升高或者是摩擦副之间滑动速度过快时，这种靠分子极性而形成的吸附膜会发生解吸，而失去润滑作用，因此吸附膜润滑只使用于温度和速度不高的场合。

1.3 极压性

油品在金属表面形成边界反应润滑膜的性质称为极压性。在高温、高压时，边界吸附膜润滑会受到破坏而失去润滑作用，这时候需要靠油品的极压添加剂与金属发生化学反应生成化学反应边界膜来润滑。

润滑油基础油成分不能与金属发生反应，因此需要在基础油中添加极压添加剂，它们是含硫、磷、氯等元素的有机化合物，在苛刻条件下润滑时，吸附膜失去润滑作用，两摩擦副出现大面积接触，摩擦产生热量使得极压添加剂分解出活性元素，活性元素与金属之间发生化学反应，在摩擦副表面形成一层金属化合物，这些金属化合物的硬度和剪切强度比金属低得多，且熔点较低，在摩擦过程中产生的高温高压条件下能发生部分变形和流动，使摩擦表面更加光滑，有助于润滑[5]。

化学反应膜相对于吸附膜有更好的稳定性，可以在更高的负荷和温度下起到润滑作用，但在低温下由于难以产生化学反应，反而不适合润滑。化学反应膜的形成靠的是润滑油中的极压添加剂，添加剂的反应能力亦不能太强，否则会加快金属材料的损耗，从另一个角度讲，金属发生了化学反应也就是发生了化学腐蚀。

2 润滑油润滑性评定方法

润滑油的润滑性能与润滑油本身以及摩擦副的润滑状态有关。当摩擦副处于流体润滑状态，黏度是影响润滑性的主要原因，可以通过黏度评价其润滑性，而当摩擦副处于边界润滑状态时，油性和极压性是影响润滑的主要原因，此时无法用理化指标评定其润滑性，通常采用摩擦-磨损试验机对润滑性进行评价。

2.1 流体润滑状态润滑性的评定

部件处于流体润滑状态时，通常以运动黏度表示润滑油的润滑性。我国运动黏度按照国家标准《石油产品运动黏度测定法》(GB/T 265-1988(2004))测量。该方法采用玻璃毛细管黏度计，通过测量油品流过毛细管的时间，计算得出油品的运动黏度。

其测定依据是泊塞耳方程。根据方程，牛顿流体的动力黏度满足公式(1)。

(1)

η为动力黏度，r为毛细管半径，L为毛细管长度，V为从毛细管流出的试样体积，p为毛细管两端的压力差，τ为试样流出需要的时间。在毛细管中，两端的压力差又可用油柱的静压表示为(2),动力黏度可表示为(3)。

p=h·ρ·g

(2)

η=ν·ρ

(3)

h为液柱高度，ρ为试样密度，g为重力加速度，ν为试样运动黏度。则由公式(1)可得到(4)。

(4)

对于某一毛细管黏度计，其r、h、V、L都是定值，将(πr4hg)/8VL称为毛细管常数，用c表示，则运动黏度只与毛细管常数c和试样流出的时间τ有关。每一只毛细管常数c已经提前测定，因此只需要测出试样流出时间τ，通过公式(5)即可计算实验温度下的运动黏度。

ν=c·τ

(5)

而对于动力黏度可根据公式(3)计算得出。

值得注意的是由于温度对黏度的影响很大，润滑油不仅要有合适的黏度还需要良好的黏温性能，要保证在使用温度下有合适的黏度才能保证其润滑效果。

2.2 边界润滑状态润滑性的评定

处于边界润滑状态时，润滑油的油性和极压性是影响润滑的主要因素，通常用摩擦-磨损试验机通过测定其摩擦系数、磨痕直径、承载负荷等指标评定润滑性能。常用的试验机包括四球机、梯姆肯(Timken)试验机、法莱克斯(Felex)试验机等。

(1)四球试验机评定

四球试验机的主要试验部件为四颗钢球，将下面三颗球固定，转动上面的球，上面的球与下面的球之间为点与点接触的滑动摩擦。评定润滑油润滑性能较为经济，试验周期短且用量少，适用于润滑油的质量检测[8]，是润滑剂承载能力试验的主要装置，也是对润滑剂台架试验预筛选的有力工具[9]，其应用也最为广泛。

四球机试验中各国采用的方法和评价指标都不同，表1为四球机试验常用试验标准。

表1 四球机试验标准

我国的国家标准GB/T 3142-82法是在室温下，转速为(1450±50)r/min，将负荷从6 kg到800 kg分为22个级别，在每一个级别的负荷下进行10 s摩擦试验后记录该负荷下钢球的磨痕直径，直到钢球烧结。用最大无卡咬负荷PB、烧结负荷PD和综合磨损值ZMZ表示润滑油承载能力。国家标准还包括GB/T 12583-1998法，二者的试验条件差别主要在于转速，后者的转速高于前者，两者的测试指标均包括最大无卡咬负荷PB和烧结负荷PD，但由于转速不同，两个值都有所不同，同时，GB/T 3142法采用综合磨损值ZMZ指标，而GB/T 12583法采用负荷-磨损指数LWI，二者在计算方法上也有所差别[10]。

我国石化行业的四球机标准SH/T 0189-92，是在147 N或392 N负荷，温度为75 ℃条件下，以1200 r /min转速旋转60 min，使用下面三个球的磨斑直径的平均值来评价润滑油的抗磨性能。SH/T 0762-2005是将在规定条件下磨合后符合要求的钢球在试油温度为75 ℃，转速为600 r/min的条件下，将负荷从98.1 N开始，每10 min增加98.1 N负荷并记录下摩擦系数，直到摩擦记录仪开始出现跳动，根据摩擦力、摩擦力臂长度和试验负荷，选用相应公式计算摩擦系数。

四球机通过测定最大无卡咬负荷、烧结负荷、综合磨损值、负荷-磨损指数、磨斑直径、摩擦系数等指标评价润滑油的润滑性能，在润滑油及其添加剂摩擦学性能的研究中应用很广泛。杨洪滨[11]等利用四球试验机评价了硫、磷添加剂的降解对齿轮油的极压抗磨性能的影响，通过测定平均磨斑直径、最大无卡咬负荷和烧结负荷考察齿轮油使用后极压抗磨性能的变化；陆强[12]等用四球机对由稻壳制备的生物油及其与4种助剂的混合物的摩擦学性能进行了研究；李柯[13]等采用四球机测定添加纳米羟基磷灰石的润滑油的承载能力。

(2)梯姆肯(Timken)试验机

梯姆肯试验机又称为环-块试验机，被广泛地应用于评定润滑油脂的极压性水平和规格试验[14]，试验机的主要试验部件为一个试块和一个试环，试验时试块固定，试环转动，试环与试块之间为线接触形式的滑动摩擦，通过测定OK值判断润滑油的抗擦伤能力。

表2 梯姆肯试验机的试验方法

梯姆肯试验机的试验标准如表2所示，GB/T 11144-2007和SH/T 0532-1992的测定过程相似，是在规定的温度下，主轴的转速为(800±5)r/min，按照规定的负荷级别加载负荷，在每级负荷下运行10 min±15 s后，观察试块的磨痕，直到出现擦伤，将出现擦伤时的负荷减小到规定的值继续试验，若不出现擦伤则此时的负荷为OK值，若出现擦伤则把此负荷减少一定的值后作为OK值。二者在试样温度和负荷级的增量之间稍有差别，但基本相似，对应的美国试验方法为ASTM D2782-2001。

润滑油的梯姆肯OK值可以表示在特定条件下润滑油防止特定的金属试件出现擦伤的能力，与油品的油性、极压性、跑合性和金属材料都有一定的关系[15]，但梯姆肯机OK值的再现性以及和现实的相关性不够好，这也使得将OK值作为产品的质量指标受到很多学者的质疑。作为一种研究手段，梯姆肯试验机还是可以在一定条件下配合其他试验项目作为润滑性的评定依据的，王稳[16]等采用梯姆肯试验机和四球摩擦磨损试验机综合考察了烃分子添加剂在公交车两用燃料发动机油中的摩擦学性能，其研究有一定指导意义。

(3)法莱克斯(Felex)试验机

法莱克斯试验机的主要试验部件为一个试验轴(或销)和两个V形块，实验时轴(销)处于V形块的V形槽内，试验轴(销)转动与V块之间为线性接触的滑动摩擦，表3为法莱克斯试验机的试验方法。

表3 法莱克斯试验机的试验方法

SH/T 0201-1992法是将两个静止的V形块浸没在液体润滑剂中，试验销对着V形槽面，以(290±10)r/min的转速转动，给V形块施加一定的负荷，测定试验销的摩擦扭矩，用校正后的扭矩和负荷计算摩擦系数；SH/T 0187-1992法的试验条件和SH/T 0201-1992相同，是通过连续增加负荷直到试验部件失效或是以梯度增加负荷，在每个负荷下恒定1 min，直到失效，得出试验失效负荷，然后用校正后的失效负荷作为判断油品极压性的依据；SH/T 0188-1992法是将试验轴和V形块在规定的时间和载荷下试验，由于磨损引起载荷下降，棘轮齿数发生变化，通过测定试验开始和结束时棘轮齿数之差来表示磨损情况。

李广宇[17]等采用法莱克斯试验机评价乳化切削液的极压性能，发现乳化切削液的极压润滑性能与添加剂的种类密切相关;童宗文[18]等用法莱克斯试验机考察了硫化异丁烯在聚α-烯烃中的摩擦学性能，证明了硫化异丁烯可以提高润滑油的极压性能。

除了以上试验标准外，我国石化行业标准方法中还有摆锤式(振子)试验机的试验标准方法SH/T 0072-1991，CL-100(或FZG)齿轮机的试验方法SH/T 0306-92，M-200试验机(或SAE试验机)的试验标准方法SH/T 0190-1992，SRV试验机的标准方法NB/SH/T 0847-2010,此外还有很多试验机方法并未列入石化标准，如阿尔门试验机、阿姆拉斯试验机等。值得注意的是摩擦磨损试验机是将复杂的实际的摩擦情况进行简化以便研究，其结果只能是在一定的条件下表征润滑油的润滑性能，与实际润滑情况不一定相同。在现实使用中要根据油品的使用条件选择合适的测试方法和指标或综合利用几种试验机进行试验，而需要更精确地了解实际润滑情况时还可以做台架试验或实物试验，但这需要更长的试验周期和更多的资金投入。对于一般的润滑性研究，摩擦-磨损试验机无疑是很好的选择。

3 结束语

润滑是节约能源的重要手段，也是机械设备良好运行必不可少的条件，而使用润滑油是最直接有效的方式。润滑油的好坏很大程度上取决于其润滑性的好坏，研究其润滑性对润滑油的选用和研发都有意义。对于润滑油自身而言，影响润滑性的因素包括黏度、油性和极压性，三者在不同的润滑状态起作用，当摩擦副处于流体润滑状态时，用黏度评定其润滑性，处于边界润滑时用摩擦磨损试验机评定其润滑性。虽然摩擦磨损试验机已经广泛用于润滑油润滑性能的评定，但其简化的试验条件与实际润滑情况并不完全相同，只能在一定条件下表征润滑油的润滑性能，在实际应用中要根据油品的产品要求和使用条件选择合适的试验机进行试验，有条件或是对结果有更精确的要求时可以进行更符合实际情况的台架试验或是直接进行实物试验。

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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，硕士研究生，主要研究方向：航空油料应用技术。E-mail：1241781945@qq.com