润滑油粘度指标分析

郭忠烈 费逸伟 姜旭峰 彭显才 刘鸿铭

(1.空军勤务学院学员一大队，江苏 徐州 221000；2.空军勤务学院航空油料物资系，江苏 徐州 221000)

润滑油粘度指标分析

郭忠烈 费逸伟2姜旭峰2彭显才1刘鸿铭1

(1.空军勤务学院学员一大队，江苏 徐州 221000；2.空军勤务学院航空油料物资系，江苏 徐州 221000)

粘度是润滑油的一个重要指标，对润滑油的使用和研究有重要作用。本文总结了粘度的评价方法，分析了基础油组成、温度、压力、添加剂以及剪切力对润滑油粘度的影响，研究了粘度与润滑油润滑性、流动性以及抗泡性的关系，为润滑油的选用和研究提供参考依据。

润滑油粘度 评价方法 影响粘度因素 润滑油性能

润滑油是机械设备中广泛使用的油品，不仅能够降低摩擦磨损，还具有清洁、散热、防护和密封等作用[1]，对保持机械的良好状态，提高运行效率，延长使用寿命都有积极作用。粘度作为润滑油的主要质量指标，对发动机的启动性能、工作效率和磨损程度都有直接影响，是润滑油选用、牌号划分、储存输送和生产指导的重要依据[2]。分析润滑油的粘度指标，对于润滑油的使用、生产和研究都有重要意义。

1粘度及粘温性的表示方法

液体在外力作用下发生流动时，由于液体和固体壁面之间有附着力，液体内部分子之间存在相互作用力，使得液体内部出现不同流动速度的液体层，相邻液体层间速度不同而产生摩擦阻力的性质叫做液体的粘滞性，衡量粘滞性大小的物理量称之为粘度。

1.1 粘度的表示方法

润滑油粘度常用的表示方法有动力粘度和运动粘度，在少数油品中会用到条件粘度。

(1)动力粘度

牛顿流体的摩擦阻力可以用牛顿内摩擦定律计算。如图1所示，假设在两块平行板间充满流体，上板以速度沿x轴正方向运动，下板固定不动，粘附在上板上的流体速度与上板相同为，粘附在下板上的流体速度为0，两板间流体作层流运动。

取其中一微小流层，其下表面坐标为z，流速为v，上表面坐标为z+ds，流速为v+dv，根据牛顿内摩擦定律该流层受到的摩擦阻力F可按公式(1)计算：

图1 两平面间的流体流动Fig 1 the fluid between the two planes

(1)

进一步推导得到公式(2)

(2)

其中S为流层面积，dv/dz通常称为速度梯度或剪切速度，μ为内摩擦因素，由流体性质决定，称为动力粘度、绝对粘度或粘度系数。动力粘度的单位为帕秒(Pa·s)、毫帕秒(mPa·s)或泊(P)、厘泊(cP),其转化关系如(3)所示。

1mPa·s=1cP=10-2P=10-3Pa·s

(3)

(2)运动粘度

由于液体流动的快慢同时与内摩擦阻力和流体密度有关，将液体动力粘度与该温度下液体密度的比值，称作运动粘度，用v表示，如公式(4)所示。运动粘度综合表现液体的流动快慢和难易程度。

υ=μ/ρ

(4)

其中ρ为液体在该温度下的密度。运动粘度的单位有平方米每秒(m2/s)、平方厘米每秒(cn3/s)、斯(St)、厘斯(cSt)实际使用主要采用斯和厘斯作单位，其转换关系为公式(5)

1cSt=10-2St=10-2cm2/s=10-6m2/s

(5)

国际上通常用运动粘度表示流体的粘度，油品的粘度也通常采用运动粘度表示。

(3)条件粘度

条件粘度是在一些规定的条件下评定得出的粘度值，又叫做相对粘度，包括赛氏粘度、雷氏粘度、恩氏粘度、巴比流度等等。赛氏粘度和雷氏粘度是以一定体积液体从仪器中流出的时间表示粘度；巴比流度以一定时间内液体从仪器中流出的数量表示粘度；我国采用的条件粘度主要是恩氏粘度，是以液体从仪器中流出的时间与该条件下水从仪器中流出的时间的比值表示粘度。

由于条件粘度的值没有绝对的物理意义，且其测定精度不高，不同条件粘度之间测定的条件相差较大，单位不统一，条件粘度逐渐淘汰使用。我国在仅在少数大粘度、深色油品中使用恩氏粘度。

1.2 粘温性能表示方法

润滑油需要良好的粘温性能，粘温性差的润滑油粘度随温度变化大，使用温度范围窄。为了评价润滑油的粘温性能，通常采用粘度比、粘温系数、粘度指数等指标。

(1)粘度比

将同一种润滑油低温粘度与高温粘度的比值叫做粘度比，如υ-20 ℃/υ-50 ℃与υ-50 ℃/υ-100 ℃，粘度比小说明粘度随温度变化小，油品粘温性能好，粘度比大说明粘度随温度变化大，粘温性能差。

(2)粘温系数

将润滑油0 ℃粘度与100 ℃粘度的差值比上该润滑油50 ℃粘度得到粘温系数，表示为(υ0 ℃-υ-1000 ℃)/υ-50 ℃，粘温系数越小表明粘温性能越好，反之则越差。这一指标常用于航空活塞式发动机润滑油粘温性能评定。

(3)粘度指数

目前最为广泛使用的粘温性能指标是粘度指数，它是将润滑油与标准油的粘温性能相比较，从而得出粘温性能的评定结果。标准油由粘温性好的H系列油和粘温性差的L系列油组成，每个系列都包含有不同粘度的油，将H系列油粘度指数定为100，L系列油粘度指数定为0，两个系列油40 ℃和100 ℃时的运动粘度作为基准数据。评定粘度指数时，在测得该油品100 ℃和40 ℃时的运动粘度后，与其100℃粘度相同的两标准油比较40 ℃的粘度值，按照以下公式(6)计算粘度指数。

(6)

其中L为低标准油40℃运动粘度，H为高标准油40 ℃运动粘度，U为所测油品在40 ℃的运动粘度。当粘度指数大于100时，采用公式(7)、(8)计算。

(7)

(8)

式中，为所测油品在100 ℃的运动粘度。H和L的值可从标准表中直接查到或通过内插法计算得到。

2影响粘度的因素

2.1 基础油对粘度的影响

基础油时润滑油的主体部分，决定着润滑油的基本性质，润滑油的粘度与基础油的化学组成有直接关系。

矿物润滑油基础油主要由烷烃、环烷烃和芳香烃组成，馏程越高，烃分子相对分子质量越大，分子间引力越强，粘度越大；在烃类中碳原子数相同时，烷烃粘度最小，芳香烃次之，环烷烃粘度最大，且分子异构程度越大粘度越大；环状碳原子在油品分子中所占比例越大粘度也越大。矿物润滑油组分中，粘度指数最高的是正构烷烃，异构烷烃粘度指数低于正构烷烃，并且随着分支侧链越多粘度指数越低，环烷烃和芳香烃的粘度指数都低于正构烷烃，当分子中环状结构增多时粘度指数显著降低，当环数相同时，其环状结构的侧链越长粘度指数越高，侧链上分支增多，粘度指数下降[2]。

合成润滑油根据其种类和馏分的不同，粘度和粘温性质都有所不同。聚-α-烯烃油粘度指数高，可达到135～145，粘度范围可根据馏分范围和聚合次数调整，可以生产出100 ℃运动粘度为3～120 mm2/s或40℃运动粘度为17～2 000 mm2/s的各种润滑油；酯类油中双酯的粘度指数一般在150以上，有时甚至高达180，复酯的粘度最大，100 ℃运动粘度在19～25 mm2/s之间，二乙二醇醚酯的粘度最小，粘温性能最好；硅油中甲基硅油粘温性能最好，甲基氯苯硅油次之，乙基硅油稍差，甲基苯硅油最差，并且苯含量越多粘温性能越差。

2.2 温度对粘度的影响

润滑油的粘度主要来源于分子之间的相互作用力，当温度升高时，伴随着体积膨胀，分子间的距离增大，分之间的作用力减小，粘度也随之减小，相反，当温度降低时粘度增大，尤其在低温条件下这种变化更为突出。

我国石油产品粘度和温度之间关系可由经验公式(9)确定：

lg(υt+0.65)=A-BlgT

(9)

其中为油品在温度t时的运动粘度，A、B为随油品性质而定的经验常数，0.65为适用于我国石油产品的经验常数，国外常采用0.8，T为油品热力学温度[3]。

温度对粘度的影响极大，郝敬团[4]等比较了SC30汽油润滑油和20号航空润滑油在不同温度下的运动粘度，其中SC30汽油机润滑油10℃时运动粘度是50℃时粘度的12倍，而20号航空润滑油在同样条件下粘度达到原来的20倍。

国家防总副总指挥、水利部部长陈雷出席会议并讲话，他强调，做好2014年防汛抗旱防台风工作，要坚持以人为本、依法防控、科学防控、群防群控，确保大江大河、大型和重点中型水库、大中城市的防洪安全，全力保障人民群众生命安全和城乡居民生活用水安全，努力保证中小河流和一般中小型水库安全度汛，千方百计满足生产和生态用水需求，最大程度减轻洪涝干旱台风灾害损失，为促进经济社会持续健康发展提供更加可靠的防灾减灾安全保障。国家防总秘书长、水利部副部长刘宁主持会议，国家防总副秘书长、中国气象局副局长矫梅燕介绍2014年天气形势预测情况。

2.3压力对粘度的影响

液体受到压力时，分子间的距离缩短，吸引力增大，粘度会升高，当压力低于0.5×107Pa时，粘度随压力的变化可以忽略，当压力超过2×107Pa时，压力对粘度的影响比较明显。

根据大量实验数据，人们归纳得出一系列粘度与压力、温度之间的经验关系公式，其中Rotermund提出的公式(10)[5]与实际结果有很好的一致性。

(10)

式中为压力下的动力粘度，分别为压力值和大气压值，T为热力学温度，A、B、C、D、E为常数。Knezevic等利用公式分析石蜡基液压油的粘度，结果表明在20.5℃和40℃时，将液压油的压力提高到350×105Pa时，其动力粘度分别增大为环境压力下的2.3375和2.08倍[4]。

2.4 添加剂对粘度的影响

润滑油中常加入粘度指数改进剂(增粘剂)来改善粘温性能。粘度指数改进剂均为高分子化合物，在油品中随温度的变化而呈现不同的状态。低温时，改进剂分子收缩，体积小，对润滑油粘度的影响小；高温时，改进剂分子溶胀，流体力学的体积和表面积增大，溶液内摩擦增加，有利于增加粘度，使润滑油粘度不至于因温度升高而降太低。使用粘度指数改进剂之后，润滑油基础油可以选用粘度更低的组分，有利于在润滑油低温下使用。

表1 多级油与普通润滑油的低温性能比较Table 1 the comparison of low temperature performance between multi-grade oil and conventional oil

粘度指数改进剂是润滑油中广泛使的一种添加剂，尤其在多级汽油机油和多级柴油机油中必须使用这种添加剂，表1是普通油和添加了粘度指数改进剂的多级油的低温性能比较[6]。

2.5 剪切力对粘度的影响

润滑油可能在剪切速率极高的场合使用，如航空发动机的挺杆、凸轮等部位工作时的剪切速率达到，高剪切速率会对润滑油粘度造成一定影响。

润滑油中聚合物成分在剪切力作用下容易发生碳链的断裂，生成小分子的组分，因此在剪切力作用下润滑油粘度会有所降低。不同的剪切力、剪切速率、剪切时间、聚合物分子量、聚合物浓度以及基础油粘度等都会对润滑油粘度造成不同程度的影响。王国金等[7]研究了多级油粘度与剪切力的关系，发现在剪切的初期，随剪切时间的增加，粘度迅速下降，在以后的时间里，粘度下降变得缓慢。他认为，当多级油中聚合物分子被剪切到一定水品，分子量不再减小，粘度损失也就缓慢，当增大剪切应力或提高聚合物或者是基础油的粘度时，百分粘度损失都会相应增加。相对于温度和压力等因素，剪切力对粘度的影响比较小，然而随着温度的升高和压力的增大，剪切力的影响作用会逐渐增强[8]。

3粘度与润滑油性能的关系

3.1 粘度与润滑性的关系

在一定的范围内，通常粘度越高机械的润滑效果越好。郭和军等[10]研究了低硫柴油润滑性，认为在柴油机工作负荷较小、喷油压力较低时，高压油泵主要处于流体润滑状态，这时油膜的厚度决定油泵内摩擦副间的磨损程度，因而磨损程度只与粘度有关，粘度越高，油膜厚度越大，磨损程度越低，反之，粘度越低则磨损程度越高。用HFRR法对不同粘度的柴油馏分进行抗磨性实验，结果表明磨斑直径与粘度之间存在较好的相关性，随粘度上升而呈线性降低。粟斌等[11]采用GB/T3142-82:“四球法”评定不同粘度等级润滑油的润滑性能，结果表明，四球最大无卡咬负荷值基本随粘度等级的增加而增大。

当润滑油粘度过大时，工作阻力增大，粘度增加反而有损机械。张增强等[12]通过热弹流润滑数值计算，分析了润滑油粘度对齿轮接触疲劳寿命的影响，结果表明对齿轮润滑而言，并非润滑油粘度越高越好。他认为在一定的工况条件下，选用粘度大的润滑油不仅会加大润滑成本，还有损于齿轮传动的接触疲劳寿命，国际齿轮强度计算标准中所推荐的润滑系数随润滑油粘度的增大而单调上升的结论只能在一定的工况条件下使用。

可见，润滑油粘度与润滑性之间有密切的联系。在适当的范围内粘度越大越有利于摩擦表面的保护，润滑效果越好，但是粘度过大会增大机械的工作阻力，不利于机械运行，甚至有损设备。实际工作中要根据机械的转速、负荷、润滑方式等选择合适粘度的润滑油。

3.2 粘度与低温流动性的关系

润滑油需要有良好的低温流动性，以便在低温条件下也能从润滑系统中顺利地输送到零件的各个部位；同时，为了达到良好的润滑效果，摩擦表面需要经常保持足够的润滑油，良好的流动性也有助于润滑油膜的快速形成，降低摩擦磨损；此外润滑油在使用中常常担负有清洁和散热的作用，这也对润滑油的流动性提出了要求。

润滑油低温流动性与低温粘度息息相关。一般来说粘度越低流动性越好，越有利于润滑油快速输送到润滑部位，粘度越高则流动越困难。在低温条件下，润滑油的粘度会急剧增大，流动性变差，流到摩擦副表面的时间就会延长，摩擦表面直接接触的可能性就越大，磨损也就加剧。发动机启动时的磨损约占发动机磨损量的2/3，一方面是因为发动机启动时摩擦表面缺油，另一方面因为启动时发动机温度低，润滑油流动困难[2]。

合成类润滑油一般有较好的粘温性能，可以在一定低温下不至于粘度过高，保持一定的流动性。矿物润滑油中选择粘度更低的基础油有利于保证低温粘度不过大，为了保证高温下粘度不至于太小，还需要配合粘度指数改进剂使用。

3.3 粘度与抗泡性的关系

润滑油在润滑系统中不断流动和循环，可能混入空气而产生气泡。润滑油中的气泡若不及时消除会使润滑油的润滑性能下降、冷却效果变差、清净分散性不好，甚至发生汽蚀，腐蚀机械[13]。这要求润滑油具有良好的抗泡性，能减少泡沫的产生和及时消除泡沫。

润滑油的抗泡性能与表面活性剂以及润滑油的粘度有关。表面活性剂会使润滑油更容易产生泡沫，且产生的泡沫膜壁坚韧不容易破裂，因而抗泡性能下降。抗泡性能与粘度的关系是：在一定的粘度范围内，润滑油抗泡性能达到最差，此时最容易产生气泡且气泡不容易去除，若增大或减少粘度抗泡性都会有所提高。这是因为粘度减小时，形成气泡膜的液体容易流失，膜壁容易变薄，因而气泡破裂而消除变得容易，当粘度增大，不利于气泡的产生，抗泡能力亦增强。

粘度与温度相互关联，对于粘度不太大的润滑油而言，温度升高时粘度变小，抗泡能力有所增强，对于较粘稠的润滑油来说，温度升高，粘度下降到一定的范围，反而会增大泡沫形成的倾向。

4结 语

粘度是润滑油的一个重要指标，对润滑油的牌号划分和选用以及润滑油性质的研究都有重要意义。粘度的常用表示方法包括动力粘度、运动粘度、条件粘度，其中运动粘度最为常用；润滑油粘温性能的表示方法有粘度比、粘温系数和粘度指数等；润滑油基础油的组成、温度、压力、添加剂以及剪切力等因素都会对粘度造成影响；粘度对润滑油的润滑性、流动性以及抗泡性都有一定的指示作用，根据使用场合选择合适粘度的润滑油使润滑性达到最佳同时保持一定的流动性和抗泡性，有利于减少摩擦磨损、提高机械效率、延长设备使用寿命。

随着现代工业的发展，机械设备日益精细复杂，使用环境更加苛刻极端，尤其是在航空航天领域，润滑油常常在高温、高压、高速剪切的条件下使用，这对润滑油的品质提高了要求。研究润滑油的粘度指标，有利于配合下一步对润滑油性质的评价和研究，对润滑油的研究工作有实际意义。

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IndexAnalysisofLubricantViscosity

Guo Zhonglie1Fei Yiwei2Jiang Xufeng2Peng Xiancai1Liu Hongming1

(1. Cadet Brigade 1, Air Force Logistics College,Jiangsu Xuzhou 221000； 2. Department of Aviation Oil and Material, Air Force Logistics College,Jiangsu Xuzhou 221000)

Viscosity is avital indicator of lubricating oiland and it plays an important role in the use and research of lubricant. The methods for the determination of viscosity were summarized. The factors affecting the lubricant viscosity, such as the composition of base oil, temperature, pressure, additives and shear force, were analyzed. The relationship between viscosity and lubricity, liquidity and foam resistance were studied. It provided a reference for the selection and research of lubricants.

lubricant viscosity evaluation methods factors affecting viscosity performance of lubricant

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.05.010

2017-03-27

郭忠烈(1994～)，男，硕士生，主要研究方向：航空油料应用技术