航天轴承润滑油黏温特性及流变特性试验分析

王燕霜，承军伟

(1. 河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003；2. 天津职业技术师范大学 天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222)

空间飞行器中，轴承被大量应用到许多功能部件中。润滑剂的存在能够防止轴承零件的直接接触，使轴承在工作时能减小摩擦、磨损，提高使用寿命，但随着轴承的不断运行，润滑剂的特性可能发生改变，致使轴承摩擦和发热严重，形成局部高温，最终导致轴承的润滑失效。因此，进行润滑剂黏温特性和流变特性的研究具有重要的意义。

近年来国内外一些学者对润滑剂的黏温特性、流变特性进行了研究[1-5]。文献[6]测定低温下单种油样及混合油样的黏度，分析了低温对润滑油性能的影响。文献[7]研究了2种航空润滑油的黏温特性，采用 Walther计算公式拟合获得不同温度下润滑油的黏度。文献[8]通过测量不同基础油的润滑油拖动曲线进而推导了流变参数。目前大部分的研究主要集中在润滑油的合成、运动黏度的测量及摩擦特性等方面，对航天润滑油在低剪切速率下的稳态和动态特性的研究还鲜有报道。

鉴于此，下文在MCR302旋转流变仪上对4116，4129航天润滑油进行了稳态特性测试和动态特性测试。从润滑油的稳态流变行为出发，测定了2种润滑油的动力黏度和剪应力，分析其黏温特性且建立Vogel黏温模型，探讨小剪切速率下，剪应力、黏度与剪切速率的关系；从动态流变特性出发，研究扫描频率对润滑油损耗模量和复数黏度的影响。

1 试验

1.1 试样

1)4116航天润滑油:以氯苯基硅油为基础油合成的高低温仪表油，适用于航天高速微型电机轴承；

2)4129航天润滑油:以合成油为基础油的精密含油轴承润滑油，适用于航天飞行器惯导系统的陀螺马达、动量轮等精密轴承。

1.2 试验方案

采用Physical MCR302旋转流变仪进行稳态流变试验和动态流变试验。稳态流变试验时，设定流变仪的剪切速率恒为10 s-1，温度的变化范围0～100 ℃，分别测定润滑油4116，4129的动力黏度随温度的变化关系；在控制剪切速率模式下，分别测试2种润滑油在25 ℃时剪应力和黏度随剪切速率的变化过程。动态流变试验时，在应变控制(CSD)的振荡模式下，设置恒定的振幅，扫描温度为25 ℃，扫描频率范围0 ～100 s-1，分别对润滑油4116，4129进行定温频率扫描，观察2种润滑油的损耗模量和复数黏度随扫描频率的变化历程。

2 试验结果与讨论

2.1 黏温特性

试验设计的测量方法是每隔2 ℃采集一次润滑油的黏度，4116，4129润滑油黏度随温度变化的情况如图1所示，其中点为试验数据，线为采用黏温模型的计算结果。由图可知,2种润滑油的黏度都随着温度的升高而降低， 4116的黏度小于4129的黏度；随温度的降低，2种润滑油的黏度差异越来越大。4129的黏度随温度升高而降低的速率比较快，当温度大于30 ℃时，黏度曲线趋于平缓。4116的黏度随温度升高而减小的速率比较缓慢，整个测试温度范围内其黏度随温度的变化幅度较小。所以相同温度下，4129的黏度高于4116，且其黏度对温度的变化较敏感，黏温性能比4116差。

图1 Vogel模型下的黏温曲线

2.2 黏温模型的建立

常见的黏温模型有Roelands模型、Erying模型、Slotte模型、Vogel模型以及Walther模型等。Vogel模型和Walther模型适合的温度范围较宽，故采用Vogel模型来计算润滑油的黏度。

Vogel模型的函数表达式为

(1)

式中：ν为动力黏度；A，B,C为待定系数；T为温度。

(1)式为多元非线性函数，采用最小二乘法对测试工况下的试验点进行拟合可得到A，B和C的值，从而得到黏温模型的计算公式。

4116润滑油的Vogel黏温模型为

。(2)

4129润滑油的Vogel黏温模型为

。(3)

2.3 剪应力和黏度随剪切速率的变化

2种润滑油在T=25 ℃时剪应力和动力黏度随剪切速率的变化情况如图2、图3所示。由图2可知，剪应力与剪切速率的关系是通过原点的直线，随着剪切速率的增加，2种润滑油的剪应力呈线性逐渐增加，且4129增加的趋势更快。这是因为在低剪切速率下润滑油表现出牛顿流体特性，此时，剪应力与剪切速率成正比关系，所以润滑油的剪应力随剪切速率呈线性增加。由图1可知，当压力一定时，4129在25 ℃时的黏度远大于4116，因此，4129剪应力随剪切速率增加得更快、更明显。

图2 剪应力与剪切速率的变化关系

图3 动力黏度与剪切速率的变化关系

由图3可知，剪切速率对2种润滑油黏度的影响不明显，当温度恒定时，润滑油黏度基本保持不变。这是因为润滑油在低剪切速率下表现出牛顿流体特性，其黏度只随温度和压力而改变，与剪切速率无关。

2.4 损耗模量和复数黏度随扫描频率的变化

损耗模量是指材料形变时以热的形式消耗的能量，表征了润滑油的黏性，可以反映出润滑油结构的变化情况。恒温、恒定振幅下扫描频率对2种润滑油损耗模量的影响如图4所示。

图4 损耗模量随扫描频率的变化关系

由图可知，2种润滑油损耗模量随扫描频率的变化趋势相同，随着扫描频率的增加，润滑油的损耗模量逐渐增大。2种润滑油的损耗模量值都很小，说明2种润滑油都具有优良的润滑性能。4116相比4129的损耗模量更小，需要的剪应力更大，说明其在该温度下结构的保持能力更强。值得注意的是，扫描频率在0.1～100 s-1区间时，2种润滑油损耗模量增加的速率几乎相同，这是因为其基础油的分子结构不易受到破坏或者受到破坏后又马上重新构建，从而损耗模量的增速在此区间不随频率的变化而变化。

复数黏度是每个振荡循环中能量耗散的量度。在振荡模式下使用流变仪所测到的黏度，其数值是一个复数，而结果所显示的数值是这个复数的模。4129，4116的复数黏度随扫描频率变化情况如图5所示。由图可知，随着扫描频率的增加，2种润滑油的复数黏度出现小幅度降低，并没有呈现剪切变稀特征，表明2种润滑油振荡测试中分子结构没有发生变化，而复数黏度小幅度降低可能是振荡中热量的耗散所致，故这2种润滑油适用于高速工况条件。

图5 复数黏度随扫描频率的变化关系

3 结论

1)温度低于30 ℃时，4129润滑油黏度随温度的变化非常大；4116在0～100 ℃内表现出优异的黏温性能，更适合用于宽温度的工况；建立的Vogel黏温模型较准确地预测了2种润滑油黏度随温度的变化关系。

2)在低剪切速率时，4116和4129润滑油呈牛顿流体特性，润滑油黏度越大，剪应力增加的速率越快。

3)2种润滑油的损耗模量随扫描频率的增大而增大，基础油的类型对损耗模量也有影响；复数黏度随扫描频率的增大而小幅度缓慢降低，2种润滑油都适合用于高速工况。

4)4116润滑油的抗剪切能力更强，结构更稳定。