根據(jù)摩擦學(xué)家和潤滑工程師協(xié)會(huì) (STLE) 的說法，粘度是油品最重要的物理特性之一。由于它對(duì)油狀況和潤滑的重要性，它是大多數(shù)油品分析實(shí)驗(yàn)室主要檢測(cè)的參數(shù)之一。但當(dāng)我們談?wù)撚推氛扯葧r(shí)，我們想問的是什么?

　　潤滑油的粘度通常以兩種方式檢測(cè)和定義：基于其運(yùn)動(dòng)粘度或絕對(duì)(動(dòng)態(tài))粘度。雖然描述看起來相似，但兩者之間存在重要區(qū)別。

　　油的運(yùn)動(dòng)粘度定義為其對(duì)重力引起的流動(dòng)和剪切的阻力。想象一下，在一個(gè)燒杯中注入渦輪機(jī)油，在另一個(gè)燒杯中注入濃稠的齒輪油。如果燒杯一側(cè)傾斜，哪一種物質(zhì)從燒杯中流出的速度會(huì)更快?渦輪機(jī)油會(huì)流動(dòng)得更快，因?yàn)橄鄬?duì)流速由機(jī)油的運(yùn)動(dòng)粘度決定。

　　現(xiàn)在讓我們考慮絕對(duì)粘度。要檢測(cè)絕對(duì)粘度，請(qǐng)將金屬棒插入相同的兩個(gè)燒杯中。使用棒攪拌油，然后檢測(cè)以相同速率攪拌每種油所需的力。攪拌齒輪油所需的力將大于攪拌透平油所需的力。

　　根據(jù)這一觀察，人們可能會(huì)說齒輪油需要更大的力來攪拌，因?yàn)樗恼扯缺葴u輪機(jī)油高。然而，本例中檢測(cè)的是油因內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力和剪切阻力，因此更正確的說法是齒輪油比渦輪油具有更高的絕對(duì)粘度，因?yàn)樾枰蟮牧頂嚢椠X輪油。

　　對(duì)于牛頓流體，絕對(duì)粘度和運(yùn)動(dòng)粘度與油的比重相關(guān)。然而，對(duì)于其他油品，例如含有聚合物粘度指數(shù) (VI) 改進(jìn)劑的油品，或嚴(yán)重污染或降解的流體，這種關(guān)系并不成立，如果我們不知道絕對(duì)粘度和運(yùn)動(dòng)粘度之間的差異，則可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。

　　一、毛細(xì)管粘度計(jì)測(cè)試方法

　　實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定運(yùn)動(dòng)粘度的很常見方法是使用毛細(xì)管粘度計(jì)。在此方法中，將油樣放入玻璃毛細(xì)管 U 形管中，然后使用吸力將樣品吸入管中，直到到達(dá)管側(cè)面指示的起始位置。

　　然后釋放吸力，使樣品在重力作用下通過管流回。管內(nèi)狹窄的毛細(xì)管截面控制油的流速;粘度較高的油比較稀的油需要更長的時(shí)間才能流動(dòng)。ASTM D445 和 ISO 3104 中描述了該程序。

　　由于流量取決于油在重力作用下，流過毛細(xì)管的阻力，因此該測(cè)試實(shí)際上檢測(cè)油的運(yùn)動(dòng)粘度。粘度通常以厘沱 (cSt) 為單位，相當(dāng)于 SI 單位的 mm2/s，并使用為每個(gè)管提供的校準(zhǔn)常數(shù)從油從起點(diǎn)流到停止點(diǎn)所需的時(shí)間計(jì)算得出。

　　在大多數(shù)商業(yè)油分析實(shí)驗(yàn)室中，ASTM D445 (ISO 3104) 中描述的毛細(xì)管粘度計(jì)方法使用許多商用自動(dòng)粘度計(jì)進(jìn)行修改和自動(dòng)化。如果正確使用，這些粘度計(jì)能夠再現(xiàn)與毛細(xì)管手動(dòng)粘度計(jì)方法產(chǎn)生的類似精度水平。

　　除非定義了檢測(cè)粘度的溫度，否則說明油的粘度是沒有意義的。通常，粘度是在兩個(gè)溫度之一下報(bào)告的，即 40°C (100°F) 或 100°C (212°F)。對(duì)于大多數(shù)工業(yè)油，通常在 40°C 下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)粘度，因?yàn)檫@是 ISO 粘度分級(jí)系統(tǒng) (ISO 3448) 的基礎(chǔ)。

　　同樣，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)油通常在 100°C 下檢測(cè)，因?yàn)?SAE 發(fā)動(dòng)機(jī)油分類系統(tǒng) (SAE J300) 參考 100°C 下的運(yùn)動(dòng)粘度(表 1)。此外，100°C 還可減少發(fā)動(dòng)機(jī)油煙灰污染檢測(cè)干擾的增加。

　　圖1 ISO 和 SAE 粘度分級(jí)系統(tǒng)

　　圖 2. 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)

　　二、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試方法

　　測(cè)定油粘度的一種不太常見的方法是使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。在此測(cè)試方法中，油被放置在玻璃管中，并在固定溫度下放置在絕緣塊中(圖 2)。

　　然后金屬主軸在油中以固定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并檢測(cè)旋轉(zhuǎn)主軸所需的扭矩。根據(jù)油的剪切應(yīng)力提供的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)阻力，可以確定油的絕對(duì)粘度。絕對(duì)粘度以厘泊 (cP) 為單位，相當(dāng)于 SI 單位的 mPa·s。

　　該方法通常稱為 Brookfield 方法，并在 ASTM D2983 中進(jìn)行了描述。

　　雖然比運(yùn)動(dòng)粘度少見，但絕對(duì)粘度和布魯克菲爾德粘度計(jì)用于配制發(fā)動(dòng)機(jī)油。例如，“W”名稱用于表示適合在較冷溫度下使用的油品，部分基于不同溫度下的布氏粘度(表 2)。

　　因此，基于 SAE J300，指定為 SAE 15W-40 的多級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)油須符合表 1 所示的高溫運(yùn)動(dòng)粘度限制以及表 2 所示的冷啟動(dòng)最低要求。

　　三、粘度指數(shù)

　　油的另一重要特性是粘度指數(shù) (VI)。粘度指數(shù)是一個(gè)無單位的數(shù)字，用于指示油的運(yùn)動(dòng)粘度與溫度的關(guān)系。

　　它基于將 40°C 時(shí)測(cè)試油的運(yùn)動(dòng)粘度與兩種參考油的運(yùn)動(dòng)粘度進(jìn)行比較 - 其中一種的 VI 為 0，另一種的 VI 為 100(圖 3) - 每種參考油的 VI 為 0，另一種的 VI 為 100(圖 3) 100℃時(shí)的粘度與試驗(yàn)油相同。ASTM D2270 中引用了根據(jù) 40°C 和 100°C 下檢測(cè)的油運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)算 VI 的表格。

　　圖 3. 粘度指數(shù) (VI) 的測(cè)定

　　圖 3 顯示，在相同溫度范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)粘度隨溫度變化較小的油將比粘度變化較大的油具有更高的 VI。

　　對(duì)于大多數(shù)石蠟基溶劑精煉礦物基工業(yè)油，典型的 VI 值在 90 至 105 范圍內(nèi)。然而，許多高度精煉的礦物油、合成油和 VI 改進(jìn)油的 VI 值將超過 100。事實(shí)上，PAO 型合成油的 VI 通常在 130 至 150 范圍內(nèi)。

　　四、粘度監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)

　　粘度監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)分析可能是任何油液分析程序中最重要的組成部分之一。即使粘度的微小變化在工作溫度下也會(huì)被放大到油不再能夠提供足夠潤滑的程度。

　　出于謹(jǐn)慎考慮，典型的工業(yè)用油限值設(shè)置為 ±5%，關(guān)鍵情況下設(shè)置為 ±10%，但重載應(yīng)用和關(guān)鍵的系統(tǒng)應(yīng)該有更嚴(yán)格的目標(biāo)。

　　粘度的顯著降低可能會(huì)導(dǎo)致：

　　1.油膜損失導(dǎo)致過度磨損;

　　2.機(jī)械摩擦增加導(dǎo)致能量消耗過多 n 機(jī)械摩擦產(chǎn)生熱量 n 內(nèi)部或外部泄漏;

　　3.由于油膜減少，對(duì)顆粒污染的敏感性增加;

　　4.高溫、高負(fù)載或啟動(dòng)或滑行過程中油膜失效。

　　同樣，粘度過高也會(huì)導(dǎo)致：

　　1.產(chǎn)生過多熱量導(dǎo)致油氧化、油泥和清漆積聚;

　　2.由于流向泵和軸承的油量不足而導(dǎo)致氣穴現(xiàn)象;

　　3.由于油流不足而導(dǎo)致潤滑不足;

　　4.軸頸軸承中的油鞭;

　　5.為了克服流體摩擦而消耗過多的能量;

　　6.脫氣性或抗乳化性差;

　　7.冷啟動(dòng)泵送性差。

　　每當(dāng)觀察到粘度發(fā)生顯著變化時(shí)，應(yīng)始終調(diào)查并糾正問題的根本原因。粘度變化可能是基礎(chǔ)油化學(xué)變化(油分子結(jié)構(gòu)變化)或污染物侵入造成的(表 3)。

　　五、油品粘度變化的常見原因

　　油品粘度變化可能需要額外的測(cè)試，例如：酸值(AN)或傅里葉變換紅外光譜(FTIR)，以確認(rèn)早期氧化;污染物測(cè)試以識(shí)別水、煙灰或乙二醇進(jìn)入的跡象;或其他不太常用的測(cè)試，例如超速離心測(cè)試或氣相色譜 (GC)，以識(shí)別基礎(chǔ)油化學(xué)成分的變化。

　　粘度是一種重要的物理特性，須仔細(xì)監(jiān)測(cè)和控制，因?yàn)樗鼘?duì)油品以及油品對(duì)設(shè)備壽命的影響。

　　無論是使用能夠準(zhǔn)確確定粘度變化的多種現(xiàn)場油品分析儀器之一現(xiàn)場檢測(cè)粘度，還是定期將樣品發(fā)送到外部實(shí)驗(yàn)室，了解如何確定粘度以及粘度變化如何影響設(shè)備可靠性都非常重要。須采取積極主動(dòng)的方法來確定設(shè)備的命脈——油的狀況!

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