（机械设计及理论专业论文）润滑脂压粘关系试验机及其测试系统的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 润滑剂流变学特性的研究是润滑剂性能研究领域的前沿课题。目前，国 内外已经有很多学者在进行着润滑剂流变学特性的研究，而且已经取得了一 定的进展。影响润滑剂粘度的因素有很多，压力是影响粘度的重要因素之 一，所以研究润滑剂压粘关系有着重要的理论和实际意义。 本文根据毛细管法粘度测量理论和泊肃叶( p o i s e u i l e ) 方程设计了润滑 脂压粘关系试验机。试验机的压力加载机构采用气液混合加载方式，占用面 积小、压力加载操作简便；剪切传动控制机构简单紧凑，剪切速度的调节方 便快捷。在得到试样压粘关系的同时，通过调节不同的剪切速率，可以得到 试样粘剪关系。 试验机测试系统的硬件部分包括压力传感器、压力信号放大电路和数据 采集卡。根据锰铜丝压阻线性变化原理制作的压力传感器结构简单，测量准 确。信号放大电路使用a d 6 2 0 放大芯片，单级放大，工作可靠。 试验机的测试系统软件采用v b 语言编写，软件界面友好，运行稳定。 其中数据计算和曲线拟合分别采用了平均值法和最d x - - 乘法，减小人为和实 验误差。软件可以实现采集数据实时显示和采集数据离线处理。数据采集实 时显示可以使试验人员了解试验机的工作状态，数据的离线处理为试验数据 的分析整理提供了方便。 通过对复合锂基脂压粘关系的实际测量，证明试验机具有基础压力大、 剪切速率可调、使用试样量少、更换试样方便、试验数据处理过程短等特 点，完全能够完成润滑脂试样压粘关系和粘剪关系的测量工作。 关键词润滑脂；压粘关系；试验机；测试系统软件 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i co fl u b r i c a n tr h e o l o g yi s o n eo ft h e r e s e a r c hm o s ta d v a n c e df i e l d si nl u b r i c a n tp e r f o r m a n c e r e c e n t l ya m o u n to f r e s e a r c h e so nt h ec h a r a c t e r i s t i co fl u b r i c a n tr h e o l o g yh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da n d r e s u l t sa c h i e v e db yt r i b o l o g i c a lr e s e a r c h e r p r e s s u r ei so n eo ft h ef a c t o r sa m o n g w h i c ha f f e c tt h e v i s c i d i t y o fl u b r i c a n t s or e s e a r c h e so np r e s s u r e v i s c i d i t y r e l a t i o nh a v et h e o r e t i ca n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e g r e a s ep r e s s u r e v i s c i d i t yr e l a t i o nt e s t i n g m a c h i n ei sb a s e do nc a p i l l a r y v i s c i d i t yt e s t i n gp r i n c i p l ea n dp o i s e u i l ee q u a t i o n p n e u m a t i c h y d r a u l i cl o a d i n g m e t h o di su s e df o r p r e s s u r e l o a dm e c h a n i s mo ft e s t i n g m a c h i n e ，w i t ht h e a d v a n t a g e o fl i t t l ea r e aa n d s i m p l eo p e r a t i o n w i t h t h e c o m p a c t s h e a r t r a n s m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s m ，t h es h e a rs p e e dc a nb er e g u l a t e dq u i c k l y t h e v i s c i d i t y s h e a rs t r e s sr e l a t i o nc a no b t a i n e dw i t h p r e s s u r ev i s c i d i t y r e l a t i o n s i m u l t a n e i t yb yr e g u l a t i n gd i f f e r e n ts h e a rs p e e d s t h e t e s t i n gs y s t e mh a r d w a r eo f m a c h i n ec o n s i s t so f p r e s s u r es e n s o r s ，s i g n a l a m p l i f i e ra n dd a t ac a p t u r ec a r d t h ep r e s s u r es e n s o r sa r ep r o d u c e da c c o r d i n gt o t h el i n e a rp r i n c i p l eo fm a n g a n i nw i r ep r e s s u r er e s i s t a n c ew i t hs i m p l es t r u c t u r e a n da c c u r a t em e a s u r e m e n t t h em o n o p o l ea m p l i f i e ra d 6 2 0c h i pi s u s e da s s i g n a l sa m p l i f y c i r c u i tw h i c hc a no p e r a t er e l i a b l y t h et e s t i n gs y s t e ms o f t w a r eo fm a c h i n ei s p r o g r a m m e db yv bl a n g u a g e ， w h i c hh a sf r i e n d l yi n t e r f a c ea n ds t a b l eo p e r a t i n ga b i l i t y m e a nv a l u ea n dl e a s t s q u a r em e t h o d sa r ea d o p t e df o rd a t ac a l c u l a t i o na n dc u r v ef i t t i n g ，f o rt h ep u r p o s e o f e l i m i n a t i n gm a n m a d ea n de x p e r i m e n t a le l t o r t h er e s e a r c h e sa r ei n v e s t i g a t e d f o rt h er e a l - t i m ea n do f f - l i n ep r o c e s s i n go fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h er e a l t i m e r e s e a r c h e sh a v ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ft h eo p e r a t i n gs t a t eo f t e s t i n gs y s t e ms o a st oa d o p tm e a s u r ea c c o r d i n g l y , a n do f f - l i n ep r o c e s s i n go f f e rc o n v e n i e n c yf o r t h ed a t aa n a l y s i s a f t e rm e a s u r i n gt h ep r e s s u r ev i s c i d i t yr e l a t i o no f c o m p o u n dl i t h i u ms o a p b a s eg r e a s e ，t h et e s t i n gm a c h i n ei s p r o v e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c l a r g e b a s e p r e s s u r e ，a d a p t i v es h e a rs p e e da n ds h o r td a t ap r o c e s s ，e t c a n di tc a nm e a s u r et h e i i 堕玺鎏三些查兰三兰堡圭堂堡堡三 p r e s s u r ev i s c i d i t yr e l a t i o na n dv i s c i d i t ys h e a rs t r e s s r e l a t i o no fs a m p l eg r e a s e s u c c e s s f u l l y k e y w o r d sg r e a s e ，p r e s s u r ev i s c i d i t yr e l a t i o n ，t e s t i n gm a c h i n e ，t e s t i n g s y s t e ms o f t w a r e i i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 润滑脂压粘关系研究的意义及目的 任何机器中都有作相对运动的机器零件副，零件副的相对运动必然存在着 摩擦与磨损，其结果是使机器的效率及可靠性逐渐降低，丧失原有的工作性 能，最终可能导致零件的突然破坏川。因而，摩擦与磨损是造成机器零件失效 的最重要的因素。在作相对运动的零件副之间施加润滑剂是减小零件摩擦与磨 损最有效的方法之一。润滑剂不仅可以降低摩擦、减轻磨损，还可以起到防 锈、散热和降温的作用。经过长期的研究发现，只有正确选择润滑剂才能有效 减少零件副的摩擦磨损，否则效果并不明显，甚至适得其反。然而，要想正确 选择润滑剂，首先必须了解各种润滑剂的特性。 润滑脂是一种常用的润滑剂，是将稠化剂分散在基础油中而形成的稳定的 固体或半固体产品，是一种稠化了的润滑油，其产量大约占润滑油产量的5 左右。虽然所占比重不大，但由于性能特殊，很早就被人们熟悉并广泛使用在 机械、航空、汽车、国防等各个行业，特别是在滚动轴承和一些重载齿轮中， 较多的使用了脂润滑【2 】。我国润滑脂工业虽然起步较晚，但发展速度较快。近 年来研制生产了极压锂基脂、无水钙基脂、复合锂基脂及复合铝基脂等新产 品，满足了工业发展的需求。今后几年内，我国还要发展多效锂基脂、无铅型 极压润滑脂、有机膨润土脂、复合锂基脂等新品种 3 j 。润滑脂与润滑油相比， 有许多优点。与可比粘度的润滑油相比，润滑脂具有更高的承载能力和更好的 阻尼减振能力；由于稠化剂结构体系的吸收作用，润滑脂具有较低的蒸发速 度，因此在缺油润滑状态下，特别是在高温和长周期运行中，润滑脂有更好的 润滑性能；由于稠化剂结构的毛细管作用，与可比粘度的润滑油相比，润滑脂 的流失倾向小；润滑脂能形成具有一定密封作用的脂圈，可防止固体或流体污 染物的侵入，有利于在潮湿和多尘环境中使用；润滑脂能牢固地粘附在润滑表 面上，即使在倾斜甚至垂直表面上也不会流失；在外力作用下，它能发生形 变，像油一样流动；用脂润滑通常只需将少量润滑脂涂于润滑表面，因而可大 大节约油品的需求量，同时可简化设备的设计与维护1 4 1 。润滑脂产品品种、质 量水平可以从一个侧面反映一个国家的工业发展及机械润滑应用技术水平。所 以，拥有所使用润滑脂的各种性能的基础数据，对于我国工业润滑技术的发展 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 是十分必要的。 弹性流体动力润滑理论( e h l 或e h d ) 是六十年代发展起来的润滑理 论，经过四十多年的深入研究，在国内外得到了广泛的应用。粘度是润滑剂最 重要的指标之一，它标志着润滑剂抵抗变形的能力，是决定摩擦零件问油膜厚 度、摩擦能耗、机械效率、磨损失效形式、磨损量，以及承载能力最重要的因 素【5 。】。在流体润滑或弹性流体润滑理论中，粘度是与形成油膜有关的唯一参 数。润滑剂的粘度是随着压力的变化而变化的，这种关系即为润滑剂的压粘关 系，是弹流润滑中一个十分重要的问题。想要进行弹流润滑的研究和应用就必 须知道润滑剂的压粘关系。 由于润滑脂是由分散相和分散介质组成的两相分散体系，表现为出非牛顿 流体的一些特性，其粘度随温度、剪速和压力等参数变化而变化 8 - 1 0 】。在润滑 脂的实验室评价中，锥入度和滴点等参数一直被作为润滑脂性能评定的主要对 象。锥入度是衡量润滑脂稠度的指标，即润滑脂的软硬程度，体现润滑脂粘度 随剪速变化的情况。滴点是衡量润滑脂耐热程度的一个指标，体现润滑脂粘度 随温度变化的情况。虽然这两个参数在某种程度上反映了润滑脂粘度随剪速和 温度变化的能力，但是由于这些参数本身都是有条件的，所以不能很好地反映 润滑脂的实际工作性能，而且，锥入度并不能完全说明润滑脂的流动能力，因 此还需要对润滑脂进行相似粘度( 表观粘度或拟粘度) 的测量。在不同剪切速 度下，相似粘度指标决定润滑脂的使用性能，体现润滑脂在一定的条件下的流 动能力。所以，在润滑脂的实际使用中，掌握不同润滑脂在特定条件下的相似 粘度数据，对润滑脂的使用有很大的指导作用。 然而，由于润滑脂流动特性的复杂性及试验条件的限制，关于国产润滑脂 的流变参数及其随压力变化情况的研究较少。因此基于弹性流体动力润滑理论 研究和实际应用的需要，拥有润滑脂流变特性的基础数据就显得尤为重要。另 外，在润滑脂的实际使用中，由于缺少润滑脂相似粘度的数据，一直用润滑脂 基础油的粘度代替润滑脂的粘度。而实际上在基础油中加入稠化剂后，其粘度 必然要发生变化，所以进行润滑脂流变特性研究可以验证这种取代关系的正确 性。 目前，国外学者虽然已经针对压力对粘度的影响进行了一些概括性论述， 但是仍然没有具体、系统的阐述。鉴于科研和工程的需要，这方面的基础数据 是非常重要的。因此需要研制测量润滑脂压粘关系的试验机，以便做出大量试 验数据供相关人员使用。 1 2 国内外在该方向的研究现状及分析 1 2 1 国外研究综述 国外对于润滑剂的流变特性的研究似乎是在工业革命以后才开始进行的。 早在1 6 8 7 年，牛顿在其著作自然哲学的数学原理一书中就提到了个粘 性液体的摩擦定律。其中有一个比例系数”，直到1 7 8 6 年后，n a v i e r 把该比例 系数( 粘度系数) 引入到流体运动方程中。1 8 4 0 年，法国科学家泊肃叶 ( p o i s e u i l i e ) 在研究血液在毛细管中流动规律时，得出计算流体流过圆管的著 名定律泊肃叶定律。1 9 世纪8 0 年代，科学的发展加速了液体粘度的研 究，在欧洲和北美出现一些用以比较润滑剂流动性的仪器。 工业发达国家一直在进行着对润滑剂的粘度测量的研究，先后发明了毛细 管粘度计、旋转粘度计、落重粘度计、超声粘度计等多种粘度测量仪器，但这 些仪器是在常压低剪切率下进行的。随着工业的发展，人们认识到压力等诸因 素对粘度的影响，从2 0 世纪初就对润滑油的压粘关系进行了大量的测试和研 究。最早研究润滑油压粘特性的是b a r u s ，哈佛大学的b r i d g m a n 从1 9 5 3 年开 始用落重法对四十多种流体的压粘关系进行了研究，给出了温度在2 1 8 3 以 下，最高压力达到2 7 x 1 0 9 p a 的压粘关系，w i l s o n 等人在1 9 7 2 年也使用类似仪 器测定了多种润滑剂在1 2 x 1 0 9 p a 下的粘剧l 。 早期的压粘关系研究，几乎都是使用的落重法粘度计进行的。该法的基本 原理是在一个耐高压的缸简内盛满试验液体，让一个有固定几何形状的物体在 试验液中靠自重下落，液体的粘度与下落物体经过缸筒的时间成正比。由下落 时间的测量就可以通过下式得到： 刁= 后( n 一见) f 式中，7 试验液体的动力粘度； 七试验常数，可通过常压下标准粘度液体对粘度剂的标定得到； n 落体密度； 岛为试验液体在给定压力下的密度； f 物体下落时间 该法的优点是结构简单，操作方便，但其缺点是剪应力极低，约为 2 5 m p a ，不能反映出剪应力对粘度的影响【1 2 】。 堕竺堡三些查兰三兰罂圭兰堡篁兰 ，一 1 9 6 3 年，p h l i l p p o f f 等人使用了振动晶体粘度计测量润滑油粘度。这种方 法能模拟高剪切率的条件，且可以得到粘弹性响应数据，原则上可以用在非牛 顿流体的测量上。但此法剪切热效应大，对振动晶体要求高，可测粘度范围 小，还需要精确测量润滑油的压力与密度的关系数据。 h e r s e v ，s n y d e r 和n o r t o n 分别在1 9 3 2 年和1 9 4 1 年对润滑油压粘关系的测 定作出了非常有成效的工作，他们都使用了毛细管粘度计来确定润滑油的压粘 关系。h e r s e y 和s n y d e r 的试验是在毛细管的入口端加压力为2 8 x 1 0 z p a ，出口 压力为大气压力进行的。显然，毛细管内径的不均匀导致流体的粘度是不均匀 的，其结果是通过对p o i s e u i l l e 公式修正而得到的。该法仍然不够精确，但是 于以前使用的落重法相比剪切率高得多。 n o , o n 是第一个设法消除h e r s e y 和s n y d e r 测试中毛细管内粘度不均匀问 题的人。他使用的测试压力达到3 4 x 1 0 8 p a ，利用在毛细管的出口安装一个细 长的阻尼管来升高出口压力，这样就得到了一个较高压力水平下维持试验毛细 管两端小压差的试验条件，这使得毛细管的精度有所提高，但仍不完善。 1 9 6 8 年，j d n o v a k 和w o w i r i e r 研制的高压毛细管粘度计，是在对 n o r t o n 粘度计更进一步完善的基础上产生的。它使毛细管的基础压力提高到 7 x 1 0 8 p a ，而且测量精度大大提高，是目前最完善的高压粘度测量方法。这种 方法的不足之处是结构复杂，测试前准备工作量大，在接近固化压力时，被测 润滑油传压不均匀对测试结果有影响。 在英国，c a m e r o n 实验室的f o o d ，h a m m a n 等人在1 9 6 8 年采用光干涉原 理对弹流膜厚进行了测试，并计算了润滑油粘度系数。但这是一种间接测量方 法，其可靠度依赖已建立的弹流膜厚理论，且相关的压力和剪切应力必须要估 算。这种方法在理论计算和装置结构及实际操作方面都比较复杂而且不易掌 握。该测量方法后来又被发展成为一种冲击式粘度计，也是一种间接的方法， 其主要计算使用的参数要由公式推导出来，误差很大，有时甚至达到1 0 0 。 近十年来，世界上从事摩擦学研究的国家关于润滑油高压下性能的研究成 果不断出现，研究的内容也不断深入，测试压力已达到几万大气压，由过去只 能测量平衡状态下润滑油的粘度l l h ”】，发展到可在瞬态条件下测定润滑脂的粘 剧”】，试验项目也由压粘关系的测量到润滑脂粘剪关系、粘弹性、弹塑性、 剪切强度等其它流变学特性的研究【1 蚍3 1 ，并对比各种不同皂基润滑脂在使用前 后的流变特性【2 4 】及壁滑移效应【2 5 瞎。虽然对润滑脂的流变学性能的测试在不断 的进行，但是这种测量目前仍然没有统一的标准 2 6 1 。随着科学技术的发展，在 堕奎鎏三些查兰三兰堡圭兰兰篓圣 这方面的研究将会继续不断的加深。 1 2 2 国内研究综述 在我国，弹流的研究工作也取得了很大的成绩 2 7 2 9 1 ，但是对于润滑剂高压 流变学性能的研究工作刚刚开始。清华大学郑林庆教授等人对十八种润滑油在 2 5 0 m p a 的压力下进行了压力与密度关系的研究，温诗铸教授等人采用光干涉 法测量了润滑油膜厚，并使用压粘系数已知的标准油为基准，标定出所测润滑 油的压粘系数。清华大学汪仁友【3 0 】研制了高压冲击粘度计并对国产润滑油做了 压密关系的测试。机械科学院许汉平博士【3 i 】研制了落重式高压粘度计并对国产 润滑油进行了压粘关系、压密关系等的测试。哈尔滨工业大学史海宽硕士 3 2 1 、 清华大学冯忠刚博士【3 3 】对含增粘剂润滑油和二相流体润滑剂进行了压粘关系等 流变特性的测试研究，哈尔滨工业大学齐毓霖教授、李新元博士【3 4 】研制了超高 压毛细管粘度计、n y - 1 毛细管粘度计并且对数十种国产润滑油和二相流体润 滑剂进行了压粘关系等流变学特性的测试研究。但是对于润滑脂流变学特性的 测试研究，国内的研究与国外相比还比较少，目前只有少数一些人从事着润滑 脂的流变学方面的研究【3 ”，而且这些研究也都是利用国外仪器进行了有限种类 的润滑脂流变特性的测量工作。清华大学王晓力等人研究了9 种具有不同稠化 剂结构的润滑脂和7 种具有不同基础油粘度及稠化剂含量的锂基脂的流变参 数，得到润滑脂强度极限随温度升高而降低等特性【3 6 1 。王方飞等人也在 h a a k e 流变仪上测定几种国产钻头脂的高温流变学特性，并建立了相应的流 变方程“。一坪合成润滑油脂研究所张铀霞，利用变动流量式毛细管粘度计考 察了s o d 粘度和a k b 粘度的关系【3 踟。王燕霜等人在自行研制的润滑剂拖动力 试验装置上对多种润滑脂和润滑油进行了不同条件下的拖动力测量，提出了平 均极限剪切应力和平均剪切弹性模量的计算公式【3 9 】。这些研究，填补了我国国 产润滑剂高压流变学特性方面的空白。虽然国内摩擦学研究工作者在润滑脂的 流变学特性方面进行了一些研究，但是针对润滑脂压粘关系的测量试验以及测 量结果尚未见报道。 总体看来，我国与国外发达国家发展水平仍有很大差距，针对国产润滑剂， 尤其是润滑脂，远没有足够的基础数据来满足我国弹流领域研究和其他工程应 用的需要。完成这项工作的任务量还很巨大，而且十分迫切。由于原料产地不 同对润滑剂的润滑性能有很大影响，我们不能套用国外数据，必须针对国产润 滑脂的流变特性加以研究，建立起可用于我国摩擦学工业应用和其他科学应用 哈尔滨工业丈学工学硕士学位论文 i i - - l l e = ! = = 自= ! ! ! = ! j = ! = _ i - - - l e = = # = z = = = = = = _ i - _ _ _ = = o e ! = = = = ! = 目_ _ _ - e = = = = # 的、关于润滑脂流变学性能的数据库，只有这样才能满足我国润滑科学与技术 发展的需求。 1 3 课题来源及主要任务 本课题来源于哈尔滨工业大学2 1 1 工程资助项目。根据国内外对润滑脂流 变学特性的研究进展，以及对课题进行中可能遇到的问题的分析，现拟定课题 任务主要包括以下几个方面： ( 1 ) 根据毛细管粘度测试原理设计润滑脂压粘关系试验机，使试验机更 换试样方便，实验操作简便： ( 2 ) 根据锰铜电阻丝压阻呈线性交化的特点设计压力传感器，要求传感 器工作稳定，拆装更换方便： ( 3 ) 设计试验机的测试系统，包括压力信号放大电路和润滑脂密封腔的 速度测量方法； ( 4 ) 用v b 编写润滑脂粘度测量试验机测量软件，实现用计算机对传感 器的标定，完成数据采集的实时显示，最后根据采集数据计算粘度，生成压粘 关系曲线和粘剪关系曲线。 2 1 引言 第2 章试验系统总体设计 目前，国内还没有任何专门关于润滑脂压粘关系研究的报道，也没有专门 测量润滑脂压粘关系的试验机的报道。本章论述了适合测量润滑脂压粘关系试 验机的设计原理，总体设计方案，主要零部件的强度分析以及高压毛细管的结 构和密封方式。 2 2 试验系统测试基本原理 由绪论中可以看出，采用毛细管法测量粘度具有基础压力高、测量精度高 等优点。本文设计的润滑脂压粘关系试验机，采用了毛细管法粘度测量原理作 为设计理论。 2 2 1 粘度及其影响因素 粘度是反映液体流动难易程度的物理量，是相对运动流体质点问抵抗变形 速度的内应力大小的度量。产生的原因：一是分予间不规则运动动量交换的宏 观表现，二是包括了分子引力和分子链相互纠缠后使其脱开所需的固着力。 润滑脂主要由稠化剂、基础油、添加剂和填充荆组成。其中基础油大约占 润滑脂总量的7 0 8 0 ，它的性能在很大程度上决定了润滑脂的润滑性能。 基础油大都是高分子聚合物，它们的分子呈长线状、分支状或网状，其力学特 性取决于它的分子链上每个环节之间的相互作用情况。另外，润滑脂结构及纤 维长短因为所用皂型和生产方法的不同而有所差别，这些差别对润滑脂的润滑 性能也有不同程度的影响。当发生流动时，其分子和纤维像履带样一节一节顺 序地填补缺空。所以，基础油的分子链越长，支链越多，分子链缠绕越密，皂 纤维越长，润滑脂表现出来的粘度越大 4 0 1 。 影响润滑脂粘度的因素有很多，诸如温度、压力、剪切率、化学变化、污 染等。在这里，根据试验机的情况，仅讨论压力和剪切率对粘度的影响。 压力是影响粘度的因素之一，常温下，压力对粘度的影响比较小。当压力 增加时，液体受到压缩，体积变小，空穴数目减少，分子间距离缩短，分子间 堕堡鎏三些奎兰三兰型圭兰堡篁兰 固着力增大，粘度随之上升。高压下粘度增加的比例要比低压下增加的比例大 得多，从对润滑油的压粘关系的研究可以看出，当压力大于2 0 m p a 时，就已 经不能忽略压力对粘度的影响了。常见的润滑油粘度与压力的关系式详见参考 文献【1 5 】、 4 1 。 当一些分子量很大长的链分子在压差作用下通过小孔或缝隙时，承受大剪 切力，其分子链和皂纤维就会重新排列或被拉断，于是粘度下降；当结构破坏 到某一新的水平后逐渐趋于稳定时，其粘度可能维持在某一数值上，也可能当 剪切率变小或消除时，结构能够恢复或复原1 4 ”。 2 2 2 细圆管粘度测量的基本条件 细圆管粘度测量是以能够润湿管壁的液体在刚性细圆管中作层流流动时的 流量公式为基础的。即满足以下条件： ( 1 ) 能够润湿管壁是指与管壁接触的那层流体与管壁间无相对移动： ( 2 ) 流动时的雷诺数小于临界雷诺数，满足层流条件； ( 3 ) 略去入口端影响，认为管子很长； ( 4 ) 不考虑剪切热影响，等温； ( 5 ) 液体不可压缩。 2 2 3 液体在细圆管中粘度测量的一般公式 2 2 3 1 斯托克斯( s t r o k e s ) 公式设有半径为r 的细长圆管，其中充满满足 基本条件的液体，取其中长度为1 ，半径为r 且轴心与管心重合的一段圆柱 体，如图2 - 1 所示。 p卜 p 图2 - 1 管内流体受力图 f i g 2 - 1f o r c e df l u i di np i p e 由于液体的粘性，在圆柱的外表上受到一个与流动方向相反的粘滞阻力t 的作用，由于是层流，流体平行管轴运动，半径方向上没有运动，所以各垂直 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 轴线的截面上的压力是相等的，即l 两端的压力差为a p 。 石r 2 a p = 2 石r l r 即 心r f = 一 2 z 由受力平衡条件得： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 在管内壁处剪应力达到最大值：珞= 筹r ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 称为s t r o k e s 关系式，它反映了流体在圆管中各半径圆柱面上的 剪应力值。 2 2 3 2 速度通式 图2 - 2 所示为管内流体速度分布图，其中剪率 b d u d r ，“为流体速度。在流变学中，人们把流体剪切率随剪应力变化的 图2 - 2 管内流体速度分布图 f i g 2 - 2v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f f l u i di np i p e 关系称为本构方程或流变状态方程，把液体的剪应力和剪切率之间的关系曲线 称为流变曲线。本构方程可以由下式表示： ，路，( f )( 2 4 ) 式中姆一剪切率或速度梯度； f 剪应力 对式烽d u d r ，( f ) 积分，代入边界条件：，= r 时，“= 0 。可以求得 管内液体的速度分布为： “2if ( r ) d r ( 2 5 ) 由式( 2 - 2 ) 得2 簧，胁= 专机对( 2 - 5 ) 变换积分变量，得 至! j ： “= 当r m m ( 2 6 ) 该式即为已知流变状态方程时管内流体速度分布的通式，由该式可以得到 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 2 2 3 3 褫重蛆式由式( 2 6 ) 得到倒首内况重g ： o = r = 一7 k r 2 u o 2 7 r u r d r , r r 卜p 2 警打 2 j ： 2 卜j ：胛2 詈打 由边界条件r = r 时，u = 0 可以得到： q = 一p 2 害毋= 扣2 巾) 西 变换积分变量，可以得到： q = 等f 巾) 瑚r ( 2 - 7 ) 2 2 3 4 剪切率通式式( 2 7 ) 可改写为： 等= 鲁, l 厂b 1 巾) 黝r石掣 f ： 。、7 两端同时对f 。微分，得： 胞) = ( 一害) 。= 3 4 l ( 捌4 q ) + 靠1 d ( 4 q f 石r 3 ) 把( 2 3 ) 代入( 2 - 8 ) 中，并将第二项化为对数形式： 胞) = 三( 射1 4 ( 4 q _ 1 i d 撕l 。g ( ( a 删q x r 2 d ) ) 令：b = d l o g ( 4 q f i r r 3 ) d l o g ( a p r 2 1 ) 则式( 2 9 ) 变为 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 厂( ) = ( 一警 。( s + 6 ) 4 ( 4 q 础3 ) ( ：圳) 式( 2 1 0 ) 即为圆管内壁处的剪切率公式。 2 2 3 5 粘度通式前面已知粘度是剪切应力与剪切率之比，对于牛顿流体得 到的是粘度，而对于非牛顿流体得到的是该剪切率条件下的表观粘度。因 此，由式( 2 3 ) 和( 2 1 0 ) 可以得到粘度的通式： 叩2 ) 一- 酊研a p 丽r 2 i ( 2 1 1 ) 竺j ：鎏三些查差三耋竺圭主兰耋圣 前人试验表明，b 在较宽的剪应力范围内接近常量，当流体为牛顿流体 时，b 取1 。 2 2 4 泊肃叶定律和泊肃叶粘度 考虑牛顿流体，令：，( r ) = 烤号，代入式( 2 - 5 ) 中，有：“= f 将式弦z ，眠得吉r2 - - 等r d r = 茜扣_ ，2 ) 吼 “= 筹心) 2 协 管内壁的剪切率： 烤，( 靠) = i 4 0 f ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 2 ) 知，牛顿流体在圆管中流动，横截面上沿半径方向的速度为 抛物线分布，将，( r ) = 烙寺及式( 2 3 ) 代入式( 2 - 7 ) 可以得到牛顿流体流 则粘度表达式为： 0 ：i i - r 4 z i p 8 切 厅。 叩2 面凹 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 5 ) 式被称为泊肃叶( p o i s e u i l e ) 方程，是毛细管法测量流体粘度最 重要的依据。 原则上，对于不同的本构方程，代入式( 2 5 ) 、( 2 7 ) 、( 2 - 1 0 ) 及( 2 1 1 ) 便可以求得该种流体在细管中的速度分布、流量、在圆管内壁的剪切率以 及在该剪切率条件下的表观粘度刀。 2 3 试验机整体结构 由式( 2 1 5 ) 可知，如果已知基础压力和剪切率，则被测试剂的粘度就可 以通过计算得到。基于这一理论，设计了适合测量润滑脂压粘关系及粘剪关系 的试验机。 试验机由五部分组成：基础压力加载装置，剪切传动控制装置，高压腔体 密封装置，信号采集系统和压粘关系测量软件。其中，基础压力加载装置、剪 切传动控制装置和高压腔体密封装置构成试验机的机械部分。如图2 3 所示。 基础压力加载装置包括一台空气压缩机和一个液压缸，提供被测润滑脂所 需的基础压力。空气压缩机产生压力较低，通过压缩气体将压力作用在液压缸 内活塞上。由于活塞两端面积不同，输出压力提高。由液压缸柱塞输出压力， 直接作用在试验机高压腔体密封装置中的密封腔柱塞上，实现基础压力加载。 剪切传动控制装置包括电机、变速器、丝杠、丝母、拉板和导杆。电机产 生的动力经变速器转速降低，再通过丝杠、丝母、拉板和导杆带动测量机构中 的密封腔体上下运动。通过控制变速器的传动比，实现密封腔体内润滑脂剪切 率的控制。 信号采集系统硬件和压粘关系测量软件用来采集密封腔体内的压力信号并 对所采集的数据进行处理，生成直观线图和数据表格，便于分析。这些内容将 在后续章节中进行详细论述。 2 3 1 基础压力加载装置 一定条件下，润滑脂所处压力环境决定着润滑脂的润滑性能。为了测量润 滑脂在不同压力下的粘度，试验机需要提供一个大小可以调节的压力环境。这 一功能由基础压力加载装置实现。基础压力加载装置由一台静音空气压缩机和 一个单作用头液压缸组成。空气压缩机工作电压为2 2 0 v ，功率1 2 5 w ，最大工 作压力1 3 m p a ，工作压力范围在0 1 2 m p a 。液压缸用四个双头螺柱固定在 试验机底板上。活塞直径d ，为6 0 m m ，活塞杆直径d 为2 5 r a m ，柱塞最大直径 n 为6 0 m m 。液压缸结构如图2 4 所示。 基础压力加载时，空气压缩机储气罐内的压缩空气将压力只作用在焊接成 一体的活塞2 及活塞杆3 上，克服弹簧i 的压力后，推动活塞和活塞杆向上移 动。活塞杆由于前移进入充满液压油的油腔，液压油受压后压力升高为只，推 动柱塞6 前移。压力毋= 昂& s , ，其中瓯为活塞和活塞秆的轴向投影面积，大 小为s o = x d 0 2 4 ；墨为液压缸活塞柱轴向投影面积，大小为鸩2 4 。曰作用在 液压缸的柱塞上，输出作用力大小为f = 日最。其中最为液压缸柱塞轴向投 影面积，大小为厅d ，2 4 。压力加载时液压缸输出力为： n 2 仃 f = 告只三皿2 ( 2 1 6 ) 堕玺鎏三些圭兰三兰堡圭兰堡兰兰 1 电机及减速器2 传动机构3 密封腔4 液压缸柱塞5 试验机底板 图2 - 3 试验机结构图 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo f t e s t i n gm a c h i n e 1 后法兰2 活塞3 活塞杆4 弹簧1 5 冲法兰6 柱塞7 弹簧1 18 前法兰 图2 _ 4 液压缸结构图 f i g 2 - 4s t r u c t i l r eo f h y d r a u l i cc y l i n d e r 1 3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 , 3 2 剪切传动控制装置 润滑脂在一定的温度及压力条件下，当受到不同的剪切率时，表现出的粘 度和润滑性能也不同。为了测量润滑脂在一定的温度及压力环境下，受到不同 剪切率时的粘度，需要提供可以控制剪切率的装置。这由控制密封腔体的外部 缸壁上下运动的机构实现，即其结构参见图2 3 。 润滑脂所受剪切率是通过控制电机转速来实现的。电机的最大转速为 1 3 0 0 r p m ，调速范围为9 0 1 3 0 0 r p m 。最大转速经过速比为9 0 ：1 的y n 9 0 1 2 0 型减速器后降为1 4 4 r p m 。丝杆丝母螺纹副将减速器输出的回转运动变为丝母 的平移运动。由于电机可以正反转，所以与丝母紧固连接的拉板能够带动导杆 做上下往复运动，进而由导杆带动密封缸体上下移动，完成在润滑脂上施加剪 应力的工作。施加基础压力后固定密封腔柱塞，缸体的移动将迫使润滑脂从毛 细管中流过，在毛细管的两端产生压差。当密封缸体匀速平移时，毛细管中润 滑脂的流动速度也必然为匀速运动。 由式( 2 1 3 ) 可知，润滑脂所受剪切率筘与毛细管中的润滑脂的体积流量 q 成正比，流量q = 一y 。其中一为毛细管横截面积，矿为润滑脂流过毛细管 时的流速。若缸体的移动速度是均匀的，且测量到的毛细管两端的压差为恒定 的，则润滑脂在毛细管中的流速也是均匀的，即润滑脂受到的剪切率是恒定 的。其值可由式( 2 1 3 ) 得到。 2 4 密封腔结构 前人设计的润滑剂压粘关系试验机，均用来测量流动性很好的润滑油，而 本试验机的研究对象是流动性较差的润滑脂，所以能够兼顾密封腔的高压密封 性和更换试验润滑脂的操作方便性，是本试验机设计的一个难点，因而密封腔 的结构设计的好坏关系到整个实验的成败。 2 4 1 密封腔体结构设计 图2 - 5 所示为润滑脂密封腔体结构图。密封腔内充满润滑脂，毛细管支撑 体中央加工出直径为l m i n 的孔，将上下两个密封腔连通。由于受加工能力的 限制，直接加工的孔其长径比不能称为毛细管，由此产生的压差不能测量到。 为了得到足够大的长径比，试验机采用5 拌注射用针头作为试验的毛细管，截取 一定长度用a b 胶固定于支撑体孔内。针管截取长度为2 0 9 8 r n m ，其内径为 堕玺鎏三些查兰三兰至圭兰堡丝兰：一 0 2 4 m m ，长径比约为8 9 ，这种长径比的圆管可以称为毛细管。柱塞1 、9 分别 和相应衬套3 、7 经过研磨配合成密封偶件，研磨间隙为1 l a m ，研磨长度为 8 0 r a m 。上下腔缸壁由内六角螺丝紧固，将毛细管支撑体夹紧固定。基础压力 p 通过柱塞1 、9 加载在被测润滑脂上后固定，通过移动被紧固在一起的缸壁4 和6 ，迫使润滑脂流过毛细管。 1 上腔柱塞2 上腔法兰3 上腔村套4 上腔缸壁 5 。上腔传感器6 下腔缸壁7 下腔村套8 下腔法兰9 下腔柱塞 图2 - 5 密封腔结构图 f i g 2 - 5s t r u c t u r eo f a n n u l a rs e a ls p a c e 2 4 2 密封脏体强度分析 润滑脂密封腔体是本试验机的重要部件之一，需要承受较高的压力，因此 需要对该部件进行强度校核。与高压密封腔体内润滑脂相接触的零件共有3 个，毛细管、柱塞和筒壁( 即衬套) 。因为柱塞和筒壁与试样接触面积较大， 是密封结构的关键所在，所以本文只对柱塞和筒壁使用有限元法进行强度分 析。 受到换脂和密封条件的限制，试验机密封腔设计的最高压力为6 0 m p a 。试 验证明，当润滑脂加压达到8 0 m p a 时，试验机没有出现泄漏现象，说明本试 验机密封可靠，可以完成基础压力在6 0 m p a 以下压粘关系的测量工作。 ( 1 ) 柱塞的强度分析根据试验机工作条件，确定所建模型单元类型及 材料性能参数。仿真时，为了保证试验机的强度可靠，将所施加的压力高出试 验机的设定值。试验机的柱塞在伸入腔体的一端受到基础压力最高为6 0 m p a ， 堕玺耋士垩查兰三兰翟圭耋釜鎏三 一。 假定压差为3 0 m p a ，则实际所受最大压力为9 0 m p a 。在a n s y s 分析中，加载 在柱塞模型上的压力为i o o m p a 。材料为c 论r 1 5 。经热处理后硬度达到 h c r 6 0 。图2 - 6 所示为柱塞在1 0 0 m p a 下x 方向的应力分布，由于压力均匀加 载在柱塞端面上。所以在y 方向的应力变化与x 方向相同。图2 7 所示为柱塞 静移变化。 网2 石柱塞沿x 方向应力分布图2 7 柱塞沿径向位移分布 f i g 2 - 6s t r e s sd i s t r i b u t i o na l o n gx - a x i a l f i g 2 - 7d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o na l o n g d i r e c t i o n o f p l u n g e rr a d i a l d k e c t i o n o f p l u n g e r 分析结果表明，柱塞在1 0 0 m p a 压力下的最大变形量小于2 9 m ，这个尺寸 比零件的加工尺寸公差还要小一个数量级。因此所设计的柱塞完全达到设计要 求，能够承受来自试样的高压。可以完成试验任务。试验中。所有试验过程中 均使用这个柱塞，没有发现异常之处。 ( 2 ) 筒壁的强度分析为了方便分析，在a n s y s 中建模时，将密封腔 上下筒壁作为一体进行属性设景和压力加载。与柱塞的强度分析类似。在筒壁 上加载压力为1 0 0 m p a 。筒壁内径1 2 m m ，外径5 6 r a m ，材料为g c r l 5 ，热处理 后硬度达到h c r 6 0 。图2 - 8 所示为筒壁沿径向应力分析的仿真结果，图2 - 9 所 示为筒壁沿径向的位移变化。 对筒壁的有限元分析结果表明，筒壁的最大变形量不足2 1 a m 。最大应力处 小于材料的许用应力。 使用a n s y s 对密封腔柱塞和缸体的分析结果表明。所设计的筒壁和柱塞 最大应力均小于g c r i 5 的许用应力值，达到了设计要求，能够完成试验任务。 一。一。一二奎耋i 工业大学工学硕士学位论文一i ll n _ - - _ 矗囊崮_ 置毫_ _ _ _ _ _ 一 图2 - 8 筒壁沿径向应力分析 f i g 2 - 8s t r e s sa n a