一种润滑脂低温泵送试验机的应用考察
文章介绍了润滑脂流动性理论和相关的试验方法，主要对一种低温泵送试验机仪器进行了应用考察。通过绘制测试数据曲线，可以准确表征出润滑脂的低温泵送性能，其测试数据和现场应用关联度大，可以为集中润滑选脂提供很大帮助。
润滑脂的润滑方式有人工脂枪加脂、油杯加脂、压力注脂器、集中润滑等几种，根据工况条件选择合适的润滑方式。集中供脂润滑方式被广泛应用，主要适用于机械设备中有大量润滑点或整个车间、工厂润滑系统而设置的一种润滑装置的情况。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)经过调研发现集中润滑的优点是：可以提高机械设备润滑的可靠性和安全性，延长机械的使用寿命，减少维修工作量，减少润滑操作人员及减轻劳动强度，节省油脂使用量，且可以防止杂质混入等，经济性明显，被广泛应用到设备润滑领域。
集中润滑脂润滑要求润滑脂具有良好的泵送性，主要涉及温度和压力等相关的工况条件。集中润滑对润滑脂的选择一般依靠如锥入度、流动压力、相似黏度等几个指标，通过这些指标描述判断润滑脂泵送性能，当然还要有足够的现场工作经验，这些指标都不能直接描述出润滑脂的泵送性。一种低温泵送试验机，即美钢联低温泵送试验机，可以在固定条件下直接评定润滑脂的泵送性，测试结果是在一定的温度及系统压力下单位时间泵送润滑脂的质量，接收的脂量越多润滑脂的流动性越好，测试结果直观有说服力，值得学习研究考察。
1、润滑脂的流动性理论及相关试验方法
润滑脂是将稠化剂分散于液体润滑剂中所形成的一种稳定的半固体产品，这种产品可以加入改善其某些性能的添加剂。根据润滑脂的组成及性质，其具有显著的非牛顿性类似于Binham体，但切应力与切应变率呈非线性关系。润滑脂的流变特性可用τ=τs+γn近似地表述。润滑油可以视为牛顿体，切应力与切应变率的关系式是通过原点的直线。图1表示非牛顿体润滑脂与牛顿体润滑油的τ～γ曲线。
图1 非牛顿体润滑脂与牛顿体润滑油的τ-γ曲线
牛顿流体和非牛顿流体的剪切速度与剪切应力的关系是润滑脂在受到外力作用时的流动和变形的特性，主要表现如下：
(1)当润滑脂不受外力作用时，能像固体一样保持一定形状，即在静止时不会自动流失。
(2)当受到微弱外力作用后，产生弹性变形；移去外力后又能恢复到原来的位置与形状，呈现出固体的弹性特性。
(3)当施加的外力足够大时，润滑脂发生形变和流动，而不能再自动恢复到原来的位置和形状，因此润滑脂在机械运转部件上的启动力矩比液体润滑油大。
(4)在润滑脂流动过程中，随着所受剪应力增大，皂纤维在不同程度上定向排列，会使体系的表观黏度(或相似黏度)随之减小。在此阶段，润滑脂的表观黏度随剪切速度的增大而减小。
(5)在受到极高剪应力的情况下(剪切速度很大)，润滑脂的流动像牛顿流体一样，黏度能保持一个常数，而不再随剪切速度的变化而改变。
非牛顿体的润滑脂与牛顿体润滑油相比较的优点，具有良好的密封性，可以防止水分、灰尘的侵入，减少漏油、飞溅等造成对机械的污染；要求不太复杂的密封装置和供油系统；使用寿命长；适合于较宽的使用温度范围。基于润滑脂的优点，好多场合润滑点多面广的机械设备部位必须用脂润滑。润滑脂天然的不流动性，进入摩擦面必须通过外力实现，作为非牛顿流体的润滑脂，流动条件必须有外力存在，才有流动的可能，现场使用表现为系统泵压；此外，环境温度对润滑脂结构状态影响较大，低温条件下润滑脂流动所需的压力明显增大。所以润滑脂的低温泵送性能研究的是温度与剪切应力(或压力)的关系。集中泵送受到越来越多的关注，现代润滑脂工业把泵送性作为润滑脂研究的课题在国外开展较多，一些评价润滑脂的泵送性能的试验方法，是在应用研究的基础上建立的，其中有相似黏度、流动压力、表观黏度，当然表征润滑脂低温泵送性也包括锥入度、低温转矩和流变等试验方法，所有这些试验方法都与剪切应力、温度相关。润滑脂低温性相关的试验方法见表1。
表1 润滑脂低温性相关的试验方法
其中应用较广的低温试验方法是相似黏度。润滑脂在一定温度下的黏度是随剪切速度的变化而变化的变量，这种黏度称为相似黏度，国际计量单位为帕(斯卡)秒(Pa·s)。润滑脂相似黏度与剪切速度的变化规律称为润滑脂黏度-速度特性。润滑脂黏度随剪切速度变化愈显著，其能量损失愈大。一般可以根据低温下润滑脂相似黏度的允许值来确定润滑脂的低温使用下限。中国石化开展过润滑脂相似黏度表征润滑脂低温性能的工作，该指标对润滑脂低温流动性有帮助，低温泵送试验机的使用将进一步提高人们指导实践应用的水平。
2、试验仪器及应用
钢厂大部分的工作环境用人工加脂有一定困难(如温度高、润滑点多、人工加脂不易接近润滑点)，必须采用干油集中润滑系统定期加润滑脂。好多设备对脂润滑的要求相当高，如台车滑道密封装置不允许出现缺、少脂运行，否则将造成滑道的磨损导致漏风；连铸机润滑线路长，出现润滑不良可导致轴承运转不灵活、寿命下降，拉坯阻力增大，故障停机和检修时间延长。所以钢厂的润滑管理是影响钢铁生产的关键，采用集中润滑系统对钢厂设备进行润滑非常必要。美国钢铁联合协会(以下简称美钢联)建立了一种评定润滑脂低温流动性的试验方法，GreaseMobilityU.S.Steel方法[6]，可以较直观地评价润滑脂的低温流动性能，为钢厂设备集中润滑选脂提供参考依据。
2.1、仪器介绍
任何试验机都有特定的试验方法，低温流动试验方法适用于在规定条件下测定润滑脂流动的能力。在控制的温度与压力下，通过将试样泵送到一个标准SOD压力黏度计里，以g/s为单位来测量润滑脂的流动性。
美钢试验方法的条件是，试验温度低至-34.4℃，在低温下进行润滑脂流动性试验以预测润滑脂的泵送性能。测定应用于集装或散装系统里时润滑脂的适应性，在该系统里采用泵、阀或管线来分配或传输润滑脂。本仪器由压力黏度计、冷却浴与冷冻系统组成。不锈钢制压力黏度计配备有一个经过改良的40∶1比率的毛细管。在将试样装载在压力黏度计里之后，将组合件安装在冷却浴里，并使组合件达到测试温度。机械冷冻冷却浴可以得到低至-34.4℃的测试温度，且稳定性达到±1℃。试样达到测试温度时，润滑脂在选定的压力下开始流动。在规定的周期里收集润滑脂来测定每秒的流速。美钢低温泵送试验仪器及工作原理见图2、图3，原理所包括的附件、润滑脂圆筒(压力黏度计)、带有经过改良的No.140∶1比率的毛细管试样收集器转盘。
电气要求：115V60Hz，单相，6A220～240V50Hz或60Hz，单相，3A。尺寸l×w×h，in.(cm)。冷却室：12×12×30(30.5×30.5×76)。冷冻单元：15×12×12(38×30×30)。净重：114lbs(51.7kg)。
图2 美钢低温流动性试验机
图3 美钢试验机工作原理示意
2.2、操作过程
首先打开氮气瓶柜内的氮气钢瓶阀，氮气减压阀上的0～25MPa的压力表显示的瓶内压力，压力指示>15kg，调节分压阀，使分压表指示在12kg。用1/4kg试验脂放置在压力气缸黏度管容器中，尽可能在样品中不夹气泡，从气缸顶部放入活塞，气缸底部用软木轻轻拍打，使脂处于紧凑状态。气缸底部连接毛细管，把盖顶旋入气缸，将整体气缸放入冷浴箱容器内，盖好冷箱顶盖，并连接好快速压力管线。
用热电偶小心放入底部毛细管中(可随时观察润滑脂到达的温度)。开启制冷容器电源开关。在经过3～4h运行后，或更长时间，右边的测温器会显示气缸内润滑脂的实际温度。如果想做其他温度点的实验，例如-15℃，则需要看右侧润滑脂测温器温度到达-15℃后，立即做实验。打开氮气管路阀门，调节压力表至少量压力5s，以使脂充满毛细管，并将毛细管末端的润滑脂擦拭干净。
调节压力表，至150磅/英寸2，将一个称重的容器放在毛细管下面，然后打开操作阀门，同时开始计时，收集足够量的脂样品，记录流量时间，并称出脂的重量(包括收集挂在毛细管上的脂)，以建立每秒克流量，单位为g/s，作润滑脂的流动性。
2.3、试验样品制备
本试验样品根据需要设计不同稠化剂含量的3个牌号的12羟锂钙皂润滑脂，基础油选用矿物油HVI650。将12羟基硬脂酸与氢氧化锂和氢氧化钙混合水溶液混合进行皂化反应，反应完全后加入升温油，使皂与基础油形成真溶液，然后用冷却油冷却晶化，加入后调油，用三辊碾磨机研磨制成脂，制备样品1号脂、2号脂、3号脂的分析数据见表2所示。
表2 不同润滑脂的分析数据
2.4、应用考察
利用低温流动试验机考察润滑脂低温性能，包括固定的压力条件下测试相同牌号润滑脂不同温度下的流动性，绘制低温条件下泵送能力工作曲线；固定的压力条件不同稠度牌号润滑脂低温泵送性，绘制出低温泵送能力工作曲线；同牌号润滑脂流动压力测试数据趋势工作曲线；对比不同锥入度润滑脂低温泵送性。
流压的测定是将润滑脂装入试验装置后，在规定的温度条件下，使压力以一定的时间间隔上升，测定从检验喷嘴里挤掉润滑脂的瞬间压力。锥入度的测定是指标准圆锥体自由下落而穿滑入装于标准脂杯内的润滑脂经过5s达到的深度。同时使用美钢低温泵送试验、流动压力试验、锥入度进行的润滑脂低温流动性考察，对不同测试方法表征润滑脂的低温流动性加以比较。
3、检测数据及其分析
3.1、同牌号低温泵送测试
选定2号脂，调节压力表至150磅/英寸2，用低温流动性试验机分别测试-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃下润滑脂的泵送量，时间统一按照31s计，称出收集器内润滑脂的质量。测试结果绘制出不同温度2号脂低温泵送试验工作曲线如图4。
图4 2号脂低温泵送试验工作曲线
不同温度下2号脂的泵送性随着温度的升高而逐渐变好，泵送的润滑脂量呈现规律性增加，泵送润滑脂的量0℃比-20℃增加大约10倍。低温泵送试验机可以较好地描述出2号脂低温条件的泵脂量工作曲线。
3.2、不同牌号低温泵送测试
选定不同牌号润滑脂，有1号脂、2号脂、3号脂三个样品，调节压力表至150磅/英寸2，用美钢低温流动性试验机分别测试-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃，润滑脂的泵送量，时间统一按照31s计，称出收集器内润滑脂的质量。测试结果绘制出不同温度不同牌号润滑脂低温泵送试验工作曲线如图5。
图5 不同牌号润滑脂低温泵送试验工作曲线
由工作曲线清晰看出，不同稠度润滑脂同一温度条件下牌号越小润滑脂的泵送性越好，同一稠度润滑脂泵送性随温度升高变好，规律性明显。1号脂比3号脂的泵送性各个温度条件泵送量都大。润滑脂的泵送性与温度、稠度相关系密切得到验证。
3.3、同牌号流动压力测试
使用流动压力对2号脂做低温性考察，同样测试不同温度条件下-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃条件下流动压力，测试结果绘制出不同温度2号脂流动压力试验工作曲线如图6。
图6 2号脂流动压力试验工作曲线
由工作曲线看出，随着温度的升高，2号脂的流动压力是下降的，泵送性随温度的升高逐渐变好，与美钢低温泵送试验机的测试润滑脂的低温泵送性趋势结果一致。
3.4、不同锥入度润滑脂低温泵送性
由表2得知不同锥入度的1号脂、2号脂、3号脂，在-10℃条件下随着稠化剂含量的增加相似黏度逐渐增大，说明润滑脂的泵送性随稠度增加逐渐变差，与美钢低温泵送试验机表征的润滑脂的低温泵送性结果同样一致。
4、讨论
作为非牛顿体的润滑脂化学上属于分散体系，分散相颗粒形成的网状结构，所加外力才能发生剪切变形，开始流动。本文试验选择的润滑脂稠化剂类型一致、基础油类型一致，不同样品的稠化剂含量不同。低温流动性试验机可以准确地测试出固定压力150磅/英寸2、温度范围-20～0℃下润滑脂的泵送性能，测试出润滑脂的泵送量单位是g/s，条件可控易于比较，相同牌号的润滑脂，润滑脂泵送性随温度升高逐渐变好；同一温度下，锥入度越大泵送脂量越大，泵送性越好。低温泵送试验工作曲线，准确表征出润滑脂泵送性与温度和稠度的相关性。
同一牌号润滑脂，温度越高流动压力越低，泵送性越好，流动压力试验工作曲线，验证了相同温度条件下润滑脂泵送性，与美钢低温流动试验机评价结论一致。该方法在欧洲获得较好的应用。
不同锥入度的润滑脂，其数值越小润滑脂越硬，低温相似黏度越大，泵送性越差。不同锥入度润滑脂一定温度下的泵送性，与低温泵送试验结论一致。在对润滑脂的流动性评价中低温泵送试验机法与流动压力、锥入度有较好的一致性，可以有效表征出润滑脂的低温泵送性能，在实践中可以根据工况条件要求综合应用。考察了固定压力下不同温度滑脂的泵送性，可以根据现场的试验条件，设定不同压力完成试验测试，拓宽该试验机的应用范围。低温流动试验机可以根据给定的温度压力和泵脂量需求，很好地完成润滑脂品种和牌号的选择。增加了一种评定润滑脂低温性的手段。
润滑脂的泵送性宝钢检测中心使用干油泵固定压力温度条件，通过一段时间接收的润滑脂量，其质量与时间的比值作为评价润滑脂泵送性。与低温泵送试验机对润滑脂泵送性的考察有异曲同工之处。
5、结论
美钢联低温泵送试验机是根据实际工况条件评定润滑脂泵送性的模拟台架试验机，可以准确地评价润滑脂的低温泵送性能，测试数据误差较小稳定性极好，与其他表征润滑脂低温流动性的试验方法流动压力和锥入度有较好的关联度，其试验数据可以为现场润滑工程师选脂和集润滑设计选脂提供参考帮助，也是实验室评价筛选润滑脂配方的一种理想方法。
