润滑油的粘度、粘温粘压特性及单位换算

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册中》第1329页（2830字）

流体(包括润滑油)的粘度，是流体粘滞性的度量，用以标志流体内摩擦阻力的大小。凡是服从牛顿粘性定律的流体，称为牛顿流体。一般工况下的绝大多数润滑油，均属于牛顿流体。牛顿粘性定律表示为：

式中 τ为剪应力，即流体层间单位面积上的摩擦阻力；为剪应变率，即流体沿其厚度方向(z向，即垂直于运动的方向)的速度梯度；μ为比例常数，定义为流体的动力粘度。

动力粘度的单位为N·s／m²，写为Pa·s(帕·秒)。因通常测量流体的粘度计不是直接测得流体的动力粘度，而是测定动力粘度μ与该流体密度ρ的比值。该比值称为运动粘度v，即

v=μ／ρ (4．11-2)

运动粘度的单位为m²／s，常用mm²／s。

由于润滑油的粘度对摩擦副间的润滑作用有很大影响，故绝大多数润滑油均以某一温度下的粘度的近似值作为该油的牌号。按国家标准的规定，以油在40℃(或100℃)时的运动粘度值(mm²／s)为润滑油的粘度牌号。如L-AN32油的运动粘度(40℃下)为32±3．2mm²／s；100号普通开式齿轮油100℃时的运动粘度为90～110mm²／s。

表4．11-1 各类润滑剂的特性^〔47〕

注：*决定于稠化前的基础油。

表4．11-2 润滑剂特性对各种机械(或仪表)零部件的重要程度

注：润滑剂每一特性的相对重要程度用“+++”(=非常重要)到“-”(=较不重要)来表明。

测量粘度的方法很多。按GB265规定，石油产品运动粘度的测定，系采用如图4．11-1所示毛细管粘度计，在一定温度下(40℃或100℃)记录油面从刻线A流到刻线B的时间t，然后用已知的粘度计常数C乘以时间t，即得该被测油的运动粘度。

图4．11-1 毛细管粘度计

润滑油的粘度随温度的升高而降低，其关系有不同的经验表达式^〔16〕或线图，其中常用的有ASTM(美国材料试验学会)线图，其关系式为：

式中 v为运动粘度；T为温度；A、B为由具体油品决定的待定常数。一些典型油品的ASTM粘温关系见图4．11-2。

图4．11-2 润滑油粘温对数关系图

(ASTM线图)^〔15〕

1-32汽轮机油；2-L-AN68全耗损系统用油；3-11号汽缸油；4-HQB15汽油机润滑油；5-双曲线齿轮油；6-28号轧钢机油；7-夏用汽车齿轮油；8-52号汽缸油；9-NIO主轴油；10-双酯；11-硅油；12-氟油

润滑油的粘度随温度升高而变小的性质，称为粘温特性，是评价润滑油品质的主要指标之一，其具体指标有粘度指数(VI值)和粘度比两种。粘度指数的确定方法，是将待测的油品与两种标准油品进行对比。两种标准油的VI值分别规定为100(选定粘温特性好的烷基原油制润滑油)和0(选定粘温特性差的环烷基原油制润滑油)，还使它们在100℃时的运动粘度与待测油(试油)相等，再根据它们在40℃时的不同粘度按下式计算待测油的粘度指数：

式中 L、H和U分别为VI=0、VI=100的标准油和待测油在40℃时的运动粘度值，见图4．11-3。粘度指数超过100则按下式计算^〔15〕：

图4．11-3 粘度指数示意图

1-低标准油，粘度指数VI=0，2-待测油，3-高标准油，粘度指数VI=100

式中 U′为待测油100℃下的运动粘度(mm²／s)。

粘度比为同一润滑油的低温粘度与高温粘度的比值，用v₄₀／v₁₀₀、v₅₀／v₁₀₀、v_-20／v₅₀等符号表示。粘度比小，表示粘温特性好。实用中，可对润滑油的粘度比提出要求，如20号航空润滑油要求粘度比v₅₀／v₁₀₀＜7．8，10号汽油机润滑油v_5e／v₁₀₀＜7．0等。

润滑油的粘度会随压力的升高而增大，但只有压强超过20MPa时的影响才明显。其间的关系有不同的经验关系式，其中较常用的为：

μ_p=μ₀e^aP (4．11-5)

式中 μ_p为润滑油在压强p时的动力粘度；μ₀为润滑油在大气压下(1大气压(atm)=1．01325×10⁶Pa)的动力粘度；e=2．718，为自然对数的底；a为润滑油的粘压系数，其值随油品和温度而变，一般矿物油为(1～3)×10^-8m²／N。如L-AN15油50℃时的粘度为11MPa·s，a=1．3×10^-3m²／N，100℃时的粘度为3．0MPa·s，a=1．1×10^-8m²／N；变压器油50℃时的粘度为7．3MPa·s，a=1．6×10-8m²／N，100℃时的粘度为2．2MPa·s．a=1．2×10^-8m²／N；齿轮油(美国规格SAE140)100℃时的粘度35MPa·s，a=1．39×10^-8m²／N。

动力粘度和运动粘度的法定单位与曾经习惯使用的物理制单位和工程制单位等非法定单位的换算见表4．11-3。换算时，将非法定单位与表中给出的系数相乘，即为法定计量单位。另外，过去还曾使用过条件粘度单位，即采用相对粘度计测定润滑油的粘度，使用的粘度计有恩氏(Eng1er)、雷氏(Redwood)和赛氏(Saybolt)三种，所测得的粘度也相应称为恩氏度(用符号*E_t表示)、雷氏秒(雷氏Ⅰ号秒的符号为R，雷氏Ⅱ号秒用符号RA)和赛氏秒(赛氏通用秒的符号为SUS，重油用SFS)。条件粘度单位与法定单位的换算关系如图4．11-4所示。

表4．11-3 粘度单位换算

注：通常润滑油的密度ρ=0．7～1．2g／cm³，矿物油的密度的典型值为0．85g／cm³，故近似计算时可取1cP≈0．85×(1cSt)。

图4．11-4 运动粘度(mm²／s)与条件粘度单位的换算