CN104517029B - 一种润滑油粘度选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于润滑油性能测试技术领域，提供一种润滑油粘度选取方法,其包括：步骤1，建立润滑油粘度公式；步骤2，数值求解每一个时间步的润滑油的油膜厚度分布和与此对应的压力；步骤3，选出每一个时间步的油膜厚度分布中最小的油膜厚度值，将所有时间步中最小的油膜厚度值中的最小值作为工件一个周期的最小油膜厚度，并与工件的粗糙度值进行比较迭代处理，直至该最小油膜厚度小于粗糙度值，此时其对应的粘度为所求的润滑油粘度。本发明选取的润滑油粘度值可直接应用与工程之中，保证了工件系统的动力性、经济性、可靠性，为选取润滑油粘度提供了理论参考。

Description

一种润滑油粘度选取方法

技术领域

本发明属于润滑油性能测试技术，尤其涉及一种润滑油粘度选取方法。

背景技术

国内目前针对润滑油的选配，主要受限于设计制造水平，例如民用高档发动机大多直接采用国外厂家指定的润滑剂，或者根据国外已有的标准方法进行宽泛范围中的“纯理化指标”的类比选用。壳牌公司将润滑科学的支撑作用分为三个方面：润滑分析模型、流变学研究、筛选测试与模拟测试。针对各种润滑油开发建立了各种系统，采用润滑模型预测润滑状态；将润滑剂的流变特性融合在模型中预测润滑状态及其转变；并根据润滑状态采用“Smart Screener”技术，在通用和自制设备上试验油品在各种工况下的各项摩擦适用指标与油品理化指标的关系，积累相当的经验数据与图表。

但是现有技术中直接通过润滑分析计算来确定润滑油品指标的研究还很少，主要是由于润滑理论模型的研究者和润滑油工程实际脱节所致。事实上通过润滑分析来确定润滑油品的指标既有较深的理论研究价值又有很强的工程应用需求。

目前我国并没有一套自己的基于数值计算方法的润滑油选取方法，如果润滑粘度选配不当，会给工作系统带来一系列的不良影响，如粘度过低，致使润滑剂不能很好的附着在工件表面形成全覆盖油膜，油膜容易破坏，使相对运动的工件发生直接接触，加剧磨损，破坏机械系统安全性；密封作用不好，增加机油消耗量。若粘度过高，则会引起摩擦损耗增加，功率下降、能量消耗急增等；润滑油的粘度过大，工作系统起动时难于进入摩擦表面，使摩擦表面直接接触，导致磨损增大。实验证明，使用粘度大的内燃机油，发动机的磨损要比使用粘度小的油大。因此，不合理的润滑油选配方案，将会导致机械系统的动力性、经济性、可靠性等性能全面下降，严重影响了我国高档发动机的自主研发。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种润滑油粘度选取方法，能选取已知工况条件下具有合适粘度的润滑油，本发明选取的润滑油粘度值可直接应用与工程之中，保证了工件系统的动力性、经济性、可靠性。

本发明的润滑油粘度选取方法，其包括以下步骤：

步骤1，根据润滑油的粘度与温度、压力和剪切率的流变关系建立润滑油粘度公式，该润滑油粘度公式表示为：

其中，η为温度为T、压力为P、剪切率为时的粘度，η₀为在润滑油未发生稀化效应的剪切率下、温度为T₀、一个大气压时的初始粘度，α为粘压系数，β为粘温系数，τ0为参考剪应力；

步骤2，对工件的一个工作周期进行时间分步，数值求解每一个时间步的润滑油的油膜厚度分布和与此对应的压力；数值求解包括以下步骤：

步骤21，对于第t个时间步；

步骤22，给出初始油膜厚度分布估计；

步骤23，给出初始压力分布估计；

步骤24，确定雷诺方程的相关项：

根据步骤1建立的润滑油粘度公式获得粘度项；

获得润滑油的密度项和工件的弹性变形项；

根据工件的弹性变形项将初始油膜厚度分布估计变成油膜厚度分布项；

步骤25，将步骤24确定的相关项代入雷诺方程获得润滑油的新的压力分布；

步骤26，判断步骤25中润滑油的新的压力分布是否收敛，判断方法：

给定一个收敛值，将新的压力分布与初始压力分布估计求差，若差值小于收敛值，则收敛，执行步骤27；

否则返回步骤23，利用公式p_m+1＝p_m+ω_p(p_m-p_m-1)确定新的初始压力分布估计，其中，ω_p为压力修正系数，p_m为第m次迭代使用的初始压力分布估计；

步骤27，判断工况载荷是否平衡，判断方法：

给定一个允许误差值，将收敛的压力分布求积分后与工况载荷求差，若差值小于或等于允许误差值，则平衡，执行步骤28；

否则返回步骤22，利用公式h_n＝h_n-1+ω_h(∫∫pdxdy-W)确定新的初始油膜厚度分布估计，其中，ω_h为设定的膜厚修正系数，h_n为第n次迭代使用的初始厚度分布估计，W为工件载荷；

步骤28，将工况载荷平衡条件下的油膜厚度分布以及该油膜厚度分布对应的压力作为第t个时间步的油膜厚度分布以及该油膜厚度分布对应的压力；

步骤29，重复步骤21至步骤28，依次获得所有时间步的油膜厚度分布以及该油膜厚度分布对应的压力；

步骤3，选出每一个时间步的油膜厚度分布中最小的油膜厚度值，将所有时间步中最小的油膜厚度值中的最小值作为工件一个周期的最小油膜厚度，并与工件的粗糙度值进行比较处理：

若工件一个周期的最小油膜厚度小于粗糙度值，则令步骤1中的初始粘度η₀增大一倍后计算出粘度η，并代入步骤2迭代，直至该最小油膜厚度大于粗糙度值，此时其对应的粘度η为所求的润滑油粘度；

若工件一个周期的最小油膜厚度大于粗糙度值时，则令步骤1中的初始粘度η₀减小二分之一后计算出粘度η，并代入步骤2迭代，直至该最小油膜厚度小于粗糙度值，此时其对应的粘度为所求的润滑油粘度。

进一步的，本发明的润滑油粘度选取方法还包括：

步骤4，设定步骤3中最后所求的润滑油粘度为当前粘度值，当前粘度值上一次迭代中的最小油膜厚度对应的粘度为上一个粘度值；

利用二分法将上一个粘度值与当前粘度值的中点作为新的初始粘度η₀，再次代入步骤2迭代，直到最小油膜厚度与工件的粗糙度值接近为止，接近的判断标准是：给定一个值，两者差值小于该值。

上述所述T₀为30摄氏度。

有益效果：

本发明可以确定在已知工况条件下需要的润滑油粘度指标，从而选取合适的润滑油。而选取适当粘度的润滑油使其附着在工件表面形成全覆盖油膜，避免了两表面相互接触，有效地减少了摩擦、磨损，保证了系统安全。

附图说明

图1为采用本发明测得的三种润滑油实验测量的粘温变化规律；

图2为采用本方法的润滑计算流程图。

具体实施方式

本方法采用数值模拟计算和试验模拟相结合的方法。数值模拟采用经典的流体润滑理论和弹性流体动力润滑理论，目前流体润滑理论基本趋于成熟，且已被实验证实。试验工作将在标准润滑摩擦测试仪器设备以及自主开发的试验装置上结合该发动机的极端工况进行。这里值得说明的是，润滑计算依据连续流体力学计算，可以分析混合润滑区，并依此提出润滑安全要求；在润滑条件苛刻的极端混合润滑区和边界润滑区，出现接触和磨损时，现有的润滑模型与计算难以模拟，需要设计针对性的模拟试验测试，建立针对性的指标。

本发明的技术方案是这样实现的：

1.要确定工况条件，确定工况条件有很多成熟方法，在此进论述需要哪些工况条件。本发明需要确定的工况条件包括结构参数、材料参数和工况参数。其中，

结构参数：两接触表面形状(用于计算油膜间隙进而确定初始油膜厚度估计)。

材料参数：弹性模量、泊松比(用于计算润滑界面的弹性变形，进而使用弹流润滑方法确定雷诺方程)。

工况参数：载荷(用于与求解出的油膜压力分布积分作为迭代收敛条件，对于不同工况条件，载荷计算方法不同，以内燃机缸套活塞环系统为例，其载荷为气缸燃气压力，和活塞环的弹性力为主)、速度(雷诺方程中的速度项)，工作温度(对润滑油粘度的影响)。

2.使用标准流变测试仪和高剪切流变测试仪测定在工况条件下的润滑油粘度流变特性，如粘度随温度，压力，剪切率(流动速度沿流体厚度估计方向的变化梯度)的变化情况，以确定合理的粘温，粘压以及剪切稀化效应公式，操作步骤为：

<1>润滑油粘度是随温度、压力、剪切率发生变化的。首先确定润滑油粘度随温度的变化曲线。将剪切率固定在1000/s，可以测得不同润滑油的粘度随温度的变化关系。以PAO系列基础油品为例，通过对三种润滑油进行测量，由图1可见，分别对三种油进行拟合，采用拟合公式

式中η_T为温度T时的粘度，β为粘温系数，为温度T₀时的粘度。以下为三种润滑油在不同温度下的粘度测量值的实验数据结果如表1所示，以及由上式所得出的粘温系数拟合值如表2所示。

表1(mPa·s)

<2>确定压力对润滑油粘度的影响

通常压力对粘度的影响为幂指数规律，可写成如下形式：

式中η_P为压力为P时的粘度，α为粘压系数，为压力为P₀时的粘度。

<3>考虑剪切稀化效应后的综合粘度值。

润滑油通常在高剪切率下表现出剪切稀化效应，本方法为使计算结果更加符合真实工况条件，采用Eyring模型(《摩擦学原理》第四版中关于非牛顿流体流变学特性的多种模型中的一种)来描述剪切稀化效应，并运用其计算求解雷诺方程。由Eyring模型可得到剪切率对粘度的影响因子φ

式中τ₀为参考剪应力，与润滑剂的类型相关。

对于目前给定的三种润滑油可按如下方法确定参考剪应力

由TA流变仪测得润滑油在150℃下10³/s时的粘度

由标准流变仪测得润滑油在150℃下10⁶/s时的粘度

与之间的差别必然是剪切稀化效应的结果，带入上式，可得τ₀。

三种润滑油τ₀值如表3所示。

表3(Pa)

同时考虑压力、温度和剪切稀化效应后，润滑油粘度为以上三种效应组合的结果：

3.利用数值方法对描述工况条件下的雷诺方程求解。如图2所示：

按时间分步，将瞬态问题转变成稳态。对每一个时间步计算，给定假设的初始润滑油油膜厚度分布估计，每个时间步中以载荷平衡作为收敛条件，求解雷诺方程所得的压力分布积分与外加载荷平衡时，进行下一步的计算，若不平衡，修改初始润滑油油膜厚度分布估计重新计算，直至完成预定时间步。在每一个时间步下，求解雷诺方程，二维情况下标准雷诺方程的一般形式代入上述确定的工况条件，并且给定一个30℃低剪切率的粘度，以此为基础进行计算，使用Euler方法(差分代替导数)，给定满足工况条件的边值，对二维偏微分方程数值求解，压力收敛作为终止迭代的条件。

具体内容为：步骤31，对于第t个时间步；

步骤32，给出初始油膜厚度分布估计；

步骤33，给出初始压力分布估计；

步骤34，确定雷诺方程的相关项：

根据步骤2建立的润滑油粘度公式获得粘度项；

获得润滑油的密度项和工件的弹性变形项；

根据工件的弹性变形项将初始油膜厚度分布估计变成油膜厚度分布项；

步骤35，将步骤34确定的相关项代入雷诺方程获得润滑油的新的压力分布；

步骤36，判断步骤35中润滑油的新的压力分布是否收敛，判断方法：

给定一个收敛值，将新的压力分布与初始压力分布估计求差，若差值小于收敛值，则收敛，执行步骤37；

否则返回步骤33，利用公式p_m+1＝p_m+ω_p(p_m-p_m-1)确定新的初始压力分布估计，其中，ω_p为压力修正系数，p_m为第m次迭代使用的初始压力分布估计；

步骤37，判断工况载荷是否平衡，判断方法：

给定一个允许误差值，将收敛的压力分布求积分后与工况载荷求差，若差值小于或等于允许误差值，则平衡，执行步骤38；

否则返回步骤32，利用公式h_n＝h_n-1+ω_h(∫∫pdxdy-W)确定新的初始油膜厚度分布估计，其中，ω_h为设定的膜厚修正系数，h_n为第n次迭代使用的初始厚度分布估计，W为工件载荷；

步骤38，将工况载荷平衡条件下的油膜厚度分布以及该油膜厚度分布对应的压力作为第t个时间步的油膜厚度分布以及该油膜厚度分布对应的压力；

步骤39，步重复上述步骤，依次获得所有时间步的油膜厚度分布以及该油膜厚度分布对应的压力。

4.选出每一个时间步的油膜厚度分布中最小的油膜厚度值，将所有时间步中最小的油膜厚度值中的最小值作为工件一个周期的最小油膜厚度，并与工件的粗糙度值进行比较处理：

若工件一个周期的最小油膜厚度小于粗糙度值，则令步骤1中的初始粘度η₀增大一倍后代入步骤3迭代，直至该最小油膜厚度大于粗糙度值，此时其对应的粘度为所求的润滑油粘度；

若工件一个周期的最小油膜厚度大于粗糙度值时，则令步骤1中的初始粘度η₀减小0.5倍后代入步骤3迭代，直至该最小油膜厚度小于粗糙度值，此时其对应的粘度为所求的润滑油粘度。

5.设定步骤4中最后所求的润滑油粘度为当前粘度值，当前粘度值上一次迭代中的最小油膜厚度对应的粘度为上一个粘度值；

利用二分法将上一个粘度值与当前粘度值的中点作为新的初始粘度，再次代入步骤2迭代，直到最小油膜厚度与工件的粗糙度值接近为止，接近的判断标准是：给定一个值，两者差值小于该值。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种润滑油粘度选取方法，其特征在于：

步骤1，根据润滑油的粘度与温度、压力和剪切率的流变关系建立润滑油粘度公式，该润滑油粘度公式表示为：

$\mathrm{\&eta;}={\mathrm{\&eta;}}_0{e}^{\mathrm{\&alpha;}P+\left({\mathrm{ln\&eta;}}_0+9.67\right)\&lsqb;{\left(\frac{T-138}{T_0-138}\right)}^{-\mathrm{\&beta;}\frac{T_0-138}{{\mathrm{ln\&eta;}}_0+9.76}}-1\&rsqb;}/\cosh \&lsqb;{\sinh }^{-1}\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0{e}^{\mathrm{\&alpha;}P+\left({\mathrm{ln\&eta;}}_0+9.67\right)\&lsqb;{\left(\frac{T-138}{T_0-138}\right)}^{-\mathrm{\&beta;}\frac{T_0-138}{{\mathrm{ln\&eta;}}_0+9.76}}-1\&rsqb;})}{{\mathrm{\&tau;}}_0}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&gamma;}}\&rsqb;$

其中，η为温度为T、压力为P、剪切率为时的粘度，η₀为在润滑油未发生稀化效应的剪切率下、温度为T₀、一个大气压时的初始粘度，α为粘压系数，β为粘温系数，τ₀为参考剪应力；

步骤2，对工件的一个工作周期进行时间分步，数值求解每一个时间步的润滑油的油膜厚度分布和与此对应的压力；数值求解包括以下步骤：

步骤21，对于第t个时间步；

步骤22，给出初始油膜厚度分布估计；

步骤23，给出初始压力分布估计；

步骤24，确定雷诺方程的相关项：

根据步骤1建立的润滑油粘度公式获得粘度项；

获得润滑油的密度项和工件的弹性变形项；

根据工件的弹性变形项将初始油膜厚度分布估计变成油膜厚度分布项；

步骤25，将步骤24确定的相关项代入雷诺方程获得润滑油的新的压力分布；

步骤26，判断步骤25中润滑油的新的压力分布是否收敛，判断方法：

给定一个收敛值，将新的压力分布与初始压力分布估计求差，若差值小于收敛值，则收敛，执行步骤27；

否则返回步骤23，利用公式p_m+1＝p_m+ω_p(p_m-p_m-1)确定新的初始压力分布估计，其中，ω_p为压力修正系数，p_m为第m次迭代使用的初始压力分布估计；

步骤27，判断工况载荷是否平衡，判断方法：

给定一个允许误差值，将收敛的压力分布求积分后与工况载荷求差，若差值小于或等于允许误差值，则平衡，执行步骤28；

否则返回步骤22，利用公式h_n＝h_n-1+ω_h(∫∫pdxdy-W)确定新的初始油膜厚度分布估计，其中，ω_h为设定的膜厚修正系数，h_n为第n次迭代使用的初始厚度分布估计，W为工况载荷；

步骤28，将工况载荷平衡条件下的油膜厚度分布以及该油膜厚度分布对应的压力作为第t个时间步的油膜厚度分布以及该油膜厚度分布对应的压力；

步骤29，重复步骤21至步骤28，依次获得所有时间步的油膜厚度分布以及该油膜厚度分布对应的压力；

步骤3，选出每一个时间步的油膜厚度分布中最小的油膜厚度值，将所有时间步中最小的油膜厚度值中的最小值作为工件一个周期的最小油膜厚度，并与工件的粗糙度值进行比较处理：

若工件一个周期的最小油膜厚度小于粗糙度值，则令步骤1中的初始粘度η₀增大一倍后计算出粘度η，并代入步骤2迭代，直至该最小油膜厚度大于粗糙度值，此时其对应的粘度η为所求的润滑油粘度；

若工件一个周期的最小油膜厚度大于粗糙度值时，则令步骤1中的初始粘度η₀减小二分之一后计算出粘度η，并代入步骤2迭代，直至该最小油膜厚度小于粗糙度值，此时其对应的粘度为所求的润滑油粘度；

步骤4，设定步骤3中最后所求的润滑油粘度为当前粘度值，当前粘度值上一次迭代中的最小油膜厚度对应的粘度为上一个粘度值；

利用二分法将上一个粘度值与当前粘度值的中点作为新的初始粘度η₀，再次代入步骤2迭代，直到最小油膜厚度与工件的粗糙度值接近为止，接近的判断标准是：给定一个值，两者差值小于该值。

2.如权利要求1所述的润滑油粘度选取方法，其特征在于，所述T₀为30摄氏度。