鋰基潤滑脂流變模型

..鋰基潤滑脂的流變模型孟永剛鄭潔關于鋰潤滑油脂的流變特性的重點——油脂的觸變性實驗是在一個設置了各種剪切速率,時間和溫度的條件下檢驗的。AHAAKERV20流變儀被應用到實驗中,其中利用了錐形盤和圓盤類的設備。在測試中為了消除油脂沿著器皿壁滑動的影響、斷裂和其他形式的干擾,要先做一些預防的計劃和措施。這樣可以獲得流動曲線和觸變滯后循環(huán)的結(jié)果。在測量結(jié)果的基礎上,提出了一種新的包含有結(jié)構(gòu)參數(shù)的流變特性模型。本文對提出的模型的特點和有關的潤滑分析報告的內(nèi)容進行了探討。?1990年Ltd.All?版權(quán)?？茖W出版社關鍵詞：油脂,流變模型,觸變性介紹油脂在徑向軸承和滾動軸承中被廣泛地用作潤滑劑。油脂的潤滑性能對生活中使用的軸承產(chǎn)生了很大程度上的影響,為了構(gòu)建預測系統(tǒng),在過去的幾十年中已做了大量的脂潤滑的研究。相對于液體潤滑的流體動力計算被應用的置信度,很難得到預測的油脂彈流膜厚度。這困難來自于對潤滑機理認識的不足和油脂流變特性的復雜性。潤滑油脂是一種在礦物或合成油中添加肥皂增稠劑形成的膠體體系組成的,它表現(xiàn)出明顯的非牛頓特性。這種油脂具有一定的屈服應力,因此當它被滾珠推到一邊時將不容易回流補充軌道。這意味著軸承的接觸是缺乏油脂潤滑的。同時,由于油脂的剪切稀化效應和觸變性,使膜的厚度對速度敏感和對時間依賴2。很明顯,徹底調(diào)查研究,將便于更好的認識油脂流變特性,而且一個合適的流變模型會解釋上述特征在脂潤滑理論上的至關重要性。目前,關于潤滑脂的流變行為的文獻是有限的。Cho2研究了油脂在管道中的流動和為了設計潤滑脂泵系統(tǒng)而測量管道的屈服應力；王3為確定在Bingham模型和Herschel-Bulkley模型中的系數(shù)做出了努力,這是目前已有的關于油潤滑方面流變模型的分析。Bair4觀察屈服應力在高壓下的表觀,并提出改進的Bingham模型。這些研究只涉及到油脂的部分流變特性,而并沒有關注油脂時間的滯后性與觸變性之間的聯(lián)系。一些其他的研究探討了潤滑脂的流變特性測量中的問題和困難,以及觸變性隨時間變化的表現(xiàn),但是沒有嘗試做出定量的描述,其中包括復雜的觸變性流變現(xiàn)象。一些流變學家曾試圖為模擬油脂的一些觸變分散現(xiàn)象提供不尋常的見解。例如,Coussot等人提出的重心在低分子量矩陣中的分散系統(tǒng)的理論模型,非常適合來描述復雜的鋰油脂模型的觸變效應。這類模型由于其不同的目的,對潤滑系統(tǒng)的分析是過于復雜的。表格1測試潤滑油的表格??????????????????????????????????????????皂增稠劑十二羥基硬脂酸鋰皂含量10wt%基油粘度〔40oC147.4mm2/s錐入度〔在25oC下1/10mm319??????????????????????????????????????????本文重點在于油脂的觸變性,在表1中列出了試驗研究鋰潤滑的流變學特性的性能。以此建立了一個新的能夠描述屈服應力流變模型,在油潤滑分析中被測油脂的剪切稀化和觸變現(xiàn)象的運用變得相對容易。實驗流變測試的試驗方法本試驗研究使用了商業(yè)旋轉(zhuǎn)粘度計HAAKERheoviscoRV20。該儀器由基本單元RotoviscoRV20及RheocontrollerRC20作為電腦和RotoviscoRV20之間的接口組成,測量系統(tǒng)M5由錐形盤與圓盤構(gòu)成。AHAAKE循環(huán)器為樣品提供了精確的溫度控制。儀器的工作原理如圖1所示。將油脂樣品放置在的錐形盤和固定圓盤的間隙中,錐型盤被按照程序控制速度的直流電機速度驅(qū)動并旋轉(zhuǎn),再由一個精確反饋回路對速度做出反應。錐形盤的旋轉(zhuǎn)導致樣品有著均勻的剪切速率。樣品的流動產(chǎn)生的一個非常小的扭曲力矩作用在馬達和驅(qū)動軸上。檢測傳感器可以檢測出這種變形。與速度和轉(zhuǎn)矩成比例的信號分別被傳送給控制單元進行處理。平滑的曲線顯示出剪切應力與剪切率的關系,它們分別表明了流動特性和被認為是樣品流變特性的"指紋"。通過精心設計的試驗方案,可以收集到更多關于樣品的流變特性的信息。如果不考慮觸變性,試驗過程應該包括一系列固定的時間來測量曲線從零到預定的最大剪切率后消除觸變結(jié)構(gòu)的目的,再測得恢復到零剪切率的過程。如果上行和下行曲線之間存在著一個滯后現(xiàn)象,則物質(zhì)可以被認為有觸變,而曲線之間的區(qū)域存在著相當程度的觸變。在使用錐形盤和圓盤裝置進行流變測量時,可能會有一些異常現(xiàn)象,例如油脂沿器皿壁的滑動、斷裂和流量的擾動。為了使實驗結(jié)果可靠,應當盡可能的避免各種各樣的異常現(xiàn)象。結(jié)果得出,開始出現(xiàn)沿壁滑動時剪切率會稍低于10s-1,而壁上滑動逐漸增大時,剪切率卻下降。當剪切速率大于10s-1,作用壁上滑動的總應變與粘性變形相比是較低的6。如果采取不同類型的傳感器系統(tǒng)進行測量,所得到的在壁上滑動的流動曲線特性將會發(fā)生變化。它已經(jīng)被證實是一個快速和有效的方法用來判斷同一樣品在恒定的條件和不同類型傳感器系統(tǒng)下滑流狀態(tài)的測量7。剪切速率會增加時會發(fā)生系統(tǒng)化的斷裂6。當在間隙邊緣自由表面形成的油脂膜,減少了油脂剪切的有效半徑；這樣的結(jié)果就是計算得到的剪切應力是錯誤地偏低。油脂半徑減少的幅度可以由從甩出錐形盤形成的圓環(huán)狀的油脂膜的邊緣大小估計出來8?？磥?當圓錐的角度和圓盤的半徑比較小時<也就是間隙窄>,測量時斷裂的影響是可以容忍的。此外,流量的擾動造成了正常壓力和樣品的慣性。但這是微不足道的,當錐角足夠小時,剪切率不是很非常顯著9。在本研究中,錐形盤的半徑為10mm；錐角為1o;另一個為5o錐角被用來檢測測試結(jié)果的有效性。此外,實驗油脂的測試結(jié)果表明沒有明顯的彈性的效果。因此油脂流動的干擾可以被忽視。此外,試驗的策劃和實施是慎重的。為了檢測到滑動和斷裂的影響所有結(jié)果被仔細地檢查。只有目前做到這些才表明是無干擾的。測試方案和條件試驗方案的如圖2所示。第一階段〔P1,當時間從0~T4,主要包括三分鐘的以100s-1的剪切速率的預剪切和一個兩分鐘的零剪切速率靜止。它實現(xiàn)了測試油脂初始狀態(tài)的標準化。由于油脂對干擾很敏感,這個階段是必要的和有效的減小了實驗的初始偏差,因為在樣品在放置的過程中是不可能精確控制它的狀態(tài)。第二階段〔P2,是從T4~T5,在這個過程中剪切速率從0到預定的剪切速率D呈線性增長并獲得一個上升的流動曲線。在上升的流動曲線中可以看出屈服應力和剪切稀化現(xiàn)象。在這個過程中時間依賴也包含在其中。為便于分析和減少未知因素的影響,該期限應盡可能地短。儀器最短的上升周期被指定為0.1min。第三階段〔P3,旨在調(diào)查觸變性對總流變變化的影響。在一個指定的間隔Δt〔從T5~T6,測試的油脂處在穩(wěn)定的剪切速率D下的剪切狀態(tài)。兩組試驗研究剪切速率及時間對油脂觸變性的影響。在一組實驗中剪切速率D分別被賦值為100、200、400、800、1000、1500和2000s-1,并保持Δt=3min。在另一組中Δt等間距的以10min的間隔從10min增加到100min,同時保證D=100s-1。第四階段〔P4,從T6~T7,剪切速率在0.1min內(nèi)從D到0呈線性下降,得到遞減曲線。在上行和下行曲線之間的區(qū)域被認為是一種觸變性程度的指數(shù)。然而,因為它們對立于加載過程,這確實很不方便比較兩種曲線關于直接獲得的油脂在穩(wěn)定剪切率之后的變化。第五階段〔P5是必要的。在這個階段剪切速率在0.1min內(nèi)又從0到D呈線性增長。得到另一個上升曲線。如果由于第四階段的短促而忽略了它的影響,該曲線近似的表示了油脂在T6的時刻的流動特性。此外,這一階段同第二階段具有相同的剪切載荷曲線,所以它合理的把兩個上升曲線的區(qū)別僅僅歸因于包括時間因素的觸變消退。第六階段〔P6,從T9~T11。在3分鐘零剪切速率靜止后,第三條上升的曲線的發(fā)生條件除了開始的時候,同第二階段和第五階段是一樣的情況。通過比較這些曲線可以得到觸變性復原的能力。大部分的實驗是在20oC下進行的；然而,為研究溫度的影響,在30,40,50,60,70和80oC下進行了一系列具有相同的程序和保持D=100s-1,Δt=3min的試驗。測試結(jié)果圖3顯示了在測試中獲得的典型曲線的過程,包括階段P2,P3,P4,P5和P6。在圖3<a>中上升的流動曲線很好的符合了Herschel-Bulkley模型,表現(xiàn)出明顯的屈服強度和剪切稀化現(xiàn)象,而遞減曲線模型很好的符合了Bingham模型,同時沒有剪切稀化現(xiàn)象。在剪切應力階段——即階段P3得到的直線表明了在剪切時間內(nèi)連續(xù)減小的剪切應力的過程。在階段P2,P3和P4的流量曲線具有一個明顯的滯后循環(huán)。結(jié)果表明測試的油脂是高觸變性的。第五階段的上升的曲線顯示出同第二階段相同的趨勢,但有較低的屈服應力。第六階段的流動曲線與第五階段和第二階段是很相似的,但是略高于第五階段的曲線,這表明在三分鐘的靜止后觸變性得到輕微的恢復。當剪切速率恒定時,在圖3<b>中剪切應力曲線與時間的關系在第三階段呈現(xiàn)出應力衰減現(xiàn)象。該應力衰減曲線是觸變性的另一個性能指標。我們也注意到在第四階段,當剪切速率迅速從2000s-1降到0時,應力突然降低到一個很低的值,但并不是零。這個很低的應力值與實驗的第二階段預先剪切開始時測得的值近似相等。它被認為是油脂樣品中殘余的應變造成的。突然下降的壓力表現(xiàn)出非彈性現(xiàn)象。根據(jù)目前公認的觸變性的定義,我們現(xiàn)在可以宣布測試的油脂是觸變性液體。在P2,P3和P5階段的流量曲線對觸變性的分析和模型的建立是最有價值的,在圖4和圖5〔a中顯示了穩(wěn)定剪切速率D和剪切時間Δt的影響。從圖4中我們可以看出在不同剪切速率下3分鐘內(nèi)穩(wěn)定的剪切結(jié)果,階段5的流量曲線與階段2的有相同的趨勢,但屈服應力有所減小。更高的穩(wěn)定的剪切速率D,更大的滯后循環(huán)和減少的屈服應力。對于穩(wěn)定的剪切時間Δt,我們從圖5獲得了一個類似的了解。到目前為止,我們得到結(jié)論是油脂的觸變性對屈服應力有影響而不是對上升流量曲線的趨勢有影響,而且當剪切速率D和剪切穩(wěn)定時間Δt增加時,觸變效應變的更加明顯而屈服應力減少更多。圖5<b>顯示出應力延遲曲線對應在圖5中的第三階段的下降曲線。這預示著在相同的趨勢中,在實驗中各種穩(wěn)定的剪切時期內(nèi)剪切應力隨時間遞減,也就是在穩(wěn)定剪切之初剪切應力減小的非常迅速,然后下降速度隨著時間的增加逐漸放緩,最后應力趨近于一個必然的平衡應力過程。在圖5〔c中繪制的剪切應力的速度曲線與時間相比解釋這一趨勢。在圖6中顯示了溫度的影響。我們發(fā)現(xiàn),當溫度上升時,第二階段的流量曲線在圖中處于較低的位置,顯示出較低的屈服應力和流量曲線的趨勢是趨于平滑的。相比之下,滯后回路的面積及屈服應力隨溫度升高時減少量都在減小,即使在其他條件都同樣的情況下。分析報告和一個新的流變模型在實驗中,油脂在屈服應力方面表現(xiàn)的同觸變液體一樣特性。為了定量描述觸變液體,提出了各種模型。在參考文獻10中,一個完整的回顧了當前可用的模型被呈現(xiàn)出來。一個有用的觀點產(chǎn)生于這些模型中,它提出了一些依賴于時間的參數(shù),比如觸變性流體在剪切時的狀態(tài)變量。程和埃文斯提出了模型,其結(jié)構(gòu)參數(shù)λ如下：和在公式中粘度η是剪切速率和結(jié)構(gòu)參數(shù)λ的函數(shù),其中時間變量是在0和1之間的值。當λ=1時,等式完全成立；當λ=0時,等式不成立。這個理論是基于觸變性流體擁有網(wǎng)狀組織和觸變伴隨著結(jié)構(gòu)變化帶來流量的事實。這個方法似乎適用于解釋測試油脂的實驗結(jié)果,所以我們采用這一想法,并與實驗結(jié)果相結(jié)合,可以開發(fā)一種新的測試油脂模型。試驗結(jié)果表明,油脂的上升流量曲線與Herschel-Bulkley模型非常貼合,而且油脂的觸變性僅僅影響到屈服應力。也考慮到如圖5所示的剪切應力和時間關系和忽略了油脂的觸變恢復性。我們提出了如下新模型：〔1〔2這里的λ是一個結(jié)構(gòu)參數(shù),其中和m是回歸系數(shù)。首先,我們考慮這是在等溫條件下<T=20oC。在測試階段P2,油脂的結(jié)構(gòu)在很短的時間段內(nèi)被假設變化不大,因此結(jié)構(gòu)參數(shù)λ在這個階段被作為一個常量λ0。通過這個階段的數(shù)據(jù),τ0λ0、B和n的值會進行回歸。當最大剪切速率D從100s-1到2000s-1變化時,回歸結(jié)果非常相似：B≈262.677和n≈0.56。τ0λ0的值會產(chǎn)生一點波動,在預先剪切的結(jié)果中反映出細微的差別。在第三階段的剪切速率是恒定的?？梢苑e分得到方程式<2>方程。〔3在這里λs是λ在T4時刻的值；。把λ代入等式1得到：使用第三階段的數(shù)據(jù),回歸的結(jié)果B和n,當平穩(wěn)的剪切速率D從100s-1到2000s-1,獲得了一組與之相符合的數(shù)據(jù),k和m?；氐綌?shù)據(jù)k、m和D,m與在剪切速率的相關性被定義為：現(xiàn)在,讓我們來考慮溫度的影響,再重新進行上述相同的步驟。分析表明m與及,以穩(wěn)定剪切速率100s-1為此λ沒有改變很多被應用在這組測試中。為了更好地顯示圖6中描述的屈服應力的改變和流動曲線的趨勢,τ0和B作為溫度的函數(shù)。回歸結(jié)果是：其結(jié)果可以被理解意味著油脂在流變行為上對溫度和剪切的影響和有著不同的剪切機制。然而,有必要指出m、可能會隨著溫度在較高的穩(wěn)定剪切速率下發(fā)生變化,這并沒有考慮在這項測試中。和T在模型中的單位分別是Pa,s-1,min,oC。為了驗證模型的有效性,另一個實驗是試驗方案進行得到的結(jié)果表達在圖7中。從新的模型中得到的試驗結(jié)果和計算結(jié)果及Herschel-Bulkley模型的數(shù)據(jù)分別顯示在圖8中。這表明新的模型能夠描述鋰潤滑油脂的流變性能在整個剪切過程中體現(xiàn)了比Herschel-Bulkley模型較高的精度。討論新模型的一個鮮明的特點是,它包括一個剪切速率與時變結(jié)構(gòu)參數(shù)λ。這個參數(shù)標志著的油脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的固有的參數(shù)。它的變化反應了油脂材料內(nèi)部特性的改變。因此它可以作為內(nèi)部參數(shù)參考。參數(shù)λ反應剪切條件的方式?jīng)Q定了油脂的成分的與分子間自然相互作用的力。如果其他類型的油脂可以被精確地模擬,則狀態(tài)方程<方程<1>>和速率方程<方程式<2>>可以被應用于不同形式下不同類型的油脂。例如,我們調(diào)查另一種油脂的流變特性——一種復雜的鈣油脂,顯示在這個等式中這個油脂的結(jié)構(gòu)參數(shù)λ主要影響塑性粘度B而不是明顯的屈服應力τ0的變化,以及這種復雜的鈣油脂的結(jié)構(gòu)參數(shù)λ的變化比處于同樣狀態(tài)的鋰潤滑油脂在低剪切速率狀態(tài)下是較緩慢的,而在高剪切速率狀態(tài)下是較快速的。這些差異的最終結(jié)果導致不同潤滑性能的預測。還必須注意到該模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)λ在任何時刻是一個積累的結(jié)果。它取決的不僅是在那一刻的剪切速率還包括在最后時刻的λ的值。為了確定潤滑油脂在任何時刻時λ的值,我們必須了解全部剪切速率經(jīng)歷的變化,質(zhì)點從一個自由的緊張狀態(tài)或充分恢復狀態(tài)抵達那一刻的到來。因此,我們說結(jié)構(gòu)參數(shù)λ對剪切歷史具有記憶作用。模型包括這樣一個具有記憶的內(nèi)部參數(shù),這表明油脂塊中的質(zhì)點如果經(jīng)歷不同剪切過程會對同樣的剪切應力表現(xiàn)出不同的力學性能和不同的應力響應。它應該區(qū)別于目前使用的模型的含義,而無內(nèi)在參數(shù)的變化。以Herschel-Bulkley模型為例,任何質(zhì)點通過任何方式達到在剪切帶中的一個空間點,會有相同的應力反應。在這種情況下,當我們應用油脂潤滑分析的基本方程時,我們不關心油脂流動中任何特定的質(zhì)點及其剪切歷史。當然,與新模型相比這樣的憂慮是必不可少的。如果流量是穩(wěn)定、等溫、壓縮和層流,油脂的流線是可以被計算的,同樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)λ在潤滑區(qū)的任何空間點和油脂在這一點上相應的力學響應是可以確定隨著流線相應積累的。如果流動是瞬時流動,問題就變得更為復雜了。我們必須跟蹤每個獨立的油脂質(zhì)點的運動。一個關于質(zhì)點運動參考系統(tǒng)運動的力學分析將是難免的。油脂的觸變性,換句話說,油脂的時效行為已經(jīng)被許多研究者注意到,同時結(jié)構(gòu)的變化沿著EHD接觸區(qū)域已經(jīng)被Cann等人探測到。從上面的討論中,我們可以看出新模型都可以描述的非常好。然而,目前使用的模型是與時間無關系的而被一種必然均勻狀態(tài)的油脂所決定的。顯然這不適合去描述所有油脂中的質(zhì)點在接觸區(qū)域中的行為,它們在沿著的區(qū)域中有著不同剪切經(jīng)歷和顯然不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài),油脂流變特性對應的特定的剪切經(jīng)歷和特定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。因此,新模型比常規(guī)模型更適合油脂潤滑分析。結(jié)論有著屈服應力和剪切應力及時效粘度的特征的測試鋰潤滑油脂被稱為觸變性液體。提出了一個新的模型,包含剪切速率和時效結(jié)構(gòu)參數(shù)λ。結(jié)構(gòu)參