第 1 章 绪论
1.1 研究背景
流变学是从应力、应变、温度和时间等方面来研究物体变形和流动的学科，流变学可以分为固体流变学、流体流变学和悬浮体流变学，其中流体流变学的研究对象是流体，其中又包括牛顿流体和非牛顿流体，而牛顿流体的流动与变形问题已由牛顿流体力学解决，所以现代流变学的主要研究对象就是非牛顿流体。润滑脂就是一种非牛顿流体，随着剪应变率的改变剪应力并非线性变化。剪应力在不同的条件下表现出不同的变化趋势，因此润滑脂具有复杂的流变特性。人们对润滑脂的研究起步较晚，在国内仅有 60 多年的研究历史[1]，在西方也仅有 80 年左右的历史。
润滑脂在常温下或低负荷条件下以固体形式存在，具有一定的粘附性，可以粘在金属表面而不滑落，当润滑脂在高温时或者受到外力的剪切作用时，又可以像液体那样流动，在接触面之间形成一层油膜，将两个运动表面隔开，避免了两表面的直接接触，使两个表面在油膜上滑动，减小了两表面之间的摩擦力，降低了接触时带来的摩擦和磨损。当剪切力消失后，润滑脂又恢复成固体状态，粘附在接触面附近，既起到储存的作用，又可以起到密封的作用，防止灰尘等杂物进入接触区。正是由于润滑脂这个独特的性质，使它在一些特定的润滑场合具有不可替代的作用，主要指一些要求结构简单，而又需要长时间润滑的部位，比如说车轮的轮毂轴承。
摩擦导致机械零件的磨损，随着磨损的加剧，最终导致零件失效。约有 80%的机械零部件的损坏是由各种形式的磨损引起的[2]。润滑油和润滑脂都是常用的润滑材料，但是在箱体以外的轴承润滑中，润滑脂更为常见。在整个轴承润滑中，约有 80%的滚动轴承和 20%的滑动轴承都是采用润滑脂润滑[3]。润滑脂是介于液体和固体之间的一种半固体，在受到外力作用时既表现出流动的特性又表现出变形的特性，具有复杂的流变特性[4]。影响润滑脂流变性能的因素很多，主要有剪切速率、剪切应力、温度、压力等，而基础油、稠化剂、添加剂等内部因素对润滑脂流变特性的影响起到决定作用[5]，由于润滑脂具有特殊的结构，因此具有独特的流变特性，为了探究润滑脂的润滑机理，学术界对其进行了广泛的研究。科研人员提出了屈服强度，表观粘度，弹性模量，损耗模量等概念，试图定量的描述润滑脂的流变特性。找出组成成分、工况条件和润滑脂流变特性之间定量的关系。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 润滑脂流变特性研究现状
润滑脂不仅具有润滑作用，还能对润滑机构起到密封保护的作用，因此得到了广泛的应用，比如汽车、工程机械等多个行业[6]。国外的一些学者用微牵引力试验机（MTM）对润滑脂进行了一系列的研究[7-12]，取得了一定的研究成果。目前人们对润滑机理没有统一认识，没有办法从本质上来阐释润滑脂的流变行为，只能利用试验，通过数据拟合的方法得到近似的流变模型，利用这种方法来对润滑脂的流变特性进行研究[13]。目前流变模型只能近似的描述润滑脂的流变性质。文献[14]用 H-B 流变模型描述了润滑脂塑性流动时的速度分布规律，没有考虑润滑脂本身的蠕流和壁流。文献[15]指出润滑脂在管道内流动时会和空气混合，在管壁上会出现壁滑移的现象，为了对壁滑移的速度进行量化的描述，建立了壁滑移速度的方程。
为了定量的研究润滑脂的流变特性，需要引进多个流变模型，在用试验数据对流变模型的拟合过程中，找到精度最高的模型。Leider-Bird 模型属于黏弹流动模型，可以推断润滑脂的最低剪应力和稳态剪应力。可以对稳态和瞬态剪应力曲线进行拟合[16-17]。此模型公式较简单，便于计算，拟合曲线时参数的求解也较容易，但是精度不高，发现后期计算值和试验值有较大误差[18-19]。
Delgado 等[20-22]研究了润滑脂的制备工艺对微观结构的影响，以及微观结构对流变特性的影响，发现反应阶段稠化剂的浓度、高温下稠化剂的晶体转变和冷却方式对润滑脂的微观结构和流变特性均有影响。另外皂纤维浓度和基础油粘度同样会影响润滑脂的微观结构和流变特性。孟永钢等[23]利用精确的模型对锂基润滑脂进行了研究，发现锂基润滑脂对剪切和时间具有依赖性，具有类似固体的屈服应力。Radulescu 等[24]对锂基润滑脂(UM185Li2)和钙基润滑脂(U95Ca2)的微观结构和流变特性进行了研究，并用多种流变模型去描述润滑脂的流变特性，观察不同模型之间的差异。王晓力[25]用流变仪研究了稠化剂和基础油对流变参数的影响，指出稠化剂的结构、含量和基础油的粘度均能对流变特性产生影响。沈铁军等[26]对润滑脂的热老化过程进行了研究，在静态热老化的过程中对润滑脂的微观结构和流变行为进行观察，分析了热老化对润滑脂流变特性的影响。
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第 2 章 基础油黏温特性的研究
2.1 引言
润滑脂是由基础油、稠化剂和添加剂组成的半固体状的润滑剂。基础油是其中最重要的成分，质量分数占到 70%-95%以上。在润滑过程中基础油发挥了主要作用，基础油的流变特性对润滑脂的流变特性有很大的影响。基础油的流变性能主要受粘度的影响，粘度分为运动粘度和动力粘度。
采用石油产品运动粘度试验器测出基础油在不同温度下的运动粘度，然后用石油产品密度试验器测出同样温度下的密度，运动粘度和密度的相乘便得到基础油的动力粘度。最后绘制出动力粘度随温度的变化曲线，分析动力粘度随温度的变化规律。
本章共测试了两种基础油，分别为 PAO 合成油和多元醇酯类油，两种基础油在 40℃的运动粘度都是 68cSt。基础油由中国石油化工集团有限公司天津分公司提供，均不含添加剂。
本次试验所用设备包括 SYP1003-6 石油产品运动粘度试验器和石油产品密度试验器。图 2-1 为 SYP1003-6 石油产品运动粘度试验器的结构简图。主要由恒温介质、恒温缸、加热器、温控箱和搅拌器组成，另外还有粘度计和秒表。在测试时首先打开加热器开关和搅拌器开关，在温控器上设定试验温度，待温度升高到设定值时，将装有样品的粘度计放入恒温介质中，等待 15 分钟，使样品和恒温介质达到同样温度，并且样品内部和外部温度一致。用秒表测量指定量的样品流过毛细管的时间，时间要求在 200~500 秒之间，否则改用其他直径的粘度计。将粘度计上的粘度常数和试验测得的时间（单位秒）相乘即得到试验样品在此温度下的运动粘度。为了减小误差，测量三次并取平均值。
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2.2黏温特性分析
图 2-3 为多元醇酯类油的动力粘度随温度的变化，图 2-4 为 PAO 合成油的动力粘度随温度变化。从图中可以看出在温度较低时动力粘度较高，随着温度的上升粘度迅速下降，随着温度的继续上升，动力粘度下降速度减慢，整个曲线类似指数函数的变化。温度升高后基础油分子的运动加剧，使分子之间距离增大，分子之间的作用力减小，使基础油的动力粘度减小。
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第 3 章 润滑脂测试设备及试验方案 ···························· 12
3.1 引言 ···································· 12
3.2 微牵引力试验机的结构和工作原理 ··················· 12
第 4 章 工况条件对润滑脂流变特性的影响 ··········································· 19
4.1 引言 ································· 19
4.2 试验结果 ·························· 19
第 5 章 润滑脂成分对流变特性的影响 ······························ 24
5.1 引言 ······································ 24
5.2 稠化剂类型的影响 ···································· 24
第 7 章 机械衰减对锂基润滑脂流变特性的影响
7.1 引言
润滑脂在实际使用过程中会不断的受到摩擦副的剪切作用，稠化剂纤维的三维结构受到破坏，稠化剂纤维在不断的剪切下发生断裂，此时润滑脂的稠度下降。润滑脂变稀，流动性增加，粘附能力下降，流变特性也发生改变。润滑脂受到的剪切次数不同，稠化剂受到的破坏程度也不同，形成的衰减程度不同。本章将探讨不同的衰减程度下，润滑脂的流变特性有怎样的变化。首先将 2 号润滑脂放入万次剪切机中进行剪切，来模拟润滑脂在实际使用中受到的剪切作用，剪切次数设定为 1 万次、5 万次和 10 万次。另取一份未受剪切的新鲜润滑脂，将四种润滑脂放在微牵引力试验机中在相同的工况条件下测试，做对比分析。
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第 8 章 结论
8.1 研究结论
本课题主要研究了润滑脂在高剪切率弹流润滑下的流变特性，分析了各种工况条件和润滑脂的组分对润滑脂流变特性的影响，建立了计算剪应力的流变模型。通过对试验结果的分析得到如下结论：
（1）润滑脂的剪应力随剪应变率的增大而增大，在初始阶段成线性增加，随后增加速率减缓，最后流变曲线趋于水平。随着滚动速度的增加剪应力减小，润滑性能增强。随着载荷的增加，赫兹接触应力和接触面积都增加，剪应力增加，且增加幅度较大。随着温度的升高剪应力明显下降。锂基稠化剂稠化矿物油得到的润滑脂的剪应力比聚脲稠化剂稠化矿物油得到的润滑脂小。与锂基稠化剂稠化矿物油得到的润滑脂相比，稠化合成油得到的润滑脂的润滑性能更好。稠度越小的润滑脂剪应力越小，润滑性能越好。
（2）用四参数模型对 3 号润滑脂的流变曲线进行了拟合，并用工况条件对流变参数进行了二次拟合，计算值与试验值的误差较小，提供了一种根据工况条件就可以计算剪应力的简便方法。
（3）润滑脂在经过衰减以后流变特性发生不同程度的改变，温度越高、载荷越大、滚动速度越大不同衰减程度的润滑脂的剪应力差值越小。
参考文献（略）