2 液相密度

基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的液相密度是開展表面張力實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本文采用安東帕 DMA5000M 振動(dòng)管密度計(jì)測(cè)量了 POE、PVE 和 PAG 三種基礎(chǔ)潤(rùn)滑油在常壓環(huán)境下的液相密度，溫度范圍為 278.15 ～ 363.15 K。鑒于振動(dòng)管密度計(jì)的測(cè)量溫度范圍有限，三種基礎(chǔ)潤(rùn)滑油在低溫環(huán)境下的液相密度使用比重瓶法進(jìn)行測(cè)量，溫度范圍為 243.15 ～ 278.15 K，其實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表 1 所示。

液相密度與表面張力實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度難以保持一致，為了便于實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量的液相密度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)為溫度的經(jīng)驗(yàn)方程：

ρ = A + BT + CT2 (8)

式中，A、B 和 C 是擬合參數(shù)；T 是溫度，K；ρ 是密度，kg·m?3。

為了評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)方程的吻合情況，引入絕對(duì)平均偏差 AAD (Absolute Average Deviation) 進(jìn)行衡量，如式(9)所示。三種基礎(chǔ)潤(rùn)滑油對(duì)應(yīng)的參數(shù)關(guān)聯(lián)值和絕對(duì)平均偏差列于表 2 中。

AAD = (100/n) ∑_{i=1}^{n} ρ_{i,cal} ? ρ_{i,exp} / ρ_{i,exp} (9)

式中，ρ_{i,cal} 是關(guān)聯(lián)式計(jì)算的密度；ρ_{i,exp} 是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的密度；n 代表實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)。

三種基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的液相密度隨溫度的變化趨勢(shì)如圖 4 所示，液相密度隨著溫度的增大而降低，且在同一溫度條件下，PAG 液相密度最大，POE 次之，PVE 最小。采用關(guān)聯(lián)方程計(jì)算的三種基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的液相密度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的相對(duì)偏差如圖 5 所示，其關(guān)聯(lián)方程計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差均在 ±0.2% 以內(nèi)。

圖 4 基礎(chǔ)潤(rùn)滑油 POE、PVE 和 PAG 的液相密度分布圖

圖 5 基礎(chǔ)潤(rùn)滑油 POE、PVE 和 PAG 的液相密度偏差分布圖

3 表面張力

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了 POE、PVE 和 PAG 三種基礎(chǔ)潤(rùn)滑油在常壓環(huán)境的表面張力，其溫度范圍為 243.15 ～ 363.15 K，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表 3 所示。鑒于基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的飽和蒸汽壓非常低，需要在實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)充入一定壓力氣體來確保懸垂液滴的穩(wěn)定形成，充入的氣體應(yīng)不易溶于基礎(chǔ)潤(rùn)滑油且低溫環(huán)境不會(huì)在玻璃觀察窗形成凝結(jié)液膜，因此在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中裝置內(nèi)部充入 0.1 MPa 左右的氮?dú)?。根?jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，表面張力測(cè)量所需的密度差 ?ρ 應(yīng)為基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的液相密度減去氮?dú)獾臍庀嗝芏?，氮?dú)獾臍庀嗝芏扔?Refprop 軟件計(jì)算獲得。三種基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的表面張力隨溫度的變化趨勢(shì)如圖 6 所示，表面張力隨著溫度的增大而降低，在同一溫度條件下，PAG 表面張力最大，POE 次之，PVE 最小；但在 243.15 K 以下區(qū)域，PVE 的表面張力要大于 POE。

離散的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法滿足工業(yè)應(yīng)用的連續(xù)計(jì)算要求，因此將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的基礎(chǔ)潤(rùn)滑油表面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成溫度的關(guān)聯(lián)方程：

σ = a + bT + cT2 (10)

圖 6 基礎(chǔ)潤(rùn)滑油 POE、PVE 和 PAG 的表面張力分布圖

式中，T 是溫度，K；σ 是表面張力，mN·m?1；a、b 和 c 為關(guān)聯(lián)方程的擬合參數(shù)?；A(chǔ)潤(rùn)滑油 POE、PVE 和 PAG 的參數(shù)關(guān)聯(lián)值和絕對(duì)平均偏差列于表 4 中，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)方程的絕對(duì)平均偏差分別為 0.43%、0.45% 和 0.13%；三種基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的相對(duì)偏差分布如圖 7 所示，其實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)偏差均在 ±1.5% 以內(nèi)，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與關(guān)聯(lián)方程的吻合良好。

圖 7 基礎(chǔ)潤(rùn)滑油 POE、PVE 和 PAG 的表面張力偏差分布圖

4 結(jié)論

本文研制了一套低溫、高壓懸滴法表面張力實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，最低溫度可 ?50?C，壓力范圍高至 15 MPa；可實(shí)現(xiàn)對(duì)大黏度液體及高壓狀態(tài)的氣–液混合體系的表面張力精確測(cè)量。并開展了常壓環(huán)境下 POE、PVE 和 PAG 基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的液相密度與表面張力實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度范圍為 243.15 ～ 363.15 K。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，三種基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的液相密度和表面張力均隨溫度的增大而減小，且在等溫線上的液相密度和表面張力呈現(xiàn)：PAG > POE > PVE；但在 243.15 K 以下區(qū)域，PVE 的表面張力要大于 POE，且 POE 的曲線斜率也在逐漸變小。此外，使用關(guān)聯(lián)方程對(duì)基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的液相密度和表面張力進(jìn)行了擬合，POE、PVE 和 PAG 液相密度的絕對(duì)平均偏差分別為 0.02%、0.04% 和 0.04%，其相對(duì)偏差均在 ±0.2% 以內(nèi)；POE、PVE 和 PAG 表面張力的絕對(duì)平均偏差分別為 0.43%、0.45% 和 0.13%，其相對(duì)偏差均在 ±1.5% 以內(nèi)。