什么是運(yùn)動(dòng)粘度？

運(yùn)動(dòng)粘度是流體在重力作用下對(duì)流動(dòng)的內(nèi)部阻力的量度。它是通過測(cè)量以秒為單位的時(shí)間來確定的，該時(shí)間是固定體積的流體在嚴(yán)格控制的溫度下通過已校準(zhǔn)粘度計(jì)內(nèi)的毛細(xì)管在重力作用下流過已知距離所需的時(shí)間。

該值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)單位，例如厘沲 (cSt) 或平方毫米每秒。粘度報(bào)告僅在報(bào)告進(jìn)行測(cè)試的溫度時(shí)才有效 - 例如 23 cSt 在 40 攝氏度。

在用于廢油分析的所有測(cè)試中，沒有一個(gè)測(cè)試能提供比粘度更好的測(cè)試可重復(fù)性或一致性。同樣，對(duì)于有效部件潤(rùn)滑而言，沒有比基礎(chǔ)油粘度更重要的特性了。然而，粘度比表面上看到的要多。粘度可以測(cè)量并報(bào)告為動(dòng)態(tài)（絕對(duì)）粘度或運(yùn)動(dòng)粘度。兩者很容易混淆，但有很大不同。

大多數(shù)使用的油分析實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和報(bào)告運(yùn)動(dòng)粘度。相比之下，大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)粘度計(jì)測(cè)量動(dòng)態(tài)粘度，但被編程為估計(jì)和報(bào)告運(yùn)動(dòng)粘度，因此報(bào)告的粘度測(cè)量值反映了大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室和潤(rùn)滑油供應(yīng)商報(bào)告的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。

鑒于粘度分析的重要性以及用于篩選和補(bǔ)充非現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室油品分析的現(xiàn)場(chǎng)油品分析儀器的日益普及，油品分析師必須了解動(dòng)態(tài)和運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量之間的區(qū)別。

一般來說，粘度是流體在給定溫度下的流動(dòng)阻力（剪切應(yīng)力）。有時(shí)，粘度被錯(cuò)誤地稱為厚度（或重量）。粘度不是尺寸測(cè)量，因此將高粘度油稱為稠油而將粘度較低的油稱為稀油是具有誤導(dǎo)性的。

同樣，為趨勢(shì)目的報(bào)告粘度而不參考溫度是荒謬的。必須定義溫度以解釋粘度讀數(shù)。通常，如果需要粘度指數(shù)，則在 40°C 和/或 100°C 或兩者下報(bào)告粘度。

運(yùn)動(dòng)粘度方程

有幾個(gè)工程單位用于表示粘度，但迄今為止最常見的是運(yùn)動(dòng)粘度的厘沲 (cSt) 和動(dòng)態(tài)（絕對(duì)）粘度的厘泊 (cP)。40°C 時(shí)以 cSt 為單位的運(yùn)動(dòng)粘度是 ISO 3448 運(yùn)動(dòng)粘度分級(jí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，使其成為國際標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)量運(yùn)動(dòng)粘度 

通過記錄油在重力作用下穿過毛細(xì)管孔口的時(shí)間來測(cè)量運(yùn)動(dòng)粘度。運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)管的孔口產(chǎn)生固定的流動(dòng)阻力。不同尺寸的毛細(xì)管可用于支持不同粘度的流體。

使用為每個(gè)管提供的簡(jiǎn)單校準(zhǔn)常數(shù)，可以將流體流過毛細(xì)管所花費(fèi)的時(shí)間轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)粘度。

測(cè)量動(dòng)態(tài)粘度（絕對(duì)粘度）

動(dòng)態(tài)粘度測(cè)量為當(dāng)外部和受控力（泵、加壓空氣等）迫使油通過毛細(xì)管或物體被外部和受控力迫使通過流體時(shí)的流動(dòng)阻力，例如由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主軸。在任何一種情況下，都會(huì)測(cè)量作為輸入力函數(shù)的流動(dòng)（或剪切）阻力，這反映了樣品對(duì)施加力的內(nèi)部阻力，或其動(dòng)態(tài)粘度。

絕對(duì)粘度計(jì)有幾種類型和實(shí)施例。絕對(duì)粘度測(cè)量已用于機(jī)械潤(rùn)滑領(lǐng)域的研究應(yīng)用、質(zhì)量控制和油脂分析。

這些方程看起來簡(jiǎn)單而優(yōu)雅，但它們只適用于所謂的牛頓流體。此外，流體的比重必須在趨勢(shì)期間保持恒定。在廢油分析中，這些條件都不能假定為恒定，因此分析人員必須了解可能發(fā)生變化的條件。

運(yùn)動(dòng)粘度：牛頓流體與非牛頓流體

牛頓流體是在所有剪切速率下保持恒定粘度的流體（剪切應(yīng)力隨剪切速率線性變化）。這些流體被稱為牛頓流體，因?yàn)樗鼈冏裱_克牛頓爵士在他的流體力學(xué)定律中建立的原始公式。然而，有些流體的行為并非如此。通常，它們被稱為非牛頓流體。牛頓流體包括氣體、水、油、汽油和酒精。

一組稱為觸變的非牛頓流體在廢油分析中特別受關(guān)注，因?yàn)橛|變流體的粘度隨著剪切速率的增加而降低。觸變流體的粘度隨著剪切速率的降低而增加。對(duì)于觸變流體，凝固時(shí)間可以增加表觀粘度，就像潤(rùn)滑脂一樣。非牛頓流體的例子包括：

• 剪切增稠液體：粘度隨著剪切速率的增加而增加。例如，將玉米淀粉放入水中攪拌后，會(huì)隨著時(shí)間的推移開始感覺變稠。

• 剪切稀化液體：粘度隨著剪切速率的增加而降低。墻壁油漆就是一個(gè)很好的例子。當(dāng)你攪拌油漆時(shí)，它變得更加流暢。

• 觸變液體：攪拌時(shí)粘度降低。常見的例子是番茄醬和酸奶。一旦搖動(dòng)，它們就會(huì)變得更加流暢。當(dāng)被單獨(dú)留下時(shí)，它們會(huì)恢復(fù)到凝膠狀狀態(tài)。

• 流變液體：攪拌時(shí)變得更粘稠。一個(gè)常見的例子是打印機(jī)墨水。

運(yùn)動(dòng)粘度：一個(gè)實(shí)際的例子

想象一下，你面前有兩個(gè)罐子——一個(gè)裝滿蛋黃醬，另一個(gè)裝滿蜂蜜。用魔術(shù)貼將兩個(gè)罐子固定在桌子表面，想象自己將相同的黃油刀以相同的角度和相同的深度浸入每種液體中。想象一下，在保持相同攻角的同時(shí)，以相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)刀具來攪拌兩種流體。

這兩種液體中哪一種更難攪拌？你的答案應(yīng)該是蜂蜜，它比蛋黃醬更難攪拌。現(xiàn)在想象一下從桌子上的 魔術(shù)貼上取下罐子，然后將罐子翻過來。哪個(gè)流出罐子更快，蜂蜜還是蛋黃醬？你的答案應(yīng)該是親愛的；將罐子側(cè)放，蛋黃醬根本不會(huì)流動(dòng)。

哪種液體更粘稠，蜂蜜還是蛋黃醬？如果你說蛋黃醬，你是對(duì)的……至少部分是對(duì)的。同樣，如果您說親愛的，那您是部分正確的。出現(xiàn)明顯異常的原因是，當(dāng)在兩種物質(zhì)中旋轉(zhuǎn)刀具時(shí)，剪切速率會(huì)發(fā)生變化，而將每個(gè)罐子側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)只是測(cè)量流動(dòng)的靜態(tài)阻力。

因?yàn)榉涿凼桥ｎD流體，而蛋黃醬是非牛頓流體，所以蛋黃醬的粘度會(huì)隨著剪切速率的增加或刀的旋轉(zhuǎn)而下降。攪拌使蛋黃醬受到高剪切應(yīng)力，使其屈服于強(qiáng)制作用。相反，簡(jiǎn)單地將罐子放在一邊會(huì)使蛋黃醬受到低剪切應(yīng)力，導(dǎo)致粘度幾乎沒有變化，因此它往往會(huì)留在罐子里。

傳統(tǒng)上無法測(cè)量非牛頓流體的粘度。相反，必須測(cè)量表觀粘度，這要考慮進(jìn)行粘度測(cè)量時(shí)的剪切速率。（參見圖 4）就像粘度測(cè)量只有報(bào)告測(cè)試溫度才有意義一樣，表觀粘度測(cè)量也沒有意義，除非報(bào)告測(cè)試溫度和剪切速率。

例如，從未報(bào)告過潤(rùn)滑脂的粘度，而是以厘泊 (cP) 為單位報(bào)告潤(rùn)滑脂的表觀粘度。（注：粘度可能報(bào)告用于制造潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)油，而不是成品的粘度。）

一般而言，如果流體由一種懸浮（但未化學(xué)溶解）在主體流體中的物質(zhì)組成，則該流體是非牛頓流體。為此，有兩個(gè)基本類別，乳液和膠體懸浮液。乳液是兩種不混溶液體的穩(wěn)定物理共存。蛋黃醬是一種常見的非牛頓流體，由乳化成油的雞蛋組成，油是宿主流體。因?yàn)榈包S醬是非牛頓型的，所以它的粘度會(huì)隨著施加的力而降低，因此很容易涂抹。

膠體懸浮液由穩(wěn)定懸浮在宿主流體中的固體顆粒組成。許多涂料是膠體懸浮液。如果涂料是牛頓型的，要么容易鋪展，粘度低就流走；要么鋪展困難，留下刷痕，但粘度高不流走。

因?yàn)橛推崾欠桥ｎD的，它的粘度在刷子的作用下會(huì)下降，但當(dāng)刷子被拿走時(shí)會(huì)恢復(fù)。結(jié)果，油漆相對(duì)容易擴(kuò)散，但不會(huì)留下刷痕，也不會(huì)流淌。

動(dòng)態(tài)與運(yùn)動(dòng)粘度：有什么區(qū)別

動(dòng)態(tài)粘度決定了油提供的油膜厚度。運(yùn)動(dòng)粘度只是一種方便的嘗試來估計(jì)油可以提供的膜厚程度，但如果油是非牛頓的，則意義不大。

許多潤(rùn)滑劑配方和條件會(huì)產(chǎn)生非牛頓流體，包括：

• 粘度指數(shù) (VI) 改進(jìn)劑添加劑-多級(jí) 礦物基發(fā)動(dòng)機(jī)油（天然高 VI 基礎(chǔ)油除外）采用彈性添加劑配制而成，該添加劑在低溫下是致密的，在高溫下會(huì)隨著流體溶解能力的增加而膨脹。因?yàn)檫@種添加劑分子不同于主體油的分子，所以它以非牛頓方式表現(xiàn)。

• 水污染- 油和游離水不會(huì)混合，無論如何也不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但在某些情況下，它們會(huì)結(jié)合形成乳液，就像前面討論的蛋黃醬一樣。任何見過看起來像加了奶油的咖啡的油的人都可以證明這一點(diǎn)。雖然看起來有悖常理，但當(dāng)水污染乳化到油中時(shí)，實(shí)際上會(huì)增加運(yùn)動(dòng)粘度。

• 熱降解和氧化降解副產(chǎn)物- 許多熱降解和氧化降解副產(chǎn)物是不溶的，但在穩(wěn)定的懸浮液中由油攜帶。這些懸浮液會(huì)產(chǎn)生非牛頓行為。

• 煙灰- 常見于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，煙灰是一種顆粒，會(huì)在油中形成膠體懸浮液。該油的分散劑添加劑旨在防止煙灰顆粒聚集和生長(zhǎng)，有助于形成膠體懸浮液。

如果要使用可變剪切速率絕對(duì)粘度計(jì)（例如，ASTM D4741）測(cè)量上述這些常見的乳液或膠體之一的絕對(duì)粘度，則測(cè)量值會(huì)隨著剪切速率的增加而降低，直至達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn).

如果將這種穩(wěn)定的絕對(duì)粘度除以流體的比重來估計(jì)運(yùn)動(dòng)粘度，則計(jì)算值將與測(cè)量的運(yùn)動(dòng)粘度不同。同樣，圖 3 中的方程僅適用于牛頓流體，而不適用于上述非牛頓流體，這就是出現(xiàn)這種差異的原因。

運(yùn)動(dòng)粘度和比重效應(yīng)

牛頓流體的絕對(duì)粘度和運(yùn)動(dòng)粘度與流體比重的函數(shù)有關(guān)。裝有樣品油的燈泡在消除真空時(shí)釋放，然后產(chǎn)生一個(gè)壓頭，驅(qū)動(dòng)油通過毛細(xì)管。

可以假設(shè)所有流體都會(huì)產(chǎn)生相同的壓頭嗎？不，壓力是流體比重或重量相對(duì)于相同體積水的重量的函數(shù)。大多數(shù)烴基潤(rùn)滑油的比重為 0.85 至 0.90。然而，隨著時(shí)間的推移，這會(huì)隨著油的降解或被污染（例如乙二醇、水和磨損金屬）而改變，這會(huì)在絕對(duì)粘度和運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量之間產(chǎn)生差異。

考慮表 2中提供的數(shù)據(jù)。每個(gè)新的石油情景都是相同的，在這兩種情況下，絕對(duì)粘度增加了 10%，通常是粘度變化的譴責(zé)極限。在情景 A 中，比重的適度變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的絕對(duì)粘度和運(yùn)動(dòng)粘度之間存在輕微差異。

這種差異可能會(huì)稍微延遲換油警報(bào)的響起，但不會(huì)造成太大的錯(cuò)誤。但是，在場(chǎng)景 B 中，差異要大得多。在這里，比重顯著增加，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)粘度增加 1.5%，而用絕對(duì)粘度計(jì)測(cè)量增加 10%。

這是一個(gè)顯著差異，可能導(dǎo)致分析師將情況確定為不可報(bào)告。所犯的錯(cuò)誤是在兩種情況下都假設(shè)流體保持牛頓流體。

由于形成非牛頓流體的可能性很多，石油分析師和潤(rùn)滑油技術(shù)人員真正感興趣的參數(shù)應(yīng)該是絕對(duì)粘度。它決定了流體的膜厚和部件表面的保護(hù)程度。為了經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單以及新的潤(rùn)滑油測(cè)試程序通常用于舊油分析這一事實(shí)，油的運(yùn)動(dòng)粘度是用于趨勢(shì)分析和制定潤(rùn)滑油管理決策的測(cè)量參數(shù)。然而，在某些情況下，這可能會(huì)在確定油的粘度時(shí)引入不必要的錯(cuò)誤。

這個(gè)問題可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)。如圖 3 中的方程式所示，絕對(duì)粘度和運(yùn)動(dòng)粘度與油的比重有關(guān)。如果粘度和比重都是動(dòng)態(tài)的，但只測(cè)量了一個(gè)，則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，并且運(yùn)動(dòng)粘度將無法準(zhǔn)確評(píng)估流體絕對(duì)粘度（感興趣的參數(shù)）的變化。誤差量是未測(cè)量參數(shù)，即比重的變化量的函數(shù)。

關(guān)于運(yùn)動(dòng)粘度的重要結(jié)論

從關(guān)于粘度測(cè)量的討論中可以得出以下結(jié)論：

• 假設(shè)實(shí)驗(yàn)室通過運(yùn)動(dòng)學(xué)方法測(cè)量粘度，將比重測(cè)量添加到常規(guī)實(shí)驗(yàn)室油液分析程序?qū)⒂兄谙@一變量，因?yàn)樗歉鶕?jù)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)粘度估計(jì)絕對(duì)粘度的變量。

• 使用現(xiàn)場(chǎng)粘度計(jì)時(shí)，不要在實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)儀器之間尋求完全一致。大多數(shù)這些設(shè)備測(cè)量絕對(duì)粘度 (cP) 并應(yīng)用算法來估計(jì)運(yùn)動(dòng)粘度 (cSt)，通常保持比重恒定。考慮在 cP 中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)粘度計(jì)的結(jié)果進(jìn)行趨勢(shì)分析。
  它是被測(cè)量的參數(shù)，它有助于區(qū)分現(xiàn)場(chǎng)趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)室使用運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的趨勢(shì)。不要試圖在現(xiàn)場(chǎng)和基于實(shí)驗(yàn)室的粘度測(cè)量之間取得完美的一致。這是徒勞的，產(chǎn)生的價(jià)值很小。充其量，尋找松散的相關(guān)性。始終使用相同的粘度計(jì)對(duì)新油進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試您正在使用在用油。

• 認(rèn)識(shí)到對(duì)于給定的運(yùn)動(dòng)粘度，非牛頓流體不能提供與具有相同運(yùn)動(dòng)粘度的牛頓流體相同的薄膜保護(hù)。由于非牛頓流體的粘度會(huì)隨剪切速率而變化，因此薄膜的強(qiáng)度在工作負(fù)載和速度下會(huì)減弱。這就是乳化水會(huì)增加滾動(dòng)元件軸承等部件磨損率的原因之一，其中流體膜強(qiáng)度至關(guān)重要（當(dāng)然，水也會(huì)導(dǎo)致其他磨損機(jī)制，如汽蝕、生銹和氫脆和起泡）。

粘度是一種關(guān)鍵的流體特性，粘度監(jiān)測(cè)對(duì)于油品分析至關(guān)重要。在測(cè)試用過的油品時(shí)，動(dòng)態(tài)和運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)量技術(shù)會(huì)產(chǎn)生非常不同的結(jié)果。確保了解粘度測(cè)量和粘性流體行為的來龍去脈，以便做出準(zhǔn)確的潤(rùn)滑決策。