張笑云 楊 異

(天津市新華中學(xué) 天津 300204)

3種常用潤(rùn)滑油密度與溫度關(guān)系的研究

張笑云 楊 異*

(天津市新華中學(xué) 天津 300204)

利用石油產(chǎn)品密度實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量了3種常用潤(rùn)滑油在不同溫度下的密度.結(jié)果表明,潤(rùn)滑油的密度均隨著溫度的升高線性減小,在相同溫度下，酯類油的密度大于礦物油和PAO油，礦物油的密度大于PAO油.利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了3種潤(rùn)滑油密度與溫度之間的密度-溫度數(shù)學(xué)模型，建立的模型精度較高，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值非常吻合.

潤(rùn)滑油 密度 密度-溫度模型

密度是潤(rùn)滑油最簡(jiǎn)單且最常用的物理性能指標(biāo).通常情況下，人們認(rèn)為潤(rùn)滑油是不可壓縮的，并且可忽略熱膨脹的影響，將潤(rùn)滑油的密度視為常數(shù).然而，高溫下潤(rùn)滑油分子間距離增加，體積膨脹，最終導(dǎo)致潤(rùn)滑油粘度和密度的下降，這對(duì)潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能有一定影響.近年來(lái)許多研究者進(jìn)行過(guò)潤(rùn)滑油密度的相關(guān)研究[1～4].目前，密度的測(cè)量主要有密度計(jì)法、比重瓶法以及U型振動(dòng)管法[5]，本文采用密度計(jì)法測(cè)量了潤(rùn)滑油樣品在不同溫度下的密度.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

圖1為石油產(chǎn)品密度實(shí)驗(yàn)器，該實(shí)驗(yàn)器主要由恒溫缸、恒溫介質(zhì)、攪拌器、樣品桶以及一組量程分別為600～650 kg/m3、650～700 kg/m3、700～750 kg/m3、750～800 kg/m3、800～850 kg/m3、850～900 kg/m3、900～950 kg/m3、950～1 000 kg/m3的密度計(jì)組成.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先向恒溫缸中倒入恒溫介質(zhì)，直到達(dá)到恒溫缸上邊緣以下5 cm左右處.當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為-50 ℃～30 ℃時(shí)，采用無(wú)水乙醇作為恒溫介質(zhì)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃～150 ℃時(shí)，采用丙三醇作為恒溫介質(zhì).然后，將待測(cè)潤(rùn)滑油樣品倒入樣品桶中，將樣品桶放入恒溫缸中的恒溫介質(zhì)里.使樣品桶里潤(rùn)滑油樣品的液面低于恒溫缸中恒溫介質(zhì)的液面.在溫控箱上設(shè)定測(cè)試溫度，儀器開始制冷(或者加熱)，攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)使得潤(rùn)滑油樣品受熱均勻.

圖1 石油產(chǎn)品密度實(shí)驗(yàn)器

一定時(shí)間后，用溫度計(jì)測(cè)量潤(rùn)滑油樣品的溫度，當(dāng)測(cè)得樣品溫度達(dá)到設(shè)定溫度后,選擇一支密度計(jì)放入潤(rùn)滑油樣品中，如果穩(wěn)定后密度計(jì)的最小刻度高于桶內(nèi)樣品的液面，那么選用更大量程的密度計(jì)；如果穩(wěn)定后選用的密度計(jì)最上部刻度沉到液面以下，那么選用更小量程的密度計(jì).直到將選用的密度計(jì)放入桶內(nèi)的樣品中，密度計(jì)穩(wěn)定后，潤(rùn)滑油樣品的液面在密度計(jì)的測(cè)量刻度之間，這時(shí)讀取密度計(jì)上與樣品液面相切的刻度，此讀數(shù)即為在該溫度下樣品的密度.調(diào)節(jié)溫控箱的控制溫度，重復(fù)上述步驟.如果隨著溫度的升高，樣品的密度低于上次選用的密度計(jì)的最小刻度，那么選用更小量程的密度計(jì).

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)得潤(rùn)滑油試樣在不同溫度下的密度如表1和表2所示.

表1 不同溫度下礦物油的密度

表2 不同潤(rùn)滑油在不同溫度下的密度

將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖2所示.從圖中我們可以看到：3種潤(rùn)滑油的密度均隨溫度的升高而降低，且密度的降低幅度與溫度的升高幅度近似線性關(guān)系.同一溫度下，酯類油的密度大于礦物油和PAO油，礦物油的密度大于PAO油.

圖2 潤(rùn)滑油密度隨溫度的變化曲線

由于潤(rùn)滑油的密度和溫度近似為線性相關(guān)，所以可以建立密度-溫度方程如下

ρ=ρ0+AT

(1)

式(1)為一元線性方程，根據(jù)一元線性回歸方程系數(shù)的計(jì)算公式可得

(2)

(3)

其中，平均溫度

平均密度

把表1和表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(2)和式(3)，可求出式(1)中的系數(shù)A和ρ0.則可得3種實(shí)驗(yàn)用潤(rùn)滑油的密度-溫度方程如下.

對(duì)于礦物油：

ρ=904.977 27-0.597 88T

(4)

對(duì)于PAO：

ρ=833.856 55-0.589 23T

(5)

對(duì)于酯類油：

ρ=961.577 98-0.671 01T

(6)

為了評(píng)價(jià)回歸方程(4)～(6)的回歸效果，可以用相關(guān)系數(shù)來(lái)描述，線性回歸方程相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式

(7)

把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上式，可得到礦物油、PAO油和酯類油的相關(guān)系數(shù)分別為0.997 22,0.999 13,0.999 48.所以，回歸方程(4)～(6)能夠很好地描述潤(rùn)滑油密度-溫度之間的關(guān)系.回歸方程(4)～(6)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較如圖3～5所示，可見回歸方程(4)～(6)能夠比較精確計(jì)算不同溫度下的密度.

圖3 酯類油的測(cè)量數(shù)據(jù)及回歸曲線

圖4 PAO的測(cè)量數(shù)據(jù)及回歸曲線

圖5 礦物油的測(cè)量數(shù)據(jù)及回歸曲線

3 結(jié)論

(1)潤(rùn)滑油的密度隨著溫度的升高而降低，且密度降低的幅度與溫度升高的幅度近似線性相關(guān).

(2)在相同溫度下，酯類油的密度大于礦物油和PAO，礦物油的密度大于PAO.

(3)建立的3種潤(rùn)滑油的密度-溫度方程能夠很好地與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，可以用來(lái)計(jì)算不同溫度下潤(rùn)滑油的密度.

1 崔金磊,楊萍,劉曉玲,等.由潤(rùn)滑油密度求黏度的新黏壓關(guān)系式探討.摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2016(01):13～19

2 陳文藝,鄒愷,王秀文,等.幾種加氫潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油性質(zhì)和組成的研究.石油煉制與化工,2014,45(10):87～91

3 李萌,張華,婁江峰.納米二硫化鉬對(duì)冷凍機(jī)油密度和黏度的影響.化工進(jìn)展,2014,33(6):1 425～1 428

4 宋昌盛,徐磊,唐亞丹,等.黏度對(duì)潤(rùn)滑油密度測(cè)定準(zhǔn)確性的影響.潤(rùn)滑油,2016,31(3):39～41

5 文祺然.潤(rùn)滑油密度的測(cè)定方法.合成潤(rùn)滑材料,2014,41(2):28～29

2017-07-04)

張笑云(2000- ),男，在讀高中生.

指導(dǎo)教師：楊異(1979- )，男，中教高級(jí)，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及研究.