模拟试验机的分类、特点和在高档油品研发中的应用
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（1.中国石化石油化工科学研究院，北京 100083； 2.中国石油大连油厂，辽宁 大连 116032）
摘要：模拟试验机按其运动模式和功能可分为三大类：Ⅰ类是仅有一种运动方式（可以是单向滑动或往复运动式滑动）的传统试验机，Ⅱ类是既能滑动也能滚动但不带弹流极薄膜测量装置的试验机，Ⅲ类是本身就是弹流极薄膜测试台或由Ⅰ类或Ⅱ类试验机添加EHL膜厚测量装置的试验机。模拟试验应能重复实际工况的特点，特别是状态和磨损类型，否则会得出错误结论，违背研究目的。传统的Ⅰ类试验机和标准试验方法在研究工作中得到广泛的应用，但并不完全反映油品和添加剂的实际使用性能，因为这类试验机无法研究剂和添加剂在弹流和混合下的行为。研发新的试验机和研究传统试验机的新测试方法，正确使用3种不同类型的试验机并与表面分析工具相配合，在油品配方研究人员中普及弹流理论，以及吸取有关基础油和添加剂在薄膜中行为的新知识，将有助于弥合在高端油品研发中我国与西方先进国家之间的差距。
关键词：模拟试验；台架试验；薄膜；燃料；油；添加剂；摩擦化学
中图分类号：TE626.3 文献标识码：A
0 前言
性是油脂、固体剂和燃料油最重要的性能之一。性能评价技术是油脂技术的重要组成部分：油脂技术＝基础油制备技术＋添加剂单剂技术和复配技术＋性能评价技术。在性能评价技术中，包含摩擦因素的机械性能评价（模拟试验和台架试验）是不能用不包含摩擦因素的理化性能测试来代替的。国外油脂的模拟试验和台架试验最早出现在20世纪30年代，经过70多年的发展，可供研究人员使用的试验手段十分齐全。而我国模拟试验机起步于20世纪60年代，40多年来在试验机厂和油脂研究单位人员的通力合作下，吸取国外先进经验，研制出不少模拟试验机，其中上世纪90年代研制的济南液压式四球机和本世纪研制的具有端面摩擦和四球摩擦双功能的厦门杠杆式四球机（图1），其性价比已明显优于国外同类产品，但是总体来说，无论是模拟试验还是台架试验，与国外同行之间都存在很大的差距，普遍存在的问题是：
（1）模拟试验机品种少，无法满足新材料研发的需要。
（2）大型台架试验台依靠进口，价格昂贵，更新速度又快，增加新的高档油品的研制成本。（3）在用摩擦化学基本原理和最新理论研究成果去理解和重新认识模拟试验机，发展新的试验手段和试验方法，提高与台架试验和现场试验的相关性方面，与国外相比有很大的差距。本文着重讨论模拟试验机的摩擦学分类、特点及其在摩擦化学研究方面的应用方法。
图1 四球机外观
1 机械性能试验
涉及摩擦和磨损的机械性能试验国内分为模拟试验、台架试验和现场试验三类，国外也有分为二大类，即bench test和field test。其中的bench test既包括试验机器某一零件，或完全与实际机器零件无关，将零件模型化，用作理论研究的试验机，如四球机等，也包括将实际机器如油泵和发动机单缸，安装在
（注：作者简介：韦淡平（1944-），男，教授级高工，博士，1998年毕业于英国帝国理工学院机械系摩擦学专业，从事燃料、油、添加剂的基础研究和产品开发，发表文章和申请专利百篇。）
试验室作为试验件用的试验机，因此，国外所指的bench test相当于国内的模拟试验和台架试验。而field test，如由车队组成的行车试验，则相当于国内的现场试验或使用试验。
1.1 模拟试验
一个复杂的摩擦系统可以还原为一定形状的摩擦副在剂存在下受力作相对运动。模拟试验机与实际机器形状并不相同，重点是模拟或再现摩擦工况以及磨损类型和状态。有的模拟试验机主要用于摩擦学基础研究，目的是扩展现有的观察范围，分离出某一变数进行研究。另一些用于不同批次油脂生产中质量的监控，如国内常用的用四球机测定PB、PD和ZMZ以了解不同批次产品的质量变化。对模拟试验机的基本要求是接触几何简单，如点接触、线接触等，以提高重复性和再现性，试件便宜易得，以满足经济性的要求，此外，还应满足强化试验的要求，以满足比实际机器运行短得多的时间内得出有用的结果。
1.2 台架试验
台架试验是指在试验室内用真实机器做试验，如L-37和L-42汽车后桥齿轮台架试验，小轧机台架试验，美国柴油机油台架试验[1]（表1 ），用柱塞泵和叶片泵作试件的液压油台架试验等。台架试验与实际使用性能相关性比模拟试验好得多，但价格昂贵，国外研制一个高端发动机油配方的台架费用平均高达百万美元。我国台架试验设备依靠进口，设备的更新换代，标准方法的制定等均掌握在国外公司手里，不但提高了高档油品研发的成本，也拉大了与国外油品先进技术的差距。
表1 美国柴油机台架试验的发展
注：（1）T-6 是Mack公司六缸增压四冲程直喷柴油机台架。
（2）Cat 1K、1N 和 1P是Caterpillar公司单缸直喷柴油机台架。
1.3 现场试验
通常是指在使用现场较长期考察油品的综合使用性能，性当然也在考察之列。如车队行车几百万公里，考察发动机油的全面性能，在带钢热连轧自动化生产线上使用热轧油试生产几个月，轧钢上百万吨，全面评价热轧油的使用性能等[1]。现场试验是油品性能最真实的反应，但是，现场试验不但价格昂贵，还可能要求承担很大的风险。例如，如果热轧油质量不过关而使热连轧生产线停工1天，就会造成几千万元的损失。因此，只有少数财力雄厚的大公司才负担得起相关的费用和风险。对于发动机油，通常用系列化的严格的台架试验代替现场试验作为油品质量的最后把关手段。
2 模拟试验机的分类
从摩擦学观点看，模拟试验机可分为三大类22种，见表2。
表2 用于性研究的22种模拟实验机的比较
2.1 单种运动方式试验机（Ⅰ类试验机）
这类试验机占现有模拟试验机的绝大多数，其中应用得最广、试验方法研究得最全面的当属于四球机，四球法评定剂性能的指标有PB（国外用类似的Initial Seizure Load），PD（welding load）,ZMZ(国外称Mean Hertz load或Load Wear Index)，2.5 s卡咬负荷（勃洛克，1933年），温度突变参数（来恩奈，1957年），磨损温度参数K(开姆茂拉与格通，1939年)，摩擦力曲线类型（连维，1947年），Pd1(磨痕直径为1 mm对应的负荷)，f(摩擦系数)，d（长磨下磨痕直径）等。应用较多的18种Ⅰ类试验机的主要参数列于表2。其特点是只有一种运动方式（滑动或滚动），但可以有点、线、面三种不同接触形式，而且可供选择的接触压力、速度、温度变化范围很宽（0.001～14 GPa，0.001～24 m/s, 室温～1000 ℃），可以用来模拟种类繁多的不同机器的不同工况，评价剂的摩擦磨损和特性。Ⅰ类试验机还可以进一步分为两小类，Ⅰ(A)类做单向滑动，如四球机、Timken试验机、销盘机等；Ⅰ(B)类做往复运动，如HFRR试验机和SRV试验机。后两种试验机又有小的差别，HFRR使用未经热处理的下试块，为世界上灵敏度最高的磨损试验机，磨损分辨率高达8×10-9 g。而且配备油盒，采用电阻法测量添加剂的成膜特性，更适用于燃料、油和添加剂的研究。而SRV则使用经表面处理的合金钢下试块，不配备油盒，但测试温度可高达1000 ℃，更适用于脂和固体剂。早年开发的模拟机绝大多数可以归入Ⅰ(A)类，多数工作在边界状态。而实际机器大部分时间工作在弹性流体状态和混合状态，因此，这类试验机的模拟有较大局限性。
2.2 具有两种运动方式，但无法测定油膜厚度的试验机
这类试验机有双滚子试验机（Amsler和SAE试验机），微牵引力试验台（Mini Traction Machine）见图2，FZG齿轮试验机等。其特点是既有滑动，也有滚动，是为数不多的既可研究油品在边界下性能，也能通过改变负荷、速度和滑滚比研究油品在流体和混合下性能的试验机，但是由于没有测量油膜厚度的手段，无法更深入地揭示机器失效的机理，为机器设计者提供有用的参考，使用受到一定的限制。
图2 MTM试验机外观
2.3 具有超薄膜功能的UTFI试验机
这是近20年来研发的最新型试验机（台），它既是一个油膜厚度测量仪，也是一个测量摩擦性能的试验台，可全面研究在流体、弹流、混合和边界状态下的摩擦和，油膜厚度可测至1 nm。其典型代表是由英国帝国理工学院研发，PCS公司生产的超薄膜光干涉试验台（Ultra-Thin Film Interferometry）（见图3），该机采用光干涉原理和SiO2垫片技术，将油膜厚度测量技术推进到纳米级。油膜厚度是的重要参数，UTFI为研究添加剂和基础油成膜机理的研究提供了新的有力的工具。近年来又出现带膜厚测试功能的HFRR和MTM试验机也可归入此类。目前，国外大石油公司的研究单位均配备PCS公司的UTFI试验机，在高端油品和添加剂研发方面得到越来越广泛的应用，而国内没有设备。为UTFI技术应用作出杰出贡献的是帝国理工学院的Spikes教授和里兹大学的Dowson教授。前者上世纪90年明SiO2垫片技术，打破了用传统光干涉法只能测量75 nm以上厚度的油膜的限制，将测量向前推进到1 nm，并配合其他仪器对基础油和添加剂的薄膜做了大量的研究，为从分子水平重新认识混合和边界，研发新的节能添加剂做出了贡献[3]。后者及其学生Hamrock在上世纪70年代提出计算弹流膜厚公式：
hc/R=K•U0.67G0.53W-0.067
式中K为常数， U、G和W分别为无量纲速度参数、材料参数和负荷参数。公式适用于各种材料组合，包括钢－钢摩擦副，也适用于各种压力体系，最高可达3~4 GPa[4]。为用UTFI测试结果（钢/SiO2摩擦副上得到的）去预测油在实际机器（通常为钢/钢摩擦副）的成膜性能打下理论基础，也为光干涉法测膜厚技术在高端油和添加剂领域的广泛应用开辟道路。
图3 超薄膜光干涉试验台原理简图
3 模拟试验机在剂摩擦化学研究中的应用
剂，特别是高端油品的研发，必须深入研究基础油和添加剂在边界、流体（包括弹流）以及混合的广大区域的性能。了解这三类模拟机的特点和应用范围，是油品研发必须做的基础工作。
3.1 直接应用Ⅰ类传统模拟机
模拟试验的结果受诸多因素影响，如试验机的构型，模式，试件的几何形状，化学组成，硬度，表面粗糙度和表面处理以及操作参数，如负荷、速度、温度、试验周期等。模拟试验机的特点是将复杂机器的某个因素分离出来进行研究，使试验机设计简单化。但要提高与实际使用的相关性，在选择试验机时，通常要遵循两个原则：
（1）摩擦副的组合和表面处理应与实际机器相同或相似。
采用钢/钢摩擦副的试验机去模拟具有钢/铜、钢/陶瓷和钢/塑料摩擦副形式的实际机器，往往会得出相反的结果。表面处理的不同也会对试验结果产生重大影响。
（2）必须在模拟机上再现实际机器的状态和磨损类型。
即使直接使用传统的Ⅰ类试验机，试验方法的研究和发展仍然十分重要。例如，上世纪70年代，燃料加氢工艺引入欧洲，导致喷气燃料性下降而产生磨损问题，西方的大学和研究机构曾采用传统试验机研究喷气燃料的性，但得出相互矛盾的结论。传统试验机是用于油的，其负荷范围远远超过燃料的承载能力而导致擦伤，难以区分燃料性的优劣。80年代Wei和Spikes研究柴油时，认真分析其失败原因，改用低负荷（200 g）的HFRR试验方法就顺利地解决这一问题，得出柴油中含氧化合物、含氮化合物和多环芳烃是决定常规柴油性的主要因素的明确结论[5]。研究油和添加剂在弹流和混合下的性能应采用MTM（MiniTraction Machine）或UTFI试验机而不宜采用四球机和销盘机；研究添加剂的抗爬性能宜采用低速的鲍登粘滑试验机；水基液易产生疲劳磨损，评价抗疲劳性可采用球棒式疲劳试验机[6]；考虑到实际机器中点接触的情形很少，多为线接触或面接触，为提高与实际工况的对应性宜多采用线接触或面接触的试验机，如Falex试验机、MM-200双滚子试验机和端面摩擦试验机等。试验油脂和添加剂抗磨和减摩的耐温性和持久性通常要升温和延长试验周期；研究在不同区中添加剂的摩擦性能的细微差别，发展节能剂，则要采用Ⅱ类和Ⅲ类试验机，如MTM和UTFI试验台。
模拟试验机接触形式不同，温度、速度和表面接触应力的变化范围也很宽，虽然选择与实际机器相近的试验条件有利于提高相关性，但更加关键的是模拟试验机应能再现实际机器中出现的状态和磨损类型，否则模拟试验失去方向。在带钢热连轧生产线上，热轧油在高温（500~800 ℃）、高压（0.03~0.1 GPa）、高速（>20 m/s）、低浓度和水淋的苛刻条件下工作，处于混合和边界状态，轧辊的氧化磨损、磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损等四种基本磨损类型同时存在，共同起作用，只有综合利用三种不同类型试验机，才能得出指导配方研究的有用结论，研发高性能的热轧油[2]。考察油基础油和添加剂对ATF油摩擦性能的影响，也需要三种不同类型模拟机配合使用，才有可能得出正确结论，为ATF油这种对摩擦特性要求非常特殊而苛刻的油品研制指明解决问题的方向。
3.2 应用改型Ⅰ类传统模拟试验机
机器的复杂化和油品质量的不断提高，往往使原有的传统Ⅰ类试验机不能完全满足摩擦化学基础研究和高端油品研制的实际需要，进行改型以满足新的需求是国外通常的做法，国外这方面的研究十分活跃。上世纪90年代Wei和Spikes对原用于试验柴油的HFRR试验机进行改造（见图4），用于研究汽油的性，得出汽油磨损主要取决于粘度，而化学组成的不同仅起次要影响的结论。在相同粘度下，三种不同种类的磨痕直径相差不大于90 μm（见图5），基于这些数据发展了汽油磨损公式[7-9]。为适应汽油清洁化需要加二甲醚抗爆剂（DME抗爆剂）的新情况，本世纪初国外又进一步发展了可测试比汽油挥发性更高的DME性的（带有动态密封装置的）专用试验机。
国内在试验机改型用作添加剂摩擦化学研究这方面也进行过一些探索，如1986年Wei等人采用改型极低速四球机和温度法研究添加剂，区分了喹啉、8－羟基喹啉和2－巯基苯并噻唑在摩擦条件下的耐温性[10]。
2004年徐风华和韦淡平将传统四球机改型为一销三柱试验机（见图6），用于研究陶瓷纳米添加剂，揭示了基础油、硅酸铝、氢氧化锆、摩圣哈多自修复剂和氮化硅聚合物等不同添加剂的摩擦性能各不相同，氮化硅聚合物可能具有与进口自修复剂相似的自修复功能(见图7)，但分散性更好[11-13]。
图4 改进的HFRR头部
图5 三种烃类和含氧化合物的磨损-粘度曲线
图6 油盒附件外观
图7 不同磨损率曲线的比较
3.3 Ⅱ和Ⅲ类试验机的应用
UTFI试验台经过十几年的改进，目前已采用快速成相法，能很快得到接触区域油膜厚度分布的信息，可绘制不同条件下接触中心区油膜的二维和三维形貌图。
上世纪90年代Wei和Spikes用UTFI试验台研究了汽油、柴油和MTBE（甲基叔丁基醚）的成膜性能，很好地区分三者的性（见图8），还用MTM试验说明柴油的stribeck曲线与油相似均呈蚕形，在1 m/s左右的较高速度下进入弹流区，而汽油和MTBE的牵引系数随滚动速度增加而直线下降，在试验机的最高速度（4 m/s）也无法进入弹流区，性比柴油差得多（见图9）。缺油是复杂而苛刻条件下工作的剂常遇到的情况。控制加油量的聚α-烯烃油膜厚度曲线在不同速度下出现拐点，膜厚迅速下降，在更高的速度下膜厚的总体水平比全膜下降约10~20 nm（见图10），这种现象是由于油气界面张力无法补足接触点区域流出的油。在脂和水基液中这种现象普遍存在，深入研究有利于找到提高这两类剂在复杂工况下性的方法。此外，UTFI还用来研究不同基础油混合对成膜性能的影响，揭示了酯类油与聚α-烯烃之间在提高膜厚方面的复合增效作用（见图11）。低粘度酯加入高粘度聚α-烯烃，总体粘度下降，但在超薄区，其膜厚接近高粘度聚α-烯烃，对有利。此外UTFI还能用来研究不同结构的粘度指数改进剂对膜厚的影响, 在0.05 m/s的速度下，同属于乙丙共聚物类型（OCP）的增粘剂，但结构不同，性能相差很大。OCP-1几乎没有提高基础油膜厚的作用，而OCP-D则提高了20 nm（见图12）。还研究了不同结构ZDDP的成膜性能和ZDDP组合对节能效果的影响，以及ZDDP与清净分散剂在成膜方面的对抗作用等。
图8 汽油和柴油的膜厚图9 汽油和柴油的stribeck曲线
图10 在中等速度下聚α-烯烃膜厚图11 在低粘聚α-烯烃中添加10%高
与表面供油关系粘度酯对膜厚的的影响
图12 各种粘度指数改进剂的中心膜厚-滚动速度曲线
在利用Ⅱ和Ⅲ类试验机作为油和添加剂摩擦化学研究方面，与国外有较大的差距。国内大学注重对弹流机理的基础研究和在机器设计上的应用，对高档油与添加剂的弹流和混合性能研究得很少。国内油研究院所因对弹流理论不甚了解，又缺乏相应的设备，无法有效地利用这些工具研发高档油。在研发人员中普及弹流理论的基础知识，是用好Ⅱ和Ⅲ类试验机的前提[14]，对于提高我国高档油品的研制水平十分重要。3.4 模拟试验与其他分析工具联用
为了深入一步探讨摩擦磨损机理，模拟试验机经常与其他分析工具联用。如光电子能谱XPS和俄歇光谱AES配合离子溅射可提供表面成膜的元素组成和结构；铁谱分析可提供关于磨损粒子的数量和形态，监控机器的磨损过程处于哪一个阶段；拉曼光谱是区分摩擦表面形成的碳膜是石墨相还是金刚石相的有效手段，田斌和岳文曾用它来研究自修复剂的成膜机理，纳米硬度计可测量表面膜的硬度，扫描电镜（SEM）可观察磨损表面的形貌，而扫描电镜和透射电镜联用还用于对表面膜的透光性等性能作进一步推测[15-16]。
4 结论
（1）模拟试验和台架试验技术是油脂技术的重要组成部分，在这一领域我国与西方先进国家存在很大差距。
（2）国内多局限于利用传统的Ⅰ类试验机，即边界试验机来评价剂的摩擦磨损和性，但多数机器除启动和停止处于边界状态外，其大部分时间在弹性流体和混合状态下工作，因此这种研究方法存在很大的片面性。
（3）带有滑/滚运动的Ⅱ和Ⅲ类试验机更能反应机器的实际工况，给出有关油和添加剂在复杂工况下的摩擦性能，而我国在这两类试验机的应用方面比较落后，影响了技术含量高、环保和节能的高端油品研发，拉大了与国外公司的差距。
（4）在油和添加剂研发人员中普及弹流理论教育，加强高校和油脂研究院所的强强联合，提高Ⅱ和Ⅲ类试验机与其他分析工具的利用率，是促进我国高档油品升级换代，缩小与国外差距的有效措施。
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THE CLASSIFICATION AND CHARACTERISTICS OF SIMULATING TESTERS AND THEIR APPLICATIONS IN HIGH-GRADE LUBRICANT DEVELOPMENT
WEI Dan-ping1, LAN Xiao-yan1, ZHANG Tian-shu2
(1.SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing, Beijing 100083, China；2.PetroChina Dalian Blending Plant, Dalian 116032, China)
Abstract:Simulating testers may be classified into three categories according to their characteristics of action modes and functions, that is single movement (unidirectional sliding or reciprocating sliding, class Ⅰ), sliding and rolling but without EHL ultra-thin film measurement system (class Ⅱ), as well as ultra-thin film measurement system, or a class Ⅰ/class Ⅱ machine equipped with a EHL system (class Ⅲ). Simulating test should reproduce the surrounding circumstance, in particular the right lubricating regime and wear categories, otherwise the results will be irrelevant to the research purpose. Traditional testers (class Ⅰ) and standardized test methods are widely used in research work, but they are not in themselves a proper indication of actual performances in service due to the absence of EHL and mixed lubrication in tests. Four suggestions, including development of new testers and new test methods for traditional testers, correct use of the combination of three categories of testers and surface analysis tools, spreading EHL theory among the oil formulation developers, as well as assimilation of new knowledge concerning the behaviors of base oils and additives in thin film lubrication, are presented to fill the technological gaps between our country and west countries in the development of high-grade lubricants.
Key Words:simulating test; bench test; thin film lubrication; fuel; lubricating oil; additive; tribochemistry