四球试验

一、 试验原理与目的

• 基本原理：该试验使用四个直径相同的钢球，三个钢球被紧密固定并浸没在润滑剂中，形成一个“油杯”。第四个钢球作为上球，在一定的轴向负荷作用下，以规定的转速旋转，与下部的三个固定球进行点接触摩擦。

• 核心目的：模拟并评估润滑剂在极端压力（EP）和抗磨损（AW）条件下的性能。

• 主要测定：

  1. 润滑剂的极压性能：在载荷不断增加的情况下，润滑剂防止摩擦副发生烧结、熔焊的能力。

  2. 润滑剂的抗磨损性能：在恒定载荷下，润滑剂减少摩擦副材料磨损的能力。
     

二、 主要试验标准

• GB/T 3142-2019《润滑剂承载能力的测定 四球法》：中国国家标准。

• ASTM D2783《Standard Test Method for Measurement of Extreme Pressure Properties of Lubricating Fluids (Four-Ball Method)》：国际通用标准，用于测定润滑油的极压性能。

• ASTM D4172《Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid (Four-Ball Method)》：国际通用标准，用于测定润滑油的抗磨损性能。

• SH/T 0189《润滑油磨损性能测定法（四球机法）》：中国石化行业标准。

三、 主要试验项目及评定指标

四球试验主要分为两大类：极压（EP）试验和抗磨损（AW）试验。

1. 极压（EP）性能试验

• 目的：评定润滑剂在极高负荷下防止摩擦表面发生烧结、卡咬的能力。

• 方法：在规定的转速下，从低到高逐级增加负荷（或连续增加负荷），每次一段时间（如10秒），直至上面一个钢球与下面三个钢球发生烧结（Welding）。

• 关键评定指标：

  • 最大无卡咬负荷（PB值）：

    • 定义：在试验条件下，钢球不发生卡咬（磨损直径突然增大）的最大负荷，单位：牛顿（N）或千克力（kgf）。

    • 意义：代表润滑油膜强度的高低。PB值越高，说明油膜在重载下不易破裂。

  • 烧结负荷（PD值）：

    • 定义：导致上面一个钢球与下面三个钢球发生烧结（熔焊在一起）的最小负荷，单位：N或kgf。

    • 意义：反映润滑剂极压添加剂在极端条件下的极限承载能力。PD值越高，润滑剂防止设备在极端情况下发生严重故障的能力越强。

  • 综合磨损值（ZMZ）：

    • 定义：在一次连续加载的试验中，所有负荷级别下使其不发生烧结的负荷的数学平均值。

    • 意义：一个综合评价润滑剂总体极压抗磨能力的指标。

2. 抗磨损（AW）性能试验

• 目的：评定润滑剂在中等负荷下，减少摩擦副磨损的能力。

• 方法：在固定的负荷、转速和时间内进行试验，然后测量下面三个固定钢球的磨斑直径。

• 关键评定指标：

  • 磨斑直径（WSD）：

    • 定义：试验结束后，下面三个固定钢球上产生的圆形磨损疤痕的平均直径，单位：毫米（mm）。

    • 意义：磨斑直径越小，说明润滑剂的抗磨损性能越好。 这是最直观、最重要的抗磨损指标。通常在 392 N (40 kgf) 或 588 N (60 kgf) 的负荷下进行测试。

四、 试验设备与流程

• 核心设备：四球试验机

  • 主要包括：主轴（驱动上球）、油杯（固定下三球）、加载系统、加热温控系统、电气控制系统等。

• 试验流程：

  1. 准备：清洗四个钢球和油杯，确保无污染。

  2. 装样：将三个钢球放入油杯并固定，加入足量待测润滑剂，使其完全浸没钢球。将第四个钢球装入主轴夹头。

  3. 设置参数：根据标准（如ASTM D4172）设置试验负荷、转速、时间、温度。

  4. ：启动试验机，使上球旋转并与下球摩擦。

  5. 测量与记录：试验结束后，取出下面三个钢球，在显微镜下测量磨斑直径，并记录数据。

  6. 数据分析：计算磨斑直径的平均值，或根据烧结情况计算PB、PD值。

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