专利名称：通过稀释润滑剂来控制润滑剂特性的方法
技术领域：
本发明涉及同时控制润滑剂或工作流体两个或多个特性的方法，所述润滑剂或工作流体适于用在经受一定范围运行工况的系统中。本发明还涉及执行所述方法的装置。
润滑流体的属性随着它们所处的工况变化而改变。例如，润滑剂温度降低时其粘度升高。这给设计在一定运行温度范围内提供即便并非最优的有效的润滑系统造成了困难。在高的运行温度下具有最佳粘度的润滑剂在寒冷或低的环境温度时可能太粘，从而使机器无法安全运行，或者甚至无法启动。针对这一问题，已经提出了在润滑系统中使用多相润滑剂，例如，在国际专利号WO-A-96/11244中所提出的。
然而，润滑剂或工作流体的一种以上的属性可随润滑剂或工作流体所处工况的变化而改变。例如，当润滑剂或工作流体的温度变化时，其粘度、密度、粘度的压力响应、压缩率及其粘度的变化趋势随剪切速率变化而改变。具体接触的润滑剂膜的厚度也将随温度而改变。在很多情形下，一种期待的属性可能不可避免地与另一种温度相关的属性联系在一起。
在行走轮驱动中，动力和扭矩通过有时称作“牵引流体”的流体或润滑剂传递在具有光滑表面的机械元件之间传递，例如，对于没有齿的传动装置，牵引流体使一种光滑的转动轮子驱动压靠于其上的另一光滑轮子。这种运动是滚动和滑动的混合。牵引系数指切向力和法向力之比。法向力指将两个表面压在一起的力。牵引系数越大，装置能越有效地传递动力。因此，期待将金属表面分离以降低磨损的润滑剂在牵引传动运行的所有工况下都具有尽可能高的牵引系数(也被称作摩擦)。例如，可通过将装置制造的更小更轻实现具有更高牵引系数的改进性能。然而，牵引流体的牵引系数经常随温度而变化，例如，在冷起动工况下的牵引系数可能就与热启动工况下的牵引系数不同。这样导致的结果是，装置如车辆的传动装置不能用来利用其最高的牵引系数值。
此外，在特定温度时具有高牵引(例如，高牵引系数)的流体在温度变化穿过该值时，相对于温度而言倾向于展现出较大的粘度变化。为了传递作用力，牵引流体的粘度必须升至较高值，因为在金属表面的承载区它承受高压力。然而，粘度相对于压力的快速增加经常与粘度(例如，低剪切大气压力时的动力粘度)相对于温度的快速变化连续在一起。相反，粘度相对于温度变化很小的流体具有低的压力-粘度系数，而且，很可能具有低的牵引系数。因此，在选择牵引流体时，设计者被迫牺牲牵引系数的值，使流体在低温下具有足够低的粘度，从而能进行工作。在运行温度例如110℃时具有高的牵引系数(例如，在滑动-滚动比(SRR)为2.2％和接触处压力为1.125Gpa时的测定值为0.095或更高)的流体在低温下将粘到不可接受，尤其是在冬天甚至在气候温和时经常遇到的冷起动温度时。典型地，配制出一种用于冷起动的保持其粘度足够低的润滑剂，其在受热运行工况下具有适当低于最大牵引系数的牵引系数，已经观察到对于任何流体最大牵引系数大约为0.118。目前，最佳的折衷办法是提供低温下具有高粘度、较热的运行温度下具有合适牵引的牵引流体。
对于牵引流体而言，需要其在牵引流体可能运行的整个温度范围内具有高牵引系数，而且在同样的温度范围内具有有效的粘度。这样的一种牵引流体对无级变速传动而言尤其有用。
对于如严寒气候下使用的大型设备中的工作流体例如液压流体，也发现在热运行工况时所需的特性和冷工况时启动所需要的特性之间存在相似冲突。在这种气候下，启动温度可能低至-40℃，热运行温度可能高达95℃。对于液压流体，诸如粘度、压缩率、以及粘度的压力响应等特性对于系统的有效运行是重要的。例如，一种理想的液压流体可能具有低的压缩率以及压力和温度不相关粘度。这种流体在实践中是无法获得的。低压缩率和粘度相对于压力快速增加以及粘度与温度的强相关联系在一起。为了处理液压流体特性的这种冲突，在非常冷的环境中，操作者常常在开始生产活动前的一个小时“运转”空载液压设备。显然，这是问题的一种昂贵而且不能令人满意的办法。
甚至在温和的气候下，由于液压管路经受连续的或繁重的使用，液力油的温度可能从启动温度变化60～80℃至热运行温度。粘度的变化是温度变化带来的，其改变了液压系统的力学和容积效率。在本文中，力学效率是将流体泵入回路循环所需功的量度。容积效率是高压流体穿过致动装置的滑动密封层时内泄漏的量度。当粘度随温度增高而降低时，内泄漏的增加可能降低液压致动装置可施加的作用力。在跨越该温度范围时，无法维持力学效率和容积效率的有效平衡。
对于液压流体而言，需要其在该流体可能运行的整个温度范围内的某些区间保持恒定，而且同时具有低压缩率和有效的粘度压力响应。
本发明提供的方法解决了上述问题，该方法使润滑剂或工作流体的两个或多个特性在系统运行工况的范围内维持最优或有效值。
这样，本发明提供了一种控制运行工况变化系统中所用润滑剂或工作流体的两个或多个特性的方法，该方法包括(i)提供一种基液，其两个或多个特性在“热”运行工况下最优；(ii)提供一种稀释剂，其可与所述基液在所有操作工况下溶合；以及(iii)用稀释剂响应系统运行工况的变化可逆地稀释所述基液。
已经惊奇地发现，根据特定的原则选择基液和稀释剂，在使用润滑剂或工作流体时，润滑剂或工作流体的两个或多个特性能同时得到控制，这是通过基液响应运行工况的变化而可逆地稀释实现的。
本发明的方法应用的系统包括包含需要润滑的移动元件的系统。这种系统可以是含有需要牵引流体的移动元件的发动机或自动传动装置。这类移动或工作元件的例子有传动装置、轴承、离合器以及牵引传动变速器。本发明的方法也用于由工作流体如有压液压流体致动的液压系统。液压系统中移动元件的实例是致动装置。本发明的润滑剂可以具有常规的润滑功能，或者可以具有其它功能，例如和牵引流体一样的扭矩传递功能。本发明的工作流体可以是一种作为液压流体使用的润滑剂。
本发明的一方面，提供了一种运行工况变化的系统的润滑方法，该方法包括(i)控制润滑剂的两个或多个特性；并且(ii)对系统施用生成的润滑剂。
本发明的另一方面，提供了给运行工况变化的系统提供工作流体的方法，该方法包括(i)控制工作流体的两个或多个特性；并且(ii)向系统供应生成的工作流体。
向系统供应生成的润滑剂和/或工作流体包括将其带入与系统的移动或运行元件接触。
控制的润滑剂或工作流体的特性根据其在特定类型机器中需要执行的任务而定。优选地，其中一个特性是粘度，因为对大多数润滑剂和工作流体而言这是一个关键特性。这里的粘度指在诸如液压流体中的低剪切大气压力时的动力粘度，流体的压缩率和/或粘度压力响应和/或润滑膜厚度可以控制。例如，在牵引流体中可控制牵引系数。在一个优选实施例中，本发明的方法控制粘度，以及控制运行工况变化系统中用作润滑剂或工作流体的一个特性或多个特性。在一个更优选的实施例中，本发明的方法控制润滑剂或工作流体的两个特性。
在本发明的方法中，润滑剂或工作流体的两个或多个特性得到控制。这里的“控制”指的是所考虑的特性被维持在某值上，该值对系统运行有效，优选对于系统运行最佳。由最佳“热”运行工况值获得的各种特性值的可接受变化倚赖于所考虑的特性。例如，粘度的值可从其最佳值增加300％，而润滑剂/工作流体仍将有效地运行。
在牵引流体中，优选牵引系数的值控制在其最佳值的±30％以内，更优选地在其最佳值的±15％以内。
在本发明的方法中，基液被特别地选择，从而所述的两个或多个特性对“热”运行工况而言最佳。这里的“最佳”指的是特定组成的基液的两个或多个特性使得这些特性的至少一个、优选两个特性在“热”运行工况时相比较冷起动或环境运行温度时运行得更好。
例如，基液可以是一种在“热”运行温度时具有高牵引系数和低粘度，但是在冷起动工况时具有低牵引系数和高粘度的牵引流体。
“热”运行工况是系统温度高于冷起动或大气环境时的工况。冷起动工况温度上升的范围为-40℃至25℃，依气候而定。“热”运行工况包括系统运行的大部分时间中的运行工况，例如，机器的工作温度。“热”运行工况可以包括高达系统最高运行温度的一个温度范围，也可以包括系统不同元件的不同运行工况。典型地，对于自动行走轮驱动，这一范围是90℃至150℃。在热运行工况下的液压设备的大部件中工作流体的温度范围可以是50℃至95℃。
在一个优选实施例中，“热”运行工况时基液具有高牵引系数和低粘度。优选地，温度范围为90℃至150℃时，在2.2％滑动-滚动比和1.125Gpa载荷时测定的牵引系数大于0.08，粘度小于100mPas。合适的高牵引流体可以包括高比例的由短链连接或成对或多簇稠和的饱和环。所述流体可以通过合成或对原油炼制方便地获得。基液可以是碳氢化合物或酯或含醚化合物或碳酸盐的组合物。有些市场上可以买到的产品，例如日本东京ex.Tekchem Corporation出品的标号为″Techtrac M73″的产品，其包含由α-甲基苯乙烯的二聚物和三聚物氢化产生的分子混合物。分子典型地由两个或三个通过短的支链甲基烷基链连接起来的环己基环。此外，高汽化点的组分也可以存在。这些组分可以包括含有稠环的结构。合适的基液可以从这些产品中通过改变二聚物相对于混合物中高汽化点组分比例而获得。变化二聚物相比高汽化点组分的比率改变了生成流体具有最大牵引系数时的温度。因此，在本发明的一个实施例中，选定二聚物的比例使基液在特定温度范围内具有最大的牵引系数，例如，基液处于“热”运行工况的用户设定的特定范围。优选地，该基液包括二聚物和三聚物(包含稠环结构)的混合物。与基液的总重量相比，所述基液一般包括5至80％重量含量的二聚物，优选重量含量是5至50％，更优选为重量含量为10至30％。这一比例使用采用火焰离子监测的气相色谱分析得到。
本发明提供了一种润滑剂，其中润滑剂的牵引和粘度在整个温度范围内可维持在较小范围之间，整个温度范围是指牵引传动操作的最冷的起动温度到最高运行温度。特性的这种稳定性对于没有更换组分的单独流体是不能做到的。迄今为止，人们已经认为，一定流体在某些工况下展现出的高牵引特性是它们的组分的有限和特定的后果，并且，当与另外一种流体混合成牵引流体时高牵引特性将失去。然而，现已发现，根据特定原则选择基液和稀释剂，并使用稀释剂以由温度决定的特定比例稀释基液，基液在某一温度下具有的高牵引特性在其它温度时也将维持或基本维持。这样，使用这种可逆稀释技术，牵引流体的两项重要特性，亦即粘度和牵引系数，在较宽温度范围时(例如，150℃)都可以维持在最优值附近。
选择稀释剂和基液，使它们在所有的运行工况下都可以混合。这里的混合指的是将稀释剂和基液放在一起的时候将相互溶解并形成一种单相物质。“所有的运行工况”包括冷起动或环境工况以及“热”运行工况。因此，本发明提供了一种单相润滑系统，其适于用在运行工况变化的的系统中。相对于现有技术中的多相润滑工艺，其具有明显的优越性。
合适地，基液比稀释剂具有更高的粘度和更低的挥发度。在行走轮驱动的情况下，温度为100℃时，基液将标准地具有高于5mPas的粘度，稀释剂将标准性地具有低于1mPas的粘度，在温度为0℃时，稀释剂的粘度低于10mPas。
特别是在温度低于0℃时，合适的稀释剂将具有低的粘度。稀释剂的粘度越低，降低基液混合物粘度所需要的稀释剂越少。合适地，稀释剂熔化范围低于-40℃，熔点低于-50℃。稀释剂的熔化范围应该足够低，使其可以通过蒸发从大气压力或更低压力时的混合物中分离。合适的稀释剂的实例是萘烷，它是十氢化萘的顺式或横式异构体与市场上可买到的由美国ex.Shell Chemicals出品的标号为″CYPAR-9″的溶剂混合而成，其主要包含具有9个碳原子的甲基取代环己烷。稀释剂也可以是一种燃料，例如汽油或柴油。
液态碳氢化合物燃料油的汽油汽化范围是标准的碳氢混合物汽化温度范围，约从25℃至232℃，其包含饱和碳氢化合物、烯烃碳氢化合物和芳香族碳氢化合物的混合物。
基本的燃料油由直馏汽油、聚合汽油、天然汽油、二聚体或三聚体烯烃、合成芳香族碳氢化合物混合物、热或催化重整碳氢化合物，或者催化裂化或热裂化石油原料、以及这些物质的混合物得到。
基本燃料的碳氢化合物的组成和辛烷值并不重要。辛烷值(R+M)/2通常大于85(式中，R是研究法辛烷值，M是马达法辛烷值)。
液态碳氢化合物燃料油是中间馏分燃料油，标准地具有范围为100℃至500℃的汽化温度范围，例如，150℃至400℃。石油衍生燃料油可以包括常压馏分或真空馏分、或者裂化汽油、或任意比例的直馏汽油和热和/或催化裂化馏分。这类燃料油包括煤油、喷气机燃料、柴油机燃料、民用燃料油和重燃油。
柴油机燃料标准地具有大约160℃的初始蒸馏温度和290-360℃的最终蒸馏温度，依燃料等级和使用要求而定。
在一个优选实施例中，稀释剂可包含由碳氢化合物和/或汽化温度范围在50-200℃之间的有机酯混合物。
在本发明的另一优选实施例中，在液压流体可能典型运行的整个温度范围内其具有有效的粘度压力响应，并且在同样的温度范围上液压流体具有有效的粘度。
因此，本发明提供了一种适用于液压系统的工作流体合成物，其包括一稀释剂和一基液，基液包括丙三醇和选自烷撑二醇和/或聚亚氧烷基乙二醇的一种或多种附加成分。
本发明也提供了在液压系统中使用所述工作流体合成物。
稀释剂可以方便地选自水、碳氢化合物和碳氢化合物的混合物、乙醇、酯和酮。尤其优选地水作为稀释剂。
可以方便使用的烷撑二醇包括乙二醇和丙二醇，尤其优选丙二醇。
聚亚氧烷基乙二醇可以是将低的烯化氧，例如乙撑氧、环氧丙烷、亚丁基氧或戊烯氧在聚合作用下加到活性氢组合物而形成封端的，不封端的或半醚聚乙烯(氧化烯烃)醇。
这些聚合物的生产方法和特性已经公开在US-A-2841479和US-A-2782240以及Kirk-Othmer的“化学技术百科全书”第二版卷19页553中。
嵌段共聚物和无规共聚物可以通过将活性氢组合物与烯化氧的混合物接触而制备，其中的烯化氧的混合物是诸如乙撑氧和环氧丙烷、或环氧丙烷和亚丁基氧的混合物。
在一个优选实施例中，可以方便地使用在本发明的流体合成物中的聚亚氧烷基乙二醇具有通式(I)R1O-[(R2O)m(R3O)n]-R4(I)其中R1和R4各自独立地是烷基、芳基、烷基芳香基、芳氧基、烷氧基、烷基芳基羟基或氢；R2是-CH2-CH2，R4是-CH(CH3)-CH2-和/或-CH2-CH(CH3)-，且m和n代表在各聚亚氧烷基乙二醇中R2O或R3O族的平均数，从而当聚亚氧烷基乙二醇的分子量大于700时m/(m+n)的范围在0.125和1之间，n/(m+n)的范围在0和0.875之间；当聚亚氧烷基乙二醇的分子量小于或等于700时m/(m+n)的范围在0和1之间，n/(m+n)的范围在0和1之间。
在所述的工作流体合成物中，和基液的总重量相比，优选地丙三醇的重量含量在1到95％之间；烷撑二醇的重量含量在0到50％之间；聚亚氧烷基乙二醇的重量含量在0到90％之间。
优选地，所述工作流体合成物包含基液的重量含量相对基液和稀释剂的总量而言在50到100％的范围内。
本发明的方法中，基液可以响应系统运行工况的变化使用稀释剂可逆地稀释。该方法还包括一个步骤，即直接或间接地检测运行工况的变化，例如通过监控润滑剂的一个或多个特性检测。被监控的润滑剂的特性可以是温度、粘度、组分、牵引、密度、和在其它成分中的折射率。
可以通过例如蒸发或蒸馏将稀释剂从基液中移除或分离。在本发明的一个实施例中，被润滑的系统产生的能量用来提供将稀释剂从基液中分离所需的至少部分优选为全部能量。本发明的方法在效率方面有明显的优点。
系统产生的能量可以是例如热能、机械能或电能。能量例如热能可通过被润滑或将施加工作液的运行元件直接产生。能量可由系统间接产生，例如，驱动轮子传动的发动机产生的热能或包含行走轮驱动的电力风车产生的电能。
本发明还包括适于执行本发明方法的装置，装置包括采用稀释剂可逆稀释基液的装置、以及将系统产生的能量提供给将稀释剂从基液中分离时所需至少部分能量的装置。使用稀释剂可逆稀释基液的装置包括将稀释剂加入基液的装置，以及将稀释剂从基液中除去的装置。
本发明的装置还可以包括(i)包含稀释剂的储液装置；(ii)包含基液的混合区；(iii)从储液装置向混合区供应稀释剂的分配装置；(iv)从混合区中分离稀释剂的分离装置；以及(v)使混合区物质与系统的运行元件接触的装置。
例如，混合区可以是贮槽或用于传动的主流体储液箱或是液压系统的主流体储液箱。这意味着使混合区的物质与系统的运行元件接触的装置可能包含一系列的泵以及油路。
该装置还可以包括监控系统操作工况变化的装置，例如可编程控制器，其可构成主机管路系统的一部分。可编程控制器可用来评估混合物的当前组分和特性、以及根据机器的状态或运行工况的需要来研究减少或增加稀释剂。
本发明的装置包括将基液从稀释剂中分离的装置。可以通过蒸发或蒸馏将相对易挥发的稀释剂从稀释剂和基液的混合物中分离，最好在低压下加以分离。分离装置典型地由执行基液和稀释剂混合物的闪蒸馏、真空蒸馏或精馏的装置组成。可以以预期的速率控制分离，以将稀释剂从混合物中除去。在一个实施例中，稀释剂或工作流体被通过油泵泵入分离器，优选是使用系统的主油泵，流经分离器的润滑剂/工作流体具有一定的比率，比率在0到100％之间变化。
在分离装置中，输入的混合物被加热到足够高的温度以形成相对易挥发稀释剂的明显的蒸汽压力。蒸汽和消耗驻留的基础润滑剂被分离，这可以使用泵来进行。然后，蒸汽可浓缩并储存以备重复使用，驻留的基础润滑剂可以在某点重新注入润滑剂回路，例如，在贮槽处注入。
可能需要能量来加热混合物至分离温度并蒸发掉稀释剂。本发明的装置还包括如下装置，其用来使被润滑的系统产生能量或用来将工作流体施加在其上，以将稀释剂从基液中分离。在本发明装置的一个实施例中，分离器吸收分离过程需要的一些剩余热能，剩余热能是被驱动机器的发动机排出的，发动机将过量的热量排入冷却液(水/防冻剂)、排入废气以及到发动机润滑剂中。这些热量的任一项都可用作分离器的热源。通常，蒸馏步骤用来将流经其中的小部分流体除去。接下来的是，大量进入润滑剂混合物的热量将其升高到蒸馏温度，这些热量能被复原并用来将流入分离器的新鲜混合物加热。
分离器由一个或多个换热器组成，输入的混合物在到达蒸馏室之前经过换热器。这些换热器用来主动地升高输入的混合物的温度，并且在其穿过蒸馏或蒸发室后用来降低残留混合物的温度。典型的顺序是将输入的基液/稀释剂混合物进行下面步骤的一项或多项，确定在列表中的热源用来增加输入的混合物的温度(a)加热发动机中水的阶段在该阶段加热输入的混合物，例如从当前油槽温度升高到大约85℃，这是通过与从发动机冷却系统出来的热水热接触进行的。这种热水通常在发动机运行一分钟后可以得到。这种热换热器可以被动地运行，直到输入混合物达到85℃，在该温度时断开水的流动。
(b)加热润滑剂阶段在该阶段输入的混合物通过与穿过蒸发室的润滑剂或工作流体流热接触而加热。
(c)稀释剂蒸发冷凝阶段在该阶段，从蒸发室来的热蒸汽被冷凝，向输入混合物释放蒸汽热。
(d)发动机排热阶段在该阶段，主要通过非直接方法从热废气中获得热量。该阶段可以与阶段(c)合并，使用在管内汽化稀释剂产生的蒸汽绕排气管流动以传递热量。
(e)电加热阶段其最可能构成蒸发室的一部分，在该阶段输入蒸汽最终被加热到以预期速率蒸发分离的温度。
在本发明的一个实施例中，加热过程的一个或多个被动地进行，其附带条件是在某些温度下可能通过关阀停止某些流动。此外，在(d)中的最佳阶段，当稀释剂从混合物的蒸发完成时，通过冷凝蒸汽排出的热量能自动停止。
可构成分离器结构一部分的泵在低压下将混合物中蒸发出的蒸汽移走。蒸发泵可以是机械的，例如轴向或透平压缩机、或叶轮泵、或离心泵；或者可选择地其可以具有蒸发喷射泵的形状，其应用将在下面详细描述。该泵的目的在于促进低温时蒸汽和混合物的分离。压力不必降低到混合物将汽化的那样一个值。该泵的目的将是除去与混合物平衡的蒸汽，从而可以蒸发更多的蒸汽。
如果一个蒸汽喷射器作为泵，喷射器的引射气体能是压缩稀释剂的蒸汽本身。压缩液体需要加热到足够高的温度以确保蒸汽饱和压力提供穿过喷射器的必要引射流。对于这种热量可以从发动机的剩余热量中获得。穿过喷射器的引射气体或引射蒸汽的流动将与从混合物出来的蒸汽(具有同样的组分)的抽吸流动合并。这种蒸汽的喷射将在热换热器中被冷凝成液体，冷凝蒸汽的热传递到两种其它流动的一种或两种稀释剂流向蒸汽喷射器的高温高压侧，油/稀释剂混合物流向分离器。
用于喷射器的引射气体可以是蒸汽，其能使用从发动机来的剩余热，或者从另外一个热源来的能量。蒸汽与喷射器扩散区的抽吸蒸汽流合并，两种蒸汽都被冷凝从而可将它们的热量使用到上面描述的其它流体中去。冷凝水和稀释剂，如果稀释剂与水不能混合的话，能被分离并且稀释剂存储在油箱中以备重复使用。在本例中，水不作为润滑剂，并且不与润滑面接触。如果润滑剂是水，不分离将是可能或是必需的。
在另一个变型中，蒸汽可从润滑机械部件的环境中抽出。例如，在行走轮驱动中，流体用来润滑快速移动的机械部件，并将热传给润滑剂。可以预料，机器部件的移动将形成润滑剂的膜和微滴，从而润滑剂的总的表面积将足够大，方便润滑剂蒸汽的快速蒸发。这种蒸汽能被连续地泵走，分离必需分离的基液微滴。这种方法在消除环绕被润滑机器部件空间中的易燃蒸气浓度发展方面是有利的。
本发明的方法通过下面的实例来描述。
例1在本例中，研究本发明的润滑剂的牵引系数和粘度相对温度的变化。
粘度测量使用流变锥板粘度计进行。牵引系数使用由伦敦PCS设备有限公司制造的“微牵引机器”测量。在该装置中，一个磨光的钢球(直径为3/4英寸)靠在一个也旋转的磨光钢环旋转。分别控制球和钢环的速度，从而可通过机器调节滑动运动相对滚动运动的比值。接触点的压力通过施加到支撑旋转球的支臂上的载荷而加以调节。球和环浸在温度被控制的润滑剂中。在不同的滑动-滚动比(SRR)和不同的作用载荷下进行测量。引用的大多数结果是在滑动-滚动比为2.2％、润滑接触点的压力接近1.125Gpa的载荷下获得的。其它的结果是在其它的滑动-滚动比下获得的。这些结果被修正以提供2.2％滑动-滚动比时的牵引系数估计值。
使用的基液是一种标号为“Techtrac M73”的现有产品馏分，该产品由ex.Tekchem Corporation(日本，东京，Ohta-ku，1-13-31Denenchoufu)出品。从而二聚物的比例占到混合物重量的大约10％。本文中的“大约”意指±3％。混合物中二聚物与其它成分的比例由火焰离子监测仪进行气相色谱分析定。
所用的稀释剂是市场上可买到的标号为″CYPAR-9″的溶剂，由美国ex.Shell Chemicals出品，其主要包含具有九个碳原子的甲基取代和乙基取代环己醇。
基液的粘度和牵引系数被作为温度的函数进行测量。结果显示在表1中。
表1
*该温度的粘度是通过使用Vogel表达式结合其它温度的测量值插值获得的，Vogel表达式在40℃以上时与数据吻合较好。
m直接测量值1估计值2在滑动滚动比率5％时测量并修正至滑动滚动比率2.2％后的值，为了进行修正，该值从那些测量值略略调低。最大的修正是0.006。
如表1所示，在热运行工况的大部分重要温度范围内(70至150℃)，这种润滑剂具有高的几乎为常数的牵引系数。此外，当温度降至60℃以下时，牵引系数迅下降。在温度范围100至150℃时粘度变化非常缓慢，但是当温度更低时，粘度迅速升高，并且在40℃时超过6Pas，在30℃时达到43Pas。检查发现，这种流体在室温时具有不可接受的粘性。
然后，将基液与不同量的稀释剂混合。之后，测量生成的混合物在不同温度时的牵引系数和粘度。通过回归作为组分和温度函数的牵引系数，确定了各种温度时基液和稀释剂的最佳混合比。结果显示在表2中。
表2
E估计值，因在该工况下没有测量值。
M这些是在该工况下期待的最小牵引系数。在该工况下没有测量值。这些数字是在这些温度下测量的值，但是总的来说，它们不是最好。
表2中的结果显示，基液的粘度和牵引系数可以通过使用一种主要由甲基取代环己烷组成的流体逐渐稀释基液而加以控制。如果不进一步稀释，并且将0℃时显示的组成保持到-40℃，粘度将增加到大约2.5Pas。这样的粘度远低于其它牵引流体可获得的粘度。尤其是，结果显示，最大的牵引系数可在较低温度下保持，同时保持粘度处于控制之下。从这些结果也可以得出，上述的牵引流体混合物适于用在预期操作温度为70至150℃的牵引装置中，其中该较低温度是基液和稀释剂混合物的油箱温度，该较高温度是轨道中的实际温度，牵引装置在该处的一个元件在另外一个元件上滚动以传递扭矩。
例2在本例中，显示了可逆稀释剂怎样用来维持合成物具有一恒定的粘度值，合成物可作为一种液压流体使用。大气压力或升高压力时的粘度值可以在一定范围内保持恒定，而且都可以比恒定组分的流体保持更窄的范围。
同时，弹性流体动力学(EHD)润滑接触的液体形成的膜厚可在一个窄范围内控制。通过在两层金属表面之间形成承载膜，液压流体通常被用来作为润滑剂，金属表面彼此靠近但保持分离以避免磨损。需要在泵中进行弹性流体动力学(EHD)润滑，泵将流体以升高的压力供应到液压传动装置中。在弹性流体动力学润滑时，两移动表面之间液膜的厚度都倚赖于进入润滑区的流体粘度和压力-粘度系数。压力-粘度系数描述了粘度相对液体压力的增加，并可定义为粘度的自然对数与压力之间图线的斜率。
大多数液体的压力-粘度系数随着温度升高而降低。在具有恒定组分的润滑剂中，随着温度升高，因为粘度和压力-粘度系数都随温度的升高而降低，故承载膜具有强的下降趋势，粘度测量使用流变锥板粘度计进行。膜厚测量使用光学球板粘度计。在该装置中，一个钢球靠着透明材料制成的旋转圆盘转动和滑动。油膜厚度可使用成形在圆盘和钢球之间充液间隙中的干涉条纹来测量。压力-粘度系数可由膜厚估计得到。
所用基液是一种丙三醇与单-丙二醇(丙烷-1，2-二醇)的混合物。通过改变这两种流体的相对比率，可以选定不同温度时的粘度。在本实例中，基液是90％重量的丙三醇与10％重量的单-丙二醇的混合物。在最终混合物中水的重量含量高达40％时其最终熔点等于或低于-40℃。
为了实现本例的目的，混合物中水的重量含量限制在最终混合物的5％-35％范围内。也就是说，一种描述为具有“35％”水的合成物由35％重量的水和65％重量的基液组成，其中基液则是上面描述的90/10的混合物。
合成物在温度从-40℃起上至维持常数的目标温度值范围内保持不变。为了实现本例的目的，恒定粘度值选取30mPa.s。高于或低于30mPa.s的粘度值可选择这种或相似的混合物。
在表3中，显示了具有35％水的混合物的作为温度函数的粘度，温度范围-40℃～7.8℃，在该温度下粘度降至30mPa.s。
表3
当温度升高时可通过降低水的含量使粘度(大气压力下)保持为常数30mPa.s。在本例中，已经假设水的重量含量不会降低到5％的以下。在表4中，示出了各种温度时具有30mPa.s粘度的流体组成。
表4
从而，根据上面描述的方案，在温度范围从7.8℃至61.7℃时，可通过改变其组成而维持大气压力时的粘度为常数30mPa.s。这可称作控制区。
压力-粘度系数值决定于控制区内的流体的不同组成，其示于表5中。
表5
这些压力-粘度系数使用Dowson-Hamrock方程，从测得的膜厚计算得到。方程为hc＝kα0.53(Uη0)0.67其中，hc是膜厚，k是装置常数，α是压力-粘度系数，U是夹带速度，η0是大气压力时的粘度。
表5中四种流体膜厚的测量值是在所用这些合成物的大气压力粘度保持为常数或接近常数30mPas时的温度下进行的。特例是流体包含35％的水时。这种组成在7.8℃时是正确的，但是其膜厚值是在室温下测得的，因为它不可能在更低的温度下运行。当允许这样做时，可看到压力-粘度常数在控制区范围内慢慢改变，直到水的含量较低。压力-粘度系数(以及膜厚)随着水含量降至5％而升高。
可以使用Dowson-Hamrock方程和参数k、α的测定值及粘度的测定值来估计与测试参数略有不同的其它温度以及工况时的膜厚。为了进行计算，夹带速度值(1.13ms-1，其中膜厚的对数值随速度线性增加)选自测量膜厚时使用的范围。下面的表6示出了这些计算的结果，包括大气压力时的粘度、假定工作压力为20Mpa时的粘度、以及球板粘度计测量工况下的膜厚。结果分为三类
(1)温度低于8.8℃，合成物假定含有恒为35％的水。使用这种组成的测定压力-粘度系数，通过Dowson-Hamrock估计出膜厚。
(2)温度处于8.8℃至64.5℃之间的控制区，假定组成变化以使大气粘度缓慢降低，其程度是工作压力时的粘度保持为常数30mPas。对测定的膜厚进行微调使假定的进入粘度有小的变化。
(3)温度高于64.5℃，合成物假定含有恒定为45％的水，膜厚可使用这种合成物测定的压力-粘度系数通过Dowson-Hamrock方程估计得出。
表6
注当在压力高于大气压力情况下保持粘度为常数时，界定控制区端点的温度略有改变。
如果本例描述的流体混合物与一台装置一起使用来调整控制区范围内合成物，有效粘度将按照表6变化。根据本文所述的方法，可通过改变其组成而维持8.8℃至64.5℃的粘度为常数。在控制区的上方和下方，粘度将正常变化。组成的变化也影响压力-粘度响应，从而降低或消除弹性流体动力学工况下油膜厚度降低的趋势。因此流体的承载能力可以保持。如果其组成不发生变化，曝露在变化温度下的液压回路中所用基液的粘度变化将快到不可接受。必须指出，这里显示的油膜厚度是那些在实验室测量装置中发现的，并用到材料、几何形状和载荷的特定组合中。在其它关系中的油膜厚度会与此不同。
显然，不同基液的使用使能在不同温度范围和不同粘度时确定控制区。这样，在温度从冷起动至热运行温度的范围内，液压系统的力学和容积效率将维持在其最佳或接近最佳的程度。
权利要求
1.一种控制运行工况变化的系统中所用的润滑剂或工作流体的两个或多个特性的方法，该方法包括(i)提供一种基液，其两个或多个特性在“热”运行工况下最优；(ii)提供一种稀释剂，其可与所述基液在所有系统操作工况下溶合；以及(iii)用稀释剂响应系统运行工况的变化可逆地稀释所述基液。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述两个或多个特性指的是粘度和选自牵引系数、压缩率、润滑膜厚度或粘度的压力响应中的一个或多个。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于在90℃至150℃的温度范围内，所述基液具有大于0.08的牵引系数(在2.2％的滑动-滚动比和1.125Gpa时)和小于100mPas的粘度。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于所述基液包括一种α-甲基苯乙烯的二聚物和三聚物的氢化混合物。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述基液包括丙三醇和选自烷撑二醇和/或聚亚氧烷基乙二醇的一种或多种附加成分。
6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于所述稀释剂选自一种包括十氢化萘的顺式和横式异构体混合物的流体，以及一种包括平均具有9个碳原子的甲基取代和乙基取代环己烷的流体。
7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于所述稀释剂包括一种碳氢化合物和/或汽化范围在50℃至200℃之间的有机酯的混合物。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述稀释剂是水。
9.一种润滑运行工况变化的系统的方法，该方法包括(i)根据前面任一权利要求所述的方法控制润滑剂的两个或多个特性；以及(ii)对系统施用生成的润滑剂。
10.一种给运行工况变化的系统提供工作流体的方法，该方法包括(i)根据权利要求1-8任一项所述的方法控制工作流体的两个或多个特性；以及(ii)向系统供应生成的工作流体。
11.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于所述的可逆稀释步骤包括通过蒸发或蒸馏将稀释剂从基液和稀释剂的混合物中分离的步骤，系统产生的能量用来提供此步骤所需的至少部分能量。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于系统产生的能量来自以下的一种或多种(i)来自系统的冷却系统的热水；(ii)已经通过了蒸发或蒸馏阶段的润滑剂或工作流体；(iii)蒸馏或蒸发室中的热蒸汽的蒸发热；(iv)废气；以及(v)电加热阶段。
13.实施前述权利要求任一项的方法的装置，该装置包括(i)包含稀释剂的储液装置；(ii)包含基液的混合区；(iii)从储液装置向混合区供应稀释剂的分配装置；(iv)从混合区中分离稀释剂的分离装置；以及(v)在系统运行过程中通过分离装置将稀释剂从混合区分离时用来产生能量的装置。
14.液压系统中工作流体合成物的使用，该工作流体合成物的组分包括水和基液，水作为稀释剂，基液包括丙三醇和选自烷撑二醇和/或聚亚氧烷基乙二醇的一种或多种附加成分。
全文摘要
本发明涉及一种控制运行工况变化的系统中所用润滑剂或工作流体的两个或多个特性的方法，该方法包括(i)提供一种基液，其两个或多个特性在“热”运行工况下最优；(ii)提供一种稀释剂，其可与所述基液在所有系统操作工况下溶合；以及(iii)用稀释剂响应系统运行工况的变化可逆地稀释所述基液。同时还公开了一种实施该方法的装置。
文档编号C10N20/02GK1653294SQ03811159
公开日2005年8月10日 申请日期2003年4月17日 优先权日2002年4月18日
发明者弗兰克·D·韦恩 申请人:国际壳牌研究有限公司