潤(rùn)滑基礎(chǔ)知識(shí)

為實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承的順暢運(yùn)行，潤(rùn)滑方式和潤(rùn)滑劑的選擇必須是設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。對(duì)所有滾動(dòng)軸承故障的統(tǒng)計(jì)分析表明，超過80%以上的最高失效率歸因于潤(rùn)滑。通常是是潤(rùn)滑被污染、不合適或已失效。下列信息簡(jiǎn)要介紹了潤(rùn)滑主題，關(guān)于滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑，建議聯(lián)系潤(rùn)滑廠商或滾動(dòng)軸承制造商。

潤(rùn)滑的主要任務(wù)是減少或防止?jié)L動(dòng)和滑動(dòng)表面的金屬接觸，從而使?jié)L動(dòng)軸承的摩擦和磨損降到最低。除分離金屬表面外，潤(rùn)滑還有其他功能：

• 防腐保護(hù)

• 散熱（油潤(rùn)滑）

• 清除軸承內(nèi)部的污染物（油潤(rùn)滑）

• 對(duì)軸承內(nèi)部起密封作用（如油脂填充和油氣潤(rùn)滑）

理化原理

滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑分為兩類（物理潤(rùn)滑和化學(xué)潤(rùn)滑）。在物理潤(rùn)滑中，潤(rùn)滑劑被帶入到滾動(dòng)軸承的接觸區(qū)域，通過粘附在分離的表面形成一層潤(rùn)滑油膜，潤(rùn)滑油膜在表面“游動(dòng)”從而防止金屬接觸。若沒有形成完全的潤(rùn)滑油膜且表面未完全分離，則采用化學(xué)潤(rùn)滑。在這種情況下使用添加劑，通過摩擦力學(xué)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將表面相互分離。

分離層不僅是由添加劑產(chǎn)生的，也是由增稠劑和潤(rùn)滑添加劑（如：固體潤(rùn)滑劑）產(chǎn)生的。在特殊情況下，也可以使用固體潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑。

潤(rùn)滑狀態(tài)

根據(jù)DIN ISO 281標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算使用壽命的前提是金屬表面的充分分離。因此，使用壽命、磨損和摩擦基本上取決于潤(rùn)滑狀態(tài)。幾微米的潤(rùn)滑油膜厚度就足以達(dá)到維持和分離潤(rùn)滑油膜。在滾動(dòng)軸承技術(shù)中，區(qū)分了三種潤(rùn)滑狀態(tài)，如斯特里貝克曲線所示：

邊界潤(rùn)滑不會(huì)形成潤(rùn)滑油膜，并且金屬表面會(huì)相互摩擦。滾動(dòng)軸承通常在以下情況下需邊界潤(rùn)滑：

• 潤(rùn)滑劑不足

• 工作粘度不足

• 金屬表面之間不必要的相對(duì)運(yùn)動(dòng)

如果不能避免邊界潤(rùn)滑，則必須使用含有適當(dāng)添加劑的潤(rùn)滑劑。添加劑須借助反應(yīng)產(chǎn)物形成承載邊界層。

如果形成的潤(rùn)滑油膜厚度不足以將金屬表面完全分離，則稱為混合潤(rùn)滑。

潤(rùn)滑油膜的厚度足以完全分離金屬表面，則稱為流體潤(rùn)滑。為了使?jié)L動(dòng)軸承安全連續(xù)的工作，流體潤(rùn)滑是始終相伴的。

潤(rùn)滑理論

在滾動(dòng)軸承技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)潤(rùn)滑油膜形成的物理描述有兩種理論。對(duì)于輕載的接觸點(diǎn)，如保持架兜孔表面和滾動(dòng)體之間或滾動(dòng)體端面和擋邊之間，適用于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑（HD理論），該理論描述了通過潤(rùn)滑油膜強(qiáng)化金屬表面的潤(rùn)滑性能。彈性流體力學(xué)潤(rùn)滑（EHD理論）基于HD理論，另外還考慮了金屬間的彈性變形，EHD理論用于滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)描述。

用于滾動(dòng)軸承計(jì)算的潤(rùn)滑劑參數(shù)

對(duì)于上述理論和潤(rùn)滑油膜厚度的計(jì)算，需要潤(rùn)滑劑參數(shù)。除稠度外，粘度也起著重要作用。需要注意的是，參數(shù)值取決于溫度和壓力。

粘度是流體流動(dòng)性的相對(duì)值，是衡量?jī)?nèi)部摩擦力的指標(biāo)。高粘度表示粘性油，低粘度是指易于流動(dòng)的油。粘度是潤(rùn)滑油最重要的參數(shù)。對(duì)于潤(rùn)滑脂，通常指的是基礎(chǔ)油的粘度。

在潤(rùn)滑理論中，通常采用動(dòng)力粘度η。其表示為剪切應(yīng)力與垂直于層流方向的潤(rùn)滑油膜厚度上最大速度變化之比，單位為毫帕秒（mPa?s）。

運(yùn)動(dòng)粘度（ν）常用于滾動(dòng)軸承的計(jì)算。它的單位是平方毫米每秒（mm²/s）或厘斯（cSt）。運(yùn)動(dòng)粘度可借助密度（ρ，單位為kg/dm³）換算成動(dòng)力粘度。

計(jì)算：        η = ν ? ρ

需要注意的是，運(yùn)動(dòng)粘度和密度均與溫度有關(guān)。密度取決于潤(rùn)滑油及其精煉程度。合成油通常比礦物油具有更高的密度。

由于溫度的關(guān)系，潤(rùn)滑劑的粘度以標(biāo)準(zhǔn)溫度表示。溫度越高，粘度越低。涉及到在40°C即所謂的公稱粘度和100°C時(shí)的粘度。根據(jù)這些參數(shù)可以確定粘度指數(shù)（VI）。粘度指數(shù)提供了有關(guān)潤(rùn)滑劑工作溫度范圍的信息。粘度指數(shù)越高，潤(rùn)滑劑的溫度應(yīng)用范圍越廣。

潤(rùn)滑油的公稱粘度已在DIN ISO 3448 標(biāo)準(zhǔn)ISO 粘度分級(jí)中標(biāo)準(zhǔn)化。

符合DIN ISO 3448標(biāo)準(zhǔn)ISO 粘度分級(jí)的工業(yè)潤(rùn)滑油：

除了與溫度有關(guān)外，粘度還與壓力有關(guān)。隨著壓力的增加，粘度通常也會(huì)增加。對(duì)于EHD理論和高壓力（>500巴）也是要考慮的。

除公稱粘度外，計(jì)算滾動(dòng)軸承壽命時(shí)還需要參考粘度。除取決于速度外還取決于滾動(dòng)軸承的平均直徑和軸的旋轉(zhuǎn)頻率。

除參考粘度外，運(yùn)行粘度在滾動(dòng)軸承計(jì)算中也起著重要作用。運(yùn)行粘度描述了潤(rùn)滑劑在工作溫度下的粘度。通過粘度-溫度圖（VT圖）來確定該粘度。圖示中的軸為對(duì)數(shù)形式，X軸表示為運(yùn)行粘度，Y軸表示為工作溫度。利用公稱粘度和100°C時(shí)的粘度，在圖示上顯示為一條直線，運(yùn)行粘度由工作溫度來決定。

粘度比κ是衡量潤(rùn)滑間隙中潤(rùn)滑油膜厚度的量度。利用參考粘度和運(yùn)行粘度可計(jì)算得出。

在上圖中可以看出，小于1的值表示混合潤(rùn)滑狀態(tài)，大于1的值表示金屬表面完全分離。等于1時(shí)表示邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑油膜的形成不是完全充分。

該關(guān)系直接影響壽命調(diào)整系數(shù)的計(jì)算?？稍贒IN ISO 281標(biāo)準(zhǔn)中找到計(jì)算方法。

選擇潤(rùn)滑劑的另一個(gè)特征值是滾動(dòng)軸承的速度參數(shù)。利用平均直徑（d_m）和轉(zhuǎn)速來計(jì)算得出。

潤(rùn)滑方式

須在選定滾動(dòng)軸承后盡早確定合適的潤(rùn)滑方式。在設(shè)計(jì)過程中更改潤(rùn)滑方式不僅耗時(shí)且增加成本，應(yīng)盡量避免。
 

脂潤(rùn)滑

脂潤(rùn)滑是最常用的潤(rùn)滑方式，占滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑的90%。

滾動(dòng)軸承在大多數(shù)應(yīng)用中是終身潤(rùn)滑的，即在安裝過程中一次性加注適合應(yīng)用的潤(rùn)滑脂類型和潤(rùn)滑量。在正常的運(yùn)行條件和環(huán)境條件下，無需重新填充潤(rùn)滑脂。由于極端的環(huán)境影響，如高溫波動(dòng)、頻繁的轉(zhuǎn)速變化或不可避免的潤(rùn)滑脂老化，必須進(jìn)行再潤(rùn)滑。因此，必須提供潤(rùn)滑的進(jìn)油和排油通道。在設(shè)計(jì)通道時(shí)，必須考慮潤(rùn)滑脂的泵送性。

上述影響因素對(duì)再潤(rùn)滑周期和潤(rùn)滑脂用量也有影響。可在GfT表3（摩擦學(xué)）中找到再潤(rùn)滑周期和再潤(rùn)滑量的計(jì)算方法。脂潤(rùn)滑必須遵循下列規(guī)則：

• 溫度升高會(huì)加速潤(rùn)滑脂的氧化。

• 在70°C時(shí)，潤(rùn)滑脂的壽命每10 K減少一半。

• 潤(rùn)滑脂會(huì)隨著溫度的升高趨于更易流動(dòng)，從而有可能從軸承座泄漏。

• 使用數(shù)據(jù)表檢查速度穩(wěn)定性。

• 在惡劣的環(huán)境中，必須更頻繁地對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行再潤(rùn)滑，避免污染。

油潤(rùn)滑

若已對(duì)其他機(jī)器元件供油（如齒輪箱中的齒輪），或要從軸承空間散熱，則應(yīng)采用油潤(rùn)滑。

分為下列油潤(rùn)滑系統(tǒng)：

• 油浴潤(rùn)滑

• 循環(huán)油潤(rùn)滑

• 噴油潤(rùn)滑

• 脈沖式油潤(rùn)滑

• 油氣潤(rùn)滑

油潤(rùn)滑通常與高水平的復(fù)雜性設(shè)計(jì)有關(guān)，通常包括輔助裝置，如循環(huán)泵和油冷卻器。利用上述有潤(rùn)滑的方法，設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和速度適用性不斷提高。油浴潤(rùn)滑比油氣潤(rùn)滑更容易實(shí)現(xiàn)，它需要大量的設(shè)計(jì)工作，但由于最小潤(rùn)滑量和由此減小飛濺損失，要求具有較高的速度適應(yīng)性。

固體潤(rùn)滑是潤(rùn)滑的一種特殊情況。在緩慢旋轉(zhuǎn)的滾動(dòng)軸承中形成帶有粘結(jié)涂層、漿料和粉末的支撐潤(rùn)滑膜。常用的潤(rùn)滑劑是石墨、硫化鉬或PTFE化合物。固體材料甚至可以用作滾動(dòng)軸承的組成部分。在某些應(yīng)用中，固體材料代替了滾動(dòng)軸承的保持架。由于這是一種終身潤(rùn)滑，因此在軸承壽命終結(jié)時(shí)完全用盡潤(rùn)滑劑。典型的應(yīng)用是窯車的輪軸軸承。

選擇合適的潤(rùn)滑方式

潤(rùn)滑方式的選擇取決于：

• 滾動(dòng)軸承的工作條件

• 滾動(dòng)軸承理想的運(yùn)行特性、運(yùn)行噪音、摩擦特性和溫度特性

• 防止早期失效的安全要求

• 潤(rùn)滑系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本

在選擇潤(rùn)滑方式時(shí)，防止過早失效的安全性要求是重中之重。必須確保潤(rùn)滑劑能充足滲透到每個(gè)功能表面接觸處，并非所有的潤(rùn)滑方式都能同樣保證潤(rùn)滑油的存在。例如，對(duì)于油浴潤(rùn)滑必須定期檢查油位。相反，只要不超過潤(rùn)滑脂的工作壽命或再潤(rùn)滑周期，脂潤(rùn)滑的滾動(dòng)軸承中的潤(rùn)滑劑是足夠的。

常用潤(rùn)滑方式及詳細(xì)說明

潤(rùn)滑劑

潤(rùn)滑脂

潤(rùn)滑脂的基本性能取決于基礎(chǔ)油的種類和粘度、增稠劑和添加劑。礦物油和合成油多用作基礎(chǔ)油。金屬皂或金屬?gòu)?fù)合皂通常用作增稠劑。除基礎(chǔ)油和增稠劑外，添加劑的重要性與日俱增。其分為兩種類型：

• 作用于基礎(chǔ)油，如粘度改進(jìn)劑、抗氧化劑

• 作用于軸承或金屬表面，如防腐蝕和防磨損保護(hù)

根據(jù)潤(rùn)滑脂的稠度，可對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分類，分為所謂的NLGI稠度等級(jí)（美國(guó)國(guó)家潤(rùn)滑脂協(xié)會(huì)），根據(jù)DIN 51818標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。NLGI稠度等級(jí)越高，潤(rùn)滑脂越“硬”。NLGI稠度等級(jí)的1, 2, 3級(jí)常用于滾動(dòng)軸承。

潤(rùn)滑脂又根據(jù)其主要成分增稠劑和基礎(chǔ)油進(jìn)行細(xì)分。

潤(rùn)滑脂概述¹⁾

[ ¹參閱：Br?ndlein, Johannes (Hg.) (1998): Die W?lzlagerpraxis. Handbuch für die Berechnung und Gestaltung von Lagerungen (korrig. Nachdr. der 3. Aufl. Mainz: Vereinigte Fachverl.]
 

潤(rùn)滑油

礦物油和合成油通常適用于滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑，礦物油是最常用的，這些必須至少滿足DIN 51517標(biāo)準(zhǔn)的要求。

合成油則比較少見，其通常用于特殊和極端的工作條件，如高溫。合成油是通過從礦物油中裂解碳?xì)浠衔?，在煉油廠中人工生產(chǎn)的，耗資巨大。因此，它們具有很高的純度。

上文已提到過過粘度比（κ）。對(duì)于潤(rùn)滑油，目標(biāo)值為2~4。

高粘度油具有很高的流體摩擦力。在低溫和常溫下，供油和排油管路中可能會(huì)出現(xiàn)油滯留。

并非在每個(gè)應(yīng)用中都能達(dá)到所需的工作粘度，因?yàn)椋?/p>

• 潤(rùn)滑油的選擇取決于其他機(jī)械部件

• 循環(huán)潤(rùn)滑需要有足夠流動(dòng)的油

• 無法在劇烈變化的工作條件下做出明確的選擇

在上述情況下，允許使用不同的粘度，如果潤(rùn)滑油中有適當(dāng)?shù)奶砑觿‥P添加劑），則也可以允許使用較低的粘度。否則，將會(huì)出現(xiàn)磨損跡象并縮短軸承使用壽命。

下表是根據(jù)潤(rùn)滑油的工作條件來進(jìn)行選型指導(dǎo)。不過，仍然建議咨詢潤(rùn)滑劑供應(yīng)商。

添加劑

添加劑通常針對(duì)各自的功能進(jìn)行優(yōu)化。它們代表了油品的“合金”，增強(qiáng)了油品的性能，例如：

• 腐蝕保護(hù)

• 氧化穩(wěn)定性

• 耐磨損

或賦予“新的”不存在的性能，例如：

• 中和能力

• 分散能力

• 乳化能力

潤(rùn)滑脂和潤(rùn)滑油的混合性

潤(rùn)滑劑的混合具有很高的風(fēng)險(xiǎn)。一方面，某些潤(rùn)滑油和增稠劑是不兼容的。另一方面，只能在有限的范圍內(nèi)預(yù)估添加劑的作用和潤(rùn)滑劑混合物的性能。只有通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)試才能得出兩種潤(rùn)滑劑在混合性和兼容性方面的具體結(jié)論。

請(qǐng)務(wù)必在混合前咨詢潤(rùn)滑劑供應(yīng)商，以確認(rèn)是否可以混合。

應(yīng)避免混合潤(rùn)滑脂。若混合是不可避免的，則混合的潤(rùn)滑劑必須遵守下列參數(shù)：

• 相同的基礎(chǔ)油

• 匹配的增稠劑類型

• 相似的基礎(chǔ)油粘度（不許超過一個(gè)ISO VG級(jí)別）

• 相同的一致性等級(jí)（NLGI稠度等級(jí)）

*來源：Oil Doc GmbH, Brannenburg

*來源：Oil Doc GmbH, Brannenburg

若更換潤(rùn)滑脂類型，則必須將使用過潤(rùn)滑脂從軸承和軸承座中完全沖洗干凈。不相容的潤(rùn)滑脂混合會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑硬化或潤(rùn)滑脂嚴(yán)重軟化，二者均可能導(dǎo)致滾動(dòng)軸承過早失效。