作者(zhě)：Steven Sanchez，John Wallace

翻譯：張藝(yì) 洛陽LYC軸承有限公司技術中心

1 引言

潤滑(huá)在滾動軸承的性能與壽命中發揮着重要作用，但是其重要(yào)性卻常常被低估。潤滑劑最重要的任務(wù)是将相對運動的(de)零(líng)件（球或滾子與(yǔ)滾道）彼此隔開(kāi)，以最小化摩擦，防止(zhǐ)磨損。為特定操作條件設計的潤滑劑能(néng)提供承重保護膜。理想的情況(kuàng)是該保護膜将摩擦表面分開。除了提供承重保護膜(mó)之外，潤滑劑還應能夠散失摩擦産生的熱(rè)量，防止軸承過熱與潤滑劑變質(zhì)。正确潤滑劑的使用還可以防止腐蝕、潮濕和污(wū)染物進入軸承。

滾動軸承用到(dào)的潤(rùn)滑劑應具有以下特性：

·在廣泛的溫(wēn)度範圍内保持穩(wěn)定的粘(zhān)度；

·能夠承受負(fù)載的良好的油(yóu)膜強度；

·能夠提(tí)供長使用壽命(mìng)的(de)穩定結(jié)構(gòu)；

·無腐蝕(shí)性，與相鄰部件兼容；

·提供一個防止污染物進(jìn)入軸(zhóu)承(chéng)和濕氣從軸承中(zhōng)洩漏的屏障。

2 潤滑劑(jì)的類型

·油：石油(yóu)基和合成(chéng)油均可用。合成油的例子(zǐ)有矽酮、二酯、PAO和氟化化合物。用油潤(rùn)滑的軸承具有較(jiào)小的啟動和運行扭矩，并具(jù)有較高(gāo)的轉速能力。然而，由于(yú)油會蒸發損(sǔn)失，因(yīn)此(cǐ)它們在軸(zhóu)承中(zhōng)的使用壽命(mìng)小于潤滑脂(zhī)的使用壽命。在軸承(chéng)的使(shǐ)用壽命内，微型(xíng)儀表軸承通常隻被潤滑一(yī)次，因此潤滑劑的選擇至關重要。作為機械維護周期(qī)的一部分，較大的軸承需要重新潤滑。通過機械或者設備中設計的油(yóu)再循環系(xì)統對這些(xiē)軸承(chéng)進行潤滑。選擇潤滑油時要考慮的關鍵(jiàn)特性(xìng)包括溫度範圍、粘度和蒸發率。

·潤滑脂：潤(rùn)滑脂包括基礎油與(yǔ)添加的增稠劑。這些(xiē)增稠劑主要是金屬皂（锂、鈉(nà)、鋁和鈣）、有機物（脲(niào)）或無機物。然而這些增(zēng)稠劑極大(dà)地(dì)影響(xiǎng)潤滑脂的特性(xìng)，潤滑脂的(de)潤滑性能是由其基礎油(yóu)決定(dìng)的。此外，潤滑脂可能含有改(gǎi)善其性能的添加劑。添加劑類型包括抗氧化劑、防腐、耐(nài)磨、填料(liào)、強化劑和(hé)極壓強化劑。選擇潤(rùn)滑脂時應計入溫度範圍(wéi)、基礎油粘度以及剛(gāng)度或滲透水平(píng)等關鍵特性。大多數(shù)用于滾(gǔn)動軸承的潤滑脂是NLGI 2級潤滑脂。

·固(gù)體油膜：這是應用于摩擦表面的非流體塗層，以防止磨(mó)損。這(zhè)種油膜用于極(jí)端溫度、真空或(huò)輻射等惡劣環境中。這種環(huán)境(jìng)中，油或潤滑脂無法存活，固體潤滑通常(cháng)是最後的手段或選擇。非流(liú)體塗層包括石墨、二硫化钼、銀、金或聚四氟乙(yǐ)烯。固态膜是為特定的應用程序設計的。潤滑油的選擇和用量也會(huì)影響啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最大工作轉速和(hé)扭矩(jǔ)。在微型軸承中，潤滑劑會(huì)影響噪聲(shēng)水平。建(jiàn)議将過濾後的潤(rùn)滑脂和(hé)潤滑油用于微型或儀表軸(zhóu)承。

3 選擇潤滑劑時要考慮的因素

潤滑是設計者考慮的最重要因素之(zhī)一。選擇潤滑劑時，需要檢查包括溫度(dù)、負荷、速度(dù)、環境(jìng)和預期壽命在内的因素。此外，需要計入潤滑脂和(hé)潤滑油的許多特(tè)性，例如油分離、蒸發損失、滴點、氧化穩定性、竄流能(néng)力/剛(gāng)度等。

迄今為止，潤滑(huá)脂是電動機和(hé)齒輪箱(xiāng)中使用的徑向球軸承最常用的潤滑劑。潤(rùn)滑油具有較低的扭(niǔ)矩特性，但容易蒸發損失、遷移，并不總是适合終身(shēn)潤滑。

3.1 潤滑脂特性

如(rú)前所述，潤滑脂和潤滑油由基礎油(yóu)、礦物油或合成油、增(zēng)稠劑和其他添(tiān)加劑組成。标準潤滑脂的性質由這(zhè)些成分決定，同時由潤滑脂制造(zào)商(shāng)正确(què)處理、儲存原(yuán)材(cái)料，并進行良好的工藝(yì)控制。

3.1.1 基礎(chǔ)油的類型

在評估(gū)潛在潤滑脂時，基礎油粘度是首要(yào)考(kǎo)慮(lǜ)因素。粘度是衡量“流動性”的指标，是潤滑劑分子之間的内耗引起的流動阻力。這一特性決定了負載(zǎi)能力、薄膜厚度(dù)和工(gōng)作溫度。粘度越(yuè)高，薄膜強度越高。粘度随溫度而變化。溫度越高，粘度越(yuè)低。所以，根據運行中的溫度範圍選(xuǎn)擇潤滑劑是非(fēi)常重要的。特殊高溫潤滑脂、特殊低(dī)溫潤滑脂和溫度範(fàn)圍非常寬的潤(rùn)滑脂可用于滿足特定的溫度要求(qiú)。

3.1.2 剛性

潤滑脂按其稠度或硬度(dù)分類(lèi)。美國材料試驗協會（ASTM）開發了一種試(shì)驗方法：将一個規定重量和尺(chǐ)寸的圓錐放入潤滑脂樣品(pǐn)中，以測定潤(rùn)滑脂的硬度。5秒後(hòu)取出錐(zhuī)，穿透深度(dù)以十分之一毫米為單位進行測量。數值越大，穿透(tòu)越深，潤滑脂越軟。然後将潤滑脂樣本(běn)放入一台機器中，該機器會對其進行敲擊（比如使用攪拌機或(huò)打蛋器進行烘烤），以模拟(nǐ)操作條件。然後對其進行再試驗。這一結果稱為工作貫(guàn)入度，是分類的(de)基(jī)礎。下表列出了國家潤滑脂協(xié)會（NLGI）的分類。

NLGI值越低，潤滑(huá)脂越軟。ASTM值越低，潤滑(huá)脂越硬。

3.1.3 增稠劑

潤滑脂由固體(tǐ)肥皂組(zǔ)成，如鈣皂或锂皂。在某(mǒu)些情況下，用細粘土形(xíng)成一(yī)種結構，保存并分散其中的基礎(chǔ)油。增稠劑(jì)結構不提供實際潤(rùn)滑，但(dàn)卻是向接觸區(qū)域(yù)釋放潤滑劑的儲(chǔ)液罐。

增稠劑雖然對潤滑作(zuò)用不大，但賦予 潤滑脂(zhī)獨有的特性，影(yǐng)響其在某些應(yīng)用或環境中的(de)适用(yòng)性。其中锂(lǐ)和锂複合增稠潤滑脂是最(zuì)常見的。

·锂 - 最常見的，易于制造，易于(yú)儲存，可泵性良好，流動性允許污垢流出；

·鈣 - 良好的(de)耐(nài)水性，鈣皂助潤滑；

·鋁 - 對水、化學物質、酸的耐受性最高；

·鋇 - 耐水性高，但有一定毒性；

·鈉 - 纖維狀，水溶(róng)性。

另一類(lèi)增稠劑是非皂類增稠劑，通常(cháng)用于(yú)高溫導緻其他類型的增稠劑發生熱降解的應用中。有機聚(jù)脲增稠劑提供(gòng)與金屬皂相似的溫度範圍限(xiàn)制，但也具有來自增稠劑本身(shēn)的抗(kàng)氧化和抗磨性能。

·粘土和二氧化矽(xī)（不溶性粉末、二氧化(huà)矽或粘土血小闆）- 經(jīng)過化學修飾的結構(gòu)和表面可(kě)用作(zuò)潤滑脂的凝膠劑。這些潤滑脂的最高可用溫度得到了進一步提(tí)高。

·聚脲 - 聚脲潤滑脂(zhī)因(yīn)其性能特性廣泛而被稱為高性能潤滑脂。 

3.1.4 添加劑

添加劑可以強化潤滑脂。得到強(qiáng)化的潤滑脂含有邊界(jiè)和極壓添加劑、以及固體潤滑劑，如石墨和二硫化钼(mù)。

·防腐(fǔ)蝕與防鏽劑 - 這是非常常見的添加劑，可防止與潤滑劑接觸(chù)的金屬部件腐蝕和生鏽(xiù)。這些添加劑的工作原理是(shì)中和酸并形成化學保護屏障，以排斥金屬(shǔ)表面的水(shuǐ)分。

·抗磨損(sǔn)（EP）- 抗磨添加劑和/或極壓添(tiān)加劑是在邊界(jiè)潤滑期間保護金屬表面的化學添加劑(jì)。它們在磨損表(biǎo)面形成保護膜，并(bìng)與金屬表面發生化學反應(yīng)，形成犧牲表面膜。它們在(zài)高負荷和高接觸溫度下被激活。

·抗氧化劑：大部分潤滑脂與油都含有抗氧化劑。這可以延(yán)長基礎油的壽命。氧化會破壞基礎油(yóu)。氧化在(zài)任何(hé)溫度下都會發生，但(dàn)随着溫度的升(shēng)高，以及(jí)在水、磨損金(jīn)屬和其他污染物存在的情況下，氧化會加速。

·粘度(dù)指數（VI）：這些添加劑(jì)降低了粘度随溫(wēn)度的(de)變化率。

·傾點：傾點添加劑改善(shàn)了(le)低溫工作範圍。

·增粘劑：這些(xiē)添加(jiā)劑(jì)有(yǒu)助于潤滑劑在旋轉過程中粘(zhān)附在金屬表面。

3.2 其他(tā)特性

·量：選擇的潤滑劑量(liàng)也會(huì)影(yǐng)響啟動和運行時(shí)的最大運(yùn)行速度和扭矩。潤滑(huá)脂的量太多，通常會引起(qǐ)軸承過熱。一般來說，随着轉速(sù)的增加，注脂量(liàng)減少(shǎo)。此外，随(suí)着載荷的增加，注(zhù)脂量通常也會增加。

·清潔度：在小型或(huò)微型軸承中，潤滑油會影(yǐng)響(xiǎng)噪聲級。建議将過濾後的潤滑脂和潤滑油用于微(wēi)型或儀(yí)表(biǎo)軸(zhóu)承。顆粒尺寸大于潤滑油膜厚度也會導緻(zhì)EHD膜破裂并産生磨損碎片。這可能會觸發一個漸進(jìn)過程，導緻(zhì)過早失效。

3.3 保質期

保(bǎo)質期是(shì)指潤(rùn)滑油制造(zào)後的一段時間。在此期間，我(wǒ)們認為潤(rùn)滑(huá)油适合使用(yòng)，而無(wú)需重新測試(shì)其物理特性。合成(chéng)油本質上是穩定的材料。一般來說，合成油在室溫下10年或更長時間内不會氧化、聚(jù)合或揮(huī)發。酯油（其中酯(zhǐ)鍵可能會在有水分的情況下發生微小程度的水解(jiě)）如果含有水(shuǐ)分(fèn)，那麼會變得更酸。氟化油和矽酮不太可能受到簡單老(lǎo)化的影響。

潤(rùn)滑脂會以更複雜的方式“老化”。潤滑脂的質量會受到凝膠結構變化的影響。如果凝膠收縮，會出現明顯的滲油現象，剩下的油潤滑(huá)脂會變硬。凝膠結構也可能在一段時間内變(biàn)得更軟。

高質量的潤滑脂對于(yú)确保最佳軸承性能至關重要，許(xǔ)多潤滑脂(zhī)都(dōu)符合軍用或其他規(guī)格要求。當設計者沒有指定潤滑劑的類型和數量(liàng)時，軸承的潤滑應符合行業标準。

制造商聲明，隻有在油和潤滑脂正确儲存在其原始、未開封的容器中時，才(cái)适用規定的保質期。

4 潤(rùn)滑機(jī)制

流體膜的厚度決定了(le)潤滑狀态或潤滑類型。流體膜(mó)潤滑的基本機制是：

流體動力(lì)潤滑 - 兩個?面由一層流體膜隔(gé)開。

·彈流潤滑（EHL）-  兩個表面(miàn)由一層(céng)非常薄的流體膜隔開。

·混合潤(rùn)滑 - 兩個表面部分分(fèn)離，部分接觸。

·邊界潤(rùn)滑 - 即(jí)使有流體存在，兩(liǎng)個表面大多也是相互接觸的。

除了流體膜潤滑之外，還有固體膜潤滑，由一層(céng)固體薄膜将兩個表面分開。

4.1 潤(rùn)滑膜：球軸(zhóu)承的長壽命必備品

根據正确的潤滑預測長(zhǎng)壽命軸承 - 存在潤滑膜并将金屬表面分開。在(zài)電動機徑向球軸承運行情況或者其他 以類似速(sù)度運行的設備中(zhōng)，正确潤滑意味着(zhe)存在EHD（彈流力學）膜。軸承壽命計算過程中，假設存在這樣的薄膜。

運用ABMA（美國軸承制造商協會）标準9計算球(qiú)軸承基本額定壽命。方法包括可靠性、特殊軸承特性和操作條件的調整(zhěng)系數。調整(zhěng)系數a3用于操作條件，如果潤滑劑的運動粘(zhān)度降至13 cSt以下或轉速非常慢（即沒有形(xíng)成EHD油膜），那麼調整系數a3小于1。可将基本壽命的50%調整(zhěng)為額定壽命的20%。

4.2 油膜的形成與Stribeck曲線

流體粘度、由兩個表面支撐的負載、兩個表面相對運動的速度等因素(sù)結合起來決(jué)定了流體膜的厚度。這(zhè)反過來又(yòu)決定了潤滑機制。這些因(yīn)素怎樣影響摩擦損失以及它們如(rú)何對應于不同的機(jī)制都會在Stribeck曲線上顯(xiǎn)示出來。工程師使用這個工具(jù)來(lái)評估潤(rùn)滑劑，設計(jì)軸承并了(le)解潤滑狀态（圖3）。

低流體粘度、低速以及高(gāo)負載的組合會産生邊界潤滑。邊界(jiè)潤滑的特性是(shì)界(jiè)面流體少，表面接觸大。我們可(kě)以看(kàn)到(dào)在Stribeck曲線上(shàng)，這引起了非常高的摩擦力（圖4）。

随着流體粘度與速度的增加，以及/或者随着負載(zǎi)的減少，兩個表面開(kāi)始分離，流(liú)體膜開始(shǐ)形成。這種流體膜非常薄，但是可以支撐越來越多的負荷(hé)。混合潤滑是結果，在Stribeck曲線上很容易看(kàn)到摩擦系數的急劇下降。摩擦的下降是表面(miàn)接觸減(jiǎn)少和流體潤滑增加的結果。

随(suí)着速度或粘度的增加，兩個(gè)表面會繼續分(fèn)離(lí)，直到出現一個完整的流體膜(mó)并且沒有表面接觸。摩擦系數會達到最小值，并且過渡到流體動力潤滑狀态。此時，界面上的負載(zǎi)完全由流體膜支撐。由于存在(zài)全流體膜且(qiě)沒有固體-固體接觸，所以摩擦較(jiào)低，且流體動力潤滑無(wú)磨損（圖6）。

Stribeck曲線顯示流體動力區的(de)摩擦增大。這(zhè)是由(yóu)于流體阻力(lì)（流(liú)體産生的摩擦力）- 較高的速度可能會導緻(zhì)較厚(hòu)的流體膜，但也會增(zēng)加運動表面(miàn)的流體阻力(lì)。此外，較高的粘度會增加流體膜的厚度，但是也會(huì)增加阻力。

在正常工(gōng)作條件（高速和厚膜）過渡到流體動力潤滑狀态之(zhī)前，機器在啟動(dòng)和關閉時通常會處于邊界潤滑（低速和薄膜(mó)）狀态。縱觀(guān)Stribeck曲線(xiàn)顯示，電動機(jī)或機器在啟動和關閉期間的摩擦和磨損最大（圖7）。

流體動力潤滑之(zhī)所以得名是因為，流體膜是由固體表面的相對運動産生的，流體壓力增加了這一結果。表面有微小(xiǎo)的突起（峰），應避免直接接(jiē)觸。流體動力潤滑中，流體膜将兩個表面分開，防止磨損，減少摩擦。

當幾何形狀、表面運動和流體(tǐ)粘度(dù)結合起來，使流體壓力增加到足以支(zhī)撐負載時，就形成了流體動力膜。增加的壓力迫使兩個表面分開，防止接(jiē)觸。因(yīn)此，在流體動力(lì)潤滑(huá)中，一個表面(miàn)浮在另一個表面上。流體壓(yā)力增加，迫使兩個表面分開，流體動力升高。

5 應用示例

典型(xíng)環境包括工廠與(yǔ)工業場地、灰塵(chén)與污染物(wù)、潮濕和沖(chòng)洗區域。适(shì)用于(yú)大多數電機應用的潤滑脂的典型(xíng)特性(xìng)包括：

·NLGI 2級；

·礦物或(huò)者合成基礎油；

·增(zēng)稠劑(jì)配方，提供抵抗機(jī)械剪(jiǎn)切力的耐久性；

·低噪音特性；

·防腐蝕；

·操作溫度範圍(wéi)約-20oF到+350oF。

高速運行 - DN值（軸承内(nèi)徑(jìng)mm × rpm）可用于确定軸承是否以高(gāo)速運行(háng)。超過150萬的DN值保證高速(sù)潤滑劑的性能。或者，一個安全的經驗法則是：如果軸承以目錄中列出的允許轉速值的70%以上運行，那(nà)麼應選擇高速潤滑(huá)劑。典型的高速潤滑(huá)脂含有低(dī)運動粘度的(de)基礎油(yóu)。高速運行(háng)時，較高的粘度産生過多(duō)的熱量。此外，還應計入潤滑脂的硬度。通(tōng)常需要具有竄流特性的潤滑脂。當軸承旋轉時，竄流潤滑脂更容易被滾動元件推(tuī)到一邊，并保持在一邊。這樣可以減少(shǎo)攪拌和溫度增益。非竄流或下滑(huá)的潤滑脂流回球道，可(kě)能導緻産生(shēng)過多熱量。

高溫 - 持續在300到350oF以上溫度條件下運行的軸(zhóu)承應使(shǐ)用高溫(wēn)潤滑脂。更高溫(wēn)度下，潤滑劑經受熱退化。這可能(néng)是潤滑工程師面臨的最具挑戰性的情況(kuàng)。為此，他們有許多選擇，包括各種基礎油(yóu)和增稠劑配方。必須計入潤滑脂成分（基礎油、增稠劑、添加劑）的氧化和熱性能。然而(ér)，始終記住，基礎油是潤滑脂中主要負責潤滑的成分。正确的基礎油粘(zhān)度是決定是否有(yǒu)EHD膜的因素。

極端環境 - 包括海洋使用(yòng)、海水、暴露在燃(rán)料下的航空航(háng)天以及太空的硬真空(kōng)。在真空應用中，放氣通常是一個考慮因素。PFPE、或全氟聚(jù)醚、油和潤滑脂通常是解決方案。這些材料的蒸汽(qì)壓很低，很多都是用增稠劑(jì)和添加劑包裝而成，對化(huà)學藥品有很強的抵抗力。這些通常用(yòng)于航空航(háng)天應用(yòng)。這個系列的産品可能很貴。

監管環境 - 例如(rú)食品加工、醫療和制?可能需要使用已批準使(shǐ)用的(de)潤滑劑。美國農業部（USDA）創建了最(zuì)初的食品等級H1、H2和(hé)H3。新(xīn)潤滑油的批準和注(zhù)冊取決于成分列表。

H1 潤滑油是(shì)食品級潤滑油，用于食品加工(gōng)環境(jìng)中，在這些環境中可能會偶然接觸(chù)到食物。

H2 潤滑(huá)劑是食品級潤滑劑，用于沒(méi)有接觸可(kě)能(néng)性的設備和機器零件。

H3 潤滑劑是食品級潤滑劑，通常(cháng)是食用油，用于防止吊鈎、手推車和(hé)類似設備生鏽。

決定是否有接觸的可能性是困難的(de)，許多人在選擇H1而不是H2時，在安全方面(miàn)犯了錯誤。自1998年9月30日以來，美國(guó)國家衛生基金會（NSF）接手美國農業部，作為發放(fàng)食品級潤(rùn)滑油(yóu)注冊的美國組織。

6 失效模式 / 選(xuǎn)擇不當

工程師經常忽(hū)略溫度、速度和負荷這三(sān)個重(zhòng)要因素，也沒有意(yì)識到這些因素對潤(rùn)滑劑的影響。如(rú)果他們沒有正(zhèng)确地分析工作條件，可能會發(fā)現自己選擇的潤滑脂已經超過了其工作特性。設備在潤滑(huá)劑不适用的環境下運行，可能會出現故(gù)障。在确定設備故障原因時，原(yuán)始設備制(zhì)造商發現，使用合适的潤滑脂不僅可以解決問題，還可以擴(kuò)大設備的用途。

最常見的錯誤之一是不知道為特定條件設計的潤滑(huá)脂可以大大延長使用壽命。設計人員隻是為軸承選(xuǎn)擇了标準工廠提供的潤滑劑。盡管這些潤滑劑是大多數應用場合的良好選擇，但是可能不适用于特定環境。

除了溫度、速(sù)度與負載(zǎi)之外，設計人員必須計入(rù)其他可能影響潤滑劑(jì)性能與壽命的操(cāo)作因素與環(huán)境條件，包括振 蕩運動、振動以及軸方向（垂直與(yǔ)水平(píng)）。環境條件包括(kuò)極端溫度、水分和濕(shī)度、或者太空的真(zhēn)空環境。進水和微粒污染物也(yě)會影響潤滑劑的功效(xiào)。

軸承(chéng)故障通常是由于球/滾道接(jiē)觸磨損造成的。如果潤滑劑失效，防止金屬表面接觸的承載EHD膜就會破裂(liè)。當這種情況發生時，滾道和球的高凸度會接觸并斷開，金屬顆粒進入(rù)潤滑劑。随着磨(mó)損的進行，潤滑劑變(biàn)成金屬(shǔ)磨損顆粒和退化潤滑劑的混合物(wù)。這會導緻(zhì)部件劣化，最終導緻軸承失效。

7 小結

選擇正确的(de)潤滑(huá)劑對電動機和齒輪箱中滾動軸承的最佳性能和延(yán)長使用壽命至關(guān)重要。如果工(gōng)程師考慮到這裡讨論的所有潤滑選擇因素，那麼他們将會最大限度地延長軸承和機械的壽命，從而節省資(zī)金、時間和人力成本，并使操作更高效、更可靠。

（譯自《Power Transmission Engineering》）

（來源：中國軸承工業(yè)協會）