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021-50275092潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂是常用的潤(rùn)滑材料，潤(rùn)滑脂主要用于軸承的潤(rùn)滑，從潤(rùn)滑機(jī)理來(lái)看油和脂是一樣的，無(wú)有差異。而潤(rùn)滑脂在軸承中的潤(rùn)滑是潤(rùn)滑脂具有一些獨(dú)特的流變性質(zhì)，稠度和觸變性，在外力作用下才能產(chǎn)生變形和流動(dòng)，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)成為粘度接近基礎(chǔ)油的流體而起潤(rùn)滑作用，除去外力或軸承停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)又成為半固體，保持在軸承中和潤(rùn)滑面上不會(huì)流失。因此使用潤(rùn)滑脂時(shí)，軸承的密封和潤(rùn)滑系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化，機(jī)械可以做得更小些，更輕些。
近年來(lái)，潤(rùn)滑脂流變學(xué)的研究有了很大進(jìn)展，這些研究一開始就著眼于集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的發(fā)展，報(bào)導(dǎo)了潤(rùn)滑脂在管道中的流動(dòng)。但是，在一般的潤(rùn)滑脂用戶中至今對(duì)潤(rùn)滑脂和潤(rùn)滑油在流變性質(zhì)上的差異仍然不很留意。因此，不少習(xí)以為常的選擇和使用方法似是而非，實(shí)際上是不正確的。
為了普及潤(rùn)滑知識(shí)，本文介紹了一些潤(rùn)滑脂流變性質(zhì)及其與軸承潤(rùn)滑的關(guān)系，對(duì)正確選擇和使用潤(rùn)滑脂，可能會(huì)有些幫助。
一. 潤(rùn)滑脂的結(jié)構(gòu)和稠度
潤(rùn)滑脂主要是由基礎(chǔ)油和稠化劑所組成。為了改進(jìn)產(chǎn)品的某些性能，往往還加有適當(dāng)?shù)奶砑觿?
鋰基潤(rùn)滑脂已被廣泛使用，它的稠化劑是鋰皂，鋰皂對(duì)基礎(chǔ)油的溶解度極小，經(jīng)過(guò)制脂工藝后，鋰皂呈纖維狀的膠束而存在，俗稱皂纖維。由皂纖維互相交錯(cuò)搭成三維的骨架，將基礎(chǔ)油保持其中，形成具有一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)分散體系。基礎(chǔ)油是可以流動(dòng)的連續(xù)相，相似海綿或沙土中的水分
皂纖維的形狀、大小和皂纖維之間的作用力，決定了潤(rùn)滑脂的流變性，皂纖維的長(zhǎng)度一般在1~100微米之間變化，長(zhǎng)度與直徑之比值為10~100。皂纖維的長(zhǎng)度與直徑之比值越大，稠度愈大。
圖1、潤(rùn)滑脂結(jié)構(gòu)在剪切過(guò)程中的變化
而在剪切作用下，皂纖維的結(jié)構(gòu)骨架逐漸變形和互解，皂纖維傾向于沿著剪切力的方向定向排列，還有一部分被剪切成更小的顆粒，潤(rùn)滑脂變稀。當(dāng)停止剪切時(shí)，結(jié)構(gòu)骨架又逐漸恢復(fù)，潤(rùn)滑脂又變稠。膠體體系這種由稠變稀、再由稀變稠的現(xiàn)象，稱為觸變性。但是潤(rùn)滑脂的觸變性是不完全的，在強(qiáng)烈的剪切作用下，由于一部分皂纖維已被剪斷，要完全恢復(fù)到原來(lái)的稠度，一般是不可能的。
潤(rùn)滑脂觸變性的大小，決定于皂纖維的強(qiáng)度、皂纖維相互之間的作用，由于制脂的原料不同也會(huì)有差異。
潤(rùn)滑脂具有結(jié)構(gòu)分散體系所顯示的一系列復(fù)雜的流變性質(zhì)，對(duì)此，ВИНоградоБ⑴等曾提出過(guò)用圖2所示的簡(jiǎn)單的力學(xué)模型來(lái)描述：①在較小的外力作用下，彈簧γ1產(chǎn)生彈性變形；②彈簧γ2也開始變形；但受粘壺η1的制約，需一段時(shí)間才能達(dá)到平衡；③當(dāng)外力超過(guò)滑塊τy的摩擦力時(shí)，產(chǎn)生不可逆的塑性變形；④終于拉動(dòng)粘壺η2而產(chǎn)生流動(dòng)。
綜觀圖2，外力小時(shí)，潤(rùn)滑脂的流變性質(zhì)主要表現(xiàn)為彈性、粘彈性和塑性。這是皂纖維的骨架結(jié)構(gòu)在起作用。隨著剪力的增大，結(jié)構(gòu)逐漸瓦解，粘性增強(qiáng)，并終于站主導(dǎo)地位。
習(xí)慣上，潤(rùn)滑脂的稠度是用錐入度來(lái)衡量，而錐入度和稠度的含義，正好是顛倒的。
在規(guī)定的測(cè)定條件下，五秒鐘內(nèi)，規(guī)定重量和形狀的圓錐體沉入潤(rùn)滑脂的深度，以0.1mm為單位，稱為錐入度。錐入度愈小，稠度愈大，錐入度愈大，稠度愈小。
實(shí)際上，錐入度包含了圖2描述的所有力學(xué)因素，而總的來(lái)看，與塑性的相關(guān)性較大，例如：Crddle和Dreher⑵測(cè)得的錐入度與降伏值的關(guān)系如圖3。
在石油產(chǎn)品規(guī)格中，根據(jù)錐入度的大小，將潤(rùn)滑脂分為各種牌號(hào)。例如：
牌號(hào) 錐入度（25℃）
0 355~385
1 310~340
2 265~295
3 220~250
4 175~205
從實(shí)際的角度來(lái)看，錐入度是一個(gè)與潤(rùn)滑脂在潤(rùn)滑部位的保持能力和密封性以及潤(rùn)滑脂的輸送和加脂方式的重要指標(biāo)。
二. 潤(rùn)滑脂的粘度
流體潤(rùn)滑理論的基礎(chǔ)是牛頓關(guān)于粘性流體的摩擦法則。
τ=η ⑴
式中τ—剪力； —剪速；η—粘性系數(shù)，即通常所說(shuō)的粘度，是衡量粘性流體內(nèi)摩擦阻力的尺度。因此，后來(lái)將符合式⑴的粘性流體稱為牛頓流體。一般未加稠化劑的潤(rùn)滑油屬于這種類型。
粘度是潤(rùn)滑油最基本的性質(zhì)。在流體潤(rùn)滑或彈性流體潤(rùn)滑理論中，粘度是與形成油膜有關(guān)的唯一參數(shù)。潤(rùn)滑油的牌號(hào)首先要根據(jù)粘度來(lái)劃分，就是這個(gè)道理。
潤(rùn)滑脂不是牛頓流體，它的流動(dòng)性質(zhì)比較復(fù)雜，而且受時(shí)間和經(jīng)歷的影響，一般可以近似地用圖4所示的塑性流動(dòng)描述：
圖4 潤(rùn)滑油、脂的剪力、剪速關(guān)系
當(dāng)剪力小于降伏值τy時(shí)，基本上不流動(dòng)，剪速等于零；
剪力超過(guò)τy開始流動(dòng)，但剪速與剪力不是直接關(guān)系，其比值η叫做相似粘度或結(jié)構(gòu)粘度，是剪速或剪力的函數(shù)，可近似地用Sisko的公式表示：
ηa=a+b n-1 ⑵
式中a、b和n是三個(gè)常數(shù)。常溫附近，大多數(shù)潤(rùn)滑脂的n在0.1~0.2之間。實(shí)際上式⑵是將潤(rùn)滑脂的相似粘度分為兩部分來(lái)考慮：a代表牛頓流體部分的粘度，即剪速無(wú)限大時(shí)的粘度；b n-1 代表非牛頓流體部分的粘度，剪速愈小這一項(xiàng)所起的作用愈大。
只有當(dāng)剪力進(jìn)一步增大，剪速才逐漸與剪力呈直線關(guān)系。將直線部分延長(zhǎng)，與橫坐標(biāo)相關(guān)于τB，這是可以求得一個(gè)固定的粘度。
μΡ=（τ-τB）/μΡ ⑶
或τ=τB+μΡ ⑷
式⑷是賓漢塑性流體的流動(dòng)公式，μP稱為塑性粘度，τB稱為賓漢降伏值。
用圖5來(lái)比較潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂的流動(dòng)特性，可能更容易理解些。潤(rùn)滑油的粘度與剪力無(wú)關(guān)，始終是一個(gè)常數(shù)。潤(rùn)滑脂則不然，在較小的剪力下，相似粘度接近無(wú)限大；剪力超過(guò)降伏值，相似粘度急劇下降，其后終于穩(wěn)定在接近基礎(chǔ)油粘度的水平，即塑性粘度。
圖5 潤(rùn)滑油、脂的流動(dòng)特性
同稠度差不多，潤(rùn)滑脂在低剪速下的相似粘度的大小，在頗大程度上仍然是受皂纖維骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱所支配，所以兩者之間也有一定的關(guān)系所尋。例如，Brunstrum或Sisko⑷曾提出過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的換算公式。
Logηa.10=16.5882-5.58logp ⑸
式中ηa.10是25℃、剪速10-1秒下的相似粘度；p是錐入度。
低剪速下的相似粘度是決定潤(rùn)滑脂在管中的輸送性能的重要指標(biāo)。
在高剪速下，由于皂纖維的骨架結(jié)構(gòu)已經(jīng)徹底破壞，因此，塑性粘度的大小與稠度無(wú)關(guān)，而主要取決于基礎(chǔ)油的粘度、金屬皂的濃度，以及基礎(chǔ)油和金屬皂之間的作用力。
在流體和彈性流體潤(rùn)滑理論中，通常是將潤(rùn)滑脂近似地作為賓漢塑性流體來(lái)處理，塑性粘度是決定潤(rùn)滑性能的基本參數(shù)，并考慮在潤(rùn)滑脂摸中剪力小于τB的地方要產(chǎn)生不流動(dòng)的芯部。
三. 潤(rùn)滑脂在軸承中的潤(rùn)滑
潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑機(jī)理和潤(rùn)滑油基本上是一樣的，在流體潤(rùn)滑或彈性流體潤(rùn)滑領(lǐng)域內(nèi)，潤(rùn)滑脂的塑性粘度是決定潤(rùn)滑性能的基本參數(shù)，而塑性粘度又在很大程度上決定于基礎(chǔ)油的粘度，因此，基礎(chǔ)油粘度就成為決定潤(rùn)滑性能的主要參數(shù)。換句話說(shuō)，潤(rùn)滑脂中基礎(chǔ)油的粘度要根據(jù)軸承的工作條件來(lái)選擇。同潤(rùn)滑油一樣，軸承的工作溫度高、轉(zhuǎn)速低或負(fù)荷小時(shí)，選用低粘度的基礎(chǔ)油。
圖6 基礎(chǔ)油粘度與潤(rùn)滑性能的關(guān)系
圖6概括了小松崎等⑸的研究結(jié)果。從圖中可以看出，對(duì)軸承溫度和潤(rùn)滑壽命，有一個(gè)最適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)油粘度。小于最適當(dāng)粘度時(shí)，由于抗負(fù)荷能力不足，不能形成充分的潤(rùn)滑脂膜，所以軸承的轉(zhuǎn)矩大、溫度高、潤(rùn)滑壽命短。大于最適當(dāng)粘度時(shí)，由于內(nèi)摩擦增大，也使軸承轉(zhuǎn)矩增大、溫度升高，潤(rùn)滑壽命縮短。
由于潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能主要決定于基礎(chǔ)油的粘度，因此，在潤(rùn)滑油產(chǎn)品目錄中應(yīng)注明基礎(chǔ)油的粘度，以便于用戶選擇。為了滿足各種潤(rùn)滑條件的一切，從低粘度儀表油到高粘度汽缸油，都應(yīng)用于潤(rùn)滑脂的生產(chǎn)。
必須注意，潤(rùn)滑脂的稠度并不直接反映它的潤(rùn)滑性能。不能將潤(rùn)滑脂的稠度同潤(rùn)滑油的粘度混為一談。軸承的溫度高、轉(zhuǎn)速低、負(fù)荷大時(shí)用稠度大的潤(rùn)滑脂；溫度低、轉(zhuǎn)速高、負(fù)荷小時(shí)用稠度小的潤(rùn)滑脂等這類概念是不確切的。
潤(rùn)滑脂的耐溫性能決定于基礎(chǔ)油和稠化劑的熱穩(wěn)定性，以及兩者所決定的潤(rùn)滑脂的相狀態(tài)，在基礎(chǔ)油合適的情況下，基本上是決定于稠化劑的種類。一般來(lái)說(shuō)，鈣基潤(rùn)滑脂的最高使用溫度約60℃，鈉基潤(rùn)滑脂約100℃，鋰基潤(rùn)滑脂約120℃。提高稠度對(duì)改進(jìn)潤(rùn)滑脂耐溫性能的作用不大。在低溫下，當(dāng)然應(yīng)盡可能使用低稠度潤(rùn)滑脂，但是，更重要的還是基礎(chǔ)油的低溫粘度要小，凝固點(diǎn)要低。
對(duì)高速滾動(dòng)軸承來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑脂的機(jī)械安定性和下面將要談到的成渠性非常重要，為了補(bǔ)充潤(rùn)滑脂的機(jī)械安定性和成渠性，以及克服離心力的作用，一般推薦選用稠度較大的3號(hào)潤(rùn)滑脂，而不是稠度較小的潤(rùn)滑脂。與此相反，為了降低軸承的轉(zhuǎn)矩、尤其是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)一般轉(zhuǎn)速不太高的軸承來(lái)說(shuō)，倒是盡可能選用低稠度潤(rùn)滑脂為宜。
潤(rùn)滑脂的塑性粘度總是大于基礎(chǔ)油的粘度，而潤(rùn)滑脂膜具有明顯的彈性，因此它的抗負(fù)荷能力大于基礎(chǔ)油。只要基礎(chǔ)油的粘度適當(dāng)，潤(rùn)滑脂的抗負(fù)荷能力是沒有問(wèn)題的。在邊界潤(rùn)滑或極壓潤(rùn)滑條件下，主要是依靠添加劑來(lái)提高抗磨性和極壓性能，滿足潤(rùn)滑條件的要求。
為了正確的使用潤(rùn)滑脂，必須知道潤(rùn)滑脂在軸承中的運(yùn)動(dòng)情況。
填充在滾動(dòng)軸承里的潤(rùn)滑脂的運(yùn)動(dòng)，隨著軸承的旋轉(zhuǎn)，大體上可分為兩個(gè)階段。
在一般情況下軸承里的潤(rùn)滑脂填充量，總是超過(guò)了直接參與潤(rùn)滑脂的實(shí)際需要量，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的初期階段，大部分潤(rùn)滑脂很快（不到一分鐘）就被擠出滾道，而堆積在保持架上和軸承護(hù)蓋的空腔之中，并在滾動(dòng)體外圍形成一個(gè)輪廓。在此過(guò)程中，由于多余潤(rùn)滑脂的阻力，軸承溫度很快上升。雖然大部分多余的潤(rùn)滑脂在運(yùn)轉(zhuǎn)初期即被擠出，而且擠在滾道附近的潤(rùn)滑脂也仍有可能被轉(zhuǎn)動(dòng)著的滾動(dòng)體帶進(jìn)滾道之間，這些潤(rùn)滑脂在隨著軸承轉(zhuǎn)動(dòng)體循環(huán)的同時(shí)，陸續(xù)少量排出。這時(shí)軸承溫度仍然繼續(xù)上升，可稱為潤(rùn)滑脂的走合階段，根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)中潤(rùn)滑脂質(zhì)量、填充量等因素，這段時(shí)間可能持續(xù)十幾分鐘，甚至幾小時(shí)。
當(dāng)多余的潤(rùn)滑脂完全被排出之后，剩下的少量潤(rùn)滑脂在滾動(dòng)體、滾道、保持架的相互接觸面上，籍尖劈作用形成薄薄一層潤(rùn)滑脂膜，從而進(jìn)入軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段。這時(shí)溫度逐漸下降并達(dá)到平衡狀態(tài)。也就是說(shuō)，長(zhǎng)期的潤(rùn)滑作用主要上依靠這層潤(rùn)滑膜來(lái)承擔(dān)（圖7a）。此外，在軸承的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，滾動(dòng)體和滾道近旁的輪廓上以及保持架上的潤(rùn)滑脂要萎縮而分出一部分基礎(chǔ)油，溜進(jìn)滾道之間后，對(duì)潤(rùn)滑也有一定的補(bǔ)充作用。
圖7 潤(rùn)滑狀態(tài)
各種不同的潤(rùn)滑脂在軸承中形成輪廓的能力是不一樣的，一定要形成的輪廓比較挺拔，走合時(shí)間短，在長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)中軸承溫度低，而且平穩(wěn)，這才是一種比較理想的潤(rùn)滑脂，所以對(duì)潤(rùn)滑脂的成渠性尤其重要。
另外，有些所謂渦流型潤(rùn)滑脂則不然，不易形成輪廓，即使形成輪廓也容易塌陷，這時(shí)，反復(fù)回到滾到里的多余潤(rùn)滑脂長(zhǎng)期處于被強(qiáng)烈攪拌的狀況（圖7b），軸承的轉(zhuǎn)矩大，溫度高，而且不平衡，還可能產(chǎn)生噪音，潤(rùn)滑脂也容易變質(zhì)和流失。
圖8 軸承啟動(dòng)時(shí)的溫升曲線
在啟動(dòng)時(shí)測(cè)量軸承的溫升時(shí)，有可能判斷出軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂的運(yùn)動(dòng)情況。圖8是三個(gè)軸承溫升的示例。圖8中，曲線1是一個(gè)比較正常的狀態(tài)，即經(jīng)過(guò)短時(shí)間走合，溫度下降，并且平衡在一個(gè)較低的水平；曲線2處于兩者之間，如果平衡溫度不太高，可視為正常，如果接近界限溫度，需要找出原因。出現(xiàn)曲線3的情況，無(wú)疑要停下來(lái)拆檢。除機(jī)構(gòu)和裝配上的原因之外，是由于潤(rùn)滑脂而產(chǎn)生的啟動(dòng)溫升異常，常見的有以下三種情況①軸承內(nèi)部缺少潤(rùn)滑脂，金屬表面之間產(chǎn)生了干摩擦；②由于潤(rùn)滑脂質(zhì)量不好，不能在滾動(dòng)體周圍形成輪廓，產(chǎn)生渦流現(xiàn)象；③潤(rùn)滑脂填充量過(guò)多（圖7b）。實(shí)際上絕大多數(shù)潤(rùn)滑事故，不是由于潤(rùn)滑脂過(guò)少，而是由于潤(rùn)滑脂過(guò)多造成的。
四. 潤(rùn)滑脂在軸承中的填充量
當(dāng)我們知道了潤(rùn)滑脂在軸承中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程之后，自然就會(huì)得出一個(gè)結(jié)論：軸承中的潤(rùn)滑脂不宜過(guò)多。潤(rùn)滑脂多了不但浪費(fèi)，而且是有害的。軸承的轉(zhuǎn)速愈高，危害性愈大。
⑴潤(rùn)滑脂填充量愈多，摩擦轉(zhuǎn)矩愈大。同樣的填充量，密封式軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩大于開放式軸承。潤(rùn)滑脂填充量相當(dāng)于軸承內(nèi)部空間容積的60%以后，摩擦轉(zhuǎn)矩不再明顯增大。這是由于，不但開放式軸承中的潤(rùn)滑脂大部分已被擠出，即使密封式軸承中的潤(rùn)滑脂也已漏失的緣故。
⑵隨潤(rùn)滑脂填充量的增加，軸承溫升直線提高。同樣的填充量，密封式軸承的溫升又高于開放式軸承。
圖9是一個(gè)內(nèi)徑為50毫米、最大在容脂量約36克的密封滾動(dòng)軸承，用鋰基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，在28℃、3600轉(zhuǎn)/分、12和41公斤徑向負(fù)荷的條件下，運(yùn)轉(zhuǎn)1.5小時(shí)后,測(cè)定潤(rùn)滑脂填充量與漏失量的關(guān)系。結(jié)果表明，潤(rùn)滑脂填充量最大容脂量的三分之二，就有漏失的可能。而且負(fù)荷愈大，漏失量愈多。
圖9潤(rùn)滑脂填充量與潤(rùn)滑脂漏失量的關(guān)系
一般認(rèn)為；密封式滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑脂填充量，最多不得超過(guò)內(nèi)部空間的50%左右。Shawki和Mokhtar⑹的試驗(yàn)表明，滾動(dòng)軸承以20~30%最為適宜。
當(dāng)然，為了確定最適宜潤(rùn)滑脂填充量，有時(shí)還要考慮其它因素。例如，對(duì)于某些在充滿灰塵或非常潮濕、甚至接觸蒸汽的環(huán)境中工作的開放式軸承來(lái)說(shuō)，也可以在護(hù)蓋的空腔里填上較多的潤(rùn)滑脂，以便造成一個(gè)更好的密封狀態(tài)，使軸承免受灰塵或潮濕的侵襲。
