潤滑基礎知識

為實(shí)現滾動(dòng)軸承的順暢運行，潤滑方式和潤滑劑的選擇必須是設計中不可或缺的一部分。對所有滾動(dòng)軸承故障的統計分析表明，超過(guò)80%以上的最高失效率歸因于潤滑。通常是是潤滑被污染、不合適或已失效。下列信息簡(jiǎn)要介紹了潤滑主題，關(guān)于滾動(dòng)軸承的潤滑，建議聯(lián)系潤滑廠(chǎng)商或滾動(dòng)軸承制造商。

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

• 防腐保護

• 散熱（油潤滑）

• 清除軸承內部的污染物（油潤滑）

• 對軸承內部起密封作用（如油脂填充和油氣潤滑）

理化原理

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

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

潤滑狀態(tài)

根據DIN ISO 281標準計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滑狀態(tài)。幾微米的潤滑油膜厚度就足以達到維持和分離潤滑油膜。在滾動(dòng)軸承技術(shù)中，區分了三種潤滑狀態(tài)，如斯特里貝克曲線(xiàn)所示：

邊界潤滑不會(huì )形成潤滑油膜，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滑：

• 潤滑劑不足

• 工作粘度不足

• 金屬表面之間不必要的相對運動(dòng)

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

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

潤滑油膜的厚度足以完全分離金屬表面，則稱(chēng)為流體潤滑。為了使滾動(dòng)軸承安全連續的工作，流體潤滑是始終相伴的。

潤滑理論

在滾動(dòng)軸承技術(shù)領(lǐng)域，對潤滑油膜形成的物理描述有兩種理論。對于輕載的接觸點(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)壓潤滑（HD理論），該理論描述了通過(guò)潤滑油膜強化金屬表面的潤滑性能。彈性流體力學(xué)潤滑（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)軸承的潤滑狀態(tài)描述。

用于滾動(dòng)軸承計算的潤滑劑參數

對于上述理論和潤滑油膜厚度的計算，需要潤滑劑參數。除稠度外，粘度也起著(zhù)重要作用。需要注意的是，參數值取決于溫度和壓力。

粘度是流體流動(dòng)性的相對值，是衡量?jì)炔磕Σ亮Φ闹笜?。高粘度表示粘性油，低粘度是指易于流?dòng)的油。粘度是潤滑油最重要的參數。對于潤滑脂，通常指的是基礎油的粘度。

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

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

計算：        η = ν ? ρ

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

由于溫度的關(guān)系，潤滑劑的粘度以標準溫度表示。溫度越高，粘度越低。涉及到在40°C即所謂的公稱(chēng)粘度和100°C時(shí)的粘度。根據這些參數可以確定粘度指數（VI）。粘度指數提供了有關(guān)潤滑劑工作溫度范圍的信息。粘度指數越高，潤滑劑的溫度應用范圍越廣。

潤滑油的公稱(chēng)粘度已在DIN ISO 3448 標準ISO 粘度分級中標準化。

符合DIN ISO 3448標準ISO 粘度分級的工業(yè)潤滑油：

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

除公稱(chēng)粘度外，計算滾動(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頻率。

除參考粘度外，運行粘度在滾動(dòng)軸承計算中也起著(zhù)重要作用。運行粘度描述了潤滑劑在工作溫度下的粘度。通過(guò)粘度-溫度圖（VT圖）來(lái)確定該粘度。圖示中的軸為對數形式，X軸表示為運行粘度，Y軸表示為工作溫度。利用公稱(chēng)粘度和100°C時(shí)的粘度，在圖示上顯示為一條直線(xiàn)，運行粘度由工作溫度來(lái)決定。

粘度比κ是衡量潤滑間隙中潤滑油膜厚度的量度。利用參考粘度和運行粘度可計算得出。

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

該關(guān)系直接影響壽命調整系數的計算?？稍贒IN ISO 281標準中找到計算方法。

選擇潤滑劑的另一個(gè)特征值是滾動(dòng)軸承的速度參數。利用平均直徑（d_m）和轉速來(lái)計算得出。

潤滑方式

須在選定滾動(dòng)軸承后盡早確定合適的潤滑方式。在設計過(guò)程中更改潤滑方式不僅耗時(shí)且增加成本，應盡量避免。
 

脂潤滑

脂潤滑是最常用的潤滑方式，占滾動(dòng)軸承潤滑的90%。

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

上述影響因素對再潤滑周期和潤滑脂用量也有影響?？稍贕fT表3（摩擦學(xué)）中找到再潤滑周期和再潤滑量的計算方法。脂潤滑必須遵循下列規則：

• 溫度升高會(huì )加速潤滑脂的氧化。

• 在70°C時(shí)，潤滑脂的壽命每10 K減少一半。

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

• 使用數據表檢查速度穩定性。

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

油潤滑

若已對其他機器元件供油（如齒輪箱中的齒輪），或要從軸承空間散熱，則應采用油潤滑。

分為下列油潤滑系統：

• 油浴潤滑

• 循環(huán)油潤滑

• 噴油潤滑

• 脈沖式油潤滑

• 油氣潤滑

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

固體潤滑是潤滑的一種特殊情況。在緩慢旋轉的滾動(dòng)軸承中形成帶有粘結涂層、漿料和粉末的支撐潤滑膜。常用的潤滑劑是石墨、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滑，因此在軸承壽命終結時(shí)完全用盡潤滑劑。典型的應用是窯車(chē)的輪軸軸承。

選擇合適的潤滑方式

潤滑方式的選擇取決于：

• 滾動(dòng)軸承的工作條件

• 滾動(dòng)軸承理想的運行特性、運行噪音、摩擦特性和溫度特性

• 防止早期失效的安全要求

• 潤滑系統的安裝和維護成本

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

常用潤滑方式及詳細說(shuō)明

潤滑劑

潤滑脂

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

• 作用于基礎油，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

根據潤滑脂的稠度，可對其進(jìn)行進(jìn)一步分類(lèi)，分為所謂的NLGI稠度等級（美國國家潤滑脂協(xié)會(huì )），根據DIN 51818標準對其進(jìn)行了標準化。NLGI稠度等級越高，潤滑脂越“硬”。NLGI稠度等級的1, 2, 3級常用于滾動(dòng)軸承。

潤滑脂又根據其主要成分增稠劑和基礎油進(jìn)行細分。

潤滑脂概述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.]
 

潤滑油

礦物油和合成油通常適用于滾動(dòng)軸承的潤滑，礦物油是最常用的，這些必須至少滿(mǎn)足DIN 51517標準的要求。

合成油則比較少見(jiàn)，其通常用于特殊和極端的工作條件，如高溫。合成油是通過(guò)從礦物油中裂解碳氫化合物，在煉油廠(chǎng)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(guò)過(guò)粘度比（κ）。對于潤滑油，目標值為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 )出現油滯留。

并非在每個(gè)應用中都能達到所需的工作粘度，因為：

• 潤滑油的選擇取決于其他機械部件

• 循環(huán)潤滑需要有足夠流動(dòng)的油

• 無(wú)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，如果潤滑油中有適當的添加劑（EP添加劑），則也可以允許使用較低的粘度。否則，將會(huì )出現磨損跡象并縮短軸承使用壽命。

下表是根據潤滑油的工作條件來(lái)進(jìn)行選型指導。不過(guò)，仍然建議咨詢(xún)潤滑劑供應商。

添加劑

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

• 腐蝕保護

• 氧化穩定性

• 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

潤滑脂和潤滑油的混合性

潤滑劑的混合具有很高的風(fēng)險。一方面，某些潤滑油和增稠劑是不兼容的。另一方面，只能在有限的范圍內預估添加劑的作用和潤滑劑混合物的性能。只有通過(guò)適當的測試才能得出兩種潤滑劑在混合性和兼容性方面的具體結論。

請務(wù)必在混合前咨詢(xún)潤滑劑供應商，以確認是否可以混合。

應避免混合潤滑脂。若混合是不可避免的，則混合的潤滑劑必須遵守下列參數：

• 相同的基礎油

• 匹配的增稠劑類(lèi)型

• 相似的基礎油粘度（不許超過(guò)一個(gè)ISO VG級別）

• 相同的一致性等級（NLGI稠度等級）

*來(lái)源：Oil Doc GmbH, Brannenburg

*來(lái)源：Oil Doc GmbH, Brannenburg

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