作者：Steven Sanchez，John Wallace

翻譯：張（zhāng）藝 洛陽LYC軸承有限公司技術中心

1 引言

潤（rùn）滑在滾動軸承（chéng）的性能與壽命中發揮著重要作（zuò）用，但是其重要性卻常常被低估（gū）。潤滑劑重要的任務是（shì）將相對運動的零件（球或滾子（zǐ）與滾道）彼此隔開，以化摩擦，防止磨損。為特定操作條件設計的潤滑劑（jì）能提供承重保護膜。理想的情況是該保護膜將摩擦表麵分開。除了提供承重保（bǎo）護膜（mó）之外（wài），潤滑（huá）劑還應能夠散失摩擦（cā）產生的熱量，防止軸承過熱與潤滑劑變質。正確潤滑劑的使（shǐ）用還可以防止腐蝕、潮濕和汙染物進入軸承。

滾動軸承用到（dào）的潤滑劑（jì）應具有以下特（tè）性：

·在廣泛的溫度範（fàn）圍內保持穩定的粘度（dù）；

·能夠承（chéng）受負載的良好的油膜強度；

·能夠提供長使用壽命的穩定結構；

·無腐蝕性，與相鄰部件兼容（róng）；

·提供一個防止（zhǐ）汙染物進入軸承和濕氣從軸承中泄漏的屏障。

2 潤滑劑的類（lèi）型

·油：石油基和合成油均（jun1）可用。合成油的（de）例子有矽酮（tóng）、二酯、PAO和氟化化合物。用油潤滑的軸承具有較小的啟動和（hé）運行扭矩，並具有較高（gāo）的轉速能力。然而，由於油會蒸發損失，因此它們在軸承中的（de）使用（yòng）壽命小於潤滑脂的使用壽命。在（zài）軸承的使用壽命內，微型儀表軸承通常隻被潤滑一次，因此潤滑劑的選擇至關重要。作為機械維護周期的（de）一部分，較大的軸承需要（yào）重新潤（rùn）滑。通過機械或者設備中設計的油再循環（huán）係統（tǒng）對這些軸承進行潤滑。選擇潤滑油時要考慮的關鍵特性包括溫度範圍、粘度和蒸發率。

·潤滑脂：潤滑脂包括基礎油與添加的增稠劑。這些增稠劑（jì）主要是金屬皂（鋰、鈉、鋁（lǚ）和鈣）、有機物（脲）或（huò）無機物。然而這些增稠劑極大地影響（xiǎng）潤滑脂的特性，潤滑脂的潤滑性能是（shì）由其基（jī）礎油決定的。此外，潤滑脂可（kě）能含有改善（shàn）其（qí）性能的添（tiān）加劑（jì）。添加劑類型包括抗氧化劑、防腐、耐磨、填料、強化劑和極壓強化劑。選擇潤滑脂時應計（jì）入溫度（dù）範圍、基礎油粘（zhān）度以及（jí）剛度或滲透水平等關鍵特性。大多（duō）數用於滾動軸承的潤滑脂是（shì）NLGI 2級潤滑脂。

·固體油膜（mó）：這是應用（yòng）於摩擦表麵的非流（liú）體（tǐ）塗層，以防止磨損。這（zhè）種油（yóu）膜用於極端溫度（dù）、真空或輻射等（děng）惡劣環境中。這種環境中，油或潤滑脂無法存活，固體（tǐ）潤滑通常是臨末的手段或（huò）選擇。非流體塗層包括石墨、二硫化鉬、銀、金或聚四（sì）氟乙烯。固態膜是為特定的應用程序設計的。潤滑油的選擇和用量也會影響（xiǎng）啟動和運轉時（shí）的工作轉速和扭矩。在微型軸承（chéng）中，潤滑劑會影響噪聲水平。建（jiàn）議將過濾後的潤滑脂和潤滑油用於微型或儀表軸承。

3 選擇（zé）潤滑劑時要考慮的因素

潤滑是設計者考慮的重要因素之一。選擇潤滑（huá）劑時，需要檢查包括溫度、負荷、速度、環境和（hé）預期壽命在（zài）內的因素。此外，需要計入潤滑（huá）脂和潤滑油的許多特性，例如油分離、蒸（zhēng）發損失、滴點、氧化穩定性、竄（cuàn）流能力/剛度（dù）等。

迄今為止，潤（rùn）滑脂是電動（dòng）機和齒輪箱中使用的（de）徑向球軸承常用的潤（rùn）滑劑。潤滑油具有（yǒu）較（jiào）低的扭矩（jǔ）特（tè）性，但容易蒸發損失、遷移，並不總是適合終身潤滑。

3.1 潤滑脂特性

如（rú）前所述，潤滑脂和潤滑油由基礎油、礦物（wù）油或合成油、增稠劑和其他添加劑組成。標準潤滑脂的性質由（yóu）這些成分決定，同時（shí）由潤滑脂製造商正確處理、儲存原材料，並進行良好的工藝（yì）控製。

3.1.1 基礎油的類型

在評估潛在（zài）潤滑脂時，基礎油粘度是首要考慮因素。粘度是衡量“流動性”的（de）指標（biāo），是潤滑劑分子之間的（de）內（nèi）耗引起的流動阻力。這一特性（xìng）決定了負載能力（lì）、薄膜厚度和工作溫度（dù）。粘度越高，薄膜（mó）強度越（yuè）高。粘度隨溫度而變化（huà）。溫度越高，粘度越低。所以，根據運行中的溫度範圍選擇潤（rùn）滑（huá）劑是非常重要的。特殊高溫潤滑脂、特殊低溫潤滑脂和溫（wēn）度範圍（wéi）非常寬的潤滑（huá）脂可用於滿足特定（dìng）的（de）溫度要求。

3.1.2 剛（gāng）性

潤滑脂按其稠（chóu）度或硬度分類。美國材料試驗協會（ASTM）開發了一種試驗方法：將一個規定（dìng）重（chóng）量和尺（chǐ）寸（cùn）的圓錐放入潤滑脂樣品中，以測定潤滑脂的硬度。5秒後取出錐，穿透深度以十分之一毫米為（wéi）單位進（jìn）行測量。數值越大，穿透越深，潤滑脂越軟。然後（hòu）將（jiāng）潤滑（huá）脂樣本放入（rù）一台機器中，該機器會對其進行敲擊（比如使用攪拌機或打蛋器進行烘烤），以模擬操作條（tiáo）件。然後對其進行再試驗。這一結果稱為工作貫（guàn）入度，是分類的基礎。下表列出了國家潤滑脂協會（NLGI）的分類。

NLGI值越低，潤滑脂越軟。ASTM值越低，潤滑脂越硬。

3.1.3 增稠劑

潤滑脂（zhī）由固（gù）體肥皂組成，如鈣皂或鋰皂。在某些情況下，用細粘土形成一種結構，保存並分散其（qí）中（zhōng）的基礎油。增稠劑結構不提供實際（jì）潤滑，但卻是向接觸（chù）區域釋放（fàng）潤滑（huá）劑的儲液罐。

增（zēng）稠劑雖然對潤滑作用不大，但賦予 潤滑脂獨有的特性，影響其在某些應用或（huò）環境中的適用性。其中鋰和鋰複合增稠潤滑（huá）脂是常見的。

·鋰 - 常（cháng）見的（de），易於製造，易於儲存，可（kě）泵性良好，流動性（xìng）允許汙垢流出；

·鈣 - 良好的耐水性，鈣皂助潤滑；

·鋁 - 對水、化學物質、酸的耐受性；

·鋇 - 耐水性高，但有一定毒性（xìng）；

·鈉 - 纖（xiān）維狀，水溶性。

另一類增稠劑是非皂類增稠劑（jì），通常用（yòng）於高（gāo）溫導致其他類（lèi）型的增稠劑發（fā）生（shēng）熱降解的應用中。有機聚脲增稠劑（jì）提供與金屬皂相（xiàng）似的溫度範圍限製，但也具有來自增稠劑本身的抗氧化和抗磨性能。

·粘（zhān）土和二氧化矽（不溶性粉末、二氧化矽或粘土（tǔ）血小板）- 經過化學修飾（shì）的結構（gòu）和表麵可用作潤（rùn）滑脂的凝膠劑。這些潤滑脂的（de）可用溫度（dù）得到了（le）進一步提高。

·聚脲 - 聚脲潤滑（huá）脂因其性能特性（xìng）廣泛而被稱為高性能潤（rùn）滑脂。 

3.1.4 添加劑

添加劑可以強化（huà）潤滑脂。得到強化的潤滑脂含有邊（biān）界和（hé）極壓（yā）添加劑、以（yǐ）及固體潤（rùn）滑劑，如石墨和二硫化（huà）鉬。

·防腐蝕與防（fáng）鏽劑 - 這是非常常見的添加劑，可防止與潤滑劑接觸的金屬（shǔ）部件腐蝕和生鏽。這些添加劑的工作（zuò）原理是中和酸並形成化（huà）學保護屏障，以排斥金屬表麵的水（shuǐ）分。

·抗磨損（EP）- 抗磨添加劑和（hé）/或極（jí）壓添加劑是在邊界潤滑期間保護金屬表麵的化學添加劑。它們在磨損表麵（miàn）形成保護（hù）膜，並與金（jīn）屬表麵發生化（huà）學反應，形（xíng）成犧牲表麵膜。它們在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。這可以延長基（jī）礎油的壽命。氧化會破壞基礎油。氧化在任何（hé）溫度下都會發（fā）生，但隨著溫度的升高，以及在水、磨損金屬和其他汙染物存（cún）在的情況下，氧化會（huì）加速。

·粘度指數（VI）：這些添加劑降低了（le）粘度隨溫度的變化率。

·傾點：傾點添加劑改善了低溫工作範（fàn）圍。

·增粘劑：這些添加劑有助於潤滑劑在旋轉過程中粘附在金屬表麵。

3.2 其他（tā）特性

·量：選擇的潤滑劑量也會影響（xiǎng）啟動和運行時的運行速度和（hé）扭矩。潤滑脂（zhī）的量太多，通常會（huì）引起軸承過熱。一般來說，隨著轉速的增（zēng）加，注脂量減少。此外（wài），隨著載荷的（de）增加，注脂（zhī）量通常也會（huì）增加。

·清潔度：在小型或微型軸承中，潤（rùn）滑（huá）油會影響噪聲級。建議將過濾後的潤滑脂和潤滑（huá）油用於微型或（huò）儀表軸承。顆（kē）粒尺寸大於潤（rùn）滑油膜厚度也會導致EHD膜破裂並產（chǎn）生（shēng）磨損碎片。這可能會觸發一（yī）個漸進過（guò）程（chéng），導致過早失效。

3.3 保質期

保質期是指潤滑油製造後的一段時間。在此期間，我們認為潤滑油適合使用（yòng），而無（wú）需（xū）重新測試其物理特性。合成油本質上是穩（wěn）定的材料。一般來說，合成油在室溫下10年或更長時間內不會氧化、聚（jù）合或揮發。酯油（其中酯鍵可能會在有（yǒu）水分的情況下發生微小程度的水解）如果含有（yǒu）水分，那麽會變得（dé）更酸。氟化（huà）油和矽（guī）酮不太可能受到簡單老化的影響。

潤滑脂會以更複雜的方式（shì）“老（lǎo）化”。潤滑脂的質量會受到凝（níng）膠結構變（biàn）化的影響。如果凝膠收縮（suō），會出現明顯的滲油現象，剩下的油潤滑脂會變（biàn）硬。凝膠結構也可能在一段時間內變得更軟（ruǎn）。

高質量的潤滑脂對於確保佳軸承性能至關重要，許多潤（rùn）滑脂都符合軍用（yòng）或其他規格（gé）要（yào）求。當設（shè）計者沒有指定潤滑劑的（de）類型和數量時，軸承的潤滑應符合行業標準。

製造商（shāng）聲明，隻（zhī）有（yǒu）在（zài）油和潤滑脂正確儲（chǔ）存在其原始、未開封的容器中時，才適用規定的保質期。

4 潤滑機製（zhì）

流體膜的厚度決定了潤滑狀（zhuàng）態或潤滑類型。流體膜潤滑的基本機製是：

流體動力潤滑 - 兩個?麵由一層流體膜隔開。

·彈流潤滑（EHL）-  兩個表麵由一層非常薄（báo）的流體膜隔開。

·混合潤滑 - 兩（liǎng）個（gè）表麵部分（fèn）分離，部分接觸。

·邊界潤滑 - 即使有流體存在，兩個表麵大多也（yě）是相互接觸的。

除了流體膜潤滑之外，還有固體膜潤滑，由一層固體（tǐ）薄膜將兩個表麵分開。

4.1 潤滑膜：球軸承的長壽命必備（bèi）品

根據正（zhèng）確的（de）潤滑預測長壽（shòu）命軸承 - 存在潤滑膜並將（jiāng）金（jīn）屬表麵分開（kāi）。在電動機徑向球軸承運行情況或者其（qí）他 以類似速度運行的設備中，正確潤滑意味著存在EHD（彈流力學）膜。軸承壽命（mìng）計算過程中，假設存在這（zhè）樣的薄膜（mó）。

運用ABMA（美國軸承製造商協會）標準（zhǔn）9計算球軸承基本額定壽（shòu）命。方法包括可靠（kào）性（xìng）、特殊（shū）軸承（chéng）特性和操作條件的調（diào）整係數。調整係數a3用於操（cāo）作條件，如果潤滑劑（jì）的（de）運動粘度降至（zhì）13 cSt以下或轉速非常慢（即沒有形成EHD油膜），那麽調整係數a3小於1。可（kě）將（jiāng）基本壽命的50%調整為額定壽（shòu）命的20%。

4.2 油膜的（de）形成（chéng）與Stribeck曲（qǔ）線

流體粘度、由兩個（gè）表麵支撐的負載、兩個表麵相對運動的速度（dù）等因素結合起來決定了流體膜的厚（hòu）度。這反過來又（yòu）決（jué）定了潤滑機製。這些因（yīn）素怎（zěn）樣影響摩擦損失以及它們如（rú）何對應於不同的機（jī）製都會在（zài）Stribeck曲線上顯示出來。工（gōng）程師使用這個工具來評估潤滑劑，設計軸承並了解潤滑狀態（圖3）。

低流體粘度、低速以及高負載的（de）組合會產生（shēng）邊界潤滑。邊界潤滑的特性是界麵流體少，表麵接觸（chù）大。我們可以看到（dào）在Stribeck曲線上（shàng），這引（yǐn）起了（le）非常高的摩（mó）擦力（圖4）。

隨著流體粘度與速度的增加，以及/或者隨著（zhe）負載的減少，兩個表麵開始分離（lí），流體膜開始（shǐ）形成。這種流體膜非常薄，但（dàn）是可以支撐越來越多的負（fù）荷。混合潤滑是結果，在Stribeck曲線上很容易看到摩擦係數的急劇下降。摩擦的下降是表麵接觸減少和流（liú）體潤滑增加的結（jié）果。

隨著速度或粘度的增（zēng）加，兩個表麵（miàn）會繼續分離，直到出現一個完（wán）整的流體膜並且沒有表麵接觸。摩擦係數會達（dá）到（dào）值（zhí），並且過（guò）渡到流體動力潤（rùn）滑狀態。此時（shí），界麵上的負載完全由流體膜支撐。由於存（cún）在全流（liú）體膜且沒有固體-固體接觸，所以摩擦較低，且流體（tǐ）動力潤滑無磨損（圖6）。

Stribeck曲（qǔ）線（xiàn）顯示流體動力區的摩擦增大。這是由於（yú）流體阻（zǔ）力（流（liú）體產生的摩擦（cā）力）- 較高（gāo）的（de）速度可能會（huì）導致較厚的流體膜，但也會增加運動表麵的流體阻力。此外，較（jiào）高的粘度會增加流體（tǐ）膜的厚度，但是也會增加阻力。

在正（zhèng）常工作條件（高速和厚膜）過渡到流體動力潤滑狀態之前，機器在（zài）啟動和（hé）關閉時通常會處於邊界（jiè）潤滑（低速和薄（báo）膜）狀態。縱觀Stribeck曲線（xiàn）顯（xiǎn）示，電動機或機器在啟（qǐ）動和關閉期（qī）間的摩擦和磨損（sǔn）（圖7）。

流體動力潤滑之所以得名是（shì）因為，流體膜是由固體表麵的相對運動產生的，流體壓力增加了這一結（jié）果。表麵有微小的突起（峰），應避免直接接觸。流（liú）體動力潤滑中，流體膜將兩個表麵分開（kāi），防止磨損，減少摩擦。

當幾何形狀（zhuàng）、表麵運（yùn）動和流體（tǐ）粘度結合起來（lái），使流體壓力增加到足以支（zhī）撐（chēng）負（fù）載時，就（jiù）形成了流體動力膜。增加的壓力迫使兩個表麵分（fèn）開，防（fáng）止接觸。因此，在流體動力潤滑中，一個表麵浮（fú）在另一個（gè）表麵上。流體壓力增加（jiā），迫使兩（liǎng）個表麵分開，流體動力升高。

5 應用示（shì）例

典（diǎn）型環境包括（kuò）工廠與（yǔ）工業場地、灰塵與汙染物、潮濕和衝洗區域（yù）。適用於大多（duō）數電（diàn）機應用的潤滑脂的典型特性包括：

·NLGI 2級；

·礦物或者合（hé）成（chéng）基礎油；

·增稠劑配方，提供抵抗機械剪切力（lì）的耐久性；

·低噪音特性；

·防腐蝕；

·操作溫度範圍約-20oF到+350oF。

高速運行 - DN值（軸承內徑mm × rpm）可用於確定軸承是否以高速運行。超過150萬（wàn）的DN值保（bǎo）證高（gāo）速潤滑劑的性能。或者，一（yī）個安全的經驗法則是：如（rú）果軸承以目錄中列出的（de）允許轉速值的（de）70%以上運行，那麽應選擇高速潤滑劑。典型的高速潤滑脂（zhī）含有低（dī）運動粘度的基礎（chǔ）油。高速運行時，較高的粘度產生過多的熱量。此外（wài），還應計入潤滑（huá）脂的硬度。通（tōng）常需要具有竄流特性的潤滑（huá）脂。當軸承旋轉時，竄流潤滑脂更容易被滾動元件推到一邊，並保持在一邊。這樣可（kě）以減少攪拌（bàn）和溫度增益。非竄流或下滑的潤滑脂流（liú）回球道，可能導致產生過多熱量。

高溫 - 持續在300到（dào）350oF以上溫度條件（jiàn）下（xià）運行的軸承（chéng）應使用高溫潤滑脂。更高溫度下（xià），潤（rùn）滑劑經受熱退化。這可能是潤滑工程師麵臨的具（jù）挑戰性的情況。為此（cǐ），他們有許多（duō）選擇，包括各種基礎（chǔ）油和增稠劑配方。必須（xū）計入（rù）潤滑脂（zhī）成分（基礎油、增稠劑、添加劑）的氧化和熱性能。然而，始終記住，基礎油是潤滑脂中主要負責潤滑的成分。正確的基礎油粘度是決定是否有（yǒu）EHD膜的因素。

極端環境 - 包括（kuò）海洋使用、海水、暴露在燃（rán）料下的航空航天以及（jí）太空的硬真空。在真空應用中，放氣通常是一個（gè）考慮因素。PFPE、或全氟聚醚、油和潤滑脂（zhī）通常是解決方案。這些材料的蒸汽（qì）壓很低，很多都是用增稠劑和添加劑包裝而成，對化學藥品有很強的抵抗力。這些通常用於航空航天應（yīng）用。這個係列的產品（pǐn）可能很貴。

監管環境 - 例如食品加工、醫（yī）療和製?可能（néng）需要使用已批準使用的潤滑劑。美國農業（yè）部（USDA）創建了起初的食（shí）品（pǐn）等級H1、H2和H3。新潤滑油的批準和注冊取決於成分列表。

H1 潤滑油是食品級潤滑油，用於食（shí）品加工環境（jìng）中，在這（zhè）些環境中可能會偶（ǒu）然接觸到食物。

H2 潤滑劑是（shì）食品級潤滑劑，用於沒有接觸可能（néng）性（xìng）的設備和機器零件。

H3 潤滑劑是食品級潤滑劑，通常是食用油，用於防止吊鉤、手推車和類似設備生鏽。

決定是否有接（jiē）觸（chù）的可（kě）能性是困（kùn）難的（de），許多人在選擇H1而不是H2時，在安全（quán）方麵犯了錯誤。自1998年9月（yuè）30日（rì）以來，美國國家衛生基金會（NSF）接手美國農業部，作為發放食品級潤滑油注（zhù）冊的美國組織。

6 失（shī）效模式 / 選擇不當

工程師經常忽略溫度、速度和負荷這（zhè）三個重要因素，也沒（méi）有意識到這些因素對潤（rùn）滑劑（jì）的影響。如果他們沒有正確地（dì）分析工作條件，可能會發現自己選擇的潤滑脂已經超過了其工作特性（xìng）。設備在潤滑劑不適用的環境下運行（háng），可能會出（chū）現故障。在確（què）定設備故障原因時，原始設（shè）備（bèi）製造商發（fā）現，使用合適的潤滑脂不僅可以解決問題，還可以擴大設備的用途。

常見的（de）錯誤之一是不知道為特定條（tiáo）件設計的潤滑脂可以大大延長（zhǎng）使用壽命。設計人員隻是為軸承選（xuǎn）擇了標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（de）良好選擇，但是可能不適用於特（tè）定環境。

除了溫度（dù）、速度與負載之外，設計人員必須計入其（qí）他可能影響潤滑劑性能與壽命（mìng）的操作因素與環境（jìng）條件，包括振 蕩運動、振動以及軸方向（xiàng）（垂直與水平）。環境條（tiáo）件包括極端溫度、水分和濕度（dù）、或者太（tài）空的真空環境。進水和微粒汙染物也會影響潤滑劑的功效。

軸承故障通常是由於球/滾道接觸磨（mó）損造成的。如（rú）果潤滑劑失效，防止金屬表麵接觸的承載EHD膜就會破（pò）裂。當這種情況發生時，滾道和球的高凸度會（huì）接觸並斷開，金屬顆粒進入潤滑劑。隨著磨損的進行，潤（rùn）滑劑變（biàn）成金屬磨損（sǔn）顆粒和退化潤滑劑的混合物。這會導致部件（jiàn）劣化，導致軸（zhóu）承失效。

7 小結

選（xuǎn）擇正確的潤（rùn）滑劑對電動機和齒（chǐ）輪箱中滾動（dòng）軸承的佳性能和延長使用壽命（mìng）至關重要。如果工程師考慮到這裏討論的所有潤滑選擇因素，那麽他們將會限（xiàn）度地延長軸承和機械的壽命，從而節省資金（jīn）、時間和人力成本，並使操作更（gèng）高效、更可靠。

（譯自《Power Transmission Engineering》）

（來源：中國軸承工（gōng）業協會）