設計過程中潤滑劑的選擇對滾動軸承終身潤滑的影響
2023-08-04
作者：Steven Sanchez，John Wallace
翻譯：張藝 洛陽LYC軸承有限公司技術中心
1 引言
潤滑在滾動軸承的性能與壽命中發揮著重要作用，但是其重要性卻常常被低估。潤滑劑重要的任務是將相對運動的零件（球或滾子與滾道）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能提供承重保護膜。理想的情況是該保護膜將摩擦表面分開。除了提供承重保護膜之外，潤滑劑還應能夠散失摩擦產生的熱量，防止軸承過熱與潤滑劑變質。正確潤滑劑的使用還可以防止腐蝕、潮濕和污染物進入軸承。
滾動軸承用到的潤滑劑應具有以下特性：
·在廣泛的溫度范圍內保持穩定的粘度；
·能夠承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；
·提供一個防止污染物進入軸承和濕氣從軸承中泄漏的屏障。
2 潤滑劑的類型
·油：石油基和合成油均可用。合成油的例子有硅酮、二酯、PAO和氟化化合物。用油潤滑的軸承具有較小的啟動和運行扭矩，并具有較高的轉速能力。然而，由于油會蒸發損失，因此它們在軸承中的使用壽命小于潤滑脂的使用壽命。在軸承的使用壽命內，微型儀表軸承通常只被潤滑一次，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再循環系統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范圍、粘度和蒸發率。
·潤滑脂：潤滑脂包括基礎油與添加的增稠劑。這些增稠劑主要是金屬皂（鋰、鈉、鋁和鈣）、有機物（脲）或無機物。然而這些增稠劑極大地影響潤滑脂的特性，潤滑脂的潤滑性能是由其基礎油決定的。此外，潤滑脂可能含有改善其性能的添加劑。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。選擇潤滑脂時應計入溫度范圍、基礎油粘度以及剛度或滲透水平等關鍵特性。大多數用于滾動軸承的潤滑脂是NLGI 2級潤滑脂。
·固體油膜：這是應用于摩擦表面的非流體涂層，以防止磨損。這種油膜用于極端溫度、真空或輻射等惡劣環境中。這種環境中，油或潤滑脂無法存活，固體潤滑通常是臨末的手段或選擇。非流體涂層包括石墨、二硫化鉬、銀、金或聚四氟乙烯。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啟動和運轉時的工作轉速和扭矩。在微型軸承中，潤滑劑會影響噪聲水平。建議將過濾后的潤滑脂和潤滑油用于微型或儀表軸承。
3 選擇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。選擇潤滑劑時，需要檢查包括溫度、負荷、速度、環境和預期壽命在內的因素。此外，需要計入潤滑脂和潤滑油的許多特性，例如油分離、蒸發損失、滴點、氧化穩定性、竄流能力/剛度等。
迄今為止，潤滑脂是電動機和齒輪箱中使用的徑向球軸承常用的潤滑劑。潤滑油具有較低的扭矩特性，但容易蒸發損失、遷移，并不總是適合終身潤滑。
3.1 潤滑脂特性
如前所述，潤滑脂和潤滑油由基礎油、礦物油或合成油、增稠劑和其他添加劑組成。標準潤滑脂的性質由這些成分決定，同時由潤滑脂制造商正確處理、儲存原材料，并進行良好的工藝控制。
3.1.1 基礎油的類型
在評估潛在潤滑脂時，基礎油粘度是首要考慮因素。粘度是衡量“流動性”的指標，是潤滑劑分子之間的內耗引起的流動阻力。這一特性決定了負載能力、薄膜厚度和工作溫度。粘度越高，薄膜強度越高。粘度隨溫度而變化。溫度越高，粘度越低。所以，根據運行中的溫度范圍選擇潤滑劑是非常重要的。特殊高溫潤滑脂、特殊低溫潤滑脂和溫度范圍非常寬的潤滑脂可用于滿足特定的溫度要求。
3.1.2 剛性
潤滑脂按其稠度或硬度分類。美國材料試驗協會（ASTM）開發了一種試驗方法：將一個規定重量和尺寸的圓錐放入潤滑脂樣品中，以測定潤滑脂的硬度。5秒后取出錐，穿透深度以十分之一毫米為單位進行測量。數值越大，穿透越深，潤滑脂越軟。然后將潤滑脂樣本放入一臺機器中，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），以模擬操作條件。然后對其進行再試驗。這一結果稱為工作貫入度，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
潤滑脂由固體肥皂組成，如鈣皂或鋰皂。在某些情況下，用細粘土形成一種結構，保存并分散其中的基礎油。增稠劑結構不提供實際潤滑，但卻是向接觸區域釋放潤滑劑的儲液罐。
增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環境中的適用性。其中鋰和鋰復合增稠潤滑脂是常見的。
·鋰 - 常見的，易于制造，易于儲存，可泵性良好，流動性允許污垢流出；
·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；
·鈉 - 纖維狀，水溶性。
另一類增稠劑是非皂類增稠劑，通常用于高溫導致其他類型的增稠劑發生熱降解的應用中。有機聚脲增稠劑提供與金屬皂相似的溫度范圍限制，但也具有來自增稠劑本身的抗氧化和抗磨性能。
·粘土和二氧化硅（不溶性粉末、二氧化硅或粘土血小板）- 經過化學修飾的結構和表面可用作潤滑脂的凝膠劑。這些潤滑脂的可用溫度得到了進一步提高。
·聚脲 - 聚脲潤滑脂因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。得到強化的潤滑脂含有邊界和極壓添加劑、以及固體潤滑劑，如石墨和二硫化鉬。
·防腐蝕與防銹劑 - 這是非常常見的添加劑，可防止與潤滑劑接觸的金屬部件腐蝕和生銹。這些添加劑的工作原理是中和酸并形成化學保護屏障，以排斥金屬表面的水分。
·抗磨損（EP）- 抗磨添加劑和/或極壓添加劑是在邊界潤滑期間保護金屬表面的化學添加劑。它們在磨損表面形成保護膜，并與金屬表面發生化學反應，形成犧牲表面膜。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。這可以延長基礎油的壽命。氧化會破壞基礎油。氧化在任何溫度下都會發生，但隨著溫度的升高，以及在水、磨損金屬和其他污染物存在的情況下，氧化會加速。
·粘度指數（VI）：這些添加劑降低了粘度隨溫度的變化率。
·傾點：傾點添加劑改善了低溫工作范圍。
·增粘劑：這些添加劑有助于潤滑劑在旋轉過程中粘附在金屬表面。
3.2 其他特性
·量：選擇的潤滑劑量也會影響啟動和運行時的運行速度和扭矩。潤滑脂的量太多，通常會引起軸承過熱。一般來說，隨著轉速的增加，注脂量減少。此外，隨著載荷的增加，注脂量通常也會增加。
·清潔度：在小型或微型軸承中，潤滑油會影響噪聲級。建議將過濾后的潤滑脂和潤滑油用于微型或儀表軸承。顆粒尺寸大于潤滑油膜厚度也會導致EHD膜破裂并產生磨損碎片。這可能會觸發一個漸進過程，導致過早失效。
3.3 保質期
保質期是指潤滑油制造后的一段時間。在此期間，我們認為潤滑油適合使用，而無需重新測試其物理特性。合成油本質上是穩定的材料。一般來說，合成油在室溫下10年或更長時間內不會氧化、聚合或揮發。酯油（其中酯鍵可能會在有水分的情況下發生微小程度的水解）如果含有水分，那么會變得更酸。氟化油和硅酮不太可能受到簡單老化的影響。
潤滑脂會以更復雜的方式“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，剩下的油潤滑脂會變硬。凝膠結構也可能在一段時間內變得更軟。
高質量的潤滑脂對于確保佳軸承性能至關重要，許多潤滑脂都符合軍用或其他規格要求。當設計者沒有指定潤滑劑的類型和數量時，軸承的潤滑應符合行業標準。
制造商聲明，只有在油和潤滑脂正確儲存在其原始、未開封的容器中時，才適用規定的保質期。
4 潤滑機制
流體膜的厚度決定了潤滑狀態或潤滑類型。流體膜潤滑的基本機制是：
流體動力潤滑 - 兩個?面由一層流體膜隔開。
·彈流潤滑（EHL）- 兩個表面由一層非常薄的流體膜隔開。
·混合潤滑 - 兩個表面部分分離，部分接觸。
·邊界潤滑 - 即使有流體存在，兩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，由一層固體薄膜將兩個表面分開。
4.1 潤滑膜：球軸承的長壽命必備品
根據正確的潤滑預測長壽命軸承 - 存在潤滑膜并將金屬表面分開。在電動機徑向球軸承運行情況或者其他 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）標準9計算球軸承基本額定壽命。方法包括可靠性、特殊軸承特性和操作條件的調整系數。調整系數a3用于操作條件，如果潤滑劑的運動粘度降至13 cSt以下或轉速非常慢（即沒有形成EHD油膜），那么調整系數a3小于1。可將基本壽命的50%調整為額定壽命的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結合起來決定了流體膜的厚度。這反過來又決定了潤滑機制。這些因素怎樣影響摩擦損失以及它們如何對應于不同的機制都會在Stribeck曲線上顯示出來。工程師使用這個工具來評估潤滑劑，設計軸承并了解潤滑狀態（圖3）。
低流體粘度、低速以及高負載的組合會產生邊界潤滑。邊界潤滑的特性是界面流體少，表面接觸大。我們可以看到在Stribeck曲線上，這引起了非常高的摩擦力（圖4）。
隨著流體粘度與速度的增加，以及/或者隨著負載的減少，兩個表面開始分離，流體膜開始形成。這種流體膜非常薄，但是可以支撐越來越多的負荷。混合潤滑是結果，在Stribeck曲線上很容易看到摩擦系數的急劇下降。摩擦的下降是表面接觸減少和流體潤滑增加的結果。
隨著速度或粘度的增加，兩個表面會繼續分離，直到出現一個完整的流體膜并且沒有表面接觸。摩擦系數會達到值，并且過渡到流體動力潤滑狀態。此時，界面上的負載完全由流體膜支撐。由于存在全流體膜且沒有固體-固體接觸，所以摩擦較低，且流體動力潤滑無磨損（圖6）。
Stribeck曲線顯示流體動力區的摩擦增大。這是由于流體阻力（流體產生的摩擦力）- 較高的速度可能會導致較厚的流體膜，但也會增加運動表面的流體阻力。此外，較高的粘度會增加流體膜的厚度，但是也會增加阻力。
在正常工作條件（高速和厚膜）過渡到流體動力潤滑狀態之前，機器在啟動和關閉時通常會處于邊界潤滑（低速和薄膜）狀態。縱觀Stribeck曲線顯示，電動機或機器在啟動和關閉期間的摩擦和磨損（圖7）。
流體動力潤滑之所以得名是因為，流體膜是由固體表面的相對運動產生的，流體壓力增加了這一結果。表面有微小的突起（峰），應避免直接接觸。流體動力潤滑中，流體膜將兩個表面分開，防止磨損，減少摩擦。
當幾何形狀、表面運動和流體粘度結合起來，使流體壓力增加到足以支撐負載時，就形成了流體動力膜。增加的壓力迫使兩個表面分開，防止接觸。因此，在流體動力潤滑中，一個表面浮在另一個表面上。流體壓力增加，迫使兩個表面分開，流體動力升高。
5 應用示例
典型環境包括工廠與工業場地、灰塵與污染物、潮濕和沖洗區域。適用于大多數電機應用的潤滑脂的典型特性包括：
·NLGI 2級；
·礦物或者合成基礎油；
·增稠劑配方，提供抵抗機械剪切力的耐久性；
·低噪音特性；
·防腐蝕；
·操作溫度范圍約-20oF到+350oF。
高速運行 - DN值（軸承內徑mm × rpm）可用于確定軸承是否以高速運行。超過150萬的DN值保證高速潤滑劑的性能。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，那么應選擇高速潤滑劑。典型的高速潤滑脂含有低運動粘度的基礎油。高速運行時，較高的粘度產生過多的熱量。此外，還應計入潤滑脂的硬度。通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到一邊，并保持在一邊。這樣可以減少攪拌和溫度增益。非竄流或下滑的潤滑脂流回球道，可能導致產生過多熱量。
高溫 - 持續在300到350oF以上溫度條件下運行的軸承應使用高溫潤滑脂。更高溫度下，潤滑劑經受熱退化。這可能是潤滑工程師面臨的具挑戰性的情況。為此，他們有許多選擇，包括各種基礎油和增稠劑配方。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，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EHD膜的因素。
極端環境 - 包括海洋使用、海水、暴露在燃料下的航空航天以及太空的硬真空。在真空應用中，放氣通常是一個考慮因素。PFPE、或全氟聚醚、油和潤滑脂通常是解決方案。這些材料的蒸汽壓很低，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。這些通常用于航空航天應用。這個系列的產品可能很貴。
監管環境 - 例如食品加工、醫療和制?可能需要使用已批準使用的潤滑劑。美國農業部（USDA）創建了起初的食品等級H1、H2和H3。新潤滑油的批準和注冊取決于成分列表。
H1 潤滑油是食品級潤滑油，用于食品加工環境中，在這些環境中可能會偶然接觸到食物。
H2 潤滑劑是食品級潤滑劑，用于沒有接觸可能性的設備和機器零件。
H3 潤滑劑是食品級潤滑劑，通常是食用油，用于防止吊鉤、手推車和類似設備生銹。
決定是否有接觸的可能性是困難的，許多人在選擇H1而不是H2時，在安全方面犯了錯誤。自1998年9月30日以來，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冊的美國組織。
6 失效模式 / 選擇不當
工程師經常忽略溫度、速度和負荷這三個重要因素，也沒有意識到這些因素對潤滑劑的影響。如果他們沒有正確地分析工作條件，可能會發現自己選擇的潤滑脂已經超過了其工作特性。設備在潤滑劑不適用的環境下運行，可能會出現故障。在確定設備故障原因時，原始設備制造商發現，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。
常見的錯誤之一是不知道為特定條件設計的潤滑脂可以大大延長使用壽命。設計人員只是為軸承選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良好選擇，但是可能不適用于特定環境。
除了溫度、速度與負載之外，設計人員必須計入其他可能影響潤滑劑性能與壽命的操作因素與環境條件，包括振 蕩運動、振動以及軸方向（垂直與水平）。環境條件包括極端溫度、水分和濕度、或者太空的真空環境。進水和微粒污染物也會影響潤滑劑的功效。
軸承故障通常是由于球/滾道接觸磨損造成的。如果潤滑劑失效，防止金屬表面接觸的承載EHD膜就會破裂。當這種情況發生時，滾道和球的高凸度會接觸并斷開，金屬顆粒進入潤滑劑。隨著磨損的進行，潤滑劑變成金屬磨損顆粒和退化潤滑劑的混合物。這會導致部件劣化，導致軸承失效。
7 小結
選擇正確的潤滑劑對電動機和齒輪箱中滾動軸承的佳性能和延長使用壽命至關重要。如果工程師考慮到這里討論的所有潤滑選擇因素，那么他們將會限度地延長軸承和機械的壽命，從而節省資金、時間和人力成本，并使操作更高效、更可靠。
（譯自《Power Transmission Engineering》）
（來源：中國軸承工業協會）
