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潤滑脂在軸承中的潤滑作用

日期:2018-06-06    瀏覽量:載入中...

潤滑油潤滑脂是常用的潤滑材料,潤滑脂主要用于軸承的潤滑,從潤滑機理來看油和脂是一樣的,無有差異。而潤滑脂在軸承中的潤滑是潤滑脂具有一些獨特的流變性質,稠度和觸變性,在外力作用下才能產生變形和流動,當軸承運轉時成為粘度接近基礎油的流體而起潤滑作用,除去外力或軸承停止運轉時又成為半固體,保持在軸承中和潤滑面上不會流失。因此使用潤滑脂時,軸承的密封和潤滑系統可以簡化,機械可以做得更小些,更輕些。

    近年來,潤滑脂流變學的研究有了很大進展,這些研究一開始就著眼于集中潤滑系統的發展,報導了潤滑脂在管道中的流動。但是,在一般的潤滑脂用戶中至今對潤滑脂和潤滑油在流變性質上的差異仍然不很留意。因此,不少習以為常的選擇和使用方法似是而非,實際上是不正確的。

    為了普及潤滑知識,本文介紹了一些潤滑脂流變性質及其與軸承潤滑的關系,對正確選擇和使用潤滑脂,可能會有些幫助。

    一. 潤滑脂的結構和稠度

    潤滑脂主要是由基礎油和稠化劑所組成。為了改進產品的某些性能,往往還加有適當的添加劑。

    鋰基潤滑脂已被廣泛使用,它的稠化劑是鋰皂,鋰皂對基礎油的溶解度極小,經過制脂工藝后,鋰皂呈纖維狀的膠束而存在,俗稱皂纖維。由皂纖維互相交錯搭成三維的骨架,將基礎油保持其中,形成具有一定強度的結構分散體系?;A油是可以流動的連續相,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,決定了潤滑脂的流變性,皂纖維的長度一般在1~100微米之間變化,長度與直徑之比值為10~100。皂纖維的長度與直徑之比值越大,稠度愈大。

              圖1、潤滑脂結構在剪切過程中的變化

    而在剪切作用下,皂纖維的結構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,潤滑脂變稀。當停止剪切時,結構骨架又逐漸恢復,潤滑脂又變稠。膠體體系這種由稠變稀、再由稀變稠的現象,稱為觸變性。但是潤滑脂的觸變性是不完全的,在強烈的剪切作用下,由于一部分皂纖維已被剪斷,要完全恢復到原來的稠度,一般是不可能的。

    潤滑脂觸變性的大小,決定于皂纖維的強度、皂纖維相互之間的作用,由于制脂的原料不同也會有差異。

    潤滑脂具有結構分散體系所顯示的一系列復雜的流變性質,對此,ВИНоградоБ⑴等曾提出過用圖2所示的簡單的力學模型來描述:①在較小的外力作用下,彈簧γ1產生彈性變形;②彈簧γ2也開始變形;但受粘壺η1的制約,需一段時間才能達到平衡;③當外力超過滑塊τy的摩擦力時,產生不可逆的塑性變形;④終于拉動粘壺η2而產生流動。

    綜觀圖2,外力小時,潤滑脂的流變性質主要表現為彈性、粘彈性和塑性。這是皂纖維的骨架結構在起作用。隨著剪力的增大,結構逐漸瓦解,粘性增強,并終于站主導地位。

    習慣上,潤滑脂的稠度是用錐入度來衡量,而錐入度和稠度的含義,正好是顛倒的。

    在規定的測定條件下,五秒鐘內,規定重量和形狀的圓錐體沉入潤滑脂的深度,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。

    實際上,錐入度包含了圖2描述的所有力學因素,而總的來看,與塑性的相關性較大,例如:Crddle和Dreher⑵測得的錐入度與降伏值的關系如圖3。

    在石油產品規格中,根據錐入度的大小,將潤滑脂分為各種牌號。例如:

牌號       錐入度(25℃)

0 355~385

1 310~340

2 265~295

3 220~250

4 175~205

    從實際的角度來看,錐入度是一個與潤滑脂在潤滑部位的保持能力和密封性以及潤滑脂的輸送和加脂方式的重要指標。

二. 潤滑脂的粘度

    流體潤滑理論的基礎是牛頓關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,即通常所說的粘度,是衡量粘性流體內摩擦阻力的尺度。因此,后來將符合式⑴的粘性流體稱為牛頓流體。一般未加稠化劑的潤滑油屬于這種類型。

    粘度是潤滑油最基本的性質。在流體潤滑或彈性流體潤滑理論中,粘度是與形成油膜有關的唯一參數。潤滑油的牌號首先要根據粘度來劃分,就是這個道理。

    潤滑脂不是牛頓流體,它的流動性質比較復雜,而且受時間和經歷的影響,一般可以近似地用圖4所示的塑性流動描述:

             圖4 潤滑油、脂的剪力、剪速關系

    當剪力小于降伏值τy時,基本上不流動,剪速等于零;

    剪力超過τy開始流動,但剪速與剪力不是直接關系,其比值η叫做相似粘度或結構粘度,是剪速或剪力的函數,可近似地用Sisko的公式表示:

                    ηa=a+b n-1 ⑵

    式中a、b和n是三個常數。常溫附近,大多數潤滑脂的n在0.1~0.2之間。實際上式⑵是將潤滑脂的相似粘度分為兩部分來考慮:a代表牛頓流體部分的粘度,即剪速無限大時的粘度;b n-1   代表非牛頓流體部分的粘度,剪速愈小這一項所起的作用愈大。

    只有當剪力進一步增大,剪速才逐漸與剪力呈直線關系。將直線部分延長,與橫坐標相關于τB,這是可以求得一個固定的粘度。

            μΡ=(τ-τB)/μΡ ⑶

           或τ=τB+μΡ 

     式⑷是賓漢塑性流體的流動公式,μP稱為塑性粘度,τB稱為賓漢降伏值。

     用圖5來比較潤滑油和潤滑脂的流動特性,可能更容易理解些。潤滑油的粘度與剪力無關,始終是一個常數。潤滑脂則不然,在較小的剪力下,相似粘度接近無限大;剪力超過降伏值,相似粘度急劇下降,其后終于穩定在接近基礎油粘度的水平,即塑性粘度。

               圖5 潤滑油、脂的流動特性

    同稠度差不多,潤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構的強弱所支配,所以兩者之間也有一定的關系所尋。例如,Brunstrum或Sisko⑷曾提出過一個簡單的換算公式。

        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滑脂在管中的輸送性能的重要指標。

在高剪速下,由于皂纖維的骨架結構已經徹底破壞,因此,塑性粘度的大小與稠度無關,而主要取決于基礎油的粘度、金屬皂的濃度,以及基礎油和金屬皂之間的作用力。

    在流體和彈性流體潤滑理論中,通常是將潤滑脂近似地作為賓漢塑性流體來處理,塑性粘度是決定潤滑性能的基本參數,并考慮在潤滑脂摸中剪力小于τB的地方要產生不流動的芯部。

    三. 潤滑脂在軸承中的潤滑

    潤滑脂的潤滑機理和潤滑油基本上是一樣的,在流體潤滑或彈性流體潤滑領域內,潤滑脂的塑性粘度是決定潤滑性能的基本參數,而塑性粘度又在很大程度上決定于基礎油的粘度,因此,基礎油粘度就成為決定潤滑性能的主要參數。換句話說,潤滑脂中基礎油的粘度要根據軸承的工作條件來選擇。同潤滑油一樣,軸承的工作溫度高、轉速低或負荷小時,選用低粘度的基礎油。

              圖6 基礎油粘度與潤滑性能的關系

    圖6概括了小松崎等⑸的研究結果。從圖中可以看出,對軸承溫度和潤滑壽命,有一個最適當的基礎油粘度。小于最適當粘度時,由于抗負荷能力不足,不能形成充分的潤滑脂膜,所以軸承的轉矩大、溫度高、潤滑壽命短。大于最適當粘度時,由于內摩擦增大,也使軸承轉矩增大、溫度升高,潤滑壽命縮短。

    由于潤滑脂的潤滑性能主要決定于基礎油的粘度,因此,在潤滑油產品目錄中應注明基礎油的粘度,以便于用戶選擇。為了滿足各種潤滑條件的一切,從低粘度儀表油到高粘度汽缸油,都應用于潤滑脂的生產。

    必須注意,潤滑脂的稠度并不直接反映它的潤滑性能。不能將潤滑脂的稠度同潤滑油的粘度混為一談。軸承的溫度高、轉速低、負荷大時用稠度大的潤滑脂;溫度低、轉速高、負荷小時用稠度小的潤滑脂等這類概念是不確切的。

    潤滑脂的耐溫性能決定于基礎油和稠化劑的熱穩定性,以及兩者所決定的潤滑脂的相狀態,在基礎油合適的情況下,基本上是決定于稠化劑的種類。一般來說,鈣基潤滑脂的最高使用溫度約60℃,鈉基潤滑脂約100℃,鋰基潤滑脂約120℃。提高稠度對改進潤滑脂耐溫性能的作用不大。在低溫下,當然應盡可能使用低稠度潤滑脂,但是,更重要的還是基礎油的低溫粘度要小,凝固點要低。

    對高速滾動軸承來說,潤滑脂的機械安定性和下面將要談到的成渠性非常重要,為了補充潤滑脂的機械安定性和成渠性,以及克服離心力的作用,一般推薦選用稠度較大的3號潤滑脂,而不是稠度較小的潤滑脂。與此相反,為了降低軸承的轉矩、尤其是啟動轉矩,對一般轉速不太高的軸承來說,倒是盡可能選用低稠度潤滑脂為宜。

    潤滑脂的塑性粘度總是大于基礎油的粘度,而潤滑脂膜具有明顯的彈性,因此它的抗負荷能力大于基礎油。只要基礎油的粘度適當,潤滑脂的抗負荷能力是沒有問題的。在邊界潤滑或極壓潤滑條件下,主要是依靠添加劑來提高抗磨性和極壓性能,滿足潤滑條件的要求。

為了正確的使用潤滑脂,必須知道潤滑脂在軸承中的運動情況。

    填充在滾動軸承里的潤滑脂的運動,隨著軸承的旋轉,大體上可分為兩個階段。

    在一般情況下軸承里的潤滑脂填充量,總是超過了直接參與潤滑脂的實際需要量,在軸承運轉的初期階段,大部分潤滑脂很快(不到一分鐘)就被擠出滾道,而堆積在保持架上和軸承護蓋的空腔之中,并在滾動體外圍形成一個輪廓。在此過程中,由于多余潤滑脂的阻力,軸承溫度很快上升。雖然大部分多余的潤滑脂在運轉初期即被擠出,而且擠在滾道附近的潤滑脂也仍有可能被轉動著的滾動體帶進滾道之間,這些潤滑脂在隨著軸承轉動體循環的同時,陸續少量排出。這時軸承溫度仍然繼續上升,可稱為潤滑脂的走合階段,根據軸承結構中潤滑脂質量、填充量等因素,這段時間可能持續十幾分鐘,甚至幾小時。

    當多余的潤滑脂完全被排出之后,剩下的少量潤滑脂在滾動體、滾道、保持架的相互接觸面上,籍尖劈作用形成薄薄一層潤滑脂膜,從而進入軸承的正常運轉階段。這時溫度逐漸下降并達到平衡狀態。也就是說,長期的潤滑作用主要上依靠這層潤滑膜來承擔(圖7a)。此外,在軸承的長期運轉過程中,滾動體和滾道近旁的輪廓上以及保持架上的潤滑脂要萎縮而分出一部分基礎油,溜進滾道之間后,對潤滑也有一定的補充作用。

                     圖7 潤滑狀態

    各種不同的潤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,走合時間短,在長期的運轉中軸承溫度低,而且平穩,這才是一種比較理想的潤滑脂,所以對潤滑脂的成渠性尤其重要。

    另外,有些所謂渦流型潤滑脂則不然,不易形成輪廓,即使形成輪廓也容易塌陷,這時,反復回到滾到里的多余潤滑脂長期處于被強烈攪拌的狀況(圖7b),軸承的轉矩大,溫度高,而且不平衡,還可能產生噪音,潤滑脂也容易變質和流失。

                圖8 軸承啟動時的溫升曲線

    在啟動時測量軸承的溫升時,有可能判斷出軸承內部潤滑脂的運動情況。圖8是三個軸承溫升的示例。圖8中,曲線1是一個比較正常的狀態,即經過短時間走合,溫度下降,并且平衡在一個較低的水平;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。出現曲線3的情況,無疑要停下來拆檢。除機構和裝配上的原因之外,是由于潤滑脂而產生的啟動溫升異常,常見的有以下三種情況①軸承內部缺少潤滑脂,金屬表面之間產生了干摩擦;②由于潤滑脂質量不好,不能在滾動體周圍形成輪廓,產生渦流現象;③潤滑脂填充量過多(圖7b)。實際上絕大多數潤滑事故,不是由于潤滑脂過少,而是由于潤滑脂過多造成的。

    四. 潤滑脂在軸承中的填充量

    當我們知道了潤滑脂在軸承中的運動過程之后,自然就會得出一個結論:軸承中的潤滑脂不宜過多。潤滑脂多了不但浪費,而且是有害的。軸承的轉速愈高,危害性愈大。

    ⑴潤滑脂填充量愈多,摩擦轉矩愈大。同樣的填充量,密封式軸承的摩擦轉矩大于開放式軸承。潤滑脂填充量相當于軸承內部空間容積的60%以后,摩擦轉矩不再明顯增大。這是由于,不但開放式軸承中的潤滑脂大部分已被擠出,即使密封式軸承中的潤滑脂也已漏失的緣故。

    ⑵隨潤滑脂填充量的增加,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是一個內徑為50毫米、最大在容脂量約36克的密封滾動軸承,用鋰基潤滑脂潤滑,在28℃、3600轉/分、12和41公斤徑向負荷的條件下,運轉1.5小時后,測定潤滑脂填充量與漏失量的關系。結果表明,潤滑脂填充量最大容脂量的三分之二,就有漏失的可能。而且負荷愈大,漏失量愈多。

 

            圖9潤滑脂填充量與潤滑脂漏失量的關系

    一般認為;密封式滾動軸承的潤滑脂填充量,最多不得超過內部空間的50%左右。Shawki和Mokhtar⑹的試驗表明,滾動軸承以20~30%最為適宜。

    當然,為了確定最適宜潤滑脂填充量,有時還要考慮其它因素。例如,對于某些在充滿灰塵或非常潮濕、甚至接觸蒸汽的環境中工作的開放式軸承來說,也可以在護蓋的空腔里填上較多的潤滑脂,以便造成一個更好的密封狀態,使軸承免受灰塵或潮濕的侵襲。

 

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