作者：Steven Sanchez，John Wallace

翻译：张艺 洛阳LYC轴承有限公司技术中心

1 引言

润滑在滚动轴承的性能与寿命中发挥着重要作用，但是其重要性却常常被低估。润滑剂最重要的任务是将相对运动的零件（球或滚子与滚道）彼此隔开，以最小化摩擦，防止磨损。为特定操作条件设计的润滑剂能提供承重保护膜。理想的情况是该保护膜将摩擦表面分开。除了提供承重保护膜之外，润滑剂还应能够散失摩擦产生的热量，防止轴承过热与润滑剂变质。正确润滑剂的使用还可以防止腐蚀、潮湿和污染物进入轴承。

滚动轴承用到的润滑剂应具有以下特性：

·在广泛的温度范围内保持稳定的粘度；

·能够承受负载的良好的油膜强度；

·能够提供长使用寿命的稳定结构；

·无腐蚀性，与相邻部件兼容；

·提供一个防止污染物进入轴承和湿气从轴承中泄漏的屏障。

2 润滑剂的类型

·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。用油润滑的轴承具有较小的启动和运行扭矩，并具有较高的转速能力。然而，由于油会蒸发损失，因此它们在轴承中的使用寿命小于润滑脂的使用寿命。在轴承的使用寿命内，微型仪表轴承通常只被润滑一次，因此润滑剂的选择至关重要。作为机械维护周期的一部分，较大的轴承需要重新润滑。通过机械或者设备中设计的油再循环系统对这些轴承进行润滑。选择润滑油时要考虑的关键特性包括温度范围、粘度和蒸发率。

·润滑脂：润滑脂包括基础油与添加的增稠剂。这些增稠剂主要是金属皂（锂、钠、铝和钙）、有机物（脲）或无机物。然而这些增稠剂极大地影响润滑脂的特性，润滑脂的润滑性能是由其基础油决定的。此外，润滑脂可能含有改善其性能的添加剂。添加剂类型包括抗氧化剂、防腐、耐磨、填料、强化剂和极压强化剂。选择润滑脂时应计入温度范围、基础油粘度以及刚度或渗透水平等关键特性。大多数用于滚动轴承的润滑脂是NLGI 2级润滑脂。

·固体油膜：这是应用于摩擦表面的非流体涂层，以防止磨损。这种油膜用于极端温度、真空或辐射等恶劣环境中。这种环境中，油或润滑脂无法存活，固体润滑通常是最后的手段或选择。非流体涂层包括石墨、二硫化钼、银、金或聚四氟乙烯。固态膜是为特定的应用程序设计的。润滑油的选择和用量也会影响启动和运转时的最大工作转速和扭矩。在微型轴承中，润滑剂会影响噪声水平。建议将过滤后的润滑脂和润滑油用于微型或仪表轴承。

3 选择润滑剂时要考虑的因素

润滑是设计者考虑的最重要因素之一。选择润滑剂时，需要检查包括温度、负荷、速度、环境和预期寿命在内的因素。此外，需要计入润滑脂和润滑油的许多特性，例如油分离、蒸发损失、滴点、氧化稳定性、窜流能力/刚度等。

迄今为止，润滑脂是电动机和齿轮箱中使用的径向球轴承最常用的润滑剂。润滑油具有较低的扭矩特性，但容易蒸发损失、迁移，并不总是适合终身润滑。

3.1 润滑脂特性

如前所述，润滑脂和润滑油由基础油、矿物油或合成油、增稠剂和其他添加剂组成。标准润滑脂的性质由这些成分决定，同时由润滑脂制造商正确处理、储存原材料，并进行良好的工艺控制。

3.1.1 基础油的类型

在评估潜在润滑脂时，基础油粘度是首要考虑因素。粘度是衡量“流动性”的指标，是润滑剂分子之间的内耗引起的流动阻力。这一特性决定了负载能力、薄膜厚度和工作温度。粘度越高，薄膜强度越高。粘度随温度而变化。温度越高，粘度越低。所以，根据运行中的温度范围选择润滑剂是非常重要的。特殊高温润滑脂、特殊低温润滑脂和温度范围非常宽的润滑脂可用于满足特定的温度要求。

3.1.2 刚性

润滑脂按其稠度或硬度分类。美国材料试验协会（ASTM）开发了一种试验方法：将一个规定重量和尺寸的圆锥放入润滑脂样品中，以测定润滑脂的硬度。5秒后取出锥，穿透深度以十分之一毫米为单位进行测量。数值越大，穿透越深，润滑脂越软。然后将润滑脂样本放入一台机器中，该机器会对其进行敲击（比如使用搅拌机或打蛋器进行烘烤），以模拟操作条件。然后对其进行再试验。这一结果称为工作贯入度，是分类的基础。下表列出了国家润滑脂协会（NLGI）的分类。

NLGI值越低，润滑脂越软。ASTM值越低，润滑脂越硬。

3.1.3 增稠剂

润滑脂由固体肥皂组成，如钙皂或锂皂。在某些情况下，用细粘土形成一种结构，保存并分散其中的基础油。增稠剂结构不提供实际润滑，但却是向接触区域释放润滑剂的储液罐。

增稠剂虽然对润滑作用不大，但赋予 润滑脂独有的特性，影响其在某些应用或环境中的适用性。其中锂和锂复合增稠润滑脂是最常见的。

·锂 - 最常见的，易于制造，易于储存，可泵性良好，流动性允许污垢流出；

·钙 - 良好的耐水性，钙皂助润滑；

·铝 - 对水、化学物质、酸的耐受性最高；

·钡 - 耐水性高，但有一定毒性；

·钠 - 纤维状，水溶性。

另一类增稠剂是非皂类增稠剂，通常用于高温导致其他类型的增稠剂发生热降解的应用中。有机聚脲增稠剂提供与金属皂相似的温度范围限制，但也具有来自增稠剂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）- 经过化学修饰的结构和表面可用作润滑脂的凝胶剂。这些润滑脂的最高可用温度得到了进一步提高。

·聚脲 - 聚脲润滑脂因其性能特性广泛而被称为高性能润滑脂。 

3.1.4 添加剂

添加剂可以强化润滑脂。得到强化的润滑脂含有边界和极压添加剂、以及固体润滑剂，如石墨和二硫化钼。

·防腐蚀与防锈剂 - 这是非常常见的添加剂，可防止与润滑剂接触的金属部件腐蚀和生锈。这些添加剂的工作原理是中和酸并形成化学保护屏障，以排斥金属表面的水分。

·抗磨损（EP）- 抗磨添加剂和/或极压添加剂是在边界润滑期间保护金属表面的化学添加剂。它们在磨损表面形成保护膜，并与金属表面发生化学反应，形成牺牲表面膜。它们在高负荷和高接触温度下被激活。

·抗氧化剂：大部分润滑脂与油都含有抗氧化剂。这可以延长基础油的寿命。氧化会破坏基础油。氧化在任何温度下都会发生，但随着温度的升高，以及在水、磨损金属和其他污染物存在的情况下，氧化会加速。

·粘度指数（VI）：这些添加剂降低了粘度随温度的变化率。

·倾点：倾点添加剂改善了低温工作范围。

·增粘剂：这些添加剂有助于润滑剂在旋转过程中粘附在金属表面。

3.2 其他特性

·量：选择的润滑剂量也会影响启动和运行时的最大运行速度和扭矩。润滑脂的量太多，通常会引起轴承过热。一般来说，随着转速的增加，注脂量减少。此外，随着载荷的增加，注脂量通常也会增加。

·清洁度：在小型或微型轴承中，润滑油会影响噪声级。建议将过滤后的润滑脂和润滑油用于微型或仪表轴承。颗粒尺寸大于润滑油膜厚度也会导致EHD膜破裂并产生磨损碎片。这可能会触发一个渐进过程，导致过早失效。

3.3 保质期

保质期是指润滑油制造后的一段时间。在此期间，我们认为润滑油适合使用，而无需重新测试其物理特性。合成油本质上是稳定的材料。一般来说，合成油在室温下10年或更长时间内不会氧化、聚合或挥发。酯油（其中酯键可能会在有水分的情况下发生微小程度的水解）如果含有水分，那么会变得更酸。氟化油和硅酮不太可能受到简单老化的影响。

润滑脂会以更复杂的方式“老化”。润滑脂的质量会受到凝胶结构变化的影响。如果凝胶收缩，会出现明显的渗油现象，剩下的油润滑脂会变硬。凝胶结构也可能在一段时间内变得更软。

高质量的润滑脂对于确保最佳轴承性能至关重要，许多润滑脂都符合军用或其他规格要求。当设计者没有指定润滑剂的类型和数量时，轴承的润滑应符合行业标准。

制造商声明，只有在油和润滑脂正确储存在其原始、未开封的容器中时，才适用规定的保质期。

4 润滑机制

流体膜的厚度决定了润滑状态或润滑类型。流体膜润滑的基本机制是：

流体动力润滑 - 两个?面由一层流体膜隔开。

·弹流润滑（EHL）-  两个表面由一层非常薄的流体膜隔开。

·混合润滑 - 两个表面部分分离，部分接触。

·边界润滑 - 即使有流体存在，两个表面大多也是相互接触的。

除了流体膜润滑之外，还有固体膜润滑，由一层固体薄膜将两个表面分开。

4.1 润滑膜：球轴承的长寿命必备品

根据正确的润滑预测长寿命轴承 - 存在润滑膜并将金属表面分开。在电动机径向球轴承运行情况或者其他 以类似速度运行的设备中，正确润滑意味着存在EHD（弹流力学）膜。轴承寿命计算过程中，假设存在这样的薄膜。

运用ABMA（美国轴承制造商协会）标准9计算球轴承基本额定寿命。方法包括可靠性、特殊轴承特性和操作条件的调整系数。调整系数a3用于操作条件，如果润滑剂的运动粘度降至13 cSt以下或转速非常慢（即没有形成EHD油膜），那么调整系数a3小于1。可将基本寿命的50%调整为额定寿命的20%。

4.2 油膜的形成与Stribeck曲线

流体粘度、由两个表面支撑的负载、两个表面相对运动的速度等因素结合起来决定了流体膜的厚度。这反过来又决定了润滑机制。这些因素怎样影响摩擦损失以及它们如何对应于不同的机制都会在Stribeck曲线上显示出来。工程师使用这个工具来评估润滑剂，设计轴承并了解润滑状态（图3）。

低流体粘度、低速以及高负载的组合会产生边界润滑。边界润滑的特性是界面流体少，表面接触大。我们可以看到在Stribeck曲线上，这引起了非常高的摩擦力（图4）。

随着流体粘度与速度的增加，以及/或者随着负载的减少，两个表面开始分离，流体膜开始形成。这种流体膜非常薄，但是可以支撑越来越多的负荷。混合润滑是结果，在Stribeck曲线上很容易看到摩擦系数的急剧下降。摩擦的下降是表面接触减少和流体润滑增加的结果。

随着速度或粘度的增加，两个表面会继续分离，直到出现一个完整的流体膜并且没有表面接触。摩擦系数会达到最小值，并且过渡到流体动力润滑状态。此时，界面上的负载完全由流体膜支撑。由于存在全流体膜且没有固体-固体接触，所以摩擦较低，且流体动力润滑无磨损（图6）。

Stribeck曲线显示流体动力区的摩擦增大。这是由于流体阻力（流体产生的摩擦力）- 较高的速度可能会导致较厚的流体膜，但也会增加运动表面的流体阻力。此外，较高的粘度会增加流体膜的厚度，但是也会增加阻力。

在正常工作条件（高速和厚膜）过渡到流体动力润滑状态之前，机器在启动和关闭时通常会处于边界润滑（低速和薄膜）状态。纵观Stribeck曲线显示，电动机或机器在启动和关闭期间的摩擦和磨损最大（图7）。

流体动力润滑之所以得名是因为，流体膜是由固体表面的相对运动产生的，流体压力增加了这一结果。表面有微小的突起（峰），应避免直接接触。流体动力润滑中，流体膜将两个表面分开，防止磨损，减少摩擦。

当几何形状、表面运动和流体粘度结合起来，使流体压力增加到足以支撑负载时，就形成了流体动力膜。增加的压力迫使两个表面分开，防止接触。因此，在流体动力润滑中，一个表面浮在另一个表面上。流体压力增加，迫使两个表面分开，流体动力升高。

5 应用示例

典型环境包括工厂与工业场地、灰尘与污染物、潮湿和冲洗区域。适用于大多数电机应用的润滑脂的典型特性包括：

·NLGI 2级；

·矿物或者合成基础油；

·增稠剂配方，提供抵抗机械剪切力的耐久性；

·低噪音特性；

·防腐蚀；

·操作温度范围约-20oF到+350oF。

高速运行 - DN值（轴承内径mm × rpm）可用于确定轴承是否以高速运行。超过150万的DN值保证高速润滑剂的性能。或者，一个安全的经验法则是：如果轴承以目录中列出的允许转速值的70%以上运行，那么应选择高速润滑剂。典型的高速润滑脂含有低运动粘度的基础油。高速运行时，较高的粘度产生过多的热量。此外，还应计入润滑脂的硬度。通常需要具有窜流特性的润滑脂。当轴承旋转时，窜流润滑脂更容易被滚动元件推到一边，并保持在一边。这样可以减少搅拌和温度增益。非窜流或下滑的润滑脂流回球道，可能导致产生过多热量。

高温 - 持续在300到350oF以上温度条件下运行的轴承应使用高温润滑脂。更高温度下，润滑剂经受热退化。这可能是润滑工程师面临的最具挑战性的情况。为此，他们有许多选择，包括各种基础油和增稠剂配方。必须计入润滑脂成分（基础油、增稠剂、添加剂）的氧化和热性能。然而，始终记住，基础油是润滑脂中主要负责润滑的成分。正确的基础油粘度是决定是否有EHD膜的因素。

极端环境 - 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。在真空应用中，放气通常是一个考虑因素。PFPE、或全氟聚醚、油和润滑脂通常是解决方案。这些材料的蒸汽压很低，很多都是用增稠剂和添加剂包装而成，对化学药品有很强的抵抗力。这些通常用于航空航天应用。这个系列的产品可能很贵。

监管环境 - 例如食品加工、医疗和制?可能需要使用已批准使用的润滑剂。美国农业部（USDA）创建了最初的食品等级H1、H2和H3。新润滑油的批准和注册取决于成分列表。

H1 润滑油是食品级润滑油，用于食品加工环境中，在这些环境中可能会偶然接触到食物。

H2 润滑剂是食品级润滑剂，用于没有接触可能性的设备和机器零件。

H3 润滑剂是食品级润滑剂，通常是食用油，用于防止吊钩、手推车和类似设备生锈。

决定是否有接触的可能性是困难的，许多人在选择H1而不是H2时，在安全方面犯了错误。自1998年9月30日以来，美国国家卫生基金会（NSF）接手美国农业部，作为发放食品级润滑油注册的美国组织。

6 失效模式 / 选择不当

工程师经常忽略温度、速度和负荷这三个重要因素，也没有意识到这些因素对润滑剂的影响。如果他们没有正确地分析工作条件，可能会发现自己选择的润滑脂已经超过了其工作特性。设备在润滑剂不适用的环境下运行，可能会出现故障。在确定设备故障原因时，原始设备制造商发现，使用合适的润滑脂不仅可以解决问题，还可以扩大设备的用途。

最常见的错误之一是不知道为特定条件设计的润滑脂可以大大延长使用寿命。设计人员只是为轴承选择了标准工厂提供的润滑剂。尽管这些润滑剂是大多数应用场合的良好选择，但是可能不适用于特定环境。

除了温度、速度与负载之外，设计人员必须计入其他可能影响润滑剂性能与寿命的操作因素与环境条件，包括振 荡运动、振动以及轴方向（垂直与水平）。环境条件包括极端温度、水分和湿度、或者太空的真空环境。进水和微粒污染物也会影响润滑剂的功效。

轴承故障通常是由于球/滚道接触磨损造成的。如果润滑剂失效，防止金属表面接触的承载EHD膜就会破裂。当这种情况发生时，滚道和球的高凸度会接触并断开，金属颗粒进入润滑剂。随着磨损的进行，润滑剂变成金属磨损颗粒和退化润滑剂的混合物。这会导致部件劣化，最终导致轴承失效。

7 小结

选择正确的润滑剂对电动机和齿轮箱中滚动轴承的最佳性能和延长使用寿命至关重要。如果工程师考虑到这里讨论的所有润滑选择因素，那么他们将会最大限度地延长轴承和机械的寿命，从而节省资金、时间和人力成本，并使操作更高效、更可靠。

（译自《Power Transmission Engineering》）

（来源：中国轴承工业协会）