第六章 润滑油

第六章

润滑油

一、概述润滑剂包括润滑油和润滑脂。

1.摩擦与润滑

(1)干摩擦在机器中、两个互相接触而又发生相对运动的部件叫摩擦副。这种干摩擦的摩擦系数因材料及表面粗糙度的不同而不同，其范围为0.15—0.40，是相当大的。

(2)流体动力润滑轴和轴承之间便能在运动中形成一层足够厚的油膜(其厚度一般大于1μm)，使机件的表面不直接接触。这样，就以润滑油膜的内摩擦取代了摩擦件之间的干摩擦。润滑油的内摩擦系数一般仅在0.001—0.005之间，这种在运转时摩擦件之间的油膜的厚度足以使摩擦件完全不接触的润滑，称为流体动力润滑，见图6—1(a)。

图6—1

流体动力润滑、混合润滑及边界润滑

润滑油粘度、轴转速和轴上负荷这三者的关系可以用轴承特性因数C来表示：式中η——润滑油的粘度，mPa﹒s；

N——轴的转速，r/min；

p——轴单位投影面上的负荷，MPa。经验表明，C的数值较大时，该轴承一般能保持在良好的流体动力润滑状态下运转。

(3)边界润滑摩擦件之间的相对速度较低及负荷较大，也就是轴承特性因数C太小。摩擦件之间只存在一层极薄的(小于0.1μm)边界膜。边界润滑的摩擦系数大于流体动力润滑的，约为0.05—0.15。(4)混合润滑当摩擦件之间不能形成连续的流体层，部分固体表面直接接触时，则出现流体动力润滑和边界润滑兼而有之的情况，可称为混合润滑[见图4—8(b)]。图6—2所示为Stfibeck曲线，它表示处于流体动力润滑、边界润滑及混合润滑三种状态下摩擦系数与轴承特性因数C之间的关系。

(5)弹性流体动力润滑图6—2

摩擦系数与轴承特性因数的关系2.润滑油的分类

我国基本上是按照国际标准化组织(InternationalStandardizationOrganization)的ISO6743/0—1981润滑剂分类标准制定了GB7631.1—87国家标准，把润滑剂分为19组，具体见表6-1。习惯上，为方便起见，将润滑油按其使用场合分为以下几类：(1)内燃机润滑油包括汽油机油、柴油机油等。这是需要量最多的一类润滑油，约占润滑油总量的一半。(2)齿轮油

是在齿轮传动装置上使用的润滑油，其特点是它在机件间所受的压力很高。(3)液压油及液力传动油是在传动、制动装置及减震器中用来传递能量的液体介质，它同时也起润滑及冷却作用。(4)工业设备用油其中包括机械油、汽轮机油、压缩机油、汽缸油以及并不起润滑作用的电绝缘油、金属加工油等。我国等效采用ISO3448—92标准制定了GB/T3141—1994，将工业液体润滑剂按其40℃时的运动粘度(mm2/s)分为20个等级(见表6-2)。此外，内燃机油和车辆齿轮油则是按其100℃时的运动粘度和低温下的粘度划分等级。表6—1

润滑剂和有关产品的分类（GB7631.1—87）组别ABCDEFG应用场合全损耗系数脱模齿轮压缩机（包括冷冻机及真空泵）内燃机主轴、轴承和离合器导轨组别HMNPQRT应用场合液压系统金属加工电器绝缘风动工具热传导暂时保护防腐蚀汽轮机组别UXYZS—应用场合热处理用润滑脂的场合其他应用场合蒸汽气缸特殊润滑剂应用场合—表6—2

ISO粘度分类ISO粘度等级中间点运动粘度（40℃）mm2/s运动粘度范围（40℃），mm2/s最小最大22.21.982.4233.22.883.5254.64.145.0676.86.127.4810109.0011.0151513.516.5222219.824.2323228.835.2464641.450.6686861.274.8续表ISO粘度等级中间点运动粘度（40℃）mm2/s运动粘度范围（40℃），mm2/s最小最大10010090.9110150150135165220220198242320320288352460460414506680680612748100010009001100150015001350165022002200198024203200320028803520

3.润滑油的基础油

基础油又可分为矿物油和合成油两大类。对于从原油制取的润滑油基础油，我国原来是按原油类别将其质量标准分为石蜡基基础油系列、中间基基础油系列及环烷基基础油系列。我国现已采用一种润滑油基础油的新的分类方法。这种新的分类方法将润滑油基础油按其粘度指数分为超高粘度指数的、很高粘度指数的、高粘度指数的、中粘度指数的及低粘度指数的5类，它们的粘度指数相应为VI≥140，VI≥120，VI≥90，VI≥40及VI<40。各类润滑油基础油的代号见表6—3。表中的VI为粘度指数(Viscositylndex)的英文字头。UH为“超高”(UltraHigh)的英文字头，VH为“很高”(VeryHigh)的英文字头，H为“高”(High)的英文字头，M为“中”(Middle)的英文字头，L为“低”(Low)的英文字头。此外，W为“Winter”的字头，表示低凝，S为“Super”的字头，表示深度精制。习惯上，将从原油减压馏分制取的基础油称为中性油，将从减压渣油制取的基础油称为光亮油。每类中性油又按其粘度分为若干牌号，每类光亮油也按其粘度分为若干牌号。表6—4所示为我国部分基础油系列的牌号。表6—3

润滑油基础油分类润滑油基础油粘度指数超高粘度指数VI≥140很高粘度指数VI≥120高粘度指数VI≥90中粘度指数VI≥40低粘度指数VI<40润滑油基础油代号通用润滑油UHVIVHVIHVIMVILVI专用基础油低凝UHVIWVHVISHVIWMVIWLVIW深度精制UHVISVHVISHVISMVISLVIS表6—4

我国部分基础油牌号类别牌号HVI75,100,150,200,350,400,500,650,120BS,150BSHVIW75,100,150,200,350,400,500,650,120BSHVIS75,100,150,200,350,400,500,650,120BS,150BSMVI60,75,100,150,250,500,600,750,900,90BS,125/140BS,200/220BSMVIW60,75,100,150,250,500,MVIS60,75,100,150,250,500,600,750,900,90BS,125/140BSLVI60,75,100,150,300,500,900,1200,90BS,230/250BS

二、内燃机润滑油

内燃机润滑油简称内燃机油，也称发动机油或曲轴箱油，它是润滑油中耗量最大的一类。

1.内燃机润滑油的工作条件内燃机润滑系统见图6—3，它是由下曲轴箱、润滑油泵、润滑油散热器、粗滤清器、细滤清器所组成。其主要特点如下：(1)使用温度高

(2)摩擦件间的负荷较大

(3)运动速度多变

(4)所处的环境复杂

2.润滑油在内燃机中的作用(1)润滑与减摩作用

(2)冷却发动机部件作用

(3)密封作用

(4)保持摩擦部件清洁作用

(5)防锈和抗腐蚀作用图6—3

内燃机润滑系统3.内燃机润滑油的主要质量要求及其与化学组成的关系内燃机润滑油的质量要求很多，主要有以下6个方面：(1)粘度至于粘度以多大为宜，则要根据不同内燃机的具体工作条件来确定。润滑油的粘度取决于其馏分组成与化学组成。就馏分组成而言，润滑油的沸程越高，其粘度也越大，所以，当要求粘度较大时，往往要以较重的减压馏分甚至减压渣油作为原料。至于粘度与化学组成之间的关系已在第三章中述及，即当相对分子质量相近时，具有环状结构的分子的粘度大于链状结构的，而且，分子中的环数越多，其粘度也就越大。(2)粘一温性质烃类的粘一温性质取决于其分子结构。大体上说，烃类中除正构烷烃的粘一温性质最好外，带有少分支的长烷基侧链的少环烃类和分支程度不大的异构烷烃的粘一温性质也比较好，而多环短侧链的环状烃类的粘一温性质是很差的。

(3)抗氧化安定性内燃机润滑油不仅使用的温度高，而且是循环使用，不断与含氧的气体接触，所以很容易因氧化而变质。因此，需要设法提高润滑油的氧化安定性，以延长其在内燃机中的使用寿命。

①烃类组成对氧化安定性的影响。

②含硫化合物对氧化安定性的影响。

图6—4所示为大庆润滑油添加不同量的含硫化合物后，对其氧化安定性的影响。由图可见，在试验范围内，试样中的含硫量越高，其吸氧速度就越慢，也就是更趋安定。③含氮化合物对氧化安定性的影响：研究表明，含氮化合物对润滑油的氧化是起促进作用的。

图6—5所示是用旋转氧弹法测得的含氮量对润滑油氧化安定性的影响。图6—4

硫含量对氧化安定性的影响图6—5

含氮量对150SN基础油氧化诱导期的影响（旋转氧弹量）

(4)清净分散性由于润滑油本身的氧化和缩合以及与燃料燃烧产物的相互作用，在内燃机中会产生各种沉积物。其沉积物分为三类，即：积炭、漆膜、油泥。在内燃机的工作条件下，这些沉积物的生成原因是很复杂的，大体上可用图6—6及图6—7来表示。研究表明，柴油机活塞上的漆膜和积炭90%以上来源于润滑油的高温氧化，汽油机中的油泥则主要是由于在较低温度条件下燃料燃烧不完全而形成的。由于基础油本身并不具备把各类沉积物尽量从金属表面上洗涤下来并分散于润滑油中的这种功能，所以必须加入各种类型的清净分散添加剂。(5)低温流动性一般情况下，倾点可以做为评定润滑油低温性能的参考指标。低温动力粘度的测定采用冷启动模拟机法。该模拟机的核心部件如图6—8所示，它是由一个断面为缺圆圆柱体的转子和一个铜制定子构成。边界泵送温度就是能把内燃机油连续地、充分地供给润滑油泵入口的最低温度。(6)抗磨性各种烃类的抗磨性能虽有差别，但都还不能满足要求，这就需要加入具有抗磨作用的添加剂来改善这方面酌性能。图6—6

汽油机中沉淀物生成过程示意图图6—7

柴油机中沉淀物生成过程示意图图6—8

冷启动模拟机核心部分示意图4.内燃机润滑油的分类

我国内燃机润滑油的分类，采用了国际上通用的SAE(SocietyofAutomotiveEngineers，美国汽车工程师学会)粘度分类和API(美国石油学会)

的质量等级分类。(1)内燃机油粘度等级的分类我国等效采用SAEJ300标准，制定了内燃机油粘度分类国家标准(GB/T14906—1994)，如表6—5所示。内燃机油粘度等级分为含字母W及不含字母W两个系列，其中含字母W的粘度等级对低温性能有特殊要求。不含W的粘度系列中的20、30、40、50、60各号是以其100℃运动粘度来划分的。含W的粘度系列中的0W、5W、10W、15W、20W、25W各号则是以其最大低温粘度、最高边界泵送温度及l00℃时最小运动粘度来划分的。

表6—5

内燃机油的粘度分类(GB/T14906—1994)粘度等级低温粘度，mpa﹒s不大于边界泵送温度，℃不高于运动粘度（100℃），mm2/s不小于0W3250（-30℃）-353.85W3500（-25℃）-303.810W3500（-20℃）-254.115W3500（-15℃）-205.620W4500（-10℃）-155.625W6000（-5℃）-109.320——5.6，小于9.330——9.3，小于12.540——12.5，小于16.350——16.3，小于21.960——21.9，小于26.1近年来，内燃机中越来越多地使用多级油。所谓多级油是指其100℃粘度在某一非W粘度等级范围内，而同时其低温粘度和边界泵送温度又能满足某一W粘度等级的指标，可表示为5W/30、l0W/30及20W/40等。多级油大多是由较低粘度的基础油添加粘度添加剂稠化后制成的，所以也称稠化机油。多级油的粘一温性质显著优于单级油，它的使用不受地区和季节的限制，冬、夏季和南、北地域通用，同时还可以节约燃料。

(2)内燃机油质量等级的分类我国参照SAEJ183分类方法，以S代表汽油机油系列，分为SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG及SH等质量等级，其质量水平顺序依次提高。柴油机油系列则以C代表，分为CA、CB、CC、CD、CD—Ⅱ、CE及CF—4等质量等级，其质量水平也是顺序依次提高。

(3)内燃机润滑油的品种我国国家标准规定的汽油机油及汽油机煤油机通用油的品种如表6—6所示，柴油机的品种则列于表6—7。表6—6

汽油机油及汽油机/柴油机通用油的品种(GB11121—1995)品种代号粘度等级SC5W/20,10W/30,15W/40,30,40SD(SD/CC)5W/30,10W/30,15W/40,10/20W,30,40SE(SE/CC)5W/30,10W/3015W/40,20/20W,30,40SF(SF/CD)5W/30,10W/30,15W/40,30,40品种代号粘度等级CC5W/30,10W/30,15W/40,20W/40,20/20W,30,40CD10W,5W/30,10W/30,15W/30,15W/40,20W/40,20/20W,30,40表6—7

柴油机油的品种(GB11122—1997)

三、齿轮油

齿轮油是专用于齿轮传动装置的润滑油。

1.齿轮油的工作条件由于齿轮间接触面积小，所以其承受的压力很大。在高的压力下，润滑油极易从齿间被挤压出来，容易引起齿面的擦伤和磨损。

2.齿轮油的主要性能齿轮油要求有适当的粘度以及良好的粘一温性质、抗氧化安定性和防腐性等。尤其突出的是，要求它具有良好的抗磨损、耐负荷的性能，也就是要有较高的承载能力。测定润滑油承载能力需借助摩擦磨损试验机。此处只介绍其中的一种，即四球试验机。如图6—9所示，它的摩擦件是由四个Φ12.7mm的铬钢球组成。试验时，不断加大负荷(p)，并用显微镜测定球上因磨损形成的磨痕直径(DH)的大小，可得如图6—10所示的双对数坐标曲线。除上述四球试验机外，还需用Timken试验机及FZG齿轮试验机等进行评定。此外，若要开发新的齿轮油品种，还需要通过专用的齿轮油台架试验机的评定。各种烃类的承载能力都比较低，其抗磨性能都不能满足齿轮油的要求。所以，齿轮油中必须加入相应的抗磨添加剂，这些添加剂中都含有极性的或具有化学活性的化合物。图6—9

四球摩擦件示意图图6—10

四球机试验曲线3.齿轮油的分类

我国的齿轮油分为工业齿轮油及车辆齿轮油两大类。工业齿轮油按使用场合的不同，分为工业闭式齿轮油和工业开式齿轮油。就粘度而言，它们按40℃运动粘度的中心值分为68，100，150，220，320，460和680等7个粘度等级。按其质量的要求，工业闭式齿轮油分为CKB，CKC，CKD，CKE，CKS，CKT等6个等级，工业开式齿轮油分为CKH，CKJ，CKM等3个等级。车辆齿轮油按其使用条件的苛刻程度分为普通车辆齿轮油(代号CLC)、中负荷车辆齿轮油(代号CLD)和重负荷车辆齿轮油(代号CLE)这3种，它们的质量等级分别相当于API制订的GL-3，GL-4，GL-5。车辆齿轮油按210赛式通用粘度秒的大约值，分为70W，75W，80W，85W，90，140，250等7个粘度等级，详见表6—8。近年来，标号为80W/90，85W/90，85W/140等多级齿轮油应用日广，它们同时具有良好的低温起动性和高温润滑性。表6—8

车辆齿轮油的粘度分类类别达到150pa﹒s的最高温度℃100℃运动粘度，mm2/s最低最高70W-554.1—75W-404.1—80W-267.0—85W-1211.0—90—13.524.0140—24.041.0250—41.0—

四、液压油及液力传动油

液体静压系统和液体动力系统所使用的工作介质相应为液压油及液力传动油两大类，它们可由矿物油或合成烃制成。液压油又可分为抗磨液压油、低凝液压油及数控液压油等。1.液压油及液力传动油的主要性能液压油除要求有合适的粘度、良好的粘一温性质、抗氧化安定性等之外，还有如下一些特殊的要求：(1)抗磨性在系统中各种摩擦元件经常处于边界润滑状态，所以，往往需要加入抗磨添加剂以便在摩擦副中形成边界润滑膜。(2)抗乳化性在液压元件的搅动下，如有水存在时很易形成乳状液，这样便会增大机件腐蚀和磨损。

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抗泡沫性液压油在循环时，溶于油中的空气量会不断增加，从而导致气泡的生成。这样便会影响液压机构传递能量的稳定性和效率。因此，要求液压油具有良好的空气释放能力和消泡能力。(4)抗剪切安定性液压油在高压、高速使用条件下，通过泵、阀件、微孔等元件，要经受很高剪切速率的剪切作用，这就要求添加增粘剂的液压油具有良好的抗剪切安定性，以免因粘度降低过多而造成磨损。(5)对密封材料的适应性液压系统一般以橡胶为密封件，所以，要求液压油不侵蚀橡胶，不使其过分溶胀，也不允许使其收缩或硬化，以免降低其密封性能。液力传动油是一类性能更为全面的油品，要求它具有良好的扭矩转换性能、低温流动性能、抗烧结和抗磨损性能、抗氧化性能、清净分散性能、抗泡沫性能、防锈性能、与各种密封材料的适应性能以及适当的摩擦特性。2.液压油的分类我国适用于流体静态液压系统的矿物油型和合成烃型液压油共分为L—HL，L—HM，L—HV，L—HG及L—HS五个品种。其中L—HM，L—HV和L—HS三个品种按质量分为优等品和一等品，L—HL和L—HG两个品种则只设一等品。

五、电器绝缘油

1.对电器绝缘油的质量要求电器绝缘油的功能并不是起润滑作用，所以，对其性能的要求与一般润滑油有很大差别。其主要的性能要求如下：(1)电气性能电器绝缘油的电气性能要求，主要有绝缘击穿电压及介质损失角正切值这两项。我国目前有6，35，220/110，330及500kV这5种输电电压系统，这就需要有击穿电压大于上述各种电压的变压器油。实际介质(如变压器油等)在交变电场中因介质中某些分子的扭动和位移会引起电能的损失，损失的电能转变为热能而使油温升高。这样便导致电流和电压的相位差并不正好是，而是比要小一个δ角，这个δ角就称为介质损失角。介质损失角正切值tgδ的数值是表明在交变电场作用下在介质中电能损失的大小。电器绝缘油的品种有变压器油、电缆油、电容器油和油开关油等，其中变压器油占95%以上。

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