第四章流体润滑原理

.分布、摩擦力和温升等参数间的定量关系。在实际中最关心的是油膜厚度。①线接触的弹性流体动压润滑1.线接触下弹流润滑机理一弹性圆柱体与一刚性平面接触如图4.11所示。圆柱体在整个赫兹〔Hertz压力区中压平,如图4.11〔a。当圆柱体在平面上滚动时〔其间有润滑油存在,两表面各自带着吸附在其上的润滑油互相接近,并使油充满表面间的空隙。这时将产生流体动压力。图4.11〔b为〔a的局部放大〔图中纵向放大比例比横向的大1000倍。润滑油进入的实际上是很窄长的收敛间隙。流体动压就发生在此间隙中。油膜厚度仅1μm的量级。润滑油进入此楔形区时,压力就增大；当到达赫兹变形区的边缘时,流体动压力将达到一定的数值与赫兹压力相对抗。U1U2进入区建立油膜U1U2进入区建立油膜赫兹压力区承载出口区h赫兹压力弹流动压图4.12弹性流体动压和赫兹压力分布卸载流体最后达到的压力分布大体如图4.12所示：除赫兹区边缘部分外,其整个压力分布形状和大小与赫兹压力分布十分相似。在近出口处,由于油压从高压骤然减到大气压,产生很大的压力梯度,同时粘度也将随压力的减低而变小。为维持流动的连续性,在近出口处的油膜形状必有一个局部的‘颈缩’。因而油膜压力在尾部形成高峰。如果没有这个‘颈缩’,则压力的突然下降,会使流体流出大于流入,而流体的这种形状,恰好限制了它的流出。接触面间典型的弹性流体动压润滑的压力曲线可分三个区域,每个区域有其各自的特殊函数。进口区是建立油膜,赫兹接触区是承载,出口区是卸载。润滑剂经过这三个区域时,粘度发生着剧烈的变化：从易流动的液体——类似固体——流动的液体。而这整个过程才几个毫秒或微秒。各个区域中润滑剂的粘度由所在区域的温度、压力和剪切情况所决定。这里粘度是个重要因素,故必须知道影响粘度的条件。如：进口区油膜形成能力是受流经该处的润滑油粘度所决定。因进口区非常狭窄,粘度基本上受固体表面的温度控制。粘度受温度变化的指数公式,在这个区域中足够准确。因此由该处的温度可以知道粘度的大小。此粘度又影响形成的油膜厚度。润滑油进入赫兹压力区时,油膜已经形成。由于压力区内油膜极薄,压力极大,故粘度也极大；同时,摩擦产生的热量也将影响粘度的大小,因而随压力变化引起的粘度激增程度将受温度升高而有所抵销。润滑油离开赫兹压力区后,进入一个发散区域,压力骤然降低,粘度也明显下降。由于此处的压力低于周围压力而形成负压,溶解在油中的气体要析出来,在充填两表面间的间隙时,形成气穴,使油膜破裂和形成颈缩。以上就是弹性流体润滑的基本机理。有了这些概念以后,就容易明暸各种参数对油膜厚度的影响。如能改变某些因素使进入区的流体动压增大,则就能增大油膜厚度。例如,增加速度,或增大粘度,都能使油膜厚度增大。而增大载荷对油膜厚度的影响不大。因为载荷增大仅能扩大赫兹压力区和增高赫兹压力,对进入区的影响不大。而进入区正是形成油膜的区域,即决定进入流量的区域。2.线接触的最小油膜厚度格鲁宾、道松等人提出了几个弹性流体动压润滑的油膜厚度计算公式,现列于表4.1中。推导这些公式时作以下设定：⑴将圆柱与圆柱或圆柱与平面的线接触,简化为圆柱与刚性平面的接触。⑵引入当量半径和当量弹性模量式中：R当量半径；R1,R2分别为两圆柱体的半径E’当量弹性模量；E1,E2分别为两圆柱体材料的弹性模量；ν1,ν2分别为两圆柱体材料的泊松比。表4.1线接触时最小油膜厚度计算公式公式名称有量纲表达式无量纲表达式格鲁宾公式〔Грубин道松公式〔Dowson道松修正公式〔1967伯洛克公式〔Block海尔伯鲁夫公式〔HerrBrugh表中：h0最小油膜厚度；U圆柱体表面运动速度,；η0常温常压下润滑油的动力粘度；α润滑油的压粘系数；P载荷；R圆柱体的当量半径；E’圆柱体材料的当量弹性模量；W=P/L。；；；；L圆柱体〔接触线长度。格鲁宾公式是最早得出的与实际接近的弹性流体动力润滑最小油膜厚度计算公式。是用解析法及采用前面所述的模型和一些设定推导出来的。道松公式是将雷诺方程及实验数据用计算机拟合的方法得到的。他的两个公式看起来差别很大,实际上在用钢和矿物油的条件下,当G≈5000时,1.6G0.6≈2.65G0.54。两式的实际结果差别甚微。3.公式的应用范围以上润滑理论均有一定的假设和简化,故油膜厚度的计算也都有一定的适用范围。超过一定界限就会有较大的误差。a.重载弹性接触时,道松修正公式能得到十分精确的结果。b.轻载刚性接触时,马丁方程可适用。c.中等载荷下,当粘压效应远大于弹性效应时。伯劳克〔Block公式适用。d.当弹性变形远大于压－粘效应时,海尔伯鲁夫〔HerrBrugh推导的公式适用。4.影响最小油膜厚度的因素分析根据以上弹性流体动力润滑公式可以看到：a.载荷P对油膜厚度的影响很小,仅为0.13次方。b.粘度变化和弹性变形的综合效应,对油膜厚度影响很大,G为0.6次方。用格罗宾和道松公式计算的结果与用马丁公式〔不考虑弹性变形计算结果差别很大,约大10～100倍。c.速度对油膜厚度影响较大,膜厚与速度的0.7次方成正比。图4.13线接触下弹流润滑的油膜厚度与压力G=5000=10-11=3×图4.13线接触下弹流润滑的油膜厚度与压力G=5000=10-11=3×10-55.油膜和压力曲线的形状特点在大部分赫兹接触区内的油膜厚度是相等的,如图4.13所示。压力曲线与赫兹应力曲线接近。.在润滑流体出口处,有一个膜厚的收缩〔颈缩区。厚度约为平均膜厚的3／4。与此相应,存在着压力的峰值,当式中时,此压力峰值高于赫兹接触的最高压力值。②点接触的弹性流体动压润滑两个物体初始接触于一点,称为点接触。继续加载时受压面积增大,接触中心区内不断产生弹性变形,使中心区的润滑油受到压缩。点接触的有效承载区是个圆形面积〔球-球和球-板接触时或椭圆形面积〔椭球对椭球,如车轮与钢轨,面积很小。不像线接触时,接触长度与接触宽度相比要大得多,可不考虑侧泄。而在点接触时就要考虑侧向流泄的问题。因此分析时必须计及润滑油沿滚动轴线方向的流动来求解。1.点接触下的弹流润滑机理首先分析球与平板接触情况下的油膜形状以及油膜的压力分布：a.当球形表面与平板表面接触时,首先是接触中心处润滑油受压,由于粘度随压力增大,润滑油从挤压区的排出率将降低。abh,μm表面粗糙度之和图4.14挤压油膜的形状abh,μm表面粗糙度之和图4.14挤压油膜的形状0.200.2r,mmc.如果此时球与平板间作横向相对运动。当粘度、速度、几何形状的组合适当时,就会产生足够的流体动压力,使两表面分开。如图4.14中曲线a所示。这时入口处油压逐渐加大,而侧边和出口处没有产生流体动压的机理,故这些地方产生收缩区〔即油膜最薄的区域。由光干涉实验算出的压力和膜厚的等值线如图4.15和图4.16所示,为压力和膜厚的典型分布,可以看到,油膜最薄处不在中心,而在出口方的左右两侧。图4.16膜厚等值线图4.16膜厚等值线图4.15压力等值线实验条件：2.点接触下最小油膜厚度的计算公式由于计算复杂,点接触下的弹性流体动力润滑一直没有精确的数学解。只能推荐几个近似的数学解公式,列于表4.2中。表4.2点接触时最小油膜厚度计算公式公式名称计算公式奥查特公式〔Archard有量纲表达式无量纲表达式郑绪云公式pmax为最大赫兹接触压力,根据赫兹接触公式计算；γ=b/a,c,n,m,Rx/Ry可由表4.3查得表中：h0最小油膜厚度；α润滑油压粘系数；U接触表面的运动速度；η0常温常压下润滑油的动力粘度；R接触球或椭球的当量曲率半径；E’接触材料的当量弹性模量；P载荷；pmax最大赫兹接触压力：椭球-椭球球-球；；；；表4.3b/a,c,n,m及Rx/Ry等几个参数γ＝b/acnmRx/Ry0.50.0650.5480.742.7901.00.0880.620112.00.0950.6401.480.3585.00.0980.6482.560.084表中：Rx沿运动方向的当量曲率半径；Ry垂直运动方向的当量曲率半径。椭球接触时,Rx≠Ry；球接触时,Rx＝Ry。a,b椭球两个方向的半径；球接触时a=b。因为油膜厚度对滚动体磨损有重要的影响,由摩擦副工作条件及润滑剂性能计算所得之油膜最小厚度,是否能保证摩擦副的正常安全工作呢？需要有个大体的判断标准。以比值表示弹性流体动压润滑油膜厚度对接触表面粗糙度之比。式中：h0最小油膜厚度；,分别为两个表面粗糙度的平均平方根偏差：给出的为算术平均偏差Ra：〔Ra＝0.8Hjf,也即Hjf＝1.25Ra。当比值λ>3,则润滑良好,可避免擦伤和胶合。如λ<1,则为边界润滑状态,易于擦伤、胶合和磨损。而当1<λ<3时,表面处于可能形成边界润滑的概率中。③流体动压润滑公式的适用范围遇到具体摩擦副时,如何判断材料是刚性还是可能发生弹性变形；润滑剂在运动中是定粘度还是变粘度。也即,应当采用哪个公式来计算和设计润滑剂及摩擦副的材料和结构几何参数。gsgs虚线gl实线gl实线gvgeACBD图4.17弹性滚动体的流体动压润滑范围图中：A区为弹性体、流体动压润滑范围〔滚动体弹性变形显著,为道松公式适用区；B区为刚性体、等粘度的流体动压范围〔马丁公式适用区；C区为刚性体、变粘度流体动压润滑范围〔格鲁宾公式适用区；D区为弹性体、等粘度流体动压范围〔雷诺公式适用区。判断标准的几个参数如表4.4所列：表4.4判断参数弹性参数粘性参数速度参数载荷参数表中：P0圆柱体单位长度上的载荷；E’当量弹性模量；R当量半径；η0常温常压下的粘度；U速度；α压-粘系数。④弹流润滑实例介绍齿轮和滚动轴承通常处于弹流润滑状态下工作,适用的道松公式列于表4.5。表4.5齿轮和滚子轴承最小油膜厚度计算的道松公式计算部位最小油膜厚度计算公式齿轮节圆处接触点〔见图4.18滚子与内圈滚道接触点〔见图4.19滚子与外圈滚道接触点〔见图4.19表中：r1主动齿轮〔一般是小齿轮的节圆半径,cm；α0齿轮压力角,一般为20°；n1主动轮转速,r/min；n2从动轮转速,r/min；i传动比,i=n1/n2＝z2/z1；η0常温常压下的油粘度；α润滑油的压粘系数；E’当量弹性模量；B1主动齿轮宽度,cm；Pmax齿面上所受法向最大载荷或滚动体最大载荷〔滚子轴承,N。滚子有效长度；n内圈转速〔r/min；dq滚子直径；Dm滚子轴承中心圆直径。〔b〔b〔a图4.18齿轮传动简图B1n1r1n2节圆ddqDm〔a〔b图4.19滚珠和滚子轴承示意图n外圈内圈a.齿轮传动一般为线接触,因其各接触点的速度在运动中不断变化,膜厚也不断变化,就很不好计算。故将其简化,以直齿圆柱齿轮齿面上节圆处的接触点来计算其最小油膜厚度,此点的速度可以算出。一般使用道松齿轮油膜厚度计算公式。b.滚动轴承滚动轴承有两种类型：如图4.19〔a所示。滚珠〔球轴承：球与套圈之间是点接触；滚子〔滚柱轴承：滚子与套圈之间是线接触。通常轴承内圈旋转,外圈静止。例1：一闭式齿轮传动系统中,齿数z1=21,z2＝66,压力角α0＝20°,模数m=3.5mm,齿宽B=30mm,转速n＝1450r/min,传动功率N＝5.5kW。采用矿物油润滑,ν0＝177×10-6m2/s<cSt>,油的压粘系数α＝2.14×10-8m2/N,齿面粗糙度为Hjf=0.8μm.〔相当于▽8～▽7。求在齿轮啮合处〔节圆处的最小油膜厚度。解：通过功率计算齿面最大负荷Pmax：功率单位换算：N=Pmax×VV=n·2πr1/60通过齿轮的几何计算,得节圆半径：×10-3m；r2=116×10-3m。齿面在啮合点处的曲率半径为：；R2=39.6mm。当量曲率半径：。传动比：i=z2/z1=n1/n2=66/21=3.14。滚动速度：U=U1=U2=。取润滑油密度：ρ≈0.9g/cm3。润滑油的动力粘度：η0=ν0×ρ=177×10-6m2/s×0.9×103kg/m3=159×10-3Pa·s取E’=2.28×1011Pa〔钢对钢。计算判断标准：＝＝＝＝将计算所得四个判断标准之值,在图4.17中查阅。可见,该齿轮的工况属于A区,可采用道松的弹性流体润滑公式计算油膜厚度。代入道松齿轮油膜厚度计算公式：＝=13.3×10-7m=1.33μm齿轮粗糙度的平均平方根偏差为：Hjf=0.8μm。=因为1<λ<3,说明,此齿轮传动处于存在边界润滑的概率中,仍需加大润滑油的粘度或改变几何参数。例2：单列向心短圆柱滚子轴承,型号32208,滚子直径10mm,滚子有效长度9.6mm,滚子中心圆直径60mm,内圈转速5000r/min,外圈静止,受径向载荷1960N时,滚动体的最大载荷560N,矿物油润滑,η0＝20×10-3Pa·s<即20cP>,α＝2.14×10-8m2/N,求滚子与内圈接触处的油膜厚度。滚柱和内圈的表面粗糙度分别为平均平方根偏差0.2及0.05μm。取：E’=2.28×1011Pa。求滚子与内圈的最小油膜厚度。流体润滑原理小结1.粘度润滑油的粘度决定了流体润滑状态下的压力分布、油膜速度、流量、摩擦系数和油膜厚度等,所以是十分重要的参数。应了解粘度的多种表示法,和影响润滑油粘度的因素。动力粘度〔绝对粘度：η单位：P=10-1Pa·s；cP=10-2P=10-3Pa·s=102kgf·s/cm2量纲：ML-1T-1〔质量·长度-1·时间-1运动粘度：ν=η／ρ单位：St=10-4m2/s；cSt=10-2St=10-6m2/s量纲：L2T-1〔长度2时间-1影响粘度的重要因素：温度和压力。粘-温曲线：称雷诺粘度方程。β粘温系数。粘压曲线：α粘-压系数2.流体动压润滑⑴雷诺方程：流体动压润滑油膜压力分布的微分方程雷诺方程推导的依据是：粘性流体力学的基本方程和一些简化假定。方法是：由简到繁,由特例到普遍。建立油膜压力的条件有：收敛油楔的几何形状,具有一定粘度的润滑剂和相对运动速度。油楔效应：摩擦对偶间必须有收敛油楔的几何形状,根据流体不可压缩和流量必须连续导出一维雷诺方程：〔R-1伸张效应：由两表面间速度随时间变化而引起。因为这种情况不多,故雷诺方程中的伸张项常被忽略。挤压效应：两表面间有法向接近〔相对运动引起,此时的雷诺方程：〔R-2雷诺方程的普遍式：到虑了体积力、惯性力及密度变化等因素,〔R-3对于不可压缩液体的普遍式：〔R-4由此方程可见,引起油膜压力的三个因素：油楔效应,伸张效应和挤压效应。⑵斯托克斯方程：流体动压润滑膜的压力与速度关系方程。流体在间隙中的速度方程,u,w分别为速度在x和z方向的分量。将速度方程中的u和w对y积分,可得流量方程：由压力、速度、粘度、油膜厚度可求摩擦力〔剪切力：当y=h时,用‘+’；y=0时,用‘－’。当y=h时,用‘+’；y=0时,用‘－’。沿润滑膜边界积分可求得总摩擦力。3.弹性流体动力〔压润滑滚动或滚动带滑动接触时的润滑问题。与流体动力润滑的不同点在于：⑴高接触压力时润滑油的粘度发生变化；⑵重载荷使接触物体发生弹性变形。a.刚性滚动体的流体动压润滑下的最小油膜厚度公式,不考虑接触变形。马丁公式适合于轻载时：①粘度不受压力影响：②粘度受压力影响时：b.弹性滚动体流体动压润滑下的最小油膜厚度公式,考虑赫兹压力和滚动体的弹性变形。①线接触油膜压力分布分三个区域：进口区,油楔形成压力；赫兹区,压力增大,粘度变大,用以平衡赫兹压力；出口区,压力释放,有颈缩现象。格鲁宾〔грубин公式：〔由解析模型和假定推出。道松〔Dowson公式；道松修正公式：〔由雷诺方程和实验结果用计算机拟合。②点接触考虑侧泄。因计算复杂,无精确数学解,仅为近似数学解。奥查特〔Archard公式：郑绪云公式：c.选取适用公式的判断标准：弹性参数：粘性参数：速度参数：载荷参数：根据这些判断标准查表,表中分割为4个区。A区为弹性体、流体动压润滑范围〔滚动体弹性变形显著,为道松公式适用区；B区为刚性体、等粘度的流体动压范围〔马丁公式适用区；C区为刚性体、变粘度流体动压润滑范围〔格鲁宾公式适用区；D区为弹性体、等粘度流体动压范围〔雷诺公式适用区。用计算最小油膜厚度与摩擦副表面粗糙度之比：判断油膜工作的安全性。当比值λ>3,则润滑良好,可避免胶合。如λ<1,则为边界润滑状态易于发生擦伤、胶合及磨损。而当1<λ<3时,表面处与边界润滑的概率中。4.4流体润滑剂流体润滑剂主要有：润滑油、润滑脂,水基润滑剂和空气等几类。润滑油可分为：①馏份矿物油和含添加剂的馏份矿物油。②合成油。主要有：酯类、合成烃、聚烷撑醚、聚硅氧烷、含氟油和磷酸酯等。润滑脂：有各类润滑油作基础油,加入稠化剂、添加剂和填料配制而成。水基润滑剂有：水、乳化液以及水和其它物质的混合物。空气。润滑油尽管早期使用的润滑剂是动、植物油,但随着石油工业的不断发展,用石油炼制的矿物润滑油得到了广泛的应用。随着化学工业的发展以及对润滑油性能要求更高,发展了合成油。现分别介绍表征润滑油性能的指标〔理化指标和润滑性指标,添加剂和润滑油的基础油。①润滑油的理化性能⑴粘度润滑油最重要的性能是粘度,它表示润滑油本身的内摩擦。不仅决定了润滑性能,如摩擦力的大小,而且在润滑理论中,占有重要地位.另外由于其随温度和压力的改变而改变的特性,使其在弹性流体润滑中起到了十分重要的作用。绝对粘度〔动力粘度η。单位：Pa·s；泊〔P10-1Pa·s,厘泊〔cP10-3Pa·s。运动粘度ν。单位：m2/s；沲<St>10-4m2/s,厘沲<cSt>10-6m2/s。这些已在流体动力润滑理论中常常见到。粘度随温度和压力的变化规律也已有很多研究。并且在手册中已列出其粘-温、粘-压曲线。可以根据该油品某一温度时测得的粘度值,在图表上查出任意温度和压力下的粘度值。这里再介绍几种条件粘度：条件粘度：a.恩氏粘度〔Englerdegree〔0E〔我国习惯使用200ml试验油在规定温度t℃〔一般测20℃,50℃或100℃下,通过恩氏粘度计所需的时间〔秒,与200ml蒸馏水在20℃时通过恩氏粘度计所需时间〔51±1秒的比值称为恩氏粘度。以0E表示。恩氏粘度与运动粘度的关系：当1.35<0E≦3.2时,当0E>3.2时,b.雷氏粘度〔Redwoodsecond〔Rs〔英国习惯使用50ml试验油在规定温度下通过雷氏粘度计所需的时间〔秒称为雷氏粘度。以R表示,单位为秒。雷氏粘度计有几种规格。通过1＃粘度计者称1＃雷氏粘度R1。同样,通过2＃粘度计者为R2。雷氏粘度与运动粘度的关系：当,〔cSt；R1>100,〔cSt；32<R2≦90,〔cSt；R2>90,〔cSt。c.赛氏粘度〔Suyboltsecond〔SUS,S<美国习惯使用60ml试验油在规定温度〔100,130或210℉下,通过赛氏粘度计所需的时间〔秒,称赛氏粘度。以S或SUS表示,单位为秒。赛氏粘度与运动粘度的关系如下：当SUS<100时,〔cSt；SUS>100时,〔cSt。几种条件粘度与运动粘度的换算已经作出了图表,可方便查得。⑵密度〔g/cm3油的密度ρ为单位体积油的质量,通常以g/cm3为单位。由于其随温度而变化,故常注明其在某一温度下的密度值,如用ρ50来表示。密度随温度变化的规律,已作出图表换算时可以查阅。⑶比热容和热传导率润滑油的比热容和热传导率是作为冷却剂和传热介质的重要参数。大多数矿物油的比热容为1.8～2.0kJ/kg℃；热传导率约为0.126W/m℃。⑷酸值与碱值〔酸碱度酸值表示润滑剂的腐蚀性指标。油中酸值的高低表示：①有机酸含量的多少；②判断油的废旧程度。酸值越高,油越旧。可以看作油的使用寿命指标。⑸抗氧化稳定性润滑油被氧化会降低其使用寿命。因为氧化的主要产物是酸性物质、油泥和漆膜等,使油的粘度增大,并具有腐蚀性,在摩擦表面上会淤积一层不溶的沉淀物。⑹闪点将油加热,蒸发出的油蒸气在空气中达到一定浓度时,与火焰接触产生短时间闪火的最低温度称为闪点。闪点为润滑油在高温下安全性的重要指标。闪点在45℃以下为易燃品,在45℃以上为可燃品。闪点限制了油的最高使用温度。⑺凝固点是油冷却到停止流动时的最高温度。即油使用的最低温度极限。⑻起泡性润滑油搅拌时产生的泡沫,会影响其润滑性及其它特性,尤其会影响油泵的工作条件。⑼乳化分解度在规定条件下将油和水混合乳化,再在一定温度下静置,使其重新完全分离所需的时间称乳化分解度。这表明润滑油重复循环使用的性质。分离的时间越短,性能越好。⑽机械杂质、残炭及灰分一切外来的不溶性悬浮物或沉淀物都是机械杂质。润滑油在不通空气的条件下加热蒸发,分解生成的焦炭状残余物称为残炭。润滑油完全燃烧后的剩余物称为灰分。机械杂质、残炭和灰分会破坏油膜,堵塞油路,增大磨损。⑾水分表示油中含水量的多少。含水会使油质变坏、增加腐蚀、生成气泡、降低绝缘性。并可使添加剂分解、沉淀和堵塞油路。②润滑油的极压性极压性能：在极压条件下润滑油的摩擦磨损和抗胶合性能。通常在四球机上进行评定。摩擦系数：取决于润滑油的粘度。抗磨性能：常在四球机上进行试验,测定规定条件下球的磨损,磨斑直径。油膜破裂负荷〔PB：表示油膜破裂,磨损率发生明显变化时的负荷。烧结负荷〔PD：油膜破裂后,如继续加载,则金属表面发生接触而引起烧结,该情况下的负荷称烧结负荷。OK值：在铁姆肯〔Timken试验机上评定的油的抗擦伤负荷。承载能力：在Falex-0型试验机上测定。方法是：连续加载,直至发生擦伤或销发生变形时的负荷,即为该油品的承载能力。③润滑油添加剂为了改善润滑油在某些方面的性能,可加入某种化学物质,这就是添加剂。影响理化性能的添加剂有：降凝剂、增粘剂、抗泡剂、清净分散剂、抗氧抗腐蚀剂、抗氧防胶剂等。影响摩擦磨损性能的称极压添加剂。⑴清净分散剂这种添加剂在润滑油中能吸附在氧化生成的积炭和漆膜上,使之悬浮而分散到油中,以避免沉积于摩擦表面。它是一种油溶性的表面活性物质,其主要作用是中和酸、增溶、分散和洗涤。清净分散剂一般为中性或碱性的磺酸盐、环烷酸盐、羧酸盐及金属的有机化合物。使用时常与抗氧抗腐蚀剂复合。⑵抗氧抗腐蚀剂这类添加剂能抑制润滑油的氧化过程,降低氧化生成酸和不溶性化合物的速率,延长油的使用寿命。还能与金属生成化学反应膜,保护金属表面不受酸的腐蚀和磨损。这类添加剂有：二芳基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代磷酸锌及硫、磷化烯烃钙盐等。常与清净分散剂混合使用。⑶增粘添加剂〔粘度指数改进剂在粘度较低的轻馏分油中加入〔1～10％增粘剂,可提高粘度,改善粘-温特性。增粘剂为高分子聚合物,具有线状结构。在不同温度下,聚合物的形态不同。在高温下,聚合物分子溶解膨胀,表面积增大,使液体的内摩擦增大。在低温时线状分子卷曲呈紧密的小球,对油的粘度影响不大。故能起到高温下增粘的效果以改善粘-温特性。增粘剂有：聚异丁烯、聚甲基丙烯酸酯及聚乙烯基正丁基醚等。⑷防锈添加剂这类添加剂具有一个或几个极性基团的分子,与金属表面有很强的附着能力,其非极性端伸向润滑油,以形成保护膜或与金属生成钝化膜,起隔水及隔氧的作用。从而起到防锈作用。⑸抗泡添加剂抗泡剂不能防止泡沫的产生,但可降低润滑剂的表面张力,缩短气泡存在的时间。主要用于各种循环系统的润滑油中。⑹降凝添加剂矿物油冷却时会使石蜡以针状或片状结晶析出,并相互粘结形成三维网状结构,将油吸附和包围起来,使油失去流动性。降凝剂通过吸附在石蜡结晶表面或与其形成共晶,改变石蜡结晶的形状和尺寸,防止生成三维网状结构,从而保持油在低温下的流动性。提高润滑油的低温性能。⑺极压添加剂根据其作用特点可分为减摩、抗磨和极压三种,但又很难将其截然分开。a.减摩添加剂〔又称油性添加剂是一些表面活性物质,极性很强,能与金属分子形成化学键,或化学吸附膜。降低边界润滑条件下的摩擦,得到稳定的摩擦系数。这类添加剂有：天然酯、脂肪酸及其酯和盐等。b.抗磨添加剂在高温下能与初熔金属发生化学反应,在摩擦表面上生成一种表面活性物质的薄界面膜,即反应膜,以防止摩擦表面熔合和剧烈磨损。这类添加剂大多是含硫的化合物和磷酸酯等。c.极压添加剂在摩擦引起高温的情况下,能分解出活性元素与金属表面起化学作用,促进生成一种熔点比金属低、剪切比金属低、容易塑性流动的化合物薄膜,从而防止干摩擦或边界摩擦时摩擦表面的熔合和胶合。这类添加剂主要是含硫、磷、氯的有机极性化合物。这里可见极压添加剂的作用是防止发生金属接触,即在不能建立起流体动力润滑的情况下的补救措施。但极压剂往往带有一定的腐蚀作用,使用时必须权衡利弊。④润滑油的基础油1.矿物油润滑油中95～97％是矿物油。生产润滑油的原料是重油,是从原油中已蒸出汽油、柴油和煤油后的常压渣油,通过精制提炼至某种馏分而得到的。作为基础油的馏分大概在300℃以上,平均分子量在350左右。由于石油成分复杂,尽管同样的馏分,也能得到不同的含碳数及分子结构的油,因此,油的粘度也不一样。⑴石油基础油的主要成分：石油是很多种碳氢化合物的混合物,其主要成分是碳化氢,其次是硫、氧、氮。制成润滑油的石油馏分主要有三类：石蜡系；环烷系〔环烷烃；芳香族系。其典型的碳化氢如表4.6中所列：a.石蜡分标准石蜡〔无支直链石蜡和分支直链石蜡〔异链石蜡。作润滑油的以烷基侧链石蜡为主。石蜡基油的粘度低,挥发性也低,粘度指数较高。〔与相同数目碳的碳化氢相比。但石蜡链过长会凝固,有时需作脱蜡处理。此外,还有一类是石蜡的不饱和烯烃。因其不饱和,故化学活性大,可作合成润滑油的原料。b.环烷基油中含有大量环烷环碳原子。在石油中的环烷,以5和6个碳原子环为多见。与石蜡相比,环烷基油的粘度大,而且粘-温和粘-压效应也明显。表4.6石油中的典型碳化氢名称分子式构造式石蜡n-己烷异辛烷十六烷C6H14C8H18C16H34环烷基环己烷甲基环戊烷萘烷〔氢化萘·萘烷C6H12C6H12C10H18芳香族苯甲苯萘萘满C6H6C7H8C10H8C10H12c.芳香族是由苯环组成的物质,含有碳原子的不饱和键,碳数较多。具有低挥发、高粘度及高密度的特点。这类油易于氧化,不耐长期使用。真正做润滑剂用时还需加入各种添加剂,以弥补原油中炼出的石油馏分的不足。不加任何添加剂的油经脱色处理后呈白色,称白油。常用这类白油作为评价添加剂作用的参照样品。⑵石油基础油的摩擦学性质低分子烃类的摩擦学性质润滑油中主要含沸点在300～350℃的烃类。有人试验了各种低分子烃〔C6~C16的摩擦和磨损性质,发现其与烃类分子中的碳原子数有关。图4.20低分子烃类的碳原子数与其摩擦磨损性能的关系实验条件：温度：室温；负荷：98N；转数；1750r/min；时间：10min摩擦系数磨斑直径mm图4.20低分子烃类的碳原子数与其摩擦磨损性能的关系实验条件：温度：室温；负荷：98N；转数；1750r/min；时间：10min摩擦系数磨斑直径mm表4.7一些典型烃类的抗磨作用芳香烃混合烃环烷〔烯烃烷〔烯烃烃WSD烃WSD烃WSD烃WSD苯0.62乙基苯0.63六氢茚满0.62正-十二烷0.65甲苯0.60正己基苯0.59十氢萘0.61正-十六烷0.64邻二甲苯0.57正十二烷基苯0.51过氢化菲0.62正-十八烷0.58间二甲苯0.57四氢萘0.59环戊二烯0.47正-廿烷0.55对二甲苯0.591,2二氢化茚0.617-甲基十六烷0.62联苯0.57茚0.443,4-二甲基廿二烷0.65二苯基甲烷0.57芴0.53异-卅烷0.64萘0.55二氢苊0.55正十六烯-10.591-甲基萘0.50苊0.462-甲基萘0.51芪0.492-乙基萘0.47联苄0.45三苯基甲烷0.50菲0.51芘0.51注：1.白油中加入的浓度除了芘为1％外,其余均为3％；2.四球试验条件为：负荷147N；试验时间60分钟。3.WSD为磨斑直径〔mm。白油的WSD=0.63b.润滑油中烃类的抗磨作用绝大部分矿物油中的烃类承载能力都比较低,只有在低负荷下有一定的抗磨作用。用四球机进行的试验结果如表4.7所示〔实验条件：油品白油中加3％的烃类；负荷147N；时间60分钟：由表4.7可得出如下结论：ⅰ单环芳烃没有抗磨作用,引入甲基链,或环数增多就有明显效果。侧链加强〔如十二烷基苯也有明显效果；ⅱ对比茚和二氢化茚、苊与二氢化苊可以看到,存在不饱和键时,抗磨性明显改善；ⅲ环烷烃没有明显的抗磨作用。只有存在不饱和键〔如环戊二烯时,才得到改善；ⅳ烷烃的链加长可改善抗磨性,侧链存在时降低抗磨性。烯烃对于不锈钢有一定的抗摩耐磨效果,主要是不锈钢中的Cr,使烯烃的双键打开,与Cr或氧化铬反应生成润滑膜,改善了摩擦学性能。c.气氛对烃类抗磨作用的影响在惰性气氛和含氧及水的气氛中,环烃类的抗磨行为是不一致的。饱和烃和含单环芳烃的混合烃以及双环〔非稠环芳烃等在惰性气氛中抗磨性好,在有氧气和水的环境中损害了其抗磨性。而二、三环多核芳烃,1-甲基萘和茚恰恰相反。数据如下表4.8所列：d.杂原子化合物的摩擦学性能石油中的杂原子化合物主要是含硫、含氧和含氮的有机化合物。一些典型化合物的抗磨性试验结果说明：表4.8一些双环烃类在不同气氛中的抗磨作用〔球柱试验机,负荷98N烃化学式25℃粘度mPa·s不同气氛中的磨痕直径WSD,mm干氩干空气湿空气十氢萘2.870.260.350.42异丙基二环己烷9.460.240.240.35二次甲基十氢萘11.50.200.290.41苯基环己烷2.700.310.330.50四氢萘2.100.250.420.68二氢茚1.520.300.310.42二苯基甲烷2.700.290.430.621-甲基萘2.650.820.330.36茚1.710.910.720.33ⅰ含硫化合物中多数不仅没有抗磨作用,在低负荷下还有促进磨损的作用。硫化物与金属表面反应会造成腐蚀磨损。ⅱ.含氧含氮化合物在低负荷下多数具有抗磨作用,可在金属表面形成吸附膜,对摩擦表面起保护作用。但是这些化合物又会对一些极压添加剂的抗磨效果起负作用。因为它们要与添加剂竞争吸附表面,也可能与添加剂起化学作用。所以在润滑油中要尽量去掉这些杂原子化合物。2.合成润滑剂由于石油作润滑剂的性能有局限性,加之精制困难,因此在某些特殊用途的场合,采用人工合成具有理想性能的"石油",如为解决高温下使用,必须要从碳氢化合物之外去寻找基础油的材料。合成润滑剂是通过化学合成方法制备的润滑剂。合成润滑剂的分子结构中,除了含碳氢元素外,还分别含有氧、硅、磷、氟、氯等元素。表4.9合成润滑剂与矿物油的性能比较性质矿物油<石蜡基>聚α烯烃双烷基苯双酯多元醇酯聚醚磷酸酯硅油粘-温特性FGFVGGVGPE低温性PGGGGGFG高温氧化稳定性〔带抑制剂FVGGGEGFG与矿物油相容性EEEGEPFP低挥发度FEGEEGGG与多数涂料相容性EEEVGGGPVG水解稳定性EEEFFVGFG防锈性〔带抑制剂EEEFFVGFG添加剂溶解度EGEVGVGFGP密封材料溶胀性〔丁腈胶EEEGFEFE注：P不好；F一般；G好；VG很好；E极好。a.合成润滑剂的一般性能根据化学结构的不同,合成润滑剂可分为：酯类、合成烃类〔如聚α烯烃、聚烷撑醚、聚硅氧烷、含氟油和磷酸酯等。每类合成润滑剂都有其独特的化学结构、特定的原料和制备工艺、独特的性能和应用范围。某种合成润滑剂可能具有某些特殊的优点,但没有一种单一的液体各方面性能都优越,可取代任意一种润滑剂。表4.9所列为合成润滑剂与矿物油的性能比较：b.合成润滑剂的主要应用及摩擦学性质⑴酯类油〔双酯、多元醇酯和复酯酯类油是由有机酸与醇进行酯化反应获得的。其结构特征是分子中都含有酯基官能团。双酯的结构通式如下：R,R’是不同碳数的烷基。酯类油的粘温性能良好,粘度指数较高。加长酯分子的主链,可增大粘度和粘度指数。带侧链的粘度大,粘度指数低。带芳香侧链的粘度指数更低。同一酯类,随着分子量的增大低温粘度也增大；引入支链或酯化不完全或存在羟基,其低温粘度更高。酯类油的压-粘系数不大只有矿物油的1／3～1／5〔矿物油的压粘系数20～36Gpa-1,宜用作弹流润滑剂。因为压-粘系数α小,最小油膜厚度h0就小。酯类油因高温分解机理不同,其热稳定性随结构不同而异,。酯类油的氧化稳定性很好,但也随结构不同而异。酯类油的润滑性,由于其分子具有微弱的极性,故容易吸附在摩擦表面上形成边界膜,因而其润滑性优于同粘度的矿物油。酯类油一般用作航空发动机润滑油、精密仪器仪表油、压缩机油等。以及在石油化工和精细化工中应用。⑵聚α烯烃聚α烯烃是合成烃的一种。由碳链端头含双键的长链α烯烃,在催化剂作用下聚合而成。其结构通式如下：R1,R2,R3为碳数不等的烷基聚α烯烃的粘-温性一般较好,其低温性能和粘温性与同粘度的矿物油相比要好得多。聚α烯烃的氧化稳定性也较矿物油的好。粘度变化小,结焦少。二烷基二硫代甲酸盐等抗氧剂可使其氧化受到抑制,而大大改善抗氧化性能。但聚α烯烃的润滑性〔抗摩擦性由于其为非极性分子,所以不如酯类油和矿物油好。而且不易溶解某些添加剂,故添加剂的效果也不明显。聚α烯烃主要用于汽车中,如作为汽车发动机油、车用齿轮油、液压油等,作介电冷却液可防止电击穿、过滤器阻塞和火灾等。⑶聚醚〔聚烷撑醚聚醚是以环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷和四氢呋喃等环氧开环均聚或共聚制得的线型聚合物。其结构通式如下：R1,R2,R3,R4可以是H,也可以是烷基。n=2～500。聚醚的性能与其分子结构紧密相关,其粘度、粘度指数、热氧化稳定性都随结构而异。聚醚的粘度和粘度指数随分子量的增加而增大。其粘-压特性也随分子结构而异,但通常低于同粘度的矿物油。由于聚醚的极性强,可在几乎所有润滑状态下形成非常稳定的具有强大吸附力和承载能力的润滑性良好的边界膜。聚醚在弹流润滑范围内,由于其压粘系数较低,故具有较低的摩擦系数,和较小的油膜厚度。在齿轮、蜗轮、滚动轴承中的实验结果优于含极压添加剂的矿物油。聚醚的热氧化稳定性并不优越,但加入抗氧剂可使其分解温度提高到240～250℃。在此温度以上不能使用。聚醚类化合物可溶于水〔有一定溶解度,升高温度时又能析出,因此它可以作为金属的淬火液和金属切削液。聚醚可作高温润滑油、齿轮润滑油、制动液〔沸点高,且对橡胶无影响、难燃液压油〔液、金属加工液等。⑷硅油硅油是液体的聚硅氧烷。作润滑剂的主要有甲基硅油、乙基硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油等。其结构通式如下：R,R’为氢、甲基、乙基、苯基、氯苯基等。硅油的粘-温性能是各种润滑油中最好的。硅油的热氧化稳定性良好。如使用热氧化稳定剂〔添加剂,可使硅油的热分解温度提高几十度。但硅油的边界润滑性较差。但由于其它性能好,所以使用甚广。为设法提高其润滑性,在硅酮中引入烷基或加入含氯、含磷化合物,但他们将降低硅油的其它性能。硅油的表面张力小,有很好的润湿性。硅油还是良好的绝缘材料。硅油用作仪表油、特种液体、减震液。作润滑脂的基础油〔如KK-3,KK-4等。⑸氟油氟油是分子中含氟元素的合成润滑油,较重要的有氟烃,氟氯碳和全氟醚。还有氟硅油含氟腈、含氟酯、和氟溴油等。全氟烃：直链全氟烷烃〔CnF2n+2、全氟环烷烃〔CnF2n的粘-温性能为氟油中最差。氟氯碳油〔R－[CnF2n-m－Clm]－R’次之。由四氟乙烯制得的全氟聚醚的压-粘系数比石蜡-环烷基矿油的小得多：全氟聚醚／石蜡-环烷＝4～12／21GPa-1.氟油的最大特点是化学惰性,在100℃以下,分别与浓硝酸、浓硫酸、王水、铬酸洗液、氢氧化钾、氢氧化钠的水溶液等接触不发生化学反应。氟油在空气中加热不燃烧。与氟、过氧化氢水溶液、高锰酸钾水溶液在100℃以下不反应,全氟醚在300℃时与发烟硝酸、四氧化二氮接触不爆炸,氟油的热稳定温度在200～300℃氟油的润滑性比一般的润滑油好。其润滑油和润滑脂具有使用温度范围宽,低蒸气压,良好的粘-温性和化学惰性等,在航天工业中获得广泛的应用。但在真空极压条件下,没有添加剂时会与金属发生作用,以及在低氧分压下发生降解等现象,使润滑剂变质。不过仍不失为航天、真空、导弹、核装置等的部件上使用的良好润滑剂。特别是加上抗氧添加剂,则性能更佳。4.4.2润滑脂润滑脂是将稠化剂分散在液体润滑剂内的半固体或半流体形态的稳定混合物。①润滑脂的组成成分：a.基础油多数是矿物油,也有用合成油的。基础油的含量约占70～90％,因此基础油的性质和质量决定了润滑脂的性能和质量。作为润滑脂基础油的矿物油最好用精制的环烷基油。合成油中的酯类油、硅油、聚醚、聚α烯烃、磷酸酯和氟油都可以用。但要注意合成油与稠化剂的配伍性。b.稠化剂稠化剂是润滑脂中不可缺少的固体成分,分散在基础油中形成结构骨架,并使基础油被吸附和固定在结构骨架之中,从而形成具有塑性的半固体状的润滑脂。稠化剂可分为四大类：ⅰ皂基稠化剂：是高级脂肪酸的各种金属盐〔皂。有钠皂、锂皂、钙皂、锶、鋇、铝皂等或各种混合皂或复合皂。ⅱ烃基稠化剂：主要是地蜡、石蜡及石油脂。ⅲ有机稠化剂：有聚脲、酰胺、酞青、聚四氟乙烯、阴丹士林、聚对苯等。ⅳ无机稠化剂：有膨润土、硅胶、炭黑、氮化硼等。c.添加剂和填料润滑脂添加剂的作用机理与润滑油基本相同。不过由于有稠化剂的存在,使添加剂的作用有时不够敏感。有些极性物质添加剂还有可能破坏润滑脂的结构。则这类添加剂就不能采用。添加剂除了与润滑油的一样,有抗氧剂、金属钝化剂、防锈剂、抗磨／极压添加剂外还有结构改善剂。以达到降低摩擦磨损和预防胶合的目的。填料也是一种固体添加剂,其作用在于增稠和提高润滑脂的润滑能力。如石墨、二硫化钼、氮化硼、滑石粉等。②润滑脂的特性润滑脂不会流动。要到剪应力达到某一极限后,才开始流动,而且剪应力与剪切率剪切率γ剪应力τ12图4.21剪应力与剪切率的关系1-润滑油〔牛顿液；2润滑脂〔非牛顿液12剪应力τ剪切率γ图4.22流边性和触变性示意图1-触变性；2-流变性剪切率不成正比,所以是非牛顿流体。如图4.21所示。当流体受到剪切后缓慢回复时,如果其剪应力略低于起始点的数值,这种性质称触变性〔见图4.22的曲线1。如其剪应力高于起始点的数值,称为流变性。润滑脂与一些非牛顿液体一样,属于触变性。即当润滑脂受到剪切作用时,它的稠度开始下降,发生软化；而在剪切作用停止后,稠度又开始上升〔硬化。但是,稠度的恢复是不完全的,也即不完全可逆的。多数是低于剪切前的稠度。这种性能〔如不是太明显,有利于剪切时的泵送,因为剪切后稠度和粘度降低。但降低太大时则易于流失。润滑脂的粘度与普通液体的粘度不一样,不像牛顿流体那样一定温度时是一个常数,不随液层间的剪切速率而改变。润滑脂流动时的粘度,在一定温度下不是常数,是随脂层间的剪切速率而改变。剪切速率小的时候,粘度大；剪切速率增大时,粘度变小。如再加大剪切速率,就可以小到保持恒定。为了便于比较润滑脂的粘度,也按牛顿液体来处理,将其剪切应力与剪切率的比值称作相似粘度〔或表观粘度。表观粘度是润滑脂开始流动时的粘度,表观粘度随剪切速率而改变,也随温度而改变。低温时粘度很大,常常使起动时的阻力太大。所以在低温或宽温度范围使用的润滑脂,要规定其低温粘度。一般在-10℃下测量,如低温使用时,还要在最低使用温度下测定。它是衡量供脂时泵送性能的指标。表观粘度越低越容易泵送。a.润滑脂的理化性能指标<1>稠度〔针入度因为润滑脂的表观粘度随温度而变化,因此很难测得,故采用比较简单的方法,即测量润滑脂的稠度。稠度是指润滑脂在外力作用下抵抗变形的程度。用针表4.10润滑脂品种等级及其工作针入度品种等