潤滑油和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(jī)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(dú)特的流變性質(zhì)，稠度和觸變性，在外力作用下才能產(chǎn)生變形和流動，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時成為粘度接近基礎(chǔ)油的流體而起潤滑作用，除去外力或軸承停止運(yùn)轉(zhuǎn)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(tǒng)可以簡化，機(jī)械可以做得更小些，更輕些。 近年來，潤滑脂流變學(xué)的研究有了很大進(jìn)展，這些研究一開始就著眼于集中潤滑系統(tǒng)的發(fā)展，報(bào)導(dǎo)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(zhì)上的差異仍然不很留意。因此，不少習(xí)以為常的選擇和使用方法似是而非，實(shí)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(zhì)及其與軸承潤滑的關(guān)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(jié)構(gòu)和稠度 潤滑脂主要是由基礎(chǔ)油和稠化劑所組成。為了改進(jìn)產(chǎn)品的某些性能，往往還加有適當(dāng)?shù)奶砑觿? 鋰基潤滑脂已被***使用，它的稠化劑是鋰皂，鋰皂對基礎(chǔ)油的溶解度極小，經(jīng)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(chǔ)油保持其中，形成具有一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)分散體系。基礎(chǔ)油是可以流動的連續(xù)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(jié)構(gòu)在剪切過程中的變化 而在剪切作用下，皂纖維的結(jié)構(gòu)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(dāng)停止剪切時，結(jié)構(gòu)骨架又逐漸恢復(fù)，潤滑脂又變稠。膠體體系這種由稠變稀、再由稀變稠的現(xiàn)象，稱為觸變性。但是潤滑脂的觸變性是不完全的，在強(qiáng)烈的剪切作用下，由于一部分皂纖維已被剪斷，要完全恢復(fù)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(qiáng)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(jié)構(gòu)分散體系所顯示的一系列復(fù)雜的流變性質(zhì)，對此，ВИНоградоБ⑴等曾提出過用圖2所示的簡單的力學(xué)模型來描述：①在較小的外力作用下，彈簧γ1產(chǎn)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(dá)到平衡；③當(dāng)外力超過滑塊τy的摩擦力時，產(chǎn)生不可逆的塑性變形；④終于拉動粘壺η2而產(chǎn)生流動。 綜觀圖2，外力小時，潤滑脂的流變性質(zhì)主要表現(xiàn)為彈性、粘彈性和塑性。這是皂纖維的骨架結(jié)構(gòu)在起作用。隨著剪力的增大，結(jié)構(gòu)逐漸瓦解，粘性增強(qiáng)，并終于站主導(dǎo)地位。 習(xí)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(guī)定的測定條件下，五秒鐘內(nèi)，規(guī)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(shí)際上，錐入度包含了圖2描述的所有力學(xué)因素，而總的來看，與塑性的相關(guān)性較大，例如：Crddle和Dreher⑵測得的錐入度與降伏值的關(guān)系如圖3。 在石油產(chǎn)品規(guī)格中，根據(jù)錐入度的大小，將潤滑脂分為各種牌號。例如：牌號 錐入度（25℃）0 355~3851 310~3402 265~2953 220~2504 175~205 從實(shí)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(biāo)。二. 潤滑脂的粘度 流體潤滑理論的基礎(chǔ)是牛頓關(guān)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(shù)，即通常所說的粘度，是衡量粘性流體內(nèi)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。 粘度是潤滑油相當(dāng)基本的性質(zhì)。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(guān)的***參數(shù)。潤滑油的牌號首先要根據(jù)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(zhì)比較復(fù)雜，而且受時間和經(jīng)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(guān)系 當(dāng)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(guān)系，其比值η叫做相似粘度或結(jié)構(gòu)粘度，是剪速或剪力的函數(shù)，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(shù)。常溫附近，大多數(shù)潤滑脂的n在0.1~0.2之間。實(shí)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(xiàng)所起的作用愈大。 只有當(dāng)剪力進(jìn)一步增大，剪速才逐漸與剪力呈直線關(guān)系。將直線部分延長，與橫坐標(biāo)相關(guān)于τB，這是可以求得一個固定的粘度。 μΡ=（τ-τB）/μΡ ⑶ 或τ=τB+μΡ ⑷ 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(guān)，始終是一個常數(shù)。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(wěn)定在接近基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱所支配，所以兩者之間也有一定的關(guān)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(biāo)。在高剪速下，由于皂纖維的骨架結(jié)構(gòu)已經(jīng)徹底破壞，因此，塑性粘度的大小與稠度無關(guān)，而主要取決于基礎(chǔ)油的粘度、金屬皂的濃度，以及基礎(chǔ)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(shù)，并考慮在潤滑脂摸中剪力小于τB的地方要產(chǎn)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(jī)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(lǐng)域內(nèi)，潤滑脂的塑性粘度是決定潤滑性能的基本參數(shù)，而塑性粘度又在很大程度上決定于基礎(chǔ)油的粘度，因此，基礎(chǔ)油粘度就成為決定潤滑性能的主要參數(shù)。換句話說，潤滑脂中基礎(chǔ)油的粘度要根據(jù)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(zhuǎn)速低或負(fù)荷小時，選用低粘度的基礎(chǔ)油。 圖6 基礎(chǔ)油粘度與潤滑性能的關(guān)系 圖6概括了小松崎等⑸的研究結(jié)果。從圖中可以看出，對軸承溫度和潤滑壽命，有一個相當(dāng)適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)油粘度。小于相當(dāng)適當(dāng)粘度時，由于抗負(fù)荷能力不足，不能形成充分的潤滑脂膜，所以軸承的轉(zhuǎn)矩大、溫度高、潤滑壽命短。大于相當(dāng)適當(dāng)粘度時，由于內(nèi)摩擦增大，也使軸承轉(zhuǎn)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(chǔ)油的粘度，因此，在潤滑油產(chǎn)品目錄中應(yīng)注明基礎(chǔ)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(yīng)用于潤滑脂的生產(chǎn)。 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(zhuǎn)速低、負(fù)荷大時用稠度大的潤滑脂；溫度低、轉(zhuǎn)速高、負(fù)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(chǔ)油和稠化劑的熱穩(wěn)定性，以及兩者所決定的潤滑脂的相狀態(tài)，在基礎(chǔ)油合適的情況下，基本上是決定于稠化劑的種類。一般來說，鈣基潤滑脂的相當(dāng)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(jìn)潤滑脂耐溫性能的作用不大。在低溫下，當(dāng)然應(yīng)盡可能使用低稠度潤滑脂，但是，更重要的還是基礎(chǔ)油的低溫粘度要小，凝固點(diǎn)要低。 對高速滾動軸承來說，潤滑脂的機(jī)械安定性和下面將要談到的成渠性非常重要，為了補(bǔ)充潤滑脂的機(jī)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(zhuǎn)矩、尤其是啟動轉(zhuǎn)矩，對一般轉(zhuǎn)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(chǔ)油的粘度，而潤滑脂膜具有明顯的彈性，因此它的抗負(fù)荷能力大于基礎(chǔ)油。只要基礎(chǔ)油的粘度適當(dāng)，潤滑脂的抗負(fù)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(yùn)動情況。 填充在滾動軸承里的潤滑脂的運(yùn)動，隨著軸承的旋轉(zhuǎn)，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(shí)際需要量，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)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(hù)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(yùn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動著的滾動體帶進(jìn)滾道之間，這些潤滑脂在隨著軸承轉(zhuǎn)動體循環(huán)的同時，陸續(xù)少量排出。這時軸承溫度仍然繼續(xù)上升，可稱為潤滑脂的走合階段，根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)中潤滑脂質(zhì)量、填充量等因素，這段時間可能持續(xù)十幾分鐘，甚至幾小時。 當(dāng)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(jìn)入軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段。這時溫度逐漸下降并達(dá)到平衡狀態(tài)。也就是說，長期的潤滑作用主要上依靠這層潤滑膜來承擔(dān)（圖7a）。此外，在軸承的長期運(yùn)轉(zhuǎn)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(chǔ)油，溜進(jìn)滾道之間后，對潤滑也有一定的補(bǔ)充作用。 圖7 潤滑狀態(tài) 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(yùn)轉(zhuǎn)中軸承溫度低，而且平穩(wěn)，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(fù)回到滾到里的多余潤滑脂長期處于被強(qiáng)烈攪拌的狀況（圖7b），軸承的轉(zhuǎn)矩大，溫度高，而且不平衡，還可能產(chǎn)生噪音，潤滑脂也容易變質(zhì)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(nèi)部潤滑脂的運(yùn)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(tài)，即經(jīng)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(xiàn)曲線3的情況，無疑要停下來拆檢。除機(jī)構(gòu)和裝配上的原因之外，是由于潤滑脂而產(chǎn)生的啟動溫升異常，常見的有以下三種情況①軸承內(nèi)部缺少潤滑脂，金屬表面之間產(chǎn)生了干摩擦；②由于潤滑脂質(zhì)量不好，不能在滾動體周圍形成輪廓，產(chǎn)生渦流現(xiàn)象；③潤滑脂填充量過多（圖7b）。實(shí)際上絕大多數(shù)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(dāng)我們知道了潤滑脂在軸承中的運(yùn)動過程之后，自然就會得出一個結(jié)論：軸承中的潤滑脂不宜過多。潤滑脂多了不但浪費(fèi)，而且是有害的。軸承的轉(zhuǎn)速愈高，危害性愈大。 ⑴潤滑脂填充量愈多，摩擦轉(zhuǎn)矩愈大。同樣的填充量，密封式軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩大于開放式軸承。潤滑脂填充量相當(dāng)于軸承內(nèi)部空間容積的60%以后，摩擦轉(zhuǎn)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(nèi)徑為50毫米、相當(dāng)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(zhuǎn)/分、12和41公斤徑向負(fù)荷的條件下，運(yùn)轉(zhuǎn)1.5小時后,測定潤滑脂填充量與漏失量的關(guān)系。結(jié)果表明，潤滑脂填充量相當(dāng)大容脂量的三分之二，就有漏失的可能。而且負(fù)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(guān)系 一般認(rèn)為；密封式滾動軸承的潤滑脂填充量，相當(dāng)多不得超過內(nèi)部空間的50%左右。Shawki和Mokhtar⑹的試驗(yàn)表明，滾動軸承以20~30%相當(dāng)為適宜。 當(dāng)然，為了確定相當(dāng)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(huán)境中工作的開放式軸承來說，也可以在護(hù)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(tài)，使軸承免受灰塵或潮濕的侵襲。