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机械设备的润滑状态

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来源:http://www.zximd.com 点击数:3096次 更新时间:2014-12-09

一、设备的润滑状态
众所周知,润滑是降低摩擦减少磨损的有效方法。根据润滑油膜的形成原理与摩擦副表面被隔开的程度,润滑状态可分为边界润滑,混合润滑和流体动力润滑。Streibeck 以滑动轴承的大量实验数据为基础绘制了著名的Streibeck 曲线(图1)。

曲线的纵坐标是摩擦因数f(μ),横坐标为Zn/p,Z 是润滑剂的黏度,n 是轴的转速,p 是轴承压力,该曲线的最好说明是轴在滑动轴承中的启动过程(图2)。


图2 中a 是静止状态时轴和轴承的情况。b 是当轴从静止状态开始旋转时,轴按图中方向向b 点爬行,此时系统还不具备形成承载动力油膜的条件。摩擦表面主要依靠边界膜保护,故摩擦因数较高。c 是随着转速的提高,卷入的润滑油增多,从而形成一定的油膜压力迫使轴向左方移动,轴的表面逐渐与轴承表面隔离,摩擦因数急剧下降是为混合润滑状态。d 是轴的转速进一步提高后,动力油膜充分形成,表面完全隔开,摩擦力只是油膜的分子之间的阻力。摩擦因数降至最低,这便是流体动力润滑。此后,转速再增高时,剪切速度增大,摩擦因数又会缓慢上升。
如前所述,Streibeck 曲线的建立是以滑动轴承为基础的,其横坐标采用滑动轴承特性数Zn/p 是很合理的选择(其意义与Sommerfield 数ηω/p 相同)。但是随着摩擦学的发展,研究对象日益丰富和多样化,仅用这个参数来表示摩擦副表面间的隔离程度是具有局限性的。美国的Hamrock 教授提出, 为使Streibeck 曲线更具普遍性,将横坐标改为油膜厚度与表面粗糙度之比(比膜厚Specific Film Thickness)λ。
λ=hmin/σ,hmin为最小油膜厚度,σ 为摩擦副综合表面粗糙度,σ=(σ12+σ22)1/2,σ1 为摩擦副表面1 的粗糙度,σ2 为摩擦副表面2 的粗糙度,于是便有图3。


图3 中除了横坐标的变动外又加上了一个新的润滑状态:弹性流体动力润滑状态,这就使曲线的含义更加完整了。近来又提出一种更新的表示方法,实际上是将图1 图2 合并起来,便有图4。、

如果将图4 数值化则可成表1,见图5。表1 中给出了各种润滑状态下典型的油膜厚度hmin,比膜厚λ 和摩擦因数μ。1.边界润滑从使用寿命、可靠性、节约能源,降低材料消化等方面来看。
当然希望能够实现流体动力润滑或者弹性流体动力润滑,但是有些情况往往不能获得理想的润滑条件例如:

 (1)如果设计计算的油膜厚度与表面综合粗糙度的比值<5时;
(2)多次重复启动停机。或者承受过高载荷,冲击载荷时;
(3)零件的几何尺寸不当,油的黏度过低,供油中断或者对中太差而使油膜难以形成时。
在这些情况下,边界润滑常常成为保护接触表面不发生直接接触的最后保障。图5 表示在表面形成物理沉积膜或化学反应膜将两者隔开。哪些情况需要边界润滑呢?
(1)齿轮在重载低速条件下工作时,差速器中的曲齿伞齿轮由于其几何形状和受载条件难以形成动力油膜更是需要边界润滑来降低胶合磨损。
(2)发动机的阀系零件,特别是凸轮挺杆。
(3)金属切削和成型工艺。
(4)摆动运动的滚动轴承。
(5)滑动轴承在低速重载下,经常起停或摆动。

2.固体薄膜生成条件在边界润滑时,起保护作用的是固体薄膜。这层薄膜或由物理吸附形成,或由化学反应产生。在具有边界膜的情况下滑动只发生在薄膜之间或者当薄膜受剪切时不损伤其所覆盖的金属基体,这些膜的生成取决于
下列条件。
(1)基础油及添加剂的化学性质。在柔和的滑动运动和适度的温度条件下,边界膜可能只是吸附来自基础油中的极性分子,例如氮的化合物或者来自添加剂中的胺和乙醇。其有效性取决于碳原子12 以上的链长以及被吸附分子的化学活性。必须了解这种吸附是可逆的,当温度升高时,吸附能力和保护作用将会丧失。
(2)润滑性或减摩性,主要是长链极性有机化合物和表面活性赋予润滑剂的,例如脂肪酸和油酸与铁表面反应而生成的皂膜。
润滑剂的抗磨特性也可通过加入添加剂而获得。ZDDP 是最常用的抗磨添加剂,几乎所有的发动机润滑油中都含有ZDDP,而三甲基磷酸TCP 则常用于合成油。抗胶合添加剂则是在金属表面形成金属盐而起保护作用。例如油中的硫化物与钢表面形成硫化铁薄膜。

(3)金属表面的化学性质。金属表面的化学活性影响边界膜的形成。铜基合金与铁基合金或其氧化物很容易吸附油中的极性分子,这种反应实际上是腐蚀性质的。不锈钢,铝合金和贵金属则活性很差,较难形成边界膜,(4)表面温度。边界膜的有效性受到吸附物熔点的限制。有机金属反应生成物为硬脂酸盐金属皂的熔点只有65℃,而像硫化铁这样的金属盐的熔点则高达1000℃,故可防护表面在高温下不发生胶合。当然任何化学反应都随温度升高而加速而且某些添加剂只有在高温下才会形成保护膜。在边界润滑条件下,磨损是不可避免的,常常需要不断补充或再生才能持续起作用。
3.流体动力润滑
两个相互运动的表面之间在充分供油而有关参量再是当时会形成一个能够承受外加载荷的油膜(或其他流体膜)。理想情况下,流体可以完全隔开摩擦副表面上的直接接触从而降低摩擦避免磨损,这种润滑状态被称为流体动力润滑状态。流体动力润滑的理论研究最为成熟。以滑动轴承为例,其基本方程为雷诺方程:

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