齿轮传动中润滑剂的种类及应用
简介
润滑在滚动元件及轴承的性能和寿命中起着至关重要的作用，但它的意义往往被低估。润滑剂最重要的任务是分离相对于彼此运动的部件(球或滚子和滚道)，以减少摩擦和防止磨损。为特定的运动条件设计的润滑剂将提供负载轴承磨损的保护膜，理想的情况是当薄膜，分离摩擦面。除了提供这种承载膜，润滑剂还应允许摩擦热的消散，以防止轴承过热和润滑剂的劣化。正确的润滑剂还可以防止腐蚀、湿气和污染物的侵入。
滚动体轴承中使用的润滑剂应具有以下特点:
在较宽的温度范围内保持稳定的粘度；
漆膜强度好，能承受载荷稳定的结构
提供了较长的使用寿命，无腐蚀性，并与相邻组件兼容，
提供了屏障，防止污染物和水分，不会泄漏出轴承
润滑剂的种类
润滑油:既有石油基础油，也有合成油。合成油的例子有硅酮、二酯、PAO和氟化化合物。轴承润滑采用的油路，起动和运行扭矩小，速度快。然而，由于油易受蒸发损失，它们在轴承中的使用寿命小于润滑脂的使用寿命。微型和仪表轴承在轴承的寿命中通常只润滑一次，因此润滑剂的选择至关重要。较大的轴承要重新润滑，作为机械维修周期的一部分。这些轴承通常通过润滑油再循环系统，设计成机械或设备润滑。在选择油时要考虑的关键特性包括温度范围、粘度和蒸发速率。
润滑脂:润滑脂由基础油和增稠剂组成。这些增稠剂主要由金属皂(锂、钠、铝和钙)、有机(脲)或无机化合物组成。虽然这些增稠剂极大地影响了润滑脂的特性，但润滑脂的乳化性能归因于其基础油。实际上，润滑脂可以含有改善其性能的添加剂。添加剂种类包括抗氧化、防腐蚀、抗磨、填料、强化剂，以及极端强压剂。温度范围，基础油粘度，刚度或渗透水平是选择润滑脂时要考虑的主要特性。大多数用于滚动元件轴承的润滑脂是NLGI级2。
固体润滑剂:这些非流体涂层应用于摩擦表面以防止磨损。它们被用于极端温度、真空、或者在油或油脂无法使用的情况下进行选择，这通常是最后的选择。这些涂层包括石墨、MoS2、银、金或聚四氟乙烯。硬质涂层包括TiC或铬。固体薄膜是根据具体的应用场合而进行适应性设计的。
润滑剂的选择和使用量也影响最大的运行速度和扭矩，无论是启动和运行中。在微型轴承中，润滑剂会影响噪音水平。过滤油脂和油推荐用于微型或仪器轴承。
选择考虑因素
润滑是设计者要考虑的最关键的因素之一。在选择润滑剂时，需要检查温度、负载、速度、环境和预期寿命等因素。此外，润滑脂和油品还有许多应考虑的特性，如油的分离、蒸发损失、滴点、氧化稳定性、窜流能力/刚度等。
到目前为止，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。油提供较低的扭矩特性，但受到蒸发损失和迁移，并不是总是很适合终身润滑。
润滑脂特点
如前所述，润滑脂润滑油是由基础油，矿物或合成油，加上增稠剂和典型的其他添加剂组成的。给定润滑脂的特性是由这些组成部分，以及由润滑脂制造商正确处理、储存原材料和良好的过程控制决定的。
基础油的种类
基础油粘度是评估潜在润滑脂润滑剂的首要考虑因素。粘度是“流动性”的衡量标准，是由润滑剂分子之间的内摩擦引起的流动阻力。这一特性决定了承载能力、膜厚和工作温度。粘度越高，成膜强度越高。粘度随温度的函数而变化。温度越高，粘度越低。因此，在运行中根据温度范围来选择润滑油是非常重要的。特殊高温润滑脂、特殊低温润滑脂和具有很宽温度范围的润滑脂可用于解决特定的温度规格。
刚度
润滑脂按其稠度或硬度分类。美国材料试验协会开发了一种利用规定重量的圆锥体测定润滑脂硬度的试验方法，放入油脂样本的尺寸。5秒后，圆锥体被收回，穿透深度以十分之一毫米为单位测量。数值越高，渗透越深，油脂越软。然后将油脂样本放入一个机器中，通过敲击来模拟操作条件(想象一下用于烘焙的搅拌机或搅蛋器)。然后重新测试。这一结果被称为加工穿透，是分类的基础。美国国家润滑脂协会(NLGI)的分类如下表所示。
增稠剂
润滑脂由固体肥皂组成，如钙或锂肥皂。在某些情况下，使用一种细粘土形成一种结构，使基础油在其中保持和分散。稠化剂的结构并不提供实际的润滑，而是一个将润滑剂释放到接触区域的容器。
图1 润滑脂组成示意图(油、增稠剂、添加剂)
增稠剂虽然对润滑作用不大，但会给润滑脂带来独特的性能，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，易于制造，易于储存，可泵性好，流动性允许污物流出
钙—良好的耐水性，钙皂有助于润滑
铝-耐水、耐化学品、耐酸高
钡—耐水性，但有一定毒性
钠—氟，具有水溶性
另一类增稠剂是非皂类增稠剂。这些通常用于高温导致其他类型的增稠剂经历热降解的应用。有机聚脲增稠剂提供的温度范围类似于金属皂，但也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、二氧化硅或粘土薄片)化学改性的结构和表面可用作润滑脂的胶凝剂。这些润滑脂进一步提高最高使用温度。聚脲润滑脂因其广泛的性能属性而被称为高性能润滑脂。
添加剂
润滑脂可以加强以控制边界和EP添加剂。以及固体润滑剂，如石墨和二硫化钼。
防腐蚀和防锈剂—这些都是很常见的添加剂，可以防止接触润滑剂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，排斥金属表面的湿气。
抗磨(EP)抗磨添加剂和/或极压添加剂：是在边界润滑过程中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。它们在高负载和高接触温度下被激活。抗氧化剂：抗氧化剂存在于大多数油脂和油脂中。他们延长了基础油的使用寿命。氧化会破坏基础油。虽然氧化在任何温度下都会发生，但它会随着温度的升高以及水、金属磨损和其他污染物的存在而加速。粘度指数(VI)：这些添加剂降低了粘度随温度的变化率。
滴点:滴点添加剂改善低温工作范围。
增粘剂:这些添加剂帮助润滑剂在旋转运动时粘附在金属表面。
其余因素
数量:选择的润滑油数量也影响最大的运行速度和扭矩，无论是启动和运行中，润滑脂太多往往会使轴承运转发热。一般来说，随着转速的增加，填充量减少。此外，随着负载的增加，填充量通常也会增加。清洁度:在微型或更小的轴承中，润滑剂可以影响噪音水平。过滤后的油脂和油推荐使用于微型或仪器轴承。
颗粒尺寸大于润滑油膜厚度也会导致润滑膜破裂而产生磨损碎片。这可能会触发一个渐进的过程，导致过早的失效。
保质期
保质期是润滑剂生产后的一段时间，在此期间，它被认为是适合使用，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，它们不会在室温下氧化、聚合或挥发需要10年或更长时间。酯类油的酯键在有水分的情况下可能会发生微小程度的水解，在有水分的情况下会变得更酸。氟化油和硅树脂不太可能受到简单老化的影响。
油脂会以更复杂的方式“老化”。凝胶结构的改变会影响油脂的质量。如果凝胶收缩，就会出现明显的油漏，剩下的油脂就会变硬。凝胶结构也可能在一段时间后变得更软。高质量的润滑剂是必要的，以确保最佳轴承性能，许多是合格的军事或其他规格。
当设计者没有规定润滑剂的类型和数量时，轴承的润滑应符合行业标准。制造商的保质期只适用于油和油脂正确地储存在其原始的、未开封的容器。
润滑制度
流体膜的厚度决定了润滑状态或润滑类型。流体膜润滑的基本制度是:流体动力润滑-两个表面被流体膜分开；
弹性流体动力润滑(EHL) -两个表面被一个非常薄的流体膜分开；
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，两个表面大部分都是相互接触的。
除了流体膜润滑外，还有固体膜润滑，在这种润滑中，一层薄薄的固体膜将两个表面分开。
图2 润滑的不同形式
润滑膜:滚珠轴承延长使用寿命的必需条件
轴承的长寿命取决于适当的润滑—润滑膜的存在和金属表面的分离。在这种情况下，径向球轴承运行在电动机或其他设备运行在类似的速度，适当的润滑意味着EHD(弹性流体动力)膜的存在。轴承寿命计算假定存在这种膜。
ABMA(美国轴承制造商协会)标准9用于计算滚珠轴承的基本额定寿命。该方法包括可靠性、特殊轴承性能和运行条件的调整因素。如果润滑油的运动粘度低于13 cSt或转速非常慢(意味着没有EHD膜形成)，则调整系数将小于1。调整后的额定寿命为基本额定寿命的20% ~ 50%。
薄膜的形成和Stribeck曲线
流体的粘度、两个表面所承载的载荷以及两个表面相对移动的速度都决定了流体膜的厚度。这反过来又决定了润滑制度。这些因素是如何影响摩擦损失的，以及它们如何对应于不同的状态显示在Stribeck曲线上。工程师使用这个工具来评估润滑油，设计轴承和了解润滑机制(图3)。
图3 Stribeck曲线
低流体粘度、低速和高负荷的组合会产生边界润滑。边界润滑的特点是界面内流体较少，表面接触较大。我们可以从Stribeck曲线上看到，这导致了非常高的摩擦力(图4)。
图4 Stribeck曲线的“边界”润滑
随着流体粘度和速度的增加，以及/或负载的减少，表面将开始分离，流体膜开始形成。薄膜仍然很薄，但作用是支持越来越多的负载。结果是混合润滑，并且很容易在Stribeck曲线上看到摩擦系数的急剧下降。摩擦的下降是减少表面接触和更多流体润滑的结果(图5)。
图5 Stribeck曲线的“混合”润滑
随着速度或粘度的增加，表面将继续分离，直到有一个完整的流体膜和表面没有接触。摩擦系数将达到最小值，并向流体动力润滑过渡。此时，界面上的负载完全由流体膜支撑。在流体动力润滑中，由于有一个完整的流体膜，没有固体-固体接触，因此摩擦低，没有磨损(图6)。
图6 Stribeck曲线的“流体动力”润滑
Stribeck曲线显示在动力区域内摩擦增大。这是由于流体阻力(流体产生的摩擦)——较高的速度可能导致较厚的流体膜，但它也增加了流体在移动表面上的阻力。此外，较高的粘度会增加流体膜的厚度，但也会增加阻力。
机械通常会在启动和关闭时(低速和薄膜)进行边界润滑，然后在正常操作条件下(高速和厚膜)过渡到流体动力润滑。对Stribeck曲线的研究表明，电机或机器在启动和关闭期间的摩擦和磨损最大(图7)。
图7 Stribeck曲线的“EHL”润滑
流体动力润滑得名于流体膜是由固体表面的相对运动产生的，流体压力会增加这一结果。表面将有微小的粗糙(峰)时，应避免直接接触。如果一个表面滑过另一个表面，摩擦就会增加，粗糙的表面就会脱落，表面就会磨损。在流体动力润滑中，流体膜分离表面，防止磨损，减少摩擦。
流体动力膜是当几何形状、表面运动和流体粘度结合起来增加流体压力足以支持负载时形成的。增加的压力迫使表面分开，防止表面接触。因此，在流体动力润滑中，一个表面漂浮在另一个表面之上。流体压力的增加迫使两个表面分开，这就是流体动力升力。
应用案例
典型环境包括工厂和工业场所、污物和污染物、湿度和清洗区域。适用于大多数电机应用的润滑脂的典型特性:
NLGI 2级
矿物或合成基础油
增稠剂配方，提供耐久抗机械剪切力
低噪声特性
耐蚀性
工作温度范围约为-20°F至+350°F
高速运行场合—DN值，轴承内径mm xrpm，可用于确定轴承是否在高速运行，DN值超过150万保证高速润滑。或者，一个安全的经验法则是——如果轴承运行在目录中列出的允许速度值的70%以上，高速润滑油通常应选择具有较低运动粘度的基础油高速润滑脂。在高速下，较高的粘度会导致产生过多的热量。此外，润滑脂的刚度也应考虑在内，通常需要一种具有窜流特性的润滑脂。当轴承旋转时，窜油更容易被滚动元件推出辊道，并保持在辊道之外，这就减少了搅动和温度增益。无沟道或塌缩的润滑脂回流到球道中，会导致产生多余的热量。
高温—高温润滑脂应考虑轴承持续运行在300-350°F以上的温度。在较高的温度下，润滑剂会发生热降解。对于润滑工程师来说，这可能是最具挑战性的情况。包括各种基础油和增稠剂配方有许多选择。润滑脂组分的氧化和热性能-基础油，增稠剂，添加剂-必须考虑在内。然而，永远记住基础油是润滑脂的组成部分，主要负责润滑。正确的基础油粘度是决定是否有EHD膜的因素。
极端环境—包括海洋环境、海水环境、与燃料接触的太空环境以及太空的真空环境。在真空应用中，排气经常是需要考虑的问题。PFPE，或全氟聚醚，油和润滑脂通常是解决方案。他们有低的蒸汽压和许多配方与增稠剂和添加剂包，是高度耐化学品。这些通常被选择用于航空航天和航空应用，这类产品可能非常昂贵。
监管环境—食品加工、医疗和制药等监管环境可能要求使用已批准使用的润滑剂。美国农业部(USDA)创建了最初的食品级名称H1、H2和H3，一种新型润滑剂的批准和注册取决于其成分的列表。
H1润滑油是食品级润滑油，用于食品加工环境中，有可能偶然接触食品。
H2润滑油是食品级润滑油，用于设备和机器部件上，在没有可能接触食品的地方。
H3润滑油是食品级润滑油，通常是食用油，用于防止挂钩、手推车和类似设备生锈。
判断是否存在接触的可能性是很困难的，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日起，美国国家卫生基金会(NSF)取代美国农业部成为颁发食品级润滑剂注册证书的美国组织。
失效模式/选择不当
工程师往往没有考虑到温度、速度和负载这三个重要因素，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，他们可能会太晚意识到他们已经超过了润滑脂的工作特性。在润滑剂设计不适合的环境中运行的设备可能会导致设备故障，在试图确定其失败的原因时，OEM发现，不同的润滑脂不仅解决了问题，而且扩大了设备的用途。
一个最常见的错误是不知道为特定条件设计的油脂可以大大延长寿命。设计师只需选择一个轴承与标准的工厂提供的润滑剂。虽然这些润滑剂是大多数应用场合的良好选择，但它们可能不适合某些环境。
除了温度、速度和负载，设计者还必须考虑其他可能影响润滑剂性能和寿命的运行因素和环境条件。这包括振荡运动、振动和轴的方向(垂直与水平)。环境条件包括极端温度、湿度和湿度，或空间的真空。进水和颗粒污染物也会影响润滑剂的功效。
轴承失效通常是球/滚道接触磨损的结果。如果润滑剂失效，防止金属表面之间接触的EHD负载会失效。当这种情况发生时，滚道和球的高粗糙度接触并脱落，金属颗粒进入润滑剂。随着磨损的进行，润滑剂变成了金属磨损颗粒和退化润滑剂的混合物，这将导致部件的恶化并最终导致轴承失效。
总结
为了峰值性能和延长电机和齿轮箱滚动轴承的寿命，选择正确的润滑是至关重要的。考虑到这里讨论的所有润滑选择因素的工程师将最大限度地延长其轴承和机械的寿命，从而节省金钱、时间和人力，使工作更有效和更可靠。