1、潤滑 埃及金字塔中搬運巨像的情況 應用實例 應用實例 第二章 潤滑劑 n2.1 潤滑劑的作用與類型 n2.1.1 潤滑劑的作用 n潤滑劑是現代機械系統的基本要素之一，它的主要作用 是減少運動副之間的摩擦和磨損，提高機械效率，延長 機械的工作壽命。 n除此之外，使用潤滑循環系統還能起到冷卻摩擦副、帶 走磨損碎屑或其它顆粒污染物以及保護金屬表面免遭腐 蝕等有益作用。 n潤滑劑的物質形態已經覆蓋了氣體、液體 和固體單相以及氣-液、液-液、液-固兩相 甚至氣-液-固三相，十分廣泛。 n有些類型的潤滑劑有時也會帶來環境污染 等問題，所以需要對潤滑劑的知識有全面 的認識和理解。 n潤滑油一般由基礎油和潤滑

2、油添加劑混合 而成。 n基礎油分為礦物油和合成油兩大類。礦物 油的最高使用溫度為130，有些超精煉的 礦物油使用溫度可達200,而某些合成油則 可耐370的高溫。相對于礦物油來說，合 成油屬于高檔潤滑油，用于高溫、高壓、 高真空和高濕度等極端環境工況。 n2.1.2 潤滑油的類型 潤滑劑從形態上分 潤滑油的性能指標 （1）粘度 1）動力粘度-表征流體內摩擦阻力大小的指標，Pas； 2）運動粘度-同溫度下液體動力粘度與密度之比，m2/s； 粘度的大小表示了液體流動時其內摩擦阻力的大小，粘度愈大，內摩 擦阻力就愈大，液體的流動性就愈差。 （2） 潤滑性（油性） 潤滑油中極性分子吸附于金屬表面形成邊

3、界油膜的性能。吸附力強，油膜 不易破裂，摩擦系數小，則說明油性好。 （3）極壓性 潤滑油中加入添加劑后，油中極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓化 學反應邊界膜的性能。 （4） 閃點 潤滑油在火焰下發生閃爍時的最低溫度。閃點對于高溫下工作的機器是 一個十分重要的性能指標。 （5） 凝點 潤滑油在試管中冷卻到不能流動時的最高溫度。凝點是潤滑油在低溫下 工作的一個重要指標。 （6） 氧化穩定性 潤滑油在高溫下抗氧化的性能。 (7)酸值（總酸值、中和值） 潤滑油中有機酸的總含量。中和1g石油產品所需的KOH毫克數，mgKOH/g.可用 來衡量潤滑油的氧化安定性或作為換油指標。 （8）總堿值 規定的條件

4、下滴定時，中和1g試樣中全部堿性組分所需高氯酸的量。以相同物質 的量的KOH毫克數表示。 （9）水溶性酸和堿 用一定體積的中性蒸餾水和潤滑油在一定溫度下混合、振蕩，使蒸餾水將潤滑油 中的水溶性的酸和堿抽出來然后測定蒸餾水溶液的酸性和堿性。 新油：潤滑油精制時酸堿分離不好 貯存和使用：潤滑油被污染或氧化分解 汽輪機油：抗乳化度降低 變壓器：腐蝕設備，耐電壓下降 （10）機械雜質 油中不溶于汽油或苯的沉淀和懸浮物，經過濾而分出的雜質，稱為機械雜 質。灰塵，混沙，金屬碎屑，氧化物和銹末等 將加速機械零件的研磨、拉傷和劃痕等磨損，堵塞油路，拉傷和劃痕等， 堵塞油路油嘴和濾油器，造成潤滑失效。 (11)

5、 灰分 指潤滑油在規定條件下完全燃燒后，剩下的殘留物（不燃物）。以質量分數表 示。 灰分的成分：金屬鹽類，金屬氧化物含添加劑的油的灰分較高。 灰分使潤滑油在使用胄積炭增加，灰分過高，造成機械零件的磨損。 (12) 殘炭 隔絕空氣時，油經蒸發分解生成焦炭狀的殘余物。用質量分數表示。 殘炭是油中膠狀物質和不穩定化合物含量的間接指標，也是礦物油基礎油精制 深淺程度的標志。含S、O、N多時，殘炭高，結焦傾向大，增加摩擦磨損。 壓縮機油殘炭高時，在壓縮機氣缸、脹圈和排氣閥座上的積炭就多，磨損，高 溫時會發生爆炸。 (13) 水分 質量分數表示。油品中應不含水分。 標準方法：其一定量的試樣與無水溶劑混合，

6、蒸餾，測定含水量。 水含量3.5時 n當壓力降低到一定程度（如真空環境下）或溫度升高到一 定程度時，液態的潤滑油會轉變為氣態，體積增大而密度 減小。物質由液態轉變為氣態的臨界壓力稱為飽和蒸汽壓 (Vapor Pressure)。在一定溫度下，潤滑油的飽和蒸汽壓 滿足Langmuir方程 式中，飽和蒸汽壓Pvap的單位是Torr（托，即mmHg），G 表示蒸發速率，單位是gcm-1s-1，T表示溫度，單位是 K(+273)，M代表潤滑油的分子量。 n2.3 流體粘度 n粘度是流體作為潤滑劑時最重要的性能參數。 與密度相比，潤滑劑的粘度隨溫度、壓力等工 況參數的變化更為顯著。在以液體作潤滑劑的 流

7、體動壓潤滑中，主要的問題是粘度性質及其 與溫度的關系。氣體潤滑時，潤滑劑的可壓縮 性即密度隨壓力的變化將具有重要作用。而對 于彈性流體動壓潤滑狀態，溫度和壓力對粘度 的影響以及潤滑劑的可壓縮性都將成為不可忽 視的問題。 2.3.1 動力粘度與運動粘度 流體流動時，由于流體與固體表面的附著力 和流體內部分子間的作用，將不斷產生剪切變形， 而流體的粘滯性就是流體抵抗剪切變形的能力。 粘度是流體粘滯性的度量，用以描述流動時的內 摩擦。 nNewton最先提出粘性流體的流動模型，他認為流體的流動 是許多極薄的流體層之間的相對滑動,如圖2.3所示。在厚度 為h的流體表面上有一塊面積為A的平板，在F力的作

8、用下以 速度U運動。此時，由于粘性流體的內摩擦力將運動依次傳 遞到各層流體。由于流體的粘滯性，在相互滑動的各層之 間將產生剪應力即流體的內摩擦力，由它們將運動傳遞到 各相鄰的流體層，使流動較快的層減速，而流動較慢的層 加速，形成按一定規律變化的流速分布。當A、B表面平行 時，對大部分流體介質來說流速u可視為沿z向直線分布。 n 圖2.3 牛頓流體流動模型圖2.4 粘度定義 Newton提出了粘滯剪應力與剪應變率成正比的假設，稱為牛頓粘性定 律，即: 其中，為剪應力，即單位面積上的摩擦力，=F/A； 為剪應變率，即 剪應變隨時間的變化率。 可知，剪應變率等于流動速度沿流體厚度方向的變化梯度。這樣

9、，牛 頓粘性定律可寫成: 式中，比例常數定義為流體的動力粘度。 各種不同流體的動力粘度數值范圍很寬。空氣的動力粘度為0.02mPas， 而水的粘度為1 mPas。潤滑油的粘度范圍為2 mPas 400 mPas， 熔化的瀝青可達700 mPas。 在工程中，常常將流體的動力粘度與其密度的比值作為 流體的粘度，這一粘度稱為運動粘度，常用表示。運動 粘度的表達式為: 通常潤滑油的密度=0.7g/cm31.2g/cm3，而礦物油密度 的典型值為0.85 g/cm3，因此運動粘度與動力粘度的近似 換算式可采用 (cP)=0.85(cSt) （2.8） n2.3.2 粘度與溫度的關系 n粘度隨溫度的變化

10、（常稱為粘-溫關系）是 潤滑劑的一個十分重要的特性。如表2.1所 示，礦物油和合成油的粘度隨溫度的升高 而降低，通常潤滑油的粘度越高，其對溫 度的變化就越敏感。 n從分子學的觀點來看，流體是由大量的處于無規 則運動狀態的分子所組成，流體的粘度是分子間 的引力作用和動量的綜合表現。分子間的引力隨 著分子間的距離會發生明顯改變，而分子的動量 取決于運動速度。當溫度升高時，流體分子運動 的平均速度增大，而分子間的距離也增加。這樣 就使得分子的動量增加，而分子間的作用力減小。 因此，液體的粘度隨溫度的升高而急劇下降，從 而嚴重影響它們的潤滑作用。 大多數潤滑油的粘度隨溫度會劇烈下降，它們之間的變化 規

11、律的次切線 具有多項式形式。粘度與溫度的關系 式可以寫成如下幾種形式: 上述式中，0為溫度為T0時的粘度；為溫度為T時的粘度； 為溫粘系數，可近似取作0.03 1/C；m=1,2,；表示 “無限粘度”溫度，對于標準礦物油，可取95；、s、b 均為常數。 這些粘溫方程中，Reynolds粘溫方程在數值計算 中使用起來較方便，而Vogel粘溫方程描述粘溫關 系更為準確。 粘-溫關系也可以用ASTM（美國材料試驗協會） 定義的粘度指數來表示，常用于繪制粘-溫線圖。 其關系式為 式中，為運動粘度，a、b、c和d均為常數，T為 絕對溫度。 n當的單位為mm2/s時，a=0.60.75，b=1，d=10，

12、在 ASTM坐標紙上，采用雙對數的縱坐標和單對數的橫坐標， 上式為一直線，如圖2.5所示。其方程為 n其優點是只需測定兩個溫度下的粘度值以決定待定常數A 和B，然后根據直線即可確定其它溫度下的粘度。 ASTM線圖示意圖 對于通常的礦物油，采用ASTM線圖十分有效， 還可將直線的傾角用作評定潤滑油粘-溫特性的指 標。 用粘度指數（VI值）來表示各種潤滑油粘度隨溫 度的變化程度，是一種應用普遍的經驗方法。它 的表達式為 先測量出待測油在210F（85C）時的運動粘度值，然 后據此選出在210F具有同樣粘度且粘度指數分別為0和 100的標準油。式中，L和H是這兩種標準油在100F （38C）時的運動

13、粘度。U是該待測油在100F時的運動 粘度。然后用式（2.15）計算得到該潤滑油的粘度指數值。 n在表2.4中給出了幾種潤滑油的粘度指數。 粘溫指數高的潤滑油表示它的粘度隨溫度的變 化小，因而粘溫性能好。 n2.3.3 粘度與壓力的關系 n當液體或氣體所受的壓力增加時，分子之間的距 離減小而分子間的引力增大，因而粘度增加。通 常，當礦物油所受壓力超過0.02GPa時，粘度隨壓 力的變化就十分顯著。隨著壓力的增加粘度的變 化率也增加，當壓力增到幾個GPa時，粘度升高 幾個量級。當壓力更高時，礦物油喪失液體性質 而變成蠟狀固體。由此可知：對于重載荷流體動 壓潤滑，特別是彈性流體動壓潤滑狀態，粘壓特

14、 性是非常重要的問題。 n描述粘度和壓力之間變化規律的粘壓方程主要有: 式中，為壓力p時的粘度；0為大氣壓下的粘度；為粘 壓系數；p0為壓力系數，可取為5.110-9；對一般的礦物 油，z通常可取為0.68；c可近似取為/15。 當壓力大于1GPa后，Barus粘壓方程計算的粘度值過大， 而Reoland粘壓方程則更符合實際情況。 25C時的粘壓系數（10-8 m2/N） 在國外很早就開始研究潤滑油的粘壓特性，相繼發表 了幾百種潤滑油的粘壓數據，建立的高壓粘度計的測 量壓力達到3GPa以上。 當同時考慮溫度和壓力對粘度的影響時，通常將粘 溫、粘壓公式組合在一起，采用的表達式如下： 其中，式（2

15、.19）較簡單，便于運算，而式（2.20） 則較準確。 n2.4 非牛頓流體 n2.4.1 非牛頓流體的類型 在通常的使用條件下，大部分潤滑油可以視為牛頓流體。對于牛頓流體， 剪應力與剪應變率的關系是通過原點的直線，如圖2.6中的C，直線的斜 率表示粘度數值，因此，牛頓流體的粘度只隨溫度和壓力而改變，而與 剪應變率無關。 凡是不同于上述特性的流體統稱為非牛頓流體，如上圖中的A、B和D所示。 非牛頓流體可以表現為塑性、偽塑性和膨脹性等形式。 對于偽塑性和膨脹性流體，通常用指數關系式近似地描述 其非線性性質，即： 式中，和n為常數，對于牛頓流體，n=1而定義為動力粘 度。 圖2.6中A代表的塑性體

16、亦稱Bingham體，它顯示出一種屈 服應力s，當剪應力超過s時才產生流動，其流變關系式為 潤滑脂的非牛頓性質類似于Bingham體，但剪應力與剪應 變率呈非線性關系。經過長時間剪切后潤滑脂的流變特性 可用下列公式近似地表述： n為了改善使用性能，現代潤滑油通常含 有由多種高分子材料組成的添加劑，以 及合成潤滑劑的大量使用，它們都呈現 出強烈的非牛頓性質，使得潤滑劑的流 變行為成為潤滑設計中不可忽視的因素。 n2.4.2 非牛頓流體的本構方程 在潤滑理論研究中，常用的非牛頓流體的本構方 程有 1Ree-Eyring本構方程 這是潤滑理論中最常用的非牛頓流體本構方程， 其主要特點是剪應力與剪應變

17、率的關系是非線性 的，并且剪應力可以無限增加。 實踐表明，Ree-Eyring模型較準確地描述了一些 液體的流變特性，特別適用于簡單液體。它的剪 應力與剪應變率 的關系曲線如圖2.7中曲線1所 示。 n2粘塑性本構方程 圖2.7中曲線2為極限剪切流體模型的流變特性。若令L為極 限剪應力，則剪應力隨剪應變率的變化規律由兩條直線描述， 即： 這一方程的線性部分就是牛頓流體。當剪應力達到極限剪應 力后，其值不再隨剪應變率增加而增加。由于本構方程由兩 條直線構成，在它們的交點處的導數出現不連續。 n研究表明，如果有充足的時間允許液體對載荷響應的話， 任何液體都可能承受極大的剪切應力。然而在彈流潤滑條

18、件下，潤滑劑在極短的瞬間穿過接觸區，因而它所能承受 的剪應力就將存在極限值。極限剪應力L的數值隨壓力和 溫度而變化，根據Bair-Winer的研究，極限剪應力L與壓 力的關系可表示為： 式中，L0是大氣壓時的極限剪應力值，表示隨壓力變化 的比例系數。極限剪應力的大小一般為： L4105Pa2107Pa。 3圓形本構方程 這是近年提出的一種漸近本構方程，通常將 其用于溫度引起的流體非牛頓特性研究。其曲線 有連續的導數，剪應力隨剪應變率不斷增大而趨 近極限值L，如圖2.7中曲線3所示。 n4溫度效應本構方程 溫度效應本構方程如圖2.7中曲線4所示，這是黃平等人4在考慮溫度 對粘度的影響而推導得到的

19、。這一模型的最大特點是在剪應力達到最 大值后，隨剪應變率增加剪應力開始下降。 式中， 與潤滑劑的物理性能、溫度特性和摩擦副結構尺寸有關。是 粘溫系數；0是粘度；x是計算點距入口處的距離；是潤滑劑的密度； c是潤滑劑的比熱容；u0是運動表面的速度。 n5線性粘彈性本構方程 實驗證明，當流體被施加的應力發生急劇變化時將呈現彈性 效應，即流體的粘彈性。在彈流潤滑計算中，通常采用粘彈 性流變模型，最簡單的是線性粘彈性體即Maxwell體， 對于純彈性體，它遵守虎克定律，即 式中，e為彈性剪應變；G為剪切彈性模量。 對于線性粘彈性體即Maxwell體，它同時具有牛頓流體和虎克 固體的性質，其流變特性的本

20、構方程為 式（2.29）表明，粘彈性體的主要特點是剪應變率 與時間有關。線性粘彈性體的流變特性是采用粘度 和剪切彈性模量G兩個參數來描述的，因而形式 簡單。但是，Maxwell模型是根據微小剪應變條件 得出的，用它來計算剪應變較大的彈流潤滑不能得 到滿意的結果，采用線性粘彈性體計算的摩擦系數 將大于實際測量值。 n6非線性粘彈性本構方程 Maxwell模型計算得到的彈流潤滑摩擦系數偏大的 原因是由式（2.29）右端第一項引起的，因此在 實際使用中可以將非牛頓流體粘性代替式中的牛 頓流體粘性，即： 其中，F()為非線性粘性函數。 Johnson 和Tevaarwerk5綜合 Maxwell模型和

21、Ree- Eyring模型，提出如下的非線性粘彈性體本構方 程，即： n當0時， ，此時 ，即牛頓粘性定律。 這樣，式（2.31）與線性粘彈性體的本構方程（2.29）完 全相同。由此可見Johnson和Tevaarwerk提出的流體模型 概括了潤滑劑的線性和非線性粘性、線性和非線性彈性以 及彈性和塑性行為。這一流體模型可以適用于各種不同彈 流潤滑狀態，見圖2.9。 7簡單粘彈性本構方程 1 ln(1) L L d Gdt n2.4.3 非牛頓流體的其它特性 1剪應變率稀化（偽塑性pseudoplastic） 大多數液體在高剪應變率（如106 s-1108 s-1）時粘度將降低而呈非 牛頓性。對

22、于兩相潤滑劑（例如乳 化液、潤滑脂）以及高粘性的油或 含有聚合物的油，則在較低的剪應 變率（如102 s-1106 s-1）時就 出現非牛頓性，如圖2.11所示。 具有偽塑性的液體通常是由無規則排列的長鏈分子組成，在剪 切作用下使分子排列規則化，從而減少相鄰層之間的作用而降 低了表觀粘度。 n2剪切時間稀化（觸變性thixotropic） n某些類型的潤滑劑（如潤滑脂、乳化液）的表觀粘度（當 時的剪切應力與當時的剪應變率的比值）隨著剪切持續時 間的延長而降低，這種行為稱為觸變性。圖2.12是一種鋰 基潤滑脂在恒溫（20C）、恒剪切速率（100s-1）條件下 測得的剪切應力隨剪切時間的變化曲線，

23、圖中的每條曲線 代表的是該潤滑脂經歷的剪切時間，可以看出該潤滑脂的 表觀粘度隨剪切持續時間而降低的現象。觸變性通常是可 逆的，就是說當剪切作用停止后，經過充分的恢復時間， 粘度將回復到原來數值或接近原來數值。對于潤滑脂和稠 乳劑而言，出現觸變性的原因在于它們的結構在剪切作用 下不斷破壞，同時又自行重建。當結構破壞不斷發展時， 表觀粘度連續降低，直到破壞與重建達到平衡而獲得粘度 的穩定值。 n2.5 潤滑油的表面張力 n潤滑油在固體表面的鋪展或聚集以及夾 著潤滑油的兩固體表面間的粘著等現象 與潤滑油的表面張力大小密切相關。表 面張力代表液體表面增加單位面積所需 要做的功，是液體的基本物理化學性質

24、 之一，通常以mN/m為單位。 n表面張力實質上是液-氣兩相分子結構和相互間作用力的不 同造成界面能量過剩的結果。液體內部的分子間距離不完全 一致，但有一定的平均值，液體分子間的相互引力維持此平 均距離不至于使液體分子因熱運動而揮發，同時，每個分子 受來自各個方向的周圍分子的吸引作用相等，合力為零。然 而處于液體表面的分子則不同，來自氣相的分子間作用力較 來自液體內的分子間作用力要小得多，因為氣相的密度較小， 分子間的距離較大，因此，表面的分子受到指向內部的合力， 要使液體表面分子脫離就必須作功，導致體系能量的升高， 此部分能量就是表面自由能。由于處于表面的分子相互間的 距離較內部分子的大，使

25、得表面分子受到沿表面方向的側向 約束力，這個力就是表面張力。 n液體的表面張力有多種測量方法，如毛細上升法、氣泡最 大壓力法、停滴法、懸滴法、滴重法等，但最直接的方法 是脫環法（也稱圓環法）。這種方法是測定將水平接觸液 面的圓環拉離液面過程所需的平衡力。水平接觸液面的圓 環（通常用鉑環，以保證與絕大部分液體接觸時接觸角為 零）被提拉時將帶起一些液體，形成液柱。環對測力傳感 器施加的力包括環的自重和帶起液體的重力P。P隨提起高 度的增加而增加，但有一個極限，超過此值環和液面脫開。 此極限值取決于液體表面張力和環的尺寸，因為外力提起 液柱是通過液體表面張力實現的。因此： nR為環的內半徑，r為環絲

26、的半徑，為被測液體的表面張 力, F為校正因子. n液體的表面張力一般隨溫度的升高而線性 下降。表面張力也會受壓力的影響，但關 系比較復雜。一些添加劑（如表面活性劑） 會顯著改變液體的表面張力。對鐵磁流體 來說，其表面張力也受外加磁場大小的影 響。 n2.6 潤滑油添加劑 添加劑是為改善基礎油和潤滑脂的性能而加入的 物質，種類很多。 改善基礎油粘-溫性能的粘度指數改進劑 增強潤滑油和潤滑脂抗氧化性能的抗氧化劑 增強潤滑油清凈作用的清凈分散劑 增強邊界潤滑效應的減摩劑和極壓抗磨劑 n2.6.1 減摩添加劑 減摩添加劑又稱為摩擦改進劑或油性劑，其主要 作用是降低邊界潤滑條件下的滑動摩擦系數。一 般

27、來說是一些動、植物油脂或在烴鏈末端有極性 基團的化合物，包括：（1）羧酸及其衍生物，如 硬脂酸、單油酸甘油酯；（2）氨基化合物，如油 酰胺；（3）磷酸或磷酸的衍生物；（4）有機聚 合物，如甲基丙烯酸酯、有機硼化合物和有機鉬 化合物。減摩劑與金屬或金屬氧化物有很強的親 和力，容易被吸附或反應形成低抗剪強度的膜， 阻止金屬間的直接接觸，從而降低摩擦系數。 n2.6.2 極壓抗磨添加劑 極壓抗磨劑也稱為抗磨劑、極壓劑或載荷添加劑。 在邊界潤滑條件下，極壓抗磨劑首先在摩擦面上 形成吸附膜，當壓力和溫度條件苛刻時，添加劑 發生分解，分解的活性物質在摩擦作用下重新化 合、聚合形成較厚（約數十納米）的韌性膜，或 者與摩擦副表面作用形成改性層，起到減緩磨損 的作用。常用的極壓抗磨劑有以下一些類型。 n1活性硫化物 在有充足的氧氣（或空氣）存在的條件下， 對于鋼摩擦副來說，摩擦過程中容易在表面 形成氧化鐵，它起到催化作用，使得活性硫 化物中的硫原子與鐵反應生成硫化鐵，當硫 化鐵的厚度在0.15微米左右時，可以起到抗 磨作用。常用的幾種硫化物添加劑有二芐基 二硫化物、聚苯硫醚、二黃原酰基二硫化物、 硫化聚丙烯等。硫化物添加劑常用于金屬切 削液、鉆頭潤滑油等。硫化物還常與含氯或 含磷添加劑復合