机械设备的润滑状态

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Leabharlann Baidu润滑条件例如：
维护与修理
设备管理与维修 輳輪
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
膜厚只与载荷
W
的-0.073
成正比。于是（f）HL∞
1/h 1/h2
∞h，即流体
动力润滑时摩擦因数与膜厚成正比，而（f）EHL∞
1/h 常数
∞1/h，即在
弹流润滑时摩擦因数与膜厚成反比。
二、机械设备的磨损与失效
1.设备磨损的 3 个阶段
用油润滑的机件的承载表面受到足够大的损伤从而导致机
器丧失功能的现象称为失效。如果机件的制作，搬运，安装和润
机械设备的润滑状态
张疆兵
摘要 机械设备的润滑状态，磨损失效形式，形成机理。发生场合，发生原因及监测方法和防止措施。 关键词 机械设备 磨损 失效 机理 监测 中图分类号 TH117.2 文献标识码 B
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）。
中太差而使油膜难以形成时。
3.流体动力润滑
在这些情况下，边界润滑常常成为保护接触表面不发生直
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
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 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
应膜将两者隔开。哪些情况需要边界润滑呢？
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
认识。例如，现在可以更好地理解 Streibeck 曲线的走向 f=T/F，T 是
切向摩擦力，F 是法向正压力。根据计算，流体动力润滑时 F∞1/h2
即正压力与膜厚的平方成反比，而弹性流体动力润滑时正压力与
膜厚几乎无关，方程式为：Hmin=3.65U0.68G0.49W-0.07（3 1-e-0.68K），其中
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
a）
b）
机件跑合时产生较多的磨屑，这些磨屑在第一或第二次更 换油料和滤清器时便被走，跑合期间磨损金属浓度急剧增加与 异常磨损时十分相似，因此在数据解读时不可将两者混淆，这说 明油料分析人员必须对设备的运转状态要有清楚的了解。
（1）如果设计计算的油膜厚度与表面综合粗糙度的比值＜5 这样的金属盐的熔点则高达 1000℃，故可防护表面在高温下不
时；
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
（2）多次重复启动停机。或者承受过高载荷，冲击载荷时； 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
（3）零件的几何尺寸不当，油的黏度过低，供油中断或者对 不可避免的，常常需要不断补充或再生才能持续起作用。
c）
d）
图2
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
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
面材料产生局部弹性变形而形成接触面，由于接触面非常小，因 而接触应力非常高（常常达到和超过一万大气压），在此高压下 有两个问题需要认真考虑：一是在解算雷诺方程时关于接触表 面是刚性物体的假设不适用了，膜厚计算中必须考虑弹性变形 的影响。二是油液的黏度也会随压力的升高而成指数级增高。解 决的方法是联合求解雷诺方程和弹性方程（高度非线性）。典型 的结果如图 7 所示。
（1）齿轮在重载低速条件下工作时，差速器中的曲齿伞齿轮 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
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 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
滑来降低胶合磨损。
方程：
（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。
这种磨损分段的意义在于，可以通过磨损趋势的分析来确 定机器摩擦副表面磨损的基线，良性增长还是异常。这是在用油 分析的一个重要功能，了解不同磨损阶段的差异对于正确的解 读数据是非常重要的。
（1）跑合磨损。在流体动力润滑机制下工作的机件，由于加 工过程所形成的“光洁”表面，实际上是凹凸不平的。当安装到机 器上之后，机件的摩擦表面经历一个短期的正常擦拭磨损过程。 在此期间，表面的相互挤压、研磨而变得平滑、柔韧而逐渐减少 磨损。这个过程叫做跑合磨损期。
0.005~0.1 0.01~1
Spccific film thickness,λ
＜1 1~3
Cocfficient of friction,μ
0.03~1 0.02~0.15
（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，
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
图3
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。
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
坠x
坠g
产生。uh
坠ρ 坠x
和
vh
坠ρ 坠y
为密度变化效应，密度沿
x，y 的变化而产
生。ρ
坠h 坠t
为挤压效应，膜厚随时间变化而产生。相应的示意图见
图 6。 实际上，在静载时主要依靠的是动压效应产生的油膜。在动
载时依靠的是动压效应和挤压效应产生的油膜。平行间隙时应 考虑密度变化效应产生的油膜。
流体动力润滑有一些特点： （1）工作条件。使用寿命较长，适形性和贴合性好，单向受载 时不发生疲劳失效，但会发生正常磨损，而在油膜破裂点则会发 生空蚀磨损；多向变载（如曲轴、连杆轴瓦）时会有疲劳失效；不 适宜于超低速和超高速；承受温度的高限和低限取决于润滑剂， 一般适用于 40～300°F；膜厚范围 1～100μm。 （2）元件用材料。为了有良好的承载能力，所用材料应有足 够的硬度和抗腐蚀性。典型材料有：铜、锡、铅、石墨纤维、特弗隆 等及其组合。 （3）所占空间。小型流体动力润滑轴承占空间很小。压力供 油时需要泵，滤清器，油箱等附属设备。维护和置换费用中维护 费用较低，置换主要是由于使用了不恰当的润滑剂，污染以及监 测工作不到位。 （4）进一步提高的方向。改良润滑剂配方以延长其寿命；完 善的润滑系统设计；正确的选择润滑剂及轴承材料；选用最新的 镀膜技术。 4.弹性流体动力润滑 对于理论上的点接触和线接触的摩擦副润滑机理的研究直 到上世纪七十年代才逐渐成熟。这类摩擦副在承受载荷之后，表
坠 （ ρ h3 坠p ）+ 坠 （ ρ h3 坠p ） 坠x η 坠x 坠y η 坠y
! " =b
坠 坠x
（uρh）+
坠 坠y
（vρh）+2ρ（wn-w0）
輴輪 设备管理与维修
维护与修理
图5
图6
方程式中，uρ 坠h 和 vρ 坠h 为动压效应，轴承形状沿 x，y 的
坠x
坠y
变化而产生。ρh 坠u 和 ρh 坠v 为伸缩效应，速度沿 x，y 的变化而
Elastohydrodynamic lubrication Hydrodynamic lubrication
0.01~10 1~100
3~10 6~100
0.01~0.1 0.001~0.01
（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
加剂则是在金属表面形成金属盐而起保护 图4
作用。例如油中的硫化物与钢表面形成硫化
表1
铁薄膜。
Mcchanisms of lubrication
Boundary lubrication Mixed lbrication
Lubricant film properties
Lubricant film thickness,hmin（μm）
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
以后的研究证明，弹流现象不仅发生在滚动轴承，齿轮传 动，凸轮挺杆，活塞环缸套，牵曳传动之中，而且也存在于极易变
维护与修理
设备管理与维修 輵輪
形的材料接触之中。例如橡胶密封，轮胎与地面等甚至还存在于
血球在毛细血管的流动和体液润滑之中。
弹性流体动力润滑理论的建立不仅为许多摩擦副的润滑机
理奠定了基础，而且使我们对整个润滑状态的分域有了更完整的
滑都受到良好的控制，那么它就很少会在其预期寿命期间发生
与润滑有关的失效。它会顺利的通过两个磨损阶段—— —跑合磨
损与正常磨损— ——而进入老年期，最终产生磨损失效。如果机件
由于制造不良（材质不当或工艺不精）、搬运野蛮（摔落）、安装不
达标（对中不好或者不平衡）以及润滑失当（用错油用污染的或
衰化变质的油）则机件就会进入磨损的第 3 阶段—— —异常磨损。
（1）压力分布。基本上与 HERTZ 压力相似，但在入口区有 一段逐渐上升的过程而在出口处则会有突然的升高形成所谓 “二次峰值”，这个压力峰值的大小和位置将改变 HERTZ 压力
图7 时的应力分布从而影响裂纹的形成与扩展。
（2）油膜形状。主要特点为出口处的显著收缩形成最小油膜 厚度 hmin。而 hmin 则是影响摩擦和磨损的重要指标之一。
图 8 是机器在 3 个磨损阶段期间磨损金属测量结果的理想曲
线。
图8
a 跑合磨损阶段；b 正常磨损阶段；c 异常磨损阶段。机器的 所有工作机制中的润滑很少是完美无缺的。因此，摩擦副的表面 间有时会有相互接触从而产生磨损金属碎屑并被油料带走。实 际上磨损曲线的正常阶段并不是平直的。它会由于使用中的磨 损而增长也会由于补油而降低并形成若干循环。磨损金属的这 种有起有落的模式会继续下去直到发生下列情况。a. 实施换 油— ——正常磨损将从新开始；b. 机件磨损失效—— —之后便要更 换机件；c.出现异常磨损—— —磨损金属浓度急剧增加。