润滑脂在轴承中的润滑作用

润滑脂在轴承中的润滑作用

润滑油和润滑脂是常用的润滑材料，润滑脂主要用于轴承的润滑，从润滑机理来看油和脂是一样的，无有差异。而润滑脂在轴承中的润滑是润滑脂具有一些独特的流变性质，稠度和触变性，在外力作用下才能产生变形和流动，当轴承运转时成为粘度接近基础油的流体而起润滑作用，除去外力或轴承停止运转时又成为半固体，保持在轴承中和润滑面上不会流失。因此使用润滑脂时，轴承的密封和润滑系统可以简化，机械可以做得更小些，更轻些。

近年来，润滑脂流变学的研究有了很大进展，这些研究一开始就着眼于集中润滑系统的发展，报导了润滑脂在管道中的流动。但是，在一般的润滑脂用户中至今对润滑脂和润滑油在流变性质上的差异仍然不很留意。因此，不少习以为常的选择和使用方法似是而非，实际上是不正确的。

为了普及润滑知识，本文介绍了一些润滑脂流变性质及其与轴承润滑的关系，对正确选择和使用润滑脂，可能会有些帮助。

一. 润滑脂的结构和稠度

润滑脂主要是由基础油和稠化剂所组成。为了改进产品的某些性能，往往还加有适当的添加剂。

锂基润滑脂已被广泛使用，它的稠化剂是锂皂，锂皂对基础油的溶解度极小，经过制脂工艺后，锂皂呈纤维状的胶束而存在，俗称皂纤维。由皂纤维互相交错搭成三维的骨架，将基础油保持其中，形成具有一定强度的结构分散体系。基础油是可以流动的连续相，相似海绵或沙土中的水分

皂纤维的形状、大小和皂纤维之间的作用力，决定了润滑脂的流变性，皂纤维的长度一般在1~100微米之间变化，长度与直径之比值为10~100。皂纤维的长度与直径之比值越大，稠度愈大。

如图1所示：

图1、润滑脂结构在剪切过程中的变化

而在剪切作用下，皂纤维的结构骨架逐渐变形和互解，皂纤维倾向于沿着剪切力的方向定向排列，还有一部分被剪切成更小的颗粒，润滑脂变稀。当停止剪切时，结构骨架又逐渐恢复，润滑脂又变稠。胶体体系这种由稠变稀、再由稀变稠的现象，称为触变性。但是润滑脂的触变性是不完全的，在强烈的剪切作用下，由于一部分皂纤维已被剪断，要完全恢复到原来的稠度，一般是不可能的。

润滑脂触变性的大小，决定于皂纤维的强度、皂纤维相互之间的作用，由于制脂的原料不同也会有差异。

润滑脂具有结构分散体系所显示的一系列复杂的流变性质，对此，ВИНоградоБ⑴等曾提出过用图2所示的简单的力学模型来描述：①在较小的外力作用下，弹簧γ1产生弹性变形；②弹簧γ2也开始变形；但受粘壶η1的制约，需一段时间才能达到平衡；③当外力超过滑块τy的摩擦力时，产生不可逆的塑性变形；

④终于拉动粘壶η2而产生流动。

综观图2，外力小时，润滑脂的流变性质主要表现为弹性、粘弹性和塑性。这是皂纤维的骨架结构在起作用。随着剪力的增大，结构逐渐瓦解，粘性增强，并终于站主导地位。

习惯上，润滑脂的稠度是用锥入度来衡量，而锥入度和稠度的含义，正好是颠倒的。

在规定的测定条件下，五秒钟内，规定重量和形状的圆锥体沉入润滑脂的深度，以0.1mm为单位，称为锥入度。锥入度愈小，稠度愈大，锥入度愈大，稠度愈小。

实际上，锥入度包含了图2描述的所有力学因素，而总的来看，与塑性的相关性较大，例如：Crddle和Dreher⑵测得的锥入度与降伏值的关系如图3。

在石油产品规格中，根据锥入度的大小，将润滑脂分为各种牌号。例如：

牌号锥入度（25℃）

0 355~385

1 310~340

2 265~295

3 220~250

4 175~205

从实际的角度来看，锥入度是一个与润滑脂在润滑部位的保持能力和密封性以及润滑脂的输送和加脂方式的重要指标。

二. 润滑脂的粘度

流体润滑理论的基础是牛顿关于粘性流体的摩擦法则。

τ=η⑴

式中τ—剪力；—剪速；η—粘性系数，即通常所说的粘度，是衡量粘性流体内摩擦阻力的尺度。因此，后来将符合式⑴的粘性流体称为牛顿流体。一般未加稠化剂的润滑油属于这种类型。

粘度是润滑油最基本的性质。在流体润滑或弹性流体润滑理论中，粘度是与形成油膜有关的唯一参数。润滑油的牌号首先要根据粘度来划分，就是这个道理。

润滑脂不是牛顿流体，它的流动性质比较复杂，而且受时间和经历的影响，一般可以近似地用图4所示的塑性流动描述：

图4 润滑油、脂的剪力、剪速关系

当剪力小于降伏值τy时，基本上不流动，剪速等于零；

剪力超过τy开始流动，但剪速与剪力不是直接关系，其比值η叫做相似粘度或结构粘度，是剪速或剪力的函数，可近似地用Sisko的公式表示：

ηa=a+b n-1 ⑵

式中a、b和n是三个常数。常温附近，大多数润滑脂的n在0.1~0.2之间。实际上式⑵是将润滑脂的相似粘度分为两部分来考虑：a代表牛顿流体部分的粘度，即剪速无限大时的粘度；b n-1 代表非牛顿流体部

分的粘度，剪速愈小这一项所起的作用愈大。

只有当剪力进一步增大，剪速才逐渐与剪力呈直线关系。将直线部分延长，与横坐标相关于τB，这是可以求得一个固定的粘度。

μΡ=（τ-τB）/μΡ ⑶

或τ=τB+μΡ⑷

式⑷是宾汉塑性流体的流动公式，μP称为塑性粘度，τB称为宾汉降伏值。

用图5来比较润滑油和润滑脂的流动特性，可能更容易理解些。润滑油的粘度与剪力无关，始终是一个常数。润滑脂则不然，在较小的剪力下，相似粘度接近无限大；剪力超过降伏值，相似粘度急剧下降，其后终于稳定在接近基础油粘度的水平，即塑性粘度。

图5 润滑油、脂的流动特性

同稠度差不多，润滑脂在低剪速下的相似粘度的大小，在颇大程度上仍然是受皂纤维骨架结构的强弱所支配，所以两者之间也有一定的关系所寻。例如，Brunstrum或Sisko⑷曾提出过一个简单的换算公式。

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是锥入度。

低剪速下的相似粘度是决定润滑脂在管中的输送性能的重要指标。

在高剪速下，由于皂纤维的骨架结构已经彻底破坏，因此，塑性粘度的大小与稠度无关，而主要取决于基础油的粘度、金属皂的浓度，以及基础油和金属皂之间的作用力。

在流体和弹性流体润滑理论中，通常是将润滑脂近似地作为宾汉塑性流体来处理，塑性粘度是决定润滑性能的基本参数，并考虑在润滑脂摸中剪力小于τB的地方要产生不流动的芯部。

三. 润滑脂在轴承中的润滑

润滑脂的润滑机理和润滑油基本上是一样的，在流体润滑或弹性流体润滑领域内，润滑脂的塑性粘度是决定润滑性能的基本参数，而塑性粘度又在很大程度上决定于基础油的粘度，因此，基础油粘度就成为决定润滑性能的主要参数。换句话说，润滑脂中基础油的粘度要根据轴承的工作条件来选择。同润滑油一样，轴承的工作温度高、转速低或负荷小时，选用低粘度的基础油。