潤滑劑對軸承工作性能的影響

趙燕

（哈爾濱軸承集團公司技術中心，黑龍江 哈爾濱150036）

1 前言

隨著現代科技的發展，軸承的研制已不僅僅局限于軸承本身的結構設計及內部參數的選用上。當軸承研制達到一定水平后，潤滑已成為各大研制廠家的關注重點，因為在結構和材料達到合理性設計的同時，潤滑將是提高軸承壽命不可或缺的因素，當潤滑條件相對較差時，即使選用最好的材料也不能延長軸承的壽命。

2 潤滑劑對軸承壽命的影響

在實際應用中只有依據使用條件選用合理的潤滑劑，材料的性能才能充分發揮，因此在計算軸承壽命時將材料和潤滑條件考慮進去，得到的修正公式如下：

式中：Lna—精算的額定壽命，

a1—可靠性修正系數，

a2a3—材料和使用條件修正系數，

c—額定載荷，

p—當量載荷。

實際上軸承的潤滑分為邊界潤滑、部分彈性流體動壓潤滑、彈性流體動壓潤滑等。研究表明彈性流體動壓油膜的厚度和兩接觸表面粗糙度的均方根構成的關系值是一個對潤滑性能關系重大的參數，圖1示出了兩接觸表面的油膜厚度與表面粗糙度的關系，它們關系式為：

式中：h—油膜的厚度，

s—表面粗糙度的均方根，

Λ—關系值。

式中：s1、s2—表面粗糙度。

如果潤滑油膜的厚度h為s的4倍，即Λ=4時能使潤滑表面呈現完全的彈性流體動壓潤滑狀態，該狀態下運轉的軸承完全能滿足或超出預期使用壽命的要求；對大部分滾動軸承來說，Λ在1～3的范圍時，軸承能夠滿足預期壽命要求，稱為部分彈性流體動壓潤滑狀態；如果Λ＜1則是邊界潤滑狀態，這意味著接觸表面沒有被粘性的潤滑膜隔開，發生了金屬對金屬的接觸，軸承極易損壞，縮短使用壽命。從上述情況可見Λ值影響軸承的壽命，大部分情況下軸承處于邊界潤滑時壽命會縮短，Λ=1時軸承可達到額定壽命，Λ＞1時軸承壽命可增加。

由公式（3）可見,提高軸承滾道表面粗糙度能夠有效保證潤滑劑在軸承中的潤滑性能。具體以某型號P4級圓柱滾子軸承使用0級滾子與P5級圓柱滾子軸承使用I級滾子時Λ值的比較計算：

滾子與內滾道的油膜厚度計算公式：

滾子與外滾道的油膜厚度計算公式如下：

式中:α—粘壓系數，

η0—動力粘度，

n—轉速，

dm—中心圓直徑，

DW—滾子直徑，

l—滾子有效長度，

V—幾何參數(無量綱)，

E0—當量彈性模量，

Qmax—受載最大的滾動體負荷。

具體參數確定如下：

α=6.42×10-9(lPa)，

η0=1.89×10-3(Pa·s)，

n=13300(r/min)，

dm=0.125(m)，

DW=0.008(m)，

V=0.064，

l=0.009(m)，

E0=2.25×1011，

Qmax=1 353(Pa)。

表1 軸承油膜潤滑參數Λ計算對比值

應用公式(4)、(5)計算得h內=0.267μm，h外=0.271μm。

3 潤滑劑在滾動軸承中產生的粘性力

滾動軸承內部潤滑劑的多少對摩擦力和運轉溫度有很大影響。通常考慮由于滾動體與滾道接觸區之間的相對運動所引起的摩擦力與負荷大小有關，而軸承內部粘性力引起的摩擦力則與速度大小有關。潤滑脂具有與添加劑有關的屈服應力和與其基油粘度有關的粘度，并在彈流接觸的非常高的壓力下，經常把它考慮為塑性體。

當滾動體與滾道之間成線接觸時，其油膜厚度可按下式計算：

式中:h*—最大壓力處的油膜厚度，

R—當量曲率半徑，

2 b—赫茲接觸帶寬度，

S·F—缺油潤滑系數。

h*為彈性流體動壓潤滑的最大壓力下兩接觸表面間相隔間距即油膜厚度。缺油潤滑系數S· F表示接觸潤滑劑供給數量的減少對油膜厚度的影響，它與潤滑劑在接觸區前形成彎月面的距離Xi、接觸區幾何參數以及在完全裕油潤滑條件下形成的理論油膜厚度h有關，見圖2。

圖3表示了圓柱滾子軸承承受100kN徑向負荷、潤滑劑粘度η0為0.02N·s/m2、壓粘系數取作1.5×10-8m2/N時的油膜厚度h*與軸承轉速的關系曲線。當進一步增加接觸區兩表面間的分隔間距時，h*不再增大，成為完全裕油潤滑。從圖3曲線可見，當潤滑膜10μm就足以形成完全裕油潤滑，當滾子與滾道間的潤滑厚度減少到大約1μm時，油膜厚度會從完全裕油潤滑開始明顯地減小。

實際工作中當軸承中完全充滿潤滑劑時，保持架和內、外圈之間的相對運動將會產生粘性剪切，通過粘性剪切力的確定就可正確地計算出彈性流體動力接觸的摩擦力，因此摩擦力可用下列公式：

式中:TS—摩擦的滑動分量，

TR—摩擦的滾動分量。

式中:U1、U2—潤滑油表面速度。

而TR為摩擦的滾動分量，它是由于在接觸區前方潤滑劑泵吸作用產生的。

摩擦的滑動分量TS是變形的接觸區表面的相對運動產生的，只有當潤滑劑的多少導致油膜厚度變化時，TS才會受到一定的影響。但摩擦的滾動分量TR將受軸承內潤滑劑多少的直接影響，這個滾動分量有使滾子轉慢的趨勢，并且與滾子—滾道接觸區內的一個大小相等、方向相反的滑動摩擦分量所平衡，使滾子保持作純滾動，相對于整個軸承做周轉運動。

軸承高速旋轉時將產生大量的熱，熱源來自兩個方面，一是軸承的旋轉運動接觸摩擦產生的摩擦熱；二是高速旋轉時潤滑油攪拌形成的攪拌熱。這些熱量只能通過不斷循環的潤滑油帶走，否則將導致軸承工作溫度的上升,所以潤滑油起到了兩個作用：一是不斷地在接觸表面注入足夠的油量，形成一定的油膜厚度，避免軸承零件工作表面之間的直接接觸；二是使軸承工作溫度保持在材料和潤滑油所能承受的范圍內。

實際上潤滑劑在軸承內的潤滑狀態往往對摩擦力有很大影響，主要可以從熱狀態、潤滑劑流動學、旋轉軸承與潤滑劑相互作用三方面進行考慮，很明顯工作環境的溫度對潤滑劑的粘度影響很大，例如：潤滑劑在50℃時的粘度是70℃時的兩倍，粘度直接影響摩擦力矩，具體關系見公式（6）到（9）。溫度影響粘度，粘度又影響發熱，發熱又影響溫度，這之間的相互依賴關系，使得估算潤滑劑粘度對摩擦力矩的影響變得復雜，事實上短時熱效應與潤滑劑入口剪切發熱有關，并與軸承內部彈性流體動力接觸的迅速通過有關，當軸承高速旋轉時它們就變得更為顯著了。

對于脂潤滑軸承，當針對脂的稠度允許它保持在滾道附近并給滾子和滾道接觸區提供以非常少的潤滑脂時，粘性摩擦力矩往往會引起穩定并可再現的“零反向流動”狀態，當軸承進入靜態潤滑狀態時，最大油膜厚度形成，此時進入接觸區的潤滑劑均能順利通過接觸區，即是“零反向流動”潤滑狀態（見圖3曲線）。同時從式（6）到（9）可看出接觸寬度b對粘性摩擦影響較小，在低速時可以認為滾子和滾道接觸區的邊界潤滑將有助于減少軸承的摩擦。

4 結論

軸承實際工作過程中，除了本身結構及內部系數的選取，由于受到周圍的工況影響，究竟什么時候將出現何種潤滑狀態是很復雜的問題，一方面它取決滾動體連續通過滾道時產生的缺油潤滑程度，另一方面取決于表面張力和離心效應。因此針對軸承的轉速、工作溫度及載荷選用合理潤滑劑，并保證工作過程中形成彈性流體動力潤滑條件，是保證軸承能否具有長壽命和高可靠性的重要因素。

[1]TAHarris.滾動軸承分析[S].1997.