阮少軍 費(fèi)逸偉 吳 楠 彭顯才 劉鴻銘

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

在摩擦化學(xué)中，常認(rèn)為潤(rùn)滑劑是指能減少摩擦副之間摩擦或磨損的物質(zhì)。摩擦副可被視為一對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦表面，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生摩擦與磨損，摩擦?xí)斐深~外的能量浪費(fèi)，而磨損則會(huì)損傷機(jī)械設(shè)備，甚至?xí)l(fā)安全事故，因此通常在摩擦副之間加入潤(rùn)滑劑來(lái)降低界面的摩擦及磨損。

總之，在摩擦副之間加入潤(rùn)滑劑后，摩擦表面會(huì)形成潤(rùn)滑膜，潤(rùn)滑膜不僅能避免產(chǎn)生干摩擦，形成具有較低切向阻力及較高法向承載力的界面層[1]，還具有防腐、減震、清洗和冷卻等功能。

根據(jù)不同的工作類型及方式，潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑作用分為流體動(dòng)壓及靜壓潤(rùn)滑、彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑、氣體潤(rùn)滑、固體潤(rùn)滑及納米材料潤(rùn)滑。為了深入了解潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑的作用機(jī)理，本文就不同類型潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑原理作以具體介紹，以期能夠?qū)?shí)際工作條件下潤(rùn)滑劑的選用提供理論參考。

1 流體的動(dòng)、靜壓潤(rùn)滑

流體動(dòng)壓潤(rùn)滑是指通過(guò)流體在楔形間隙流動(dòng)產(chǎn)生壓力，進(jìn)而形成潤(rùn)滑流體層的一種形式，其實(shí)質(zhì)是摩擦副在運(yùn)動(dòng)中被流體分離而不直接接觸。一般而言，流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的產(chǎn)生必須滿足以下三個(gè)方面的要求[2]：(1)流體表面有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；(2)由大到小的收斂液楔形成于流體表面；(3)流體要有一定的粘度且總的液膜力要大于外載。因此流體動(dòng)壓潤(rùn)滑常適用高速低負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備。

流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的理論基礎(chǔ)是雷諾方程，其一維的方程如下所示：

dF/dX是油膜壓力F沿著X軸方向變化規(guī)律，即壓力梯度；v是指表面的滑動(dòng)速度；H0是油膜的原始厚度；H是油膜的厚度(不同位置有所變化)。

流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的原理見圖1(a)，從圖中可以看出，H和H0的厚度不同才會(huì)形成收斂的楔形。結(jié)合雷諾方程可知若H=H0，則dF/dX在所有x軸方向上的取值都為零，故流體動(dòng)壓潤(rùn)滑亦不會(huì)發(fā)生。

圖1 液體潤(rùn)滑作用機(jī)理(a)液體動(dòng)壓潤(rùn)滑作用機(jī)理；(b)液體靜壓潤(rùn)滑作用機(jī)理

在一些大型機(jī)械上，由于其轉(zhuǎn)速低、負(fù)荷高，很難形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜，因此便產(chǎn)生了流體靜壓潤(rùn)滑的方式。流體靜壓潤(rùn)滑是指利用外部的液壓供油系統(tǒng)和節(jié)流阻尼器，向摩擦副之間輸送加壓的流體(氣態(tài)或液態(tài))，使承載的表面在尚未運(yùn)動(dòng)前就被分開的一種潤(rùn)滑形式，其特點(diǎn)是無(wú)論在機(jī)械設(shè)備的啟動(dòng)階段還是停止階段均能使接觸面間不會(huì)發(fā)生接觸，具有很高的低速承載能力，具體原理如圖1(b)示。從圖中可以看出，高壓泵從底部供壓力流體，當(dāng)流體層的承載力與主軸的載荷平衡時(shí)，將軸浮起，壓力流體從軸向和周向面流出，由于阻尼作用的存在，壓力流體流出受阻較大，從而繼續(xù)將主軸浮起，當(dāng)因上下流體空腔壓力不等形成的合成承載力和主軸受到的載荷平衡時(shí)，便能使主軸在某一位置穩(wěn)定。

不過(guò)雖然這種潤(rùn)滑形式可靠、穩(wěn)定性高且克服了流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的先天性缺陷，但是正常運(yùn)行中，因始終要保持較高的壓力來(lái)維持高壓泵的運(yùn)行，造成了很大的浪費(fèi)，所以目前新設(shè)計(jì)的大中型球磨機(jī)都采用靜壓浮起、動(dòng)壓工作的動(dòng)靜潤(rùn)滑方式。

2 彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑

近些年來(lái)，在Hertz接觸理論和Reynolds潤(rùn)滑理論的基礎(chǔ)上，建立了彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論。彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑是發(fā)生在滾動(dòng)軸承、齒輪中的一種潤(rùn)滑方式，齒輪及軸承的結(jié)構(gòu)和接觸詳見圖2。圖中可以看出在滾動(dòng)摩擦件中，摩擦面的接觸是一種滾動(dòng)的方式，且齒輪之間也是兩個(gè)有凸起齒峰圓輪之間的滾動(dòng)，其存在兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：一是摩擦面的接觸是一種“接觸-分離”的形式，所以流體會(huì)受到摩擦面的起伏擠壓；二是摩擦面的接觸面積小，接觸點(diǎn)上壓力非常高。彈性流體動(dòng)壓會(huì)導(dǎo)致：(1)金屬發(fā)生變形，接觸面增大；(2)流體粘度增大，變得粘稠和難以擠出；(3)擠壓過(guò)程用時(shí)短，有部分流體保持。

圖2 滾動(dòng)部件接觸示意圖(a)徑向球軸承的接觸；(b)兩個(gè)齒輪的接觸Fig 2 Schematic diagram of rolling element contact(a)contact of radial ball bearing；(b)contact of two gears

齒輪、滾珠、滾動(dòng)軸承中常存在著彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，其作用原理主要是因?yàn)榻佑|面積小，負(fù)荷大，接觸區(qū)域總會(huì)發(fā)生變形，不過(guò)這是一種可逆性的彈性形變。在彈性形變區(qū)域內(nèi)，流體的粘度在短時(shí)間內(nèi)劇烈變大，形成極薄的潤(rùn)滑膜，這種潤(rùn)滑膜的作用像固體隔層，能使許多機(jī)件在更加嚴(yán)苛的條件下工作，而金屬接觸面就是依靠這種潤(rùn)滑膜來(lái)潤(rùn)滑并防止磨損。

3 邊界潤(rùn)滑

邊界潤(rùn)滑是一種非常普遍的潤(rùn)滑狀態(tài)，一般在低速重載或供油不連續(xù)的條件下產(chǎn)生，例如軸承、齒輪、活塞環(huán)和襯套等界面。從經(jīng)典的Stribeck曲線中可以看出，邊界潤(rùn)滑存在于混合潤(rùn)滑和干摩擦之間，如圖3所示。

關(guān)于邊界潤(rùn)滑的概念，英國(guó)的Hardy[1]早在1919年就已經(jīng)提出了。即摩擦表面上的潤(rùn)滑劑分子形成了排列有序的吸附膜，一般膜厚度在1～50 nm之間。邊界潤(rùn)滑膜包括物理吸附膜、化學(xué)吸附膜、化學(xué)反應(yīng)膜、沉積膜及固體潤(rùn)滑劑膜。物理吸附膜是由極性分子在固體表面經(jīng)物理吸附所形成的膜，這種吸附為可逆吸附，當(dāng)溫度升高時(shí)，吸附膜會(huì)因脫附而失效；化學(xué)吸附膜中極性分子與固體表面的作用是靠化學(xué)鍵維持的，為不可逆過(guò)程，因此能在高溫條件下繼續(xù)工作；化學(xué)反應(yīng)膜主要是指潤(rùn)滑劑中的活性元素，如S、Cl等直接與摩擦副表面反應(yīng)而形成的保護(hù)膜，這類膜的形成會(huì)破壞固體表面，因此又被稱作損傷型化學(xué)反應(yīng)膜；沉積膜是指潤(rùn)滑劑中發(fā)生組分沉積從而在摩擦副上形成的一類膜，其大都保持原有的化學(xué)組成，液體潤(rùn)滑油中的固體添加物大多會(huì)形成沉積膜；固體潤(rùn)滑劑膜的形成多種多樣，一般可以通過(guò)噴涂等方法產(chǎn)生，具體的情況在討論固體潤(rùn)滑中會(huì)作以詳細(xì)介紹。

圖3 stribeck 曲線Fig 3 Stribeck curve

邊界潤(rùn)滑過(guò)程復(fù)雜，因此溫度、載荷、速度及潤(rùn)滑劑的物理化學(xué)性質(zhì)等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重要影響，具體分析如下：一定溫度下，吸附膜會(huì)發(fā)生脫附，并且摩擦系數(shù)也與溫度的增加速率成正相關(guān)性；溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致邊界膜形成困難，從而使邊界潤(rùn)滑難以形成；高負(fù)荷可能會(huì)使摩擦副表面溫度升高，而引起吸附膜脫附，使得邊界膜失效；表面能較大的金屬及表面濕潤(rùn)性較好的潤(rùn)滑劑均能促進(jìn)邊界膜的形成；邊界膜達(dá)到一定的摩擦次數(shù)后會(huì)失效，不過(guò)極限摩擦次數(shù)會(huì)隨著速度的增高而變多，隨著載荷和溫度的增大而變少。

結(jié)合上述影響邊界膜的因素，可以設(shè)想出一個(gè)理想化的模型來(lái)描述邊界膜[3]，見圖4。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑劑分子以固體膜的形式黏著并吸附在物體表面，而且膜組分可變形、柔軟、能分散壓力；這種可移動(dòng)的物質(zhì)通過(guò)提供剪切的層組分來(lái)減少壓力的表面滲透，并且可移動(dòng)的活性物質(zhì)能對(duì)粘合組分補(bǔ)充以達(dá)到自修復(fù)和自復(fù)原的作用。

簡(jiǎn)而言之，邊界潤(rùn)滑有以下特征：(1)大部分負(fù)荷被直接接觸的摩擦表面所承載；(2)摩擦表面上的潤(rùn)滑劑有化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生；(3)粘度幾乎不對(duì)摩擦磨損有影響；(4)一般工況多見于低速高負(fù)荷的條件；(5)摩擦反應(yīng)的化學(xué)產(chǎn)物對(duì)潤(rùn)滑效果有重要作用。

圖4 理想化邊界潤(rùn)滑膜的模型Fig 4 Idealized boundary lubrication film model 9

4 氣體潤(rùn)滑

1854年，氣體作為潤(rùn)滑劑被法國(guó)的G.Hirm首次提出。1930年以后，由于精密儀器、航空航天、藥品、紡織等行業(yè)的需求氣體作為潤(rùn)滑劑才被普遍使用。氣體潤(rùn)滑的出現(xiàn)，被譽(yù)為摩擦史上的一次飛躍，不僅是因其極大的節(jié)約了能源，而且在高低溫及輻射條件下，依然能保證較長(zhǎng)的工作壽命和較高的精度[4]。

氣體潤(rùn)滑主要分為氣體動(dòng)壓潤(rùn)滑和氣體靜壓潤(rùn)滑，在離心式壓縮機(jī)等高速機(jī)械上氣體動(dòng)壓潤(rùn)滑已經(jīng)獲得了成功應(yīng)用，氣體動(dòng)壓潤(rùn)滑的原理如圖5(a)所示，兩個(gè)潤(rùn)滑表面成了滑靴，當(dāng)上表面以一定速度v相對(duì)下表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面間的滑流體會(huì)在黏滯力作用下，產(chǎn)生壓力升，進(jìn)而獲得法向的支撐能力。在此過(guò)程中，上表面速度v及兩表面的夾角必須均存在，才能保證氣體動(dòng)壓潤(rùn)滑的形成。

圖5 氣體潤(rùn)滑作用機(jī)理(a)氣體動(dòng)壓潤(rùn)滑作用機(jī)理；(b)氣體靜壓潤(rùn)滑作用機(jī)理Fig 5 Gas lubrication mechanism(a)mechanism of gas hydrodynamic lubrication；(b)mechanism of gas hydrostatic lubrication

雖然氣體動(dòng)壓潤(rùn)滑有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于低速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備動(dòng)壓能力比較弱。為了解決這個(gè)問(wèn)題，氣體靜壓潤(rùn)滑應(yīng)運(yùn)而生，因其性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受方向及轉(zhuǎn)速限制，故具有很廣闊的應(yīng)用前景[5]。氣體靜壓潤(rùn)滑的主要工作原理是利用氣體的靜壓，使得接觸面由接觸變?yōu)榉墙佑|的方式，按照氣體提供靜壓的方法，可分為自加壓式和外加壓式氣體靜壓潤(rùn)滑，以外加壓氣體潤(rùn)滑為例，見圖5(b)。其主要特征是通過(guò)節(jié)流器節(jié)流，由外部向軸承加以高壓氣體，在軸承有一定偏心條件下，產(chǎn)生軸承承載和剛度機(jī)制，進(jìn)而起到支撐載荷的作用，故其關(guān)鍵在于節(jié)流器，它決定了軸承的性能好壞。

5 固體潤(rùn)滑

航天技術(shù)、原子能等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，迫切需求一種能夠在超高溫、超低溫、強(qiáng)輻射、超高壓、高真空等苛刻條件下工作的新型潤(rùn)滑劑。實(shí)踐證明，利用固體潤(rùn)滑劑產(chǎn)生的固體潤(rùn)滑效果能滿足要求，摩擦副表面間依靠固體潤(rùn)滑劑本身或其具有的低剪切性，來(lái)達(dá)到減少摩擦和磨損的目的[6]，其作用機(jī)理見圖6。圖6(a)為軟金屬和硬金屬的摩擦，可以看出摩擦?xí)r硬金屬被壓入軟金屬中，造成接觸面積增大，使摩擦力變大；圖6(b)為硬金屬間的滑動(dòng)，不難發(fā)現(xiàn)實(shí)際滑動(dòng)中接觸面積并沒(méi)有變大，但因硬金屬本身強(qiáng)度高，所以對(duì)磨時(shí)，還是會(huì)引起摩擦力變大；圖6(c)是在硬金屬間加入了固體潤(rùn)滑劑，一方面由于固體潤(rùn)滑劑產(chǎn)生的薄膜剪切度小，對(duì)摩擦面有一定的粘著力，發(fā)生摩擦過(guò)程中固體潤(rùn)滑膜很容易轉(zhuǎn)移到對(duì)偶材料表面，形成轉(zhuǎn)移膜，這樣可使摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤(rùn)滑膜之間，減小了摩擦系數(shù)，另一方面在此過(guò)程中摩擦副表面的接觸面積也沒(méi)有明顯增加，二者結(jié)合來(lái)看均有效地減少了硬金屬間的摩擦和磨損[7]。

圖6 固體潤(rùn)滑層的潤(rùn)滑作用Fig 6 Lubrication of solid lubricating layer

固體潤(rùn)滑劑包括固體粉末、薄膜、復(fù)合材料等，若以原料來(lái)分，其可分為無(wú)機(jī)物類、有機(jī)物類、金屬化合物類和軟金屬類。目前我國(guó)常用的固體潤(rùn)滑劑有石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯及尼龍等。雖然固體潤(rùn)滑取得了廣泛的應(yīng)用，但它也存在許多缺點(diǎn)，例如無(wú)冷卻作用，易磨損和脫落等。所以，在具體的應(yīng)用中，應(yīng)該針對(duì)不同的工況，采取一切措施，盡可能的發(fā)揮出固體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑作用。

6 納米材料潤(rùn)滑

在80年代初發(fā)展起來(lái)的納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸(0.1～100 nm)或是由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，因其尺寸極小、性能奇特，故被稱為跨世紀(jì)的新材料。隨著納米材料研究的不斷深入，用納米材料作為添加劑來(lái)抗磨減摩及提高潤(rùn)滑油的承載能力，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。有研究表明，工況條件不同的基礎(chǔ)油或脂中，加入種類和含量不同的納米材料，可以在滾動(dòng)的表面形成一層納米薄膜，有效的改善摩擦副的摩擦特性[8]。

作為潤(rùn)滑油添加劑的納米材料，其可選種類已經(jīng)從納米單質(zhì)粉體發(fā)展到納米氧化物、硫化物、碳酸鹽、聚合物的納米微球等。有關(guān)兩種或兩種以上的復(fù)合納米顆粒研究的研究如表1所示，在表1中對(duì)不同的納米材料分別采取極壓性能、減摩率和抗磨率來(lái)進(jìn)行綜合對(duì)比[9]。

從表1中不難看出，抗磨、減摩效果較好的是納米單質(zhì)粉體，鹽類、硫化物和氫氧化物的較差而碳酸鈣最差，金剛石、Ni和Cu的減摩性能比較好，分別為52.4、53.6、45%；抗磨性能最好的分別為Ni和Cu，其抗磨率為85.7、44%；極壓性能改善效果最好是Cu，其極壓性能改善率高達(dá)119%。對(duì)于軟金屬納米材料在減摩及抗磨方面表現(xiàn)優(yōu)異的原因，研究者普遍認(rèn)為是軟金屬在摩擦副表面形成了轉(zhuǎn)移膜，從而保護(hù)了金屬。

至于納米材料的潤(rùn)滑機(jī)理，可以從以下幾個(gè)方面理解：(1)納米材料粉末近似起“球軸承”的作用，主要因?yàn)槠湫螒B(tài)近似球形且晶粒有位錯(cuò)畸變現(xiàn)象，當(dāng)有剪切外力作用時(shí)，會(huì)使晶格發(fā)生滑移，所以在接觸面可有類似軸承的作用；(2)納米材料顆粒高溫重載條件下，易被壓平形成滑動(dòng)體系；(3)納米材料顆粒能有效填補(bǔ)磨損部位，具有平整摩擦副表面的功能；(4)納米材料在摩擦中經(jīng)化學(xué)或物理作用，可形成沉積膜或強(qiáng)化層，增強(qiáng)了摩擦副表面的耐磨性。

表1 不同種類納米材料摩擦學(xué)性能比較Table 1 Comparison of tribological properties of different kinds of nanomaterials

注：1)f為減摩率，f/%=(f載體油-f載體油+納米添加劑)/f載體油×100%；2)WSD為抗磨性能提高率，WSD%=(WSD載體油-WSD載體油+納米添加劑)/WSD載體油×100%；3)Pa為極壓性能改善率，Pa%=(Pa載體油+納米添加劑-Pa載體油)/Pa載體油×100%。

7 結(jié) 語(yǔ)

利用潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑是人們用來(lái)減少摩擦及磨損的重要措施和手段，在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中意義重大，特別是不同的機(jī)械設(shè)備及工況條件下能否恰當(dāng)?shù)倪x用合適的潤(rùn)滑方式，對(duì)潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑效果的發(fā)揮至關(guān)重要。因此掌握不同類型潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑作用機(jī)理，有助于深刻理解不同潤(rùn)滑劑的適用范圍，能夠?yàn)橄乱徊讲煌ぷ鳁l件下潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑方式的選擇上奠定相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

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