TPM企業(yè)如何潤滑管理
來源/作者： TPM咨詢服務(wù)中心 丨 發(fā)布時(shí)間：2017-07-05 丨 瀏覽次數(shù)：
（一）流體潤滑管理
在摩擦副對偶表面之間，有一層一定厚度（一般在1. 5~2μm以上）的粘性流體潤滑膜，由這層潤滑膜的壓力平衡外載荷，使兩對偶表面不直接接觸，在兩對偶表面作相對運(yùn)動時(shí)，只在流體分子間產(chǎn)生摩擦，這就是流體潤滑。
在流體潤滑中，根據(jù)潤滑膜壓力產(chǎn)生的方法，潤滑方式可分為以下幾種。
1.流體動壓潤滑
流體動壓潤滑，系由摩擦副對偶表面的幾何形狀和相對運(yùn)動，并借助粘性流體的內(nèi)摩擦力作用而產(chǎn)生潤滑膜壓力，從而平衡外載。
雷諾在1886年應(yīng)用流體力學(xué)中納維一斯托克斯方程推導(dǎo)出計(jì)算流體潤滑膜壓力分布的方程，以后稱為雷諾方程，該方程成功地揭示了潤滑膜壓力的形成機(jī)理，從而為流體動壓潤滑奠定了理論基礎(chǔ)。
流體動壓潤滑膜壓力，通常由以下四個效應(yīng)決定。
企業(yè)潤滑管理
?。?）動壓效應(yīng) 可說明流體動壓潤滑膜的形狀特征及所產(chǎn)生的動壓效應(yīng)。當(dāng)下表面相對上表面以速度u運(yùn)動時(shí)，沿運(yùn)動方向的間隙逐漸減小，剪切流動引起的潤滑劑從大口流向小口的流量也逐漸減小，不符合流量連續(xù)條件，才能保證流過各斷面的流量相等，從而滿足流量連續(xù)條件。
?。?）伸縮效應(yīng) 當(dāng)對偶表面由于彈性變形或其它原因使其速度沿運(yùn)動方向逐漸減小時(shí)，剪切流動引起的流量沿運(yùn)動方向也逐漸減小，因流量連續(xù)必然會產(chǎn)生潤滑膜壓力分布（在通常的潤滑間題中，伸縮效應(yīng)并不顯著）。
（3）變密度效應(yīng) 可以說明變密度效應(yīng)。當(dāng)潤滑劑密度沿運(yùn)動方向逐漸降低時(shí)，即使各斷面的體積流量相同，其質(zhì)量流量沿運(yùn)動方向仍是逐漸減小的，因質(zhì)量守恒。密度的變化可以是潤滑劑通過間隙時(shí)由于溫度逐漸升高而造成的，也可以是外加熱源使表面溫度變化而產(chǎn)生的。雖然變密度效應(yīng)產(chǎn)生的潤滑膜壓力并不高，但是這種作用可以使相互平行的對偶表面具有一定的承載能力。
?。?）擠壓效應(yīng) 使?jié)櫥ず穸戎饾u減小而產(chǎn)生壓差流動，此稱擠壓效應(yīng)。當(dāng)兩個表面相互分離時(shí)，將導(dǎo)致潤滑膜破壞和產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。動壓效應(yīng)和擠壓效應(yīng)通常是形成潤滑膜壓力的兩個主要因素。
潤滑管理膜壓力形成機(jī)
a）動壓效應(yīng)b）伸縮效應(yīng)c）變密度效應(yīng)d）擠壓效應(yīng)
2.彈性流體動壓潤滑
彈性流體動壓潤滑理論是流體動壓潤滑理論的重要發(fā)展，它主要研究名義上是點(diǎn)線接觸的摩擦副潤滑問題（如齒輪副、滾動軸承等）。名義上點(diǎn)線接觸摩擦副的接觸應(yīng)力是非常高的（可達(dá)1～4GPa ），在這樣苛刻的高壓條件下，按照經(jīng)典的潤滑理論，很難想象潤滑劑能存在于對偶表面之間并將它們隔開來，然而多年的實(shí)踐卻證明了潤滑良好的齒輪、滾動軸承即使經(jīng)過長時(shí)間的工作以后，其工作表面仍無磨損痕跡（如“瑪麗皇后號”經(jīng)過多年橫渡大西洋的航行后，其上的齒輪加工痕跡仍然清晰可見），這說明兩對偶表面確實(shí)已被潤滑膜所隔開。出現(xiàn)上述觀測結(jié)果與理論分析不一致的原因是，經(jīng)典的潤滑理論未考慮粘壓效應(yīng)和彈性變形效應(yīng)，這兩個重要效應(yīng)都有利于提高潤滑膜的承載能力。
為了分析彈性流體動壓潤滑機(jī)理，首先觀察一下對偶表面干接觸時(shí)的情況。在載荷作用下，彈性圓柱體發(fā)生彈性變形，使線接觸變成了小面積接觸，載荷所造成的接觸壓力常稱為赫茲壓力，其分布情況是在接觸區(qū)域內(nèi)成拋物線形分布，中間的壓力最高而至邊緣降低為零。
赫茲接觸條件是彈性流體動壓潤滑的主要特點(diǎn)，它建立了接觸面的整個形狀：先是一個非常狹長的收斂區(qū)（進(jìn)口區(qū)），緊接著是赫茲區(qū)（平面區(qū)），最后是發(fā)散區(qū)（出口區(qū)）。收斂區(qū)的作用是產(chǎn)生流體動壓力將兩對偶表面隔開，因?yàn)閷ε急砻媸鞘諗康?，故對偶表面能帶人潤滑劑而產(chǎn)生流體動壓力；隨著收斂區(qū)壓力增大，潤滑劑的粘度也隨之升高，粘度越高產(chǎn)生的流體動壓力也就越大。當(dāng)潤滑劑到達(dá)赫茲區(qū)的前緣時(shí)，潤滑劑的粘度便增加一個數(shù)量級，流體動壓力便能達(dá)到典型值0.14GPa。
赫茲區(qū)的最高壓力可高達(dá)典型值1.4GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于收斂區(qū)能產(chǎn)生的流體動壓力。盡管如此，流體動壓力還是能將兩對偶表面隔開，因?yàn)榱黧w動壓力能克服赫茲區(qū)前緣的壓力而將前緣分開。潤滑劑一旦進(jìn)入赫茲區(qū)，其粘度將迅速增加若干數(shù)量級而變成半固體甚至固體，同時(shí)潤滑膜又很薄，且通過赫茲區(qū)的時(shí)間又極短（以ms計(jì)），因此赫茲壓力就沒有足夠的時(shí)間與能力將潤滑劑擠壓回去，從而達(dá)到由潤滑膜將赫茲區(qū)兩對偶表面隔開的目的。彈性流體動壓潤滑膜的壓力，除赫茲區(qū)前緣和后緣外，潤滑膜的壓力分布非常類似赫茲壓力分布，后緣的局部高壓和局部頸縮是保持流量連續(xù)的結(jié)果。
彈流潤滑管理模型
3.流體靜壓潤滑
流體靜壓潤滑的特點(diǎn)：
1）由于摩擦副對偶表面是依靠外來壓力潤滑劑分開的，潤滑膜的形成與對偶表面的幾何形狀、相對運(yùn)動無關(guān)，因此，兩對偶表面可以在各種相對運(yùn)動速度下得到潤滑，且具有較高的承載能力。
2）流體靜壓潤滑能始終保持摩擦副處于流體潤滑狀態(tài)，因此，其摩擦力始終較小，當(dāng)然也就不會產(chǎn)生嚴(yán)重磨損和大的功率消耗。這對于需要經(jīng)常起動、停車、逆轉(zhuǎn)和速度變化的摩擦副而言，可以大大延長其使用壽命。
3）精度高，精度保持性好，剛度也較高。
4）對摩擦副對偶表面的要求不高（如材料的抗磨性等）。
5）具有較高的抗振性，靜壓潤滑膜具有良好的吸振性，運(yùn)動均勻平穩(wěn)。
6）流體靜壓潤滑的缺點(diǎn)是需要一套供油系統(tǒng)，并且應(yīng)對潤滑劑進(jìn)行嚴(yán)格過濾，因此，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和使用成本較高。
4.流體動、靜壓潤滑
流體動、靜壓潤滑是近代出現(xiàn)的較先進(jìn)的潤滑方式，其原理是綜合利用動壓和靜壓潤滑的優(yōu)點(diǎn)，避免兩者的缺點(diǎn)。
它的工作原理是：當(dāng)摩擦副起動、制動、正反轉(zhuǎn)、載荷變化等動壓潤滑條件不能滿足時(shí)，投入靜壓潤滑，以保證流體潤滑條件；而當(dāng)摩擦副已進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行并形成動壓潤滑膜時(shí)，就停止供給壓力潤滑劑（即停止靜壓潤滑）。這樣既避免了靜壓系統(tǒng)能量的消耗，同時(shí)也保證了起動、制動等情況下的流體潤滑條件，從而達(dá)到降低成本，延長機(jī)械壽命的目的。
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在不能形成流體動壓潤滑膜和彈性流體動壓潤滑膜的條件下，潤滑劑在摩擦副對偶表面上形成與介質(zhì)性質(zhì)不同的薄膜（習(xí)慣稱為邊界膜），也可以降低摩擦和減少磨損，這種潤滑狀態(tài)常稱為邊界潤滑管理。
邊界潤滑機(jī)理是相當(dāng)復(fù)雜的，目前尚無統(tǒng)一的理論，因此僅介紹對邊界潤滑起核心作用的邊界膜。按照邊界膜的結(jié)構(gòu)特性不同，可分為吸附膜和反應(yīng)膜。
1.吸附膜
潤滑油中常含有少量極性分子，如脂肪酸、醉、胺等。這些極性分子通常是含10個以上碳原子的長鏈有機(jī)化合物，其一端具有極性很強(qiáng)的極性基團(tuán)。極性分子的極性基團(tuán)，依靠范德華引力（或化學(xué)鍵）牢固地吸附在金屬表面上，而烴鏈則指向潤滑油內(nèi)部。當(dāng)潤滑油中含有足夠濃度的極性分子時(shí)，極性分子相互平行密集排列并垂直吸附于金屬表面，相鄰分子烴鏈間的橫向內(nèi)聚力促使分子密集排列，在第一層分子之上還可吸引第二、第三等多層分子而形成多層分子吸附膜，吸附膜的厚度決定于極性基團(tuán)的強(qiáng)弱，極性越強(qiáng)，能形成吸附分子的層數(shù)就越多，吸附膜抗壓強(qiáng)度就越高。由于一個分子的甲基（一CH3 ）與另一個分子的甲基之間的引力，遠(yuǎn)比極性基團(tuán)和金屬表面的結(jié)合力小，因此，對偶表面相對運(yùn)動時(shí)的剪切將發(fā)生在兩個分子的甲基之間，故能起到減摩抗磨的作用。
應(yīng)注意吸附作用是一個動態(tài)過程，對偶表面相對運(yùn)動時(shí)，極性分子處于吸附和解吸的動態(tài)平衡之中。吸附是降低表面自由能的放熱過程，衡量吸附強(qiáng)弱的標(biāo)志是吸附熱。吸附熱越大，形成的吸附膜就越穩(wěn)定。當(dāng)溫度升高時(shí)，吸附平衡向解吸方向移動，從而吸附減弱，膜厚也減薄，膜的強(qiáng)度也將減弱。
根據(jù)極性基團(tuán)和表面的吸附機(jī)理，吸附可以分成物理吸附和化學(xué)吸附兩類。
物理吸附是依靠范德華引力而形成，這種吸附一般無選擇性，非極性分子也能形成。物理吸附結(jié)合微弱，其過程完全可逆。
化學(xué)吸附是金屬表面和吸附分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一種吸附。極性分子通過化學(xué)鍵與金屬表面形成牢固的吸附單分子層，與吸附分子結(jié)合的金屬離子并未脫離金屬晶格。形成化學(xué)吸附的一個要素是，金屬表面必須有一定的反應(yīng)活性（如鋅、鎘、銅等金屬很活潑，鐵和鋁屬適中，而鉻、鉑的表面活性較差）。減摩效果隨金屬表面活性的增大而增加?；瘜W(xué)吸附的吸附能包括化學(xué)鍵能，故具有較大的吸附熱，其吸附過程是不完全可逆的。化學(xué)吸附膜比較穩(wěn)定，能承受較大的載荷和適應(yīng)較高的溫度。
上面曾提到，隨著溫度的升高，解吸過程逐漸占據(jù)優(yōu)勢，當(dāng)溫度升高到某一臨界值時(shí)，吸附膜完全脫落，這一溫度值稱為臨界溫度。對物理吸附來說，臨界溫度是吸附極性分子的熔點(diǎn)；對化學(xué)吸附來說，則是吸附金屬皂的熔點(diǎn)。皂的熔點(diǎn)一般較高，但也不超過200℃，可見吸附膜的使用溫度在一定范圍之內(nèi)。
應(yīng)注意，若邊界膜是吸附膜時(shí)，邊界潤滑效果與潤滑油量密切相關(guān)。吸附膜覆蓋表面，將使表面自由能減少。當(dāng)潤滑油量很少時(shí)，首先在整個表面上形成單分子層吸附膜而使表面自由能盡可能達(dá)到最低，隨后油量增加吸附膜厚度也均勻增加；此后表面自由能的降低則依靠減少吸附膜的表面積，所以油量繼續(xù)增加時(shí)；此時(shí)，一旦峰頂油膜破壞，峰谷的油則依靠表面自由能減少的趨勢迅速補(bǔ)充峰頂而使峰頂油膜得到恢復(fù)。
潤滑油中包含極性分子，這對磨損有雙重意義。一方面極性分子形成的吸附膜可避免金屬表面的直接接觸廠從而減輕磨損；另一方面，當(dāng)表面存在裂紋時(shí)，極性分子又將促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。極性分子為了形成最大的表面吸附膜而盡最大可能降低表面自由能，表面吸附膜便向裂紋尖端推進(jìn)，在裂紋表面產(chǎn)生由外向里增加的壓力，從而促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展，這稱為尖劈效應(yīng)。此外，尖劈效應(yīng)也是接觸峰頂處吸附膜承載的原因。尖劈效應(yīng)還可以使長久靜止的對偶表面免于直接接觸，從而起到降低起動摩擦的作用。
2.反應(yīng)膜
反應(yīng)膜的形成與吸附膜不同，它是潤滑劑中某些分子與金屬表一面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，二者之間的價(jià)電子相互交換而形成的一種新化合物。
常見的反應(yīng)膜是氧化膜，事實(shí)上純凈金屬表面的摩擦是極稀少的。通常氧化膜具有減摩作用，但耐磨性較差，往往易引起氧化磨損。
油量分配
為了改善潤滑性熊，常在潤滑劑中加入含硫、磷、氯等元素的極壓抗磨添加劑，以便與金屬表面反應(yīng)生成反應(yīng)膜而達(dá)到減摩抗磨之目的。極性分子首先吸附在金屬表面上形成吸附膜，在高溫、高壓條件下，極性分子不僅吸附于金屬表面，而且還能分解出活性元素與金屬表面起化學(xué)反應(yīng)而生成一層金屬鹽膜。反應(yīng)膜的特點(diǎn)是，膜厚可以很大并且其形成是不可逆的，同時(shí)，膜具有較高的熔點(diǎn)和較低的抗剪強(qiáng)度，比吸附膜穩(wěn)定得多，適合于高速、重載、高溫等條件下工作。
3.邊界膜的摩擦磨損特性
是幾種邊界膜的摩擦特性曲線。曲線I為非極化油，（如石蠟油等）的摩擦特性曲線，它屬于物理吸附膜的特性。開始時(shí)，其摩擦因數(shù)就相當(dāng)高，隨著溫度的升高，其摩擦因數(shù)也增大。這是因?yàn)樵跍囟容^高的條件下，熱會導(dǎo)致吸附分子解吸、亂向，甚至膜被熔化的結(jié)果。曲線Ⅱ?yàn)橹舅崛芤喝芙庠诨A(chǔ)油中的情況，在這種情況下形成的邊界膜屬于化學(xué)吸附膜。
低溫時(shí)，其摩擦因數(shù)較小，但隨著溫度的升高達(dá)到吸附膜的熔點(diǎn)Tm時(shí)，吸附膜分子亂向、解吸，從而膜變軟或熔化而失效，其摩擦因數(shù)急劇上升。曲線Ⅲ為含有極壓抗磨添加劑的潤滑油在金屬表面形成邊界膜的情況，這種情況下的邊界膜屬于反應(yīng)膜。當(dāng)溫度在Tr以下時(shí)，油中的添加劑與金屬表面的化學(xué)反應(yīng)很慢，邊界膜的潤滑作用不顯著；當(dāng)溫度超過Tr時(shí)，化學(xué)反應(yīng)加快，其化學(xué)反應(yīng)膜不斷形成，摩擦因數(shù)急劇下降，然后穩(wěn)定于某一數(shù)值；當(dāng)溫度再升高時(shí)，其摩擦因數(shù)仍維持較小的數(shù)值。
曲線Ⅳ為曲線Ⅱ與Ⅲ的綜合。低溫時(shí)以化學(xué)吸附膜為主，發(fā)揮其邊界潤滑的作用，獲得較小的摩擦因數(shù)；高溫時(shí)化學(xué)吸附膜解吸，而化學(xué)反應(yīng)加快形成反應(yīng)膜，發(fā)揮反應(yīng)膜的作用，可獲得較好的邊界潤滑效果，保持相當(dāng)小的摩擦因數(shù)。這是一種較理想的邊界潤滑狀態(tài)。
TPM培訓(xùn)公司對于為幾種邊界潤滑膜的磨損特性曲線。曲線I為金屬對金屬的干摩擦狀況。當(dāng)載荷較小時(shí)，金屬表面的氧化膜起潤滑作用，故此時(shí)的磨損率較??；當(dāng)載荷增加到某一極限值Fe時(shí)，氧化膜破裂，磨損率急劇上升，摩擦副產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。曲線Ⅱ?yàn)榛A(chǔ)油形成的邊界潤滑狀態(tài)。由于邊界潤滑膜的存在，其磨損率較曲線I低，只有當(dāng)載荷超過某極限值F′e時(shí)，磨損率才急劇上升。
潤滑管理中曲線Ⅲ為在基礎(chǔ)油中加有抗磨添加劑的邊界潤滑狀態(tài)。由于化學(xué)反應(yīng)膜的作用，與曲線Ⅱ相比，在相同的載荷下，其磨損率下降△K值。曲線Ⅳ為在基礎(chǔ)油中加有極壓添加劑的磨損曲線。由于化學(xué)反應(yīng)膜的作用，當(dāng)載荷在曲線Ⅲ的極限值基礎(chǔ)上增加△FN時(shí)，其磨損率才有較明顯的增加，在此之前基本沒有變化?？梢?，在基礎(chǔ)油中加入添加劑后，其潤滑管理性能將大大改善。
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