轴承润滑

润滑基础知识

为实现滚动轴承的顺畅运行，润滑方式和润滑剂的选择必须是设计中不可或缺的一部分。对所有滚动轴承故障的统计分析表明，超过80%以上的最高失效率归因于润滑。通常是是润滑被污染、不合适或已失效。下列信息简要介绍了润滑主题，关于滚动轴承的润滑，建议联系润滑厂商或滚动轴承制造商。

润滑的主要任务是减少或防止滚动和滑动表面的金属接触，从而使滚动轴承的摩擦和磨损降到最低。除分离金属表面外，润滑还有其他功能：

• 防腐保护

• 散热（油润滑）

• 清除轴承内部的污染物（油润滑）

• 对轴承内部起密封作用（如油脂填充和油气润滑）

理化原理

滚动轴承的润滑分为两类（物理润滑和化学润滑）。在物理润滑中，润滑剂被带入到滚动轴承的接触区域，通过粘附在分离的表面形成一层润滑油膜，润滑油膜在表面“游动”从而防止金属接触。若没有形成完全的润滑油膜且表面未完全分离，则采用化学润滑。在这种情况下使用添加剂，通过摩擦力学发生化学反应，将表面相互分离。

分离层不仅是由添加剂产生的，也是由增稠剂和润滑添加剂（如：固体润滑剂）产生的。在特殊情况下，也可以使用固体润滑剂润滑。

润滑状态

根据DIN ISO 281标准计算使用寿命的前提是金属表面的充分分离。因此，使用寿命、磨损和摩擦基本上取决于润滑状态。几微米的润滑油膜厚度就足以达到维持和分离润滑油膜。在滚动轴承技术中，区分了三种润滑状态，如斯特里贝克曲线所示：

边界润滑不会形成润滑油膜，并且金属表面会相互摩擦。滚动轴承通常在以下情况下需边界润滑：

• 润滑剂不足

• 工作粘度不足

• 金属表面之间不必要的相对运动

如果不能避免边界润滑，则必须使用含有适当添加剂的润滑剂。添加剂须借助反应产物形成承载边界层。

如果形成的润滑油膜厚度不足以将金属表面完全分离，则称为混合润滑。

润滑油膜的厚度足以完全分离金属表面，则称为流体润滑。为了使滚动轴承安全连续的工作，流体润滑是始终相伴的。

润滑理论

在滚动轴承技术领域，对润滑油膜形成的物理描述有两种理论。对于轻载的接触点，如保持架兜孔表面和滚动体之间或滚动体端面和挡边之间，适用于流体动压润滑（HD理论），该理论描述了通过润滑油膜强化金属表面的润滑性能。弹性流体力学润滑（EHD理论）基于HD理论，另外还考虑了金属间的弹性变形，EHD理论用于滚动轴承的润滑状态描述。

用于滚动轴承计算的润滑剂参数

对于上述理论和润滑油膜厚度的计算，需要润滑剂参数。除稠度外，粘度也起着重要作用。需要注意的是，参数值取决于温度和压力。

粘度是流体流动性的相对值，是衡量内部摩擦力的指标。高粘度表示粘性油，低粘度是指易于流动的油。粘度是润滑油最重要的参数。对于润滑脂，通常指的是基础油的粘度。

在润滑理论中，通常采用动力粘度η。其表示为剪切应力与垂直于层流方向的润滑油膜厚度上最大速度变化之比，单位为毫帕秒（mPa∙s）。

运动粘度（ν）常用于滚动轴承的计算。它的单位是平方毫米每秒（mm²/s）或厘斯（cSt）。运动粘度可借助密度（ρ，单位为kg/dm³）换算成动力粘度。

计算：        η = ν ∙ ρ

需要注意的是，运动粘度和密度均与温度有关。密度取决于润滑油及其精炼程度。合成油通常比矿物油具有更高的密度。

由于温度的关系，润滑剂的粘度以标准温度表示。温度越高，粘度越低。涉及到在40°C即所谓的公称粘度和100°C时的粘度。根据这些参数可以确定粘度指数（VI）。粘度指数提供了有关润滑剂工作温度范围的信息。粘度指数越高，润滑剂的温度应用范围越广。

润滑油的公称粘度已在DIN ISO 3448 标准ISO 粘度分级中标准化。

符合DIN ISO 3448标准ISO 粘度分级的工业润滑油：

除了与温度有关外，粘度还与压力有关。随着压力的增加，粘度通常也会增加。对于EHD理论和高压力（>500巴）也是要考虑的。

除公称粘度外，计算滚动轴承寿命时还需要参考粘度。除取决于速度外还取决于滚动轴承的平均直径和轴的旋转频率。

除参考粘度外，运行粘度在滚动轴承计算中也起着重要作用。运行粘度描述了润滑剂在工作温度下的粘度。通过粘度-温度图（VT图）来确定该粘度。图示中的轴为对数形式，X轴表示为运行粘度，Y轴表示为工作温度。利用公称粘度和100°C时的粘度，在图示上显示为一条直线，运行粘度由工作温度来决定。

粘度比κ是衡量润滑间隙中润滑油膜厚度的量度。利用参考粘度和运行粘度可计算得出。

在上图中可以看出，小于1的值表示混合润滑状态，大于1的值表示金属表面完全分离。等于1时表示边界润滑状态，润滑油膜的形成不是完全充分。

该关系直接影响寿命调整系数的计算。可在DIN ISO 281标准中找到计算方法。

选择润滑剂的另一个特征值是滚动轴承的速度参数。利用平均直径（d_m）和转速来计算得出。

润滑方式

须在选定滚动轴承后尽早确定合适的润滑方式。在设计过程中更改润滑方式不仅耗时且增加成本，应尽量避免。
 

脂润滑

脂润滑是最常用的润滑方式，占滚动轴承润滑的90%。

滚动轴承在大多数应用中是终身润滑的，即在安装过程中一次性加注适合应用的润滑脂类型和润滑量。在正常的运行条件和环境条件下，无需重新填充润滑脂。由于极端的环境影响，如高温波动、频繁的转速变化或不可避免的润滑脂老化，必须进行再润滑。因此，必须提供润滑的进油和排油通道。在设计通道时，必须考虑润滑脂的泵送性。

上述影响因素对再润滑周期和润滑脂用量也有影响。可在GfT表3（摩擦学）中找到再润滑周期和再润滑量的计算方法。脂润滑必须遵循下列规则：

• 温度升高会加速润滑脂的氧化。

• 在70°C时，润滑脂的寿命每10 K减少一半。

• 润滑脂会随着温度的升高趋于更易流动，从而有可能从轴承座泄漏。

• 使用数据表检查速度稳定性。

• 在恶劣的环境中，必须更频繁地对滚动轴承进行再润滑，避免污染。

油润滑

若已对其他机器元件供油（如齿轮箱中的齿轮），或要从轴承空间散热，则应采用油润滑。

分为下列油润滑系统：

• 油浴润滑

• 循环油润滑

• 喷油润滑

• 脉冲式油润滑

• 油气润滑

油润滑通常与高水平的复杂性设计有关，通常包括辅助装置，如循环泵和油冷却器。利用上述有润滑的方法，设计的复杂性和速度适用性不断提高。油浴润滑比油气润滑更容易实现，它需要大量的设计工作，但由于最小润滑量和由此减小飞溅损失，要求具有较高的速度适应性。

固体润滑是润滑的一种特殊情况。在缓慢旋转的滚动轴承中形成带有粘结涂层、浆料和粉末的支撑润滑膜。常用的润滑剂是石墨、硫化钼或PTFE化合物。固体材料甚至可以用作滚动轴承的组成部分。在某些应用中，固体材料代替了滚动轴承的保持架。由于这是一种终身润滑，因此在轴承寿命终结时完全用尽润滑剂。典型的应用是窑车的轮轴轴承。

选择合适的润滑方式

润滑方式的选择取决于：

• 滚动轴承的工作条件

• 滚动轴承理想的运行特性、运行噪音、摩擦特性和温度特性

• 防止早期失效的安全要求

• 润滑系统的安装和维护成本

在选择润滑方式时，防止过早失效的安全性要求是重中之重。必须确保润滑剂能充足渗透到每个功能表面接触处，并非所有的润滑方式都能同样保证润滑油的存在。例如，对于油浴润滑必须定期检查油位。相反，只要不超过润滑脂的工作寿命或再润滑周期，脂润滑的滚动轴承中的润滑剂是足够的。

常用润滑方式及详细说明

润滑剂

润滑脂

润滑脂的基本性能取决于基础油的种类和粘度、增稠剂和添加剂。矿物油和合成油多用作基础油。金属皂或金属复合皂通常用作增稠剂。除基础油和增稠剂外，添加剂的重要性与日俱增。其分为两种类型：

• 作用于基础油，如粘度改进剂、抗氧化剂

• 作用于轴承或金属表面，如防腐蚀和防磨损保护

根据润滑脂的稠度，可对其进行进一步分类，分为所谓的NLGI稠度等级（美国国家润滑脂协会），根据DIN 51818标准对其进行了标准化。NLGI稠度等级越高，润滑脂越“硬”。NLGI稠度等级的1, 2, 3级常用于滚动轴承。

润滑脂又根据其主要成分增稠剂和基础油进行细分。

润滑脂概述¹⁾

[ ¹ 参阅：Brändlein, Johannes (Hg.) (1998): Die Wälzlagerpraxis. Handbuch für die Berechnung und Gestaltung von Lagerungen (korrig. Nachdr. der 3. Aufl. Mainz: Vereinigte Fachverl.]
 

润滑油

矿物油和合成油通常适用于滚动轴承的润滑，矿物油是最常用的，这些必须至少满足DIN 51517标准的要求。

合成油则比较少见，其通常用于特殊和极端的工作条件，如高温。合成油是通过从矿物油中裂解碳氢化合物，在炼油厂中人工生产的，耗资巨大。因此，它们具有很高的纯度。

上文已提到过过粘度比（κ）。对于润滑油，目标值为2~4。

高粘度油具有很高的流体摩擦力。在低温和常温下，供油和排油管路中可能会出现油滞留。

并非在每个应用中都能达到所需的工作粘度，因为：

• 润滑油的选择取决于其他机械部件

• 循环润滑需要有足够流动的油

• 无法在剧烈变化的工作条件下做出明确的选择

在上述情况下，允许使用不同的粘度，如果润滑油中有适当的添加剂（EP添加剂），则也可以允许使用较低的粘度。否则，将会出现磨损迹象并缩短轴承使用寿命。

下表是根据润滑油的工作条件来进行选型指导。不过，仍然建议咨询润滑剂供应商。

添加剂

添加剂通常针对各自的功能进行优化。它们代表了油品的“合金”，增强了油品的性能，例如：

• 腐蚀保护

• 氧化稳定性

• 耐磨损

或赋予“新的”不存在的性能，例如：

• 中和能力

• 分散能力

• 乳化能力

润滑脂和润滑油的混合性

润滑剂的混合具有很高的风险。一方面，某些润滑油和增稠剂是不兼容的。另一方面，只能在有限的范围内预估添加剂的作用和润滑剂混合物的性能。只有通过适当的测试才能得出两种润滑剂在混合性和兼容性方面的具体结论。

请务必在混合前咨询润滑剂供应商，以确认是否可以混合。

应避免混合润滑脂。若混合是不可避免的，则混合的润滑剂必须遵守下列参数：

• 相同的基础油

• 匹配的增稠剂类型

• 相似的基础油粘度（不许超过一个ISO VG级别）

• 相同的一致性等级（NLGI稠度等级）

*来源：Oil Doc GmbH, Brannenburg

*来源：Oil Doc GmbH, Brannenburg

若更换润滑脂类型，则必须将使用过润滑脂从轴承和轴承座中完全冲洗干净。不相容的润滑脂混合会导致润滑剂硬化或润滑脂严重软化，二者均可能导致滚动轴承过早失效。