第六章 潤滑油

第六章

潤滑油

一、概述潤滑劑包括潤滑油和潤滑脂。

1.摩擦與潤滑

(1)干摩擦在機(jī)器中、兩個(gè)互相接觸而又發(fā)生相對運(yùn)動的部件叫摩擦副。這種干摩擦的摩擦系數(shù)因材料及表面粗糙度的不同而不同，其范圍為0.15—0.40，是相當(dāng)大的。

(2)流體動力潤滑軸和軸承之間便能在運(yùn)動中形成一層足夠厚的油膜(其厚度一般大于1μm)，使機(jī)件的表面不直接接觸。這樣，就以潤滑油膜的內(nèi)摩擦取代了摩擦件之間的干摩擦。潤滑油的內(nèi)摩擦系數(shù)一般僅在0.001—0.005之間，這種在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦件之間的油膜的厚度足以使摩擦件完全不接觸的潤滑，稱為流體動力潤滑，見圖6—1(a)。

圖6—1

流體動力潤滑、混合潤滑及邊界潤滑

潤滑油粘度、軸轉(zhuǎn)速和軸上負(fù)荷這三者的關(guān)系可以用軸承特性因數(shù)C來表示：式中η——潤滑油的粘度，mPa﹒s；

N——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；

p——軸單位投影面上的負(fù)荷，MPa。經(jīng)驗(yàn)表明，C的數(shù)值較大時(shí)，該軸承一般能保持在良好的流體動力潤滑狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)邊界潤滑摩擦件之間的相對速度較低及負(fù)荷較大，也就是軸承特性因數(shù)C太小。摩擦件之間只存在一層極薄的(小于0.1μm)邊界膜。邊界潤滑的摩擦系數(shù)大于流體動力潤滑的，約為0.05—0.15。(4)混合潤滑當(dāng)摩擦件之間不能形成連續(xù)的流體層，部分固體表面直接接觸時(shí)，則出現(xiàn)流體動力潤滑和邊界潤滑兼而有之的情況，可稱為混合潤滑[見圖4—8(b)]。圖6—2所示為Stfibeck曲線，它表示處于流體動力潤滑、邊界潤滑及混合潤滑三種狀態(tài)下摩擦系數(shù)與軸承特性因數(shù)C之間的關(guān)系。

(5)彈性流體動力潤滑圖6—2

摩擦系數(shù)與軸承特性因數(shù)的關(guān)系2.潤滑油的分類

我國基本上是按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalStandardizationOrganization)的ISO6743/0—1981潤滑劑分類標(biāo)準(zhǔn)制定了GB7631.1—87國家標(biāo)準(zhǔn)，把潤滑劑分為19組，具體見表6-1。習(xí)慣上，為方便起見，將潤滑油按其使用場合分為以下幾類：(1)內(nèi)燃機(jī)潤滑油包括汽油機(jī)油、柴油機(jī)油等。這是需要量最多的一類潤滑油，約占潤滑油總量的一半。(2)齒輪油

是在齒輪傳動裝置上使用的潤滑油，其特點(diǎn)是它在機(jī)件間所受的壓力很高。(3)液壓油及液力傳動油是在傳動、制動裝置及減震器中用來傳遞能量的液體介質(zhì)，它同時(shí)也起潤滑及冷卻作用。(4)工業(yè)設(shè)備用油其中包括機(jī)械油、汽輪機(jī)油、壓縮機(jī)油、汽缸油以及并不起潤滑作用的電絕緣油、金屬加工油等。我國等效采用ISO3448—92標(biāo)準(zhǔn)制定了GB/T3141—1994，將工業(yè)液體潤滑劑按其40℃時(shí)的運(yùn)動粘度(mm2/s)分為20個(gè)等級(見表6-2)。此外，內(nèi)燃機(jī)油和車輛齒輪油則是按其100℃時(shí)的運(yùn)動粘度和低溫下的粘度劃分等級。表6—1

潤滑劑和有關(guān)產(chǎn)品的分類（GB7631.1—87）組別ABCDEFG應(yīng)用場合全損耗系數(shù)脫模齒輪壓縮機(jī)（包括冷凍機(jī)及真空泵）內(nèi)燃機(jī)主軸、軸承和離合器導(dǎo)軌組別HMNPQRT應(yīng)用場合液壓系統(tǒng)金屬加工電器絕緣風(fēng)動工具熱傳導(dǎo)暫時(shí)保護(hù)防腐蝕汽輪機(jī)組別UXYZS—應(yīng)用場合熱處理用潤滑脂的場合其他應(yīng)用場合蒸汽氣缸特殊潤滑劑應(yīng)用場合—表6—2

ISO粘度分類ISO粘度等級中間點(diǎn)運(yùn)動粘度（40℃）mm2/s運(yùn)動粘度范圍（40℃），mm2/s最小最大22.21.982.4233.22.883.5254.64.145.0676.86.127.4810109.0011.0151513.516.5222219.824.2323228.835.2464641.450.6686861.274.8續(xù)表ISO粘度等級中間點(diǎn)運(yùn)動粘度（40℃）mm2/s運(yùn)動粘度范圍（40℃），mm2/s最小最大10010090.9110150150135165220220198242320320288352460460414506680680612748100010009001100150015001350165022002200198024203200320028803520

3.潤滑油的基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)油又可分為礦物油和合成油兩大類。對于從原油制取的潤滑油基礎(chǔ)油，我國原來是按原油類別將其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分為石蠟基基礎(chǔ)油系列、中間基基礎(chǔ)油系列及環(huán)烷基基礎(chǔ)油系列。我國現(xiàn)已采用一種潤滑油基礎(chǔ)油的新的分類方法。這種新的分類方法將潤滑油基礎(chǔ)油按其粘度指數(shù)分為超高粘度指數(shù)的、很高粘度指數(shù)的、高粘度指數(shù)的、中粘度指數(shù)的及低粘度指數(shù)的5類，它們的粘度指數(shù)相應(yīng)為VI≥140，VI≥120，VI≥90，VI≥40及VI<40。各類潤滑油基礎(chǔ)油的代號見表6—3。表中的VI為粘度指數(shù)(Viscositylndex)的英文字頭。UH為“超高”(UltraHigh)的英文字頭，VH為“很高”(VeryHigh)的英文字頭，H為“高”(High)的英文字頭，M為“中”(Middle)的英文字頭，L為“低”(Low)的英文字頭。此外，W為“Winter”的字頭，表示低凝，S為“Super”的字頭，表示深度精制。習(xí)慣上，將從原油減壓餾分制取的基礎(chǔ)油稱為中性油，將從減壓渣油制取的基礎(chǔ)油稱為光亮油。每類中性油又按其粘度分為若干牌號，每類光亮油也按其粘度分為若干牌號。表6—4所示為我國部分基礎(chǔ)油系列的牌號。表6—3

潤滑油基礎(chǔ)油分類潤滑油基礎(chǔ)油粘度指數(shù)超高粘度指數(shù)VI≥140很高粘度指數(shù)VI≥120高粘度指數(shù)VI≥90中粘度指數(shù)VI≥40低粘度指數(shù)VI<40潤滑油基礎(chǔ)油代號通用潤滑油UHVIVHVIHVIMVILVI專用基礎(chǔ)油低凝UHVIWVHVISHVIWMVIWLVIW深度精制UHVISVHVISHVISMVISLVIS表6—4

我國部分基礎(chǔ)油牌號類別牌號HVI75,100,150,200,350,400,500,650,120BS,150BSHVIW75,100,150,200,350,400,500,650,120BSHVIS75,100,150,200,350,400,500,650,120BS,150BSMVI60,75,100,150,250,500,600,750,900,90BS,125/140BS,200/220BSMVIW60,75,100,150,250,500,MVIS60,75,100,150,250,500,600,750,900,90BS,125/140BSLVI60,75,100,150,300,500,900,1200,90BS,230/250BS

二、內(nèi)燃機(jī)潤滑油

內(nèi)燃機(jī)潤滑油簡稱內(nèi)燃機(jī)油，也稱發(fā)動機(jī)油或曲軸箱油，它是潤滑油中耗量最大的一類。

1.內(nèi)燃機(jī)潤滑油的工作條件內(nèi)燃機(jī)潤滑系統(tǒng)見圖6—3，它是由下曲軸箱、潤滑油泵、潤滑油散熱器、粗濾清器、細(xì)濾清器所組成。其主要特點(diǎn)如下：(1)使用溫度高

(2)摩擦件間的負(fù)荷較大

(3)運(yùn)動速度多變

(4)所處的環(huán)境復(fù)雜

2.潤滑油在內(nèi)燃機(jī)中的作用(1)潤滑與減摩作用

(2)冷卻發(fā)動機(jī)部件作用

(3)密封作用

(4)保持摩擦部件清潔作用

(5)防銹和抗腐蝕作用圖6—3

內(nèi)燃機(jī)潤滑系統(tǒng)3.內(nèi)燃機(jī)潤滑油的主要質(zhì)量要求及其與化學(xué)組成的關(guān)系內(nèi)燃機(jī)潤滑油的質(zhì)量要求很多，主要有以下6個(gè)方面：(1)粘度至于粘度以多大為宜，則要根據(jù)不同內(nèi)燃機(jī)的具體工作條件來確定。潤滑油的粘度取決于其餾分組成與化學(xué)組成。就餾分組成而言，潤滑油的沸程越高，其粘度也越大，所以，當(dāng)要求粘度較大時(shí)，往往要以較重的減壓餾分甚至減壓渣油作為原料。至于粘度與化學(xué)組成之間的關(guān)系已在第三章中述及，即當(dāng)相對分子質(zhì)量相近時(shí)，具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的分子的粘度大于鏈狀結(jié)構(gòu)的，而且，分子中的環(huán)數(shù)越多，其粘度也就越大。(2)粘一溫性質(zhì)烴類的粘一溫性質(zhì)取決于其分子結(jié)構(gòu)。大體上說，烴類中除正構(gòu)烷烴的粘一溫性質(zhì)最好外，帶有少分支的長烷基側(cè)鏈的少環(huán)烴類和分支程度不大的異構(gòu)烷烴的粘一溫性質(zhì)也比較好，而多環(huán)短側(cè)鏈的環(huán)狀烴類的粘一溫性質(zhì)是很差的。

(3)抗氧化安定性內(nèi)燃機(jī)潤滑油不僅使用的溫度高，而且是循環(huán)使用，不斷與含氧的氣體接觸，所以很容易因氧化而變質(zhì)。因此，需要設(shè)法提高潤滑油的氧化安定性，以延長其在內(nèi)燃機(jī)中的使用壽命。

①烴類組成對氧化安定性的影響。

②含硫化合物對氧化安定性的影響。

圖6—4所示為大慶潤滑油添加不同量的含硫化合物后，對其氧化安定性的影響。由圖可見，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，試樣中的含硫量越高，其吸氧速度就越慢，也就是更趨安定。③含氮化合物對氧化安定性的影響：研究表明，含氮化合物對潤滑油的氧化是起促進(jìn)作用的。

圖6—5所示是用旋轉(zhuǎn)氧彈法測得的含氮量對潤滑油氧化安定性的影響。圖6—4

硫含量對氧化安定性的影響圖6—5

含氮量對150SN基礎(chǔ)油氧化誘導(dǎo)期的影響（旋轉(zhuǎn)氧彈量）

(4)清凈分散性由于潤滑油本身的氧化和縮合以及與燃料燃燒產(chǎn)物的相互作用，在內(nèi)燃機(jī)中會產(chǎn)生各種沉積物。其沉積物分為三類，即：積炭、漆膜、油泥。在內(nèi)燃機(jī)的工作條件下，這些沉積物的生成原因是很復(fù)雜的，大體上可用圖6—6及圖6—7來表示。研究表明，柴油機(jī)活塞上的漆膜和積炭90%以上來源于潤滑油的高溫氧化，汽油機(jī)中的油泥則主要是由于在較低溫度條件下燃料燃燒不完全而形成的。由于基礎(chǔ)油本身并不具備把各類沉積物盡量從金屬表面上洗滌下來并分散于潤滑油中的這種功能，所以必須加入各種類型的清凈分散添加劑。(5)低溫流動性一般情況下，傾點(diǎn)可以做為評定潤滑油低溫性能的參考指標(biāo)。低溫動力粘度的測定采用冷啟動模擬機(jī)法。該模擬機(jī)的核心部件如圖6—8所示，它是由一個(gè)斷面為缺圓圓柱體的轉(zhuǎn)子和一個(gè)銅制定子構(gòu)成。邊界泵送溫度就是能把內(nèi)燃機(jī)油連續(xù)地、充分地供給潤滑油泵入口的最低溫度。(6)抗磨性各種烴類的抗磨性能雖有差別，但都還不能滿足要求，這就需要加入具有抗磨作用的添加劑來改善這方面酌性能。圖6—6

汽油機(jī)中沉淀物生成過程示意圖圖6—7

柴油機(jī)中沉淀物生成過程示意圖圖6—8

冷啟動模擬機(jī)核心部分示意圖4.內(nèi)燃機(jī)潤滑油的分類

我國內(nèi)燃機(jī)潤滑油的分類，采用了國際上通用的SAE(SocietyofAutomotiveEngineers，美國汽車工程師學(xué)會)粘度分類和API(美國石油學(xué)會)

的質(zhì)量等級分類。(1)內(nèi)燃機(jī)油粘度等級的分類我國等效采用SAEJ300標(biāo)準(zhǔn)，制定了內(nèi)燃機(jī)油粘度分類國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14906—1994)，如表6—5所示。內(nèi)燃機(jī)油粘度等級分為含字母W及不含字母W兩個(gè)系列，其中含字母W的粘度等級對低溫性能有特殊要求。不含W的粘度系列中的20、30、40、50、60各號是以其100℃運(yùn)動粘度來劃分的。含W的粘度系列中的0W、5W、10W、15W、20W、25W各號則是以其最大低溫粘度、最高邊界泵送溫度及l(fā)00℃時(shí)最小運(yùn)動粘度來劃分的。

表6—5

內(nèi)燃機(jī)油的粘度分類(GB/T14906—1994)粘度等級低溫粘度，mpa﹒s不大于邊界泵送溫度，℃不高于運(yùn)動粘度（100℃），mm2/s不小于0W3250（-30℃）-353.85W3500（-25℃）-303.810W3500（-20℃）-254.115W3500（-15℃）-205.620W4500（-10℃）-155.625W6000（-5℃）-109.320——5.6，小于9.330——9.3，小于12.540——12.5，小于16.350——16.3，小于21.960——21.9，小于26.1近年來，內(nèi)燃機(jī)中越來越多地使用多級油。所謂多級油是指其100℃粘度在某一非W粘度等級范圍內(nèi)，而同時(shí)其低溫粘度和邊界泵送溫度又能滿足某一W粘度等級的指標(biāo)，可表示為5W/30、l0W/30及20W/40等。多級油大多是由較低粘度的基礎(chǔ)油添加粘度添加劑稠化后制成的，所以也稱稠化機(jī)油。多級油的粘一溫性質(zhì)顯著優(yōu)于單級油，它的使用不受地區(qū)和季節(jié)的限制，冬、夏季和南、北地域通用，同時(shí)還可以節(jié)約燃料。

(2)內(nèi)燃機(jī)油質(zhì)量等級的分類我國參照SAEJ183分類方法，以S代表汽油機(jī)油系列，分為SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG及SH等質(zhì)量等級，其質(zhì)量水平順序依次提高。柴油機(jī)油系列則以C代表，分為CA、CB、CC、CD、CD—Ⅱ、CE及CF—4等質(zhì)量等級，其質(zhì)量水平也是順序依次提高。

(3)內(nèi)燃機(jī)潤滑油的品種我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的汽油機(jī)油及汽油機(jī)煤油機(jī)通用油的品種如表6—6所示，柴油機(jī)的品種則列于表6—7。表6—6

汽油機(jī)油及汽油機(jī)/柴油機(jī)通用油的品種(GB11121—1995)品種代號粘度等級SC5W/20,10W/30,15W/40,30,40SD(SD/CC)5W/30,10W/30,15W/40,10/20W,30,40SE(SE/CC)5W/30,10W/3015W/40,20/20W,30,40SF(SF/CD)5W/30,10W/30,15W/40,30,40品種代號粘度等級CC5W/30,10W/30,15W/40,20W/40,20/20W,30,40CD10W,5W/30,10W/30,15W/30,15W/40,20W/40,20/20W,30,40表6—7

柴油機(jī)油的品種(GB11122—1997)

三、齒輪油

齒輪油是專用于齒輪傳動裝置的潤滑油。

1.齒輪油的工作條件由于齒輪間接觸面積小，所以其承受的壓力很大。在高的壓力下，潤滑油極易從齒間被擠壓出來，容易引起齒面的擦傷和磨損。

2.齒輪油的主要性能齒輪油要求有適當(dāng)?shù)恼扯纫约傲己玫恼骋粶匦再|(zhì)、抗氧化安定性和防腐性等。尤其突出的是，要求它具有良好的抗磨損、耐負(fù)荷的性能，也就是要有較高的承載能力。測定潤滑油承載能力需借助摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。此處只介紹其中的一種，即四球試驗(yàn)機(jī)。如圖6—9所示，它的摩擦件是由四個(gè)Φ12.7mm的鉻鋼球組成。試驗(yàn)時(shí)，不斷加大負(fù)荷(p)，并用顯微鏡測定球上因磨損形成的磨痕直徑(DH)的大小，可得如圖6—10所示的雙對數(shù)坐標(biāo)曲線。除上述四球試驗(yàn)機(jī)外，還需用Timken試驗(yàn)機(jī)及FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)等進(jìn)行評定。此外，若要開發(fā)新的齒輪油品種，還需要通過專用的齒輪油臺架試驗(yàn)機(jī)的評定。各種烴類的承載能力都比較低，其抗磨性能都不能滿足齒輪油的要求。所以，齒輪油中必須加入相應(yīng)的抗磨添加劑，這些添加劑中都含有極性的或具有化學(xué)活性的化合物。圖6—9

四球摩擦件示意圖圖6—10

四球機(jī)試驗(yàn)曲線3.齒輪油的分類

我國的齒輪油分為工業(yè)齒輪油及車輛齒輪油兩大類。工業(yè)齒輪油按使用場合的不同，分為工業(yè)閉式齒輪油和工業(yè)開式齒輪油。就粘度而言，它們按40℃運(yùn)動粘度的中心值分為68，100，150，220，320，460和680等7個(gè)粘度等級。按其質(zhì)量的要求，工業(yè)閉式齒輪油分為CKB，CKC，CKD，CKE，CKS，CKT等6個(gè)等級，工業(yè)開式齒輪油分為CKH，CKJ，CKM等3個(gè)等級。車輛齒輪油按其使用條件的苛刻程度分為普通車輛齒輪油(代號CLC)、中負(fù)荷車輛齒輪油(代號CLD)和重負(fù)荷車輛齒輪油(代號CLE)這3種，它們的質(zhì)量等級分別相當(dāng)于API制訂的GL-3，GL-4，GL-5。車輛齒輪油按210賽式通用粘度秒的大約值，分為70W，75W，80W，85W，90，140，250等7個(gè)粘度等級，詳見表6—8。近年來，標(biāo)號為80W/90，85W/90，85W/140等多級齒輪油應(yīng)用日廣，它們同時(shí)具有良好的低溫起動性和高溫潤滑性。表6—8

車輛齒輪油的粘度分類類別達(dá)到150pa﹒s的最高溫度℃100℃運(yùn)動粘度，mm2/s最低最高70W-554.1—75W-404.1—80W-267.0—85W-1211.0—90—13.524.0140—24.041.0250—41.0—

四、液壓油及液力傳動油

液體靜壓系統(tǒng)和液體動力系統(tǒng)所使用的工作介質(zhì)相應(yīng)為液壓油及液力傳動油兩大類，它們可由礦物油或合成烴制成。液壓油又可分為抗磨液壓油、低凝液壓油及數(shù)控液壓油等。1.液壓油及液力傳動油的主要性能液壓油除要求有合適的粘度、良好的粘一溫性質(zhì)、抗氧化安定性等之外，還有如下一些特殊的要求：(1)抗磨性在系統(tǒng)中各種摩擦元件經(jīng)常處于邊界潤滑狀態(tài)，所以，往往需要加入抗磨添加劑以便在摩擦副中形成邊界潤滑膜。(2)抗乳化性在液壓元件的攪動下，如有水存在時(shí)很易形成乳狀液，這樣便會增大機(jī)件腐蝕和磨損。

(3)

抗泡沫性液壓油在循環(huán)時(shí)，溶于油中的空氣量會不斷增加，從而導(dǎo)致氣泡的生成。這樣便會影響液壓機(jī)構(gòu)傳遞能量的穩(wěn)定性和效率。因此，要求液壓油具有良好的空氣釋放能力和消泡能力。(4)抗剪切安定性液壓油在高壓、高速使用條件下，通過泵、閥件、微孔等元件，要經(jīng)受很高剪切速率的剪切作用，這就要求添加增粘劑的液壓油具有良好的抗剪切安定性，以免因粘度降低過多而造成磨損。(5)對密封材料的適應(yīng)性液壓系統(tǒng)一般以橡膠為密封件，所以，要求液壓油不侵蝕橡膠，不使其過分溶脹，也不允許使其收縮或硬化，以免降低其密封性能。液力傳動油是一類性能更為全面的油品，要求它具有良好的扭矩轉(zhuǎn)換性能、低溫流動性能、抗燒結(jié)和抗磨損性能、抗氧化性能、清凈分散性能、抗泡沫性能、防銹性能、與各種密封材料的適應(yīng)性能以及適當(dāng)?shù)哪Σ撂匦浴?.液壓油的分類我國適用于流體靜態(tài)液壓系統(tǒng)的礦物油型和合成烴型液壓油共分為L—HL，L—HM，L—HV，L—HG及L—HS五個(gè)品種。其中L—HM，L—HV和L—HS三個(gè)品種按質(zhì)量分為優(yōu)等品和一等品，L—HL和L—HG兩個(gè)品種則只設(shè)一等品。

五、電器絕緣油

1.對電器絕緣油的質(zhì)量要求電器絕緣油的功能并不是起潤滑作用，所以，對其性能的要求與一般潤滑油有很大差別。其主要的性能要求如下：(1)電氣性能電器絕緣油的電氣性能要求，主要有絕緣擊穿電壓及介質(zhì)損失角正切值這兩項(xiàng)。我國目前有6，35，220/110，330及500kV這5種輸電電壓系統(tǒng)，這就需要有擊穿電壓大于上述各種電壓的變壓器油。實(shí)際介質(zhì)(如變壓器油等)在交變電場中因介質(zhì)中某些分子的扭動和位移會引起電能的損失，損失的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏褂蜏厣?。這樣便導(dǎo)致電流和電壓的相位差并不正好是，而是比要小一個(gè)δ角，這個(gè)δ角就稱為介質(zhì)損失角。介質(zhì)損失角正切值tgδ的數(shù)值是表明在交變電場作用下在介質(zhì)中電能損失的大小。電器絕緣油的品種有變壓器油、電纜油、電容器油和油開關(guān)油等，其中變壓器油占95%以上。

(2)