潤滑原理之四

2004-10-05

潤滑原理之四

吳世榮

 

潤滑原理是進入潤滑技術領域，掌握潤滑產品特性的基本功夫，本刊特商得吳世榮先生應允，就這一主題，連續為讀者作深入淺出的介紹，主要內容包含：

固體摩擦　減低摩擦　潤滑劑　液動潤滑　軸承潤滑　流體摩擦　軸承效率　邊界潤滑

彈性液動潤滑磨合　軸承金屬　磨耗損傷　滑脂潤滑等幾大部分

讀者請留意閱讀！

 

層流



兩滑動表面由潤滑油膜分開時，油膜層是會流動的，在絕大多數的狀況下這些油流的表現都稱之為層流，亦即無擾流情形。我們將這油膜視之為由許多非常薄的油液層所構成，各油液層間都以不同的速度朝向同方向流動如圖13。

在這情況之下，和鄰近固定面接觸的油液層同樣是靜止不動的；相同的，最接近滑動面的油液層和滑動面以相同的速度流動。而在這兩者間的各油液層之速度則和距固定面之距離成正比，也就是說愈靠近固定面的油液層速度愈慢，在油膜最中間的油液層其速度為滑動面速度的一半，這速度約為油膜之平均速度。

剪應力

因各層的油液以不同的速度流動，相互間會有滑動的現象，需要有一定的力量來推動著這些油液層的流動，這力量的比阻力稱之剪應力，而流體摩擦力就是這些剪應力累積的結果。黏度係因剪應力的作用而得，黏度為剪應力除以剪率，所以流體摩擦力和黏度成正比。

速度和軸承面積的效應

軸承有兩個因素會影響到流體摩擦力，其一為滑動面的相對速度，另一為有效面積。不同於固體摩擦它是不受這兩因素的影響，流體摩擦會按其接觸面的速度和面積增加而增加。

另外，流體摩擦不受負荷的影響，這也是和固體摩擦不同的。同樣的另一考慮點，較重的負荷會減低油膜厚度，但不影響流體摩擦。

 

軸承效率



部分潤滑

上述摩擦力的討論皆以「全流液油膜潤滑」的條件為主，然而在實際的運轉狀況下全流液油膜潤滑的產生受限於許多因素，例如滑油黏度不足，軸頸速度過低無法提供需要的液動壓力，軸承面積受限制無法支撐負荷或潤滑的供應不足等都是可能的因素。

在這些極端的狀況下，僅可能形成。最終混合著流體和固體的摩擦造成高軸承摩擦力，其中各摩擦力的比例是按操作的嚴苛狀況而定。

在全流液油膜潤滑中，摩擦在部分潤滑的階段產生，且因金屬間接觸的程度而有不同的摩擦力表現，而這都和黏度、速度和面積有關。最主要的差異在缺乏全流液油膜時，摩擦和上述三項因素成反比。

 

全部的軸承摩擦

在不考慮潤滑狀況和滑油黏度、速度和面積的複雜關係下，我們來探討全部的軸承摩擦問題。軸承摩擦和滑油黏度、速度及面積相關如下：

【1】 F = (f) ZNA

F：軸承的摩擦阻力

Z：滑油黏度

N：軸頸速度

A：軸承的負荷承受面積

(f)： 介於公式兩邊之間的未定關係數

 

摩擦係數

通常用摩擦係數來表示磨擦的特性，這是因摩擦係數較摩擦力更廣為被接受應用。單位摩擦由實際摩擦力除以負荷（加於兩滑動面間之負荷），按【1】方程式兩邊各除以負荷 L ，其結果如下：

【2】 F/L = (f) ZNA/L

在這裡F/L係，以μ表示之。而A/L係壓力的倒數，或表示為A/L = 1/P，P為壓力，是軸承加諸於滑油膜上單位面積之負荷作功，隨之【2】方程式可改寫成如下：

【3】 μ = (f) ZN/P

上述係工程計算應用於軸承摩擦上的程式，ZN/P視為一參數。

 

ZN/P曲線



程式【3】僅指出其間有一定的關係存在但並未定義出其間的關係，定義應參考圖15之曲線，其ZN/P曲線示出不同操作狀況下典型的軸承效率，曲線特性按軸承的運轉狀況而異。

在ZN/P曲線的左方係部分潤滑區，固體摩擦結合流體摩擦產生高摩擦阻力，最左方係代表軸頸起動時的狀況，基本上有極高的固體摩擦阻力。

當速度漸增後，流體油膜的生成降低了軸承的阻力，而隨著速度的增加使得參數ZN/P也增加，將操作狀況往曲線的右邊發展。同樣用較黏的油品或降低壓力也可達到類似的結果。壓力可經由減輕負荷或增加軸承面積而降低。

進一步的調整相關因素來增加參數，則操作狀況會持續往右移，達到完美的理想潤滑區，此時流液油膜完全建立，金屬間之接觸完全減除。

超過理想潤滑區這部分，無論黏度、速度或面積續增都會有相反情況出現。這是由於流體摩擦力的增加驅使操作狀況遭遇高摩擦力，也就是愈往曲線的右端部分。