潤滑原理之六

2004-12-05

潤滑原理之六

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！

 

極壓劑

極高的負荷下會產生極壓狀況，而引致金屬表面的拉痕及孔蝕凹陷，這比摩擦的動能損耗要嚴重多了，更糟的是最終可能造成咬死。極壓(EP)添加劑是用來克服這些狀況的，極壓添加劑通常含有活性的化學物質如硫、磷、或氯的誘導物。

滑動兩相對應滑動件在充分的負荷下相互摩擦產生極高的局部高溫，極壓劑的使用可以避免相對金屬表面產生熔接現象。在極壓條件的潤滑時，伴隨著極高溫現象，此時極壓劑和金屬表面間產生細微的化學反應。新的金屬組成結構能抑制熔接的發生，因此金屬表面間持續形成和破壞的微小金屬鍵結的摩擦力降到最低。

上述的保護作用僅於高局部溫度時才能有效發揮。所以極壓劑基本上是一極高溫添加劑。

 

複雜的邊界潤滑

許多的實際運轉包含了不同的邊界潤滑狀況。其中最嚴苛的狀況需以化學活性的滑油來提供潤滑保護，這類型的活性劑在於較輕的邊界條件時則並不起作用。局部高溫有時尚不足以使活性劑產生化學反應，為了能涵蓋不同的邊界潤滑需求，添加劑的選擇就必須有多重的組合，分別為較嚴苛的條件及較溫和的應用提供適當的保護。

 

邊界潤滑劑的副作用

既然具邊界條件型態的添加劑對於各式各樣邊界潤滑保護非常重要，那為何絕大部分的潤滑劑都不含這類型的添加劑。首先並無必要增加額外的成本在一般的配方中加入這些添加劑，另外油性劑的極性特質會促進滑油的乳化現象造成滑油的油水分離速度及效果不彰。而有些強效的極壓添加劑會和金屬結構產生反應，當然使用上也受到限制。

 

黏-滑效應的潤滑

黏滑作動是邊界潤滑的一特殊例子。常見的工具機滑道是典型的緩慢或往復的活動，非常不利於全流液油膜的建立。除非能仔細有效的的計算修正，否則金屬和金屬間的接觸是無法避免，並且產生固體摩擦而非較理想的流體摩擦。同時由於固體的靜摩擦大於固體的動摩擦，所以一重物從靜止狀態開始移動時摩擦阻力隨之下降。

工具機台常以極緩慢的速度移動。當一力量施加在機台重物時，首先必須克服其靜摩擦，力道超過靜摩擦時，機台隨即移動且因動摩擦遠小於靜摩擦，機台因而往前跳動。然又因為機台本身原有的重量回彈，致使機台回歸靜止，直到施加的驅動力道足以克服靜摩擦再次推動機台。這樣的干擾持續進行稱之為黏-滑作動，這種狀況下要求精密加工是極不可能的。

為了避免這種抖動的現象，潤滑劑需具備動摩擦大於靜摩擦的特性。這樣的特性和一般的固體摩擦力的觀念是完全相反的。但滑道油複合特別的油性劑之後，在機台重物運動時其在滑動面所產生的遲滯力量大增。因此機台從靜止到開始移動的瞬間可以避免往前跳動的弊病，整個行程的進行也平穩順暢。

 

EHD潤滑或稱為EHL

前面所討論的我們可以稱之標準的液動及邊界潤滑模式。前者主要的特性為極低摩擦及磨損的潤滑狀況，潤滑劑的黏度是主要的考量。後者的特性為嚴苛的表面接觸、高摩擦及磨損，而潤滑劑需依賴添加劑來補償黏度之不足。

除了這兩種基本的潤滑模式以外，界於這兩者間有一潤滑模式被視為標準液動潤滑模式的延伸稱作彈性液動潤滑（EHD）或EHL。這模式主要是發生在滾動軸承及齒輪組裡頭，不平順的兩接觸表面在極小的區域內很容易產生高負載。不平順接觸表面的例子為軸承中滾珠在較大的座圈中，如圖22。



表現EHD潤滑特徵的兩個現象：

1. 兩接觸物體表面在壓力作用下，產生瞬間短暫的彈性變形，因而可將負載分佈至較大的受力範圍。

2. 滑油黏度在高壓下瞬間暫時劇增，所以在接觸區的滑油負載承受能力增加。

由黏度劇增和負載承受區的擴展可促成一薄且濃稠的油膜於兩表面之間。因高壓下黏度增加，產生足夠的液動力量建立全流液油膜來分開兩表面。

EHD潤滑中，軸承材質不斷重覆的彈性變形導致金屬疲勞，最終使得軸承損壞，這種發生率在滾動軸承遠比滑動平軸承高得多。即便是選用最好的潤滑劑都很難免除這類型的損壞失敗。

 

磨合期間

現代的工具雖可製造高精密公差及高精度表面的零件，但許多全新機件的表面仍是太粗糙而無法支撐其最後要承受的負載及速度。這些配合件最初的粗糙表面所產生的摩擦熱足以損傷甚至燒毀零件，所以新機件都以較其定額能力為低的負載運轉，直到兩接觸面的粗糙部分逐漸磨平到達適當的平滑水準為止。

機件開始磨合時，有時使用含EP的油品是有幫助的，這些添加劑的化學反應可以使粗糙的凸出部磨平得到平滑精光的表面。當表面精光度改善後，可停止使用EP油品，而以純礦油或較輕度EP油品使用。但也有許多的設備建議較輕度抗磨性質的滑油用於磨合期，以便在設定的磨合時間內有效的達到預期的表面水準，車輛引擎的初充填油便是一例。

 

軸承金屬

軸頸軸承的磨合及運轉時的狀況按其相對運動表面的材質組成及面積有很大的關係。在部分潤滑的範圍裡，如果軸頸和軸承使用不同的金屬則摩擦力會小很多。通常將堅硬的軸頸裝置於襯有軟金屬如銅、銀或巴氏合金的軸承中。

這種方式有許多好處。由於軟金屬的可塑性高，容易適應軸頸凹凸不平的粗糙表面，所以磨合期短效果又好。且隨後的緊密配合，軸承軟金屬有良好的磨損特性。還有在潤滑失敗的狀況下，也較不易產生破壞性的高溫。摩擦力也遠小於鋼鐵間之直接接觸。

在這些特性的保護下如果異常高溫仍舊發生，低熔點的軸承金屬會先毀壞，軸承金屬柔軟的特性可避免軸頸受損害，而且更換軸承金屬內襯相對於軸頸而言是簡單多了。但軸承金屬組成對全流液油膜潤滑則沒有特別的影響。

 

磨損

機件潤滑即便再完美還是會有磨損的，有時因非常輕微可以忽略，例如許多蒸汽渦輪機的軸承便是最好的例子。渦輪機用以驅動發電機其承受的負載、速度及溫度都相當的穩定，這些是形成最有效潤滑的操作條件。

還有很多機件設備大都在較不理想的條件下運轉。頻繁停開的機械其潤滑油膜易受干擾破壞。潤滑過程中，灰塵粒子、磨耗金屬粒子的污染都會造成磨損。過度負載、引擎怠速及背離理想的操作條件都會促使磨損增加。

 

磨損和摩擦力

一般而言，磨損和摩擦力是伴隨而來的，但在極端的情況則有所不同。有此低速軸承在相當重的負載下，需極高黏度的滑油來提供完全的潤滑。但因高黏度滑油會有較大的流液摩擦力，所以這類的滑油較低黏度滑油帶來更大的軸承摩擦力。

也就是說，較低黏度的滑油只能提供部分潤滑的效果，所以從金屬表面保護的角度而言，并非適當的潤滑劑。為了磨損問題的改善必需犧牲部分摩擦力的優點。所以和一般看法相反的，較低磨損意味著在極端的情況下有著較大的摩擦力。

 

滑脂潤滑

上述所談皆以滑油為主來探討潤滑相關的問題，最後談談滑脂的潤滑。潤滑的最基本原則是選用適當黏度的潤滑油，但在實際的機械設備應用上而言，有許多的狀況選用滑脂的潤滑效果會比滑油好。通常滑脂是以滑油加入特定的皂基增稠來賦予其停留於潤滑點的能力，所以滑脂常被用於無法以滑油提供持續潤滑的地方。

滑脂有許多的特性如抗高溫、抗水性、極端負載等等，其主要決定於皂基的種類和特性，而摩擦特性則幾乎完全由其中所含的滑油來左右。基礎油的黏度是決定滑脂所能提供適當潤滑油膜的能力，添加劑則決定了滑脂的其他潤滑特性。

（全文完）