潤滑脂摩擦特性的研究

摘 要：摩擦是機械工程中不可避免的物理現(xiàn)象，它不僅消耗大量能量，而且成為機械磨損、損壞甚至失效的主要原因，面對這一挑戰(zhàn)，潤滑脂作為一種專為減少摩擦而設(shè)計的潤滑劑，以其獨特的性能在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，潤滑脂成分精巧，基礎(chǔ)油和復(fù)合添加劑的巧妙組合，使其摩擦特性得到充分發(fā)揮，對機械設(shè)備的運行效率和使用壽命產(chǎn)生深遠影響。因此，深入探索潤滑脂的摩擦特性，不僅有助于我們更好地理解其潤滑機理，還能為優(yōu)化潤滑方案、提高設(shè)備整體性能提供科學依據(jù)和理論支持，該研究領(lǐng)域前景廣闊，對推動機械工程領(lǐng)域的技術(shù)進步具有重要意義。

關(guān)鍵詞：潤滑脂 定義 摩擦特性

本文重點對潤滑脂的摩擦特性進行深入分析，旨在揭示潤滑脂的組成、結(jié)構(gòu)與摩擦性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，本文通過綜合實驗分析和理論探討，創(chuàng)新性地提出了基于摩擦學原理的潤滑脂性能評價體系，為工業(yè)應(yīng)用中潤滑脂的選擇提供了更加準確、科學的指導(dǎo)。該研究不僅加深了我們對潤滑脂摩擦機理的認識，而且為提高機械設(shè)備的運行效率和延長使用壽命提供了切實可行的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景和學術(shù)價值。

1 潤滑脂的定義和發(fā)展

1.1 潤滑脂的定義和特性

潤滑脂，該術(shù)語涵蓋介于液體潤滑劑和固體潤滑劑之間的半固體或油狀物質(zhì)，主要由基礎(chǔ)油（潤滑油）、增稠劑（增稠劑或皂基）和可能的添加劑在高溫下混合而成?；A(chǔ)油作為潤滑脂的主要成分，占總量的70%以上，提供潤滑所需的基礎(chǔ)油膜，增稠劑起到吸附和穩(wěn)定基礎(chǔ)油的作用，賦予潤滑脂獨特的半固體形態(tài)。[1]添加劑，如抗氧化劑，防銹劑和極壓抗磨劑，用于進一步改善潤滑脂的性能，如耐高溫，耐腐蝕和減摩。潤滑脂的獨特性在于其流變特性，即在沒有外力的情況下能保持一定的形狀，不會自動流失；但受到外力時可以變形，外力撤除后可以恢復(fù)原狀，這一特性使得潤滑脂在潤滑機械零件時不僅能有效防止泄漏，而且在需要時能迅速流動，為摩擦表面提供充分的潤滑，該潤滑脂還具有優(yōu)異的粘附性、耐水性、密封性和抗泄漏性，特別適用于密封不良或開口的摩擦部位。

1.2 潤滑脂的發(fā)展歷史

據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，早在公元前1400年的古埃及，人們就已經(jīng)學會將石灰與植物油混合來潤滑戰(zhàn)車車軸，但是，現(xiàn)代意義上的油脂的出現(xiàn)是在工業(yè)革命之后，隨著煉油技術(shù)的興起，礦物油逐漸取代植物油，成為潤滑脂的基礎(chǔ)油。19世紀中期，隨著化學工業(yè)的發(fā)展，人們開始嘗試使用各種化學物質(zhì)作為稠化劑來改善潤滑脂的性能，1872年，鈉基潤滑脂，一種由皂基增稠礦物油制成的潤滑脂問世，標志著現(xiàn)代潤滑脂工業(yè)的開始，鈣基潤滑脂、鋁基潤滑脂、復(fù)合鈣基潤滑脂等不同類型的潤滑脂相繼出現(xiàn)，以滿足不同工況下的潤滑要求。二戰(zhàn)后，隨著科技的進步和工業(yè)的發(fā)展，各國加大了對特種潤滑脂的技術(shù)投入，特別是冷戰(zhàn)結(jié)束后，越來越多的高新技術(shù)應(yīng)用于民用潤滑脂領(lǐng)域，如合成基礎(chǔ)油、特殊功能添加劑、新型稠化劑等新材料的應(yīng)用，這些新材料在新型潤滑脂配方中的廣泛應(yīng)用，大大提高了潤滑脂的性能。如聚α-烯烴（PAO）合成基礎(chǔ)油的應(yīng)用，使?jié)櫥哂懈叩臒岚捕ㄐ院脱趸捕ㄐ?；聚脲、硅膠等新型稠化劑的應(yīng)用使?jié)櫥哂懈玫臋C械安定性和膠體安定性。

1.3 潤滑脂市場現(xiàn)狀及未來趨勢

近年來，隨著全球經(jīng)濟的增長和工業(yè)化進程的加快，油脂市場的需求不斷增加，特別是在中國等新興市場，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展和汽車數(shù)量的不斷增加，對潤滑脂的需求呈現(xiàn)快速增長趨勢。據(jù)統(tǒng)計，2023年中國潤滑脂市場總規(guī)模已穩(wěn)定在620萬-650萬噸/年之間，潤滑脂需求通常維持在40萬噸/年左右。從市場結(jié)構(gòu)來看，油脂市場呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢，一方面，傳統(tǒng)的礦物油基潤滑脂仍占據(jù)市場主導(dǎo)地位；另一方面，隨著環(huán)保意識的提高和可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心，生物油基潤滑脂和合成油基潤滑脂等環(huán)保潤滑脂的市場份額也在逐漸增加。此外，隨著新能源汽車的快速發(fā)展和智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對潤滑脂的性能提出了更高的要求，如更高的熱穩(wěn)定性、更低的摩擦系數(shù)和更好的耐磨性。這些要求推動了潤滑脂技術(shù)的不斷創(chuàng)新和升級。未來，油脂市場將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長的趨勢，一方面，隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高和智能制造的快速發(fā)展，工業(yè)潤滑脂的需求有望進一步增加；另一方面，隨著新能源汽車市場的不斷擴大和技術(shù)的不斷進步，對潤滑脂的性能要求將更加嚴格。[2]因此，油脂企業(yè)需要不斷創(chuàng)新，開發(fā)新產(chǎn)品，以滿足市場的變化和升級需求，企業(yè)也需要加強品牌建設(shè)和市場拓展，提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)水平，才能在激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位。

2 潤滑脂的主要成分

2.1 基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)油又稱潤滑油，是潤滑脂的主要成分，通常占總量的70%～90%，它不僅是潤滑脂潤滑性能的主要承擔者，而且決定著潤滑脂的粘度、流動性和潤滑效果，基礎(chǔ)油的選擇很重要，根據(jù)潤滑脂的預(yù)期用途和使用條件來確定。礦物油是一種常見的基礎(chǔ)油，主要來源于煉油廠特制的石油產(chǎn)品，如環(huán)烷基潤滑油、石蠟基潤滑油和中間基潤滑油，這些礦物油具有來源廣泛、價格低廉的優(yōu)點，可以滿足很多常見的潤滑需求。例如，由于其高密度和低傾點，環(huán)烷基潤滑油經(jīng)常用于需要低溫流動性的潤滑脂中，但在一些極端條件下，如高溫、高速或需要耐化學性的環(huán)境下，礦物油可能達不到要求。為了滿足這些特殊需求，合成油應(yīng)運而生，合成油具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、低溫性能和抗氧化性能，有些產(chǎn)品甚至可生物降解。常見的合成油包括聚烯烴、聚醚、聚硅氧烷和合成酯，例如，聚α-烯烴（PAO）合成油由于其高的熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性而廣泛用于高性能潤滑脂中。

2.2 稠化劑

稠化劑通常占總量的5%至30%，增稠劑在潤滑脂中形成網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)，將基礎(chǔ)油吸附固定在骨架上，從而賦予潤滑脂半固態(tài)或固態(tài)的形態(tài)。增稠劑的種類和含量決定了潤滑脂的粘度、耐水性、耐熱性和機械穩(wěn)定性，常見的增稠劑包括皂基增稠劑和非皂基增稠劑。皂基增稠劑以金屬如鋰、鈣、鈉、鋇或鋁為基礎(chǔ)，通過脂肪酸與金屬離子反應(yīng)制備，如鋰基稠化劑具有優(yōu)異的耐水性、高溫穩(wěn)定性和膠體穩(wěn)定性，因此鋰基潤滑脂廣泛應(yīng)用于汽車、機械和電子設(shè)備中。非皂基增稠劑是基于有機和無機固體顆粒、粘土、聚脲和硅膠，這些非皂基增稠劑具有獨特的性能，如更高的熱穩(wěn)定性、更低的摩擦系數(shù)和更好的耐磨性。例如，聚脲增稠劑因其高剪切穩(wěn)定性和極壓抗力，常被用于潤滑重載和高速摩擦部件。

2.3 添加劑

雖然添加劑在潤滑脂中的含量不高，占總量的0～10%，但它們對提高潤滑脂的綜合性能起著至關(guān)重要的作用，添加劑種類繁多，功能各異，包括結(jié)構(gòu)改進劑、抗氧化劑、金屬鈍化劑、防銹劑、極壓劑、油性劑、抗磨劑等。結(jié)構(gòu)改進劑可以優(yōu)化潤滑脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強其穩(wěn)定性，例如甘油、環(huán)烷酸等添加劑可以改善皂油的結(jié)構(gòu)，提高潤滑脂的機械安定性和膠體安定性，抗氧化劑和金屬鈍化劑能防止?jié)櫥诟邷叵卵趸透g，延長其使用壽命，防銹劑可以保護摩擦部件免受濕氣和腐蝕性介質(zhì)的影響，極壓劑和油性劑能改善潤滑脂在邊界潤滑和混合潤滑條件下的性能，降低摩擦磨損。此外，還有一些具有特殊功能的添加劑，如拉絲劑，可以增加潤滑脂的粘度，使其更容易涂抹和填充，固體填料，如石墨和二硫化鉬，常用作添加劑，以提高油膜的承載能力和耐磨性。

2.4 組分之間的相互作用和協(xié)同效應(yīng)

潤滑脂的性能不僅取決于各組分的性質(zhì)，還取決于它們之間的相互作用和協(xié)同效應(yīng)，基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑在潤滑脂中相互依存、相互影響，共同決定了潤滑脂的潤滑性、流動性、耐熱性、抗水性和機械穩(wěn)定性。比如基礎(chǔ)油的種類和粘度會影響增稠劑在其中的分散和吸附效果，從而影響潤滑脂的粘度和流動性。增稠劑的種類和結(jié)構(gòu)會影響潤滑脂中基礎(chǔ)油的固定和釋放效果，進而影響潤滑脂的潤滑性和抗水性，添加劑的加入可以進一步改善潤滑脂的某些性能，如抗氧化、抗磨、極壓等，這些添加劑不僅可以直接作用于摩擦表面降低摩擦磨損，還可以與基礎(chǔ)油和稠化劑相互作用，增強潤滑脂的整體性能。因此，在潤滑脂的配方設(shè)計中，需要綜合考慮各組分的性質(zhì)和含量，以及它們之間的相互作用和協(xié)同效應(yīng)，以達到最佳的潤滑效果和性能，通過精確控制各組分的比例和工藝條件，可以制備出性能優(yōu)異的潤滑脂產(chǎn)品，滿足各種復(fù)雜苛刻的使用條件。

3 潤滑脂的摩擦特性

3.1 對潤滑脂摩擦特性的基本了解

潤滑脂的摩擦特性作為評價其性能的關(guān)鍵指標，不僅關(guān)系到機械設(shè)備的運行效率，而且直接影響設(shè)備的維護成本和使用壽命，這種特性主要體現(xiàn)在潤滑脂具有降低摩擦系數(shù)、減少磨損和提供必要潤滑的能力。潤滑脂的粘度和粘附力是形成穩(wěn)定潤滑膜的基礎(chǔ)，這種薄膜就像是機械設(shè)備的“保護傘”，有效隔離了摩擦面之間的直接接觸，從而降低了摩擦系數(shù)，減緩了磨損速度。在實際應(yīng)用中，以風力發(fā)電機組的齒輪箱為例，其工作環(huán)境復(fù)雜多變，既要經(jīng)受極端天氣條件的考驗，又要保證長期高效運行，在高速高負荷條件下，齒輪箱中齒輪和軸承的摩擦磨損問題尤為突出。這時，一種高性能的潤滑脂就顯得尤為重要。不僅能顯著降低齒輪與軸承之間的摩擦系數(shù)，減少能量損失，還能有效防止磨損，延長齒輪箱的使用壽命，深入了解潤滑脂的摩擦特性，對于選擇合適的潤滑脂和優(yōu)化設(shè)備運行非常重要。

3.2 潤滑脂組成對摩擦特性的影響

潤滑脂的組成，包括基礎(chǔ)油、添加劑和稠化劑，對其摩擦特性有決定性的影響，作為潤滑脂的主體，種類（如礦物油、合成油、生物油等）和性能（如粘度、傾點、閃點等）的基礎(chǔ)油直接決定了潤滑脂的基本性能。合成油因其良好的高溫穩(wěn)定性和高氧化穩(wěn)定性而受到青睞，尤其是在高溫和高負荷應(yīng)用場合，生物油以其可再生和環(huán)境友好的特點成為未來綠色油脂的重要發(fā)展方向。添加劑在油脂中起到“錦上添花”的作用，通過改變潤滑脂的物理和化學性質(zhì)來進一步改善其摩擦性能，極壓添加劑可以在高負荷條件下形成固體潤滑膜，防止金屬表面之間的直接接觸，從而減少磨損?？寡趸瘎┛梢匝娱L潤滑脂的使用壽命，防止其因氧化而失效，還有緩蝕劑、防銹劑等，共同構(gòu)成了潤滑脂的“保護網(wǎng)”，保證其在各種惡劣環(huán)境下的優(yōu)異潤滑效果。增稠劑作為潤滑脂的“骨架”，其種類和含量直接影響潤滑脂的粘度和穩(wěn)定性，不同的稠化劑對潤滑脂的摩擦性能有不同的影響。比如鋰基增稠劑，由于其良好的耐水性、機械穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性而被廣泛使用；鈣基增稠劑因其價格實惠、適用性廣而備受青睞，選擇合適的稠化劑對優(yōu)化潤滑脂的摩擦性能具有重要意義。

3.3 應(yīng)用場景對潤滑脂摩擦特性的需求

在不同的場景下，對潤滑脂的性能要求是不同的，在工業(yè)領(lǐng)域，如鋼鐵冶煉、機械制造等行業(yè)，設(shè)備經(jīng)常在高溫、高負荷、高濕度的環(huán)境中運行，這對潤滑脂的耐高溫、抗極壓、抗水性提出了極高的要求。在汽車、火車、飛機等交通工具領(lǐng)域，潤滑系統(tǒng)需要經(jīng)受長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的考驗，對潤滑脂的耐久性、穩(wěn)定性和環(huán)保性都有嚴格的標準。以汽車發(fā)動機為例，其內(nèi)部部件如活塞環(huán)、氣缸壁、曲軸軸承等在高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量的摩擦和熱量，這時，一種高性能的發(fā)動機潤滑脂就顯得尤為重要，不僅能顯著降低部件間的摩擦系數(shù)，減少能量損失和磨損，還能有效冷卻部件，防止因過熱而導(dǎo)致的故障。[3]此外，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，汽車制造商也對潤滑脂的環(huán)保性提出了更高的要求，選擇一種滿足性能要求且對環(huán)境友好的潤滑脂，對于保證汽車發(fā)動機的穩(wěn)定運行和延長使用壽命具有重要意義。

3.4 潤滑脂摩擦特性的優(yōu)化與改善

為了改善潤滑脂的摩擦特性，研究人員和工程師們正在不斷探索新的技術(shù)和方法，一方面，通過改進潤滑脂的配方和生產(chǎn)工藝，優(yōu)化其化學成分和物理結(jié)構(gòu)，從而提高其潤滑性和抗磨性。比如采用先進的納米技術(shù)，添加納米粒子，可以顯著提高潤滑脂的極壓性和耐磨性；另一方面，通過優(yōu)化潤滑系統(tǒng)的設(shè)計和布局，提高油路和脂路的流動性，保證潤滑脂能夠均勻穩(wěn)定地供給摩擦面，進一步提高潤滑效果。未來，隨著科技的進步和環(huán)保意識的增強，潤滑脂的研究和應(yīng)用將更加注重綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，比如開發(fā)基于可再生資源的生物油脂，減少對化石資源的依賴；研究具有自修復(fù)功能的智能潤滑脂，它能在摩擦過程中自動修復(fù)磨損表面，并探索更高效的潤滑方法和機理，如磁流體潤滑、超聲波潤滑等，以進一步提高機械設(shè)備的運行效率和使用壽命，這些創(chuàng)新技術(shù)和方法的應(yīng)用將為潤滑脂的發(fā)展和應(yīng)用帶來新的突破和機遇。

4 結(jié)語

通過理論分析和實驗研究，深入探討了潤滑脂的摩擦特性及其影響因素，結(jié)果表明，選擇合適的粘度、極壓添加劑、稠度和具有優(yōu)良抗氧化性和抗腐蝕性的潤滑脂，對優(yōu)化潤滑效果和提高設(shè)備性能具有重要作用。未來的研究可以進一步探索潤滑脂在不同工況下的最佳配方和潤滑機理，為工業(yè)應(yīng)用提供更準確的指導(dǎo)。

基金項目：郴州職業(yè)技術(shù)學院校級科研項目，潤滑脂摩擦特性的研究（CZZYQNKT

2023-12）。

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