设备润滑技术的最新研究和发展

刘彭++刘宪武++吴钰婷

中图分类号：TE6263 文献标识码：A

0 引言

摩擦磨损是机械零部件的三种主要破坏形式（磨损、腐蚀和断裂）之一；是降低机器和工具效率、准确度甚至使其报废的一个重要原因。据估计，全世界1/3～2/3的能量消耗在摩擦上，约有近80%的机械故障或零件失效是由磨损引起的[1]，2006年我国工业领域因摩擦磨损造成的损失约9700亿元人民币[2]，欧美发达国家因摩擦磨损造成的损失约占其国民生产总值的2%～7%。为了减少摩擦副间的摩擦和磨损，保证机器设备的安全运行，延长其使用寿命，可以对摩擦副间的工作表面进行润滑。润滑是减少磨损、提高效率、节能减耗的一个有效途径，因此愈来愈受到人们的重视。本文从润滑手段和材料两个角度综述了该领域近年来的研究进展。

1 传统润滑技术

随着科学技术高速发展，机械设备对高速度、高精度、大功率和高度自动化的要求越来越高，使得润滑技术面临巨大的挑战，传统润滑技术的局限性逐渐显现出来：

（1） 润滑是根据设备的要求而设置的，设备摩擦副的种类和运转条件不同，对应的润滑方式不同 [3]（图1），使用的润滑剂也就不同，不同的润滑剂所使用的润滑系统也有所不同，这样繁衍的结果，使得润滑体系越来越庞大。

（2） 机械摩擦不管是点接触、线接触，还是面接触，从微观角度来看都是面接触的滑动摩擦，所以润滑的优劣一方面取决于润滑膜的性质和强度，另一方面取决于两摩擦副的光滑程度，传统润滑技术供应摩擦副的润滑剂无法根据实际需求分配，在润滑时会产生过润滑或润滑不足。润滑剂过量，使得设备运转阻力过大，并且会产生气泡和渗漏等现象；而润滑剂过少，会使得磨损加速，造成设备损坏，甚至人员伤亡等重大损失。

（3）工作环境中的温度、压力及粉尘等因素，要求不同的润滑系统要考虑密封、过滤、冷却、预热以及热交换器等配套的辅助设备，使得整个系统庞大臃肿，提高了制造成本。

（4）润滑系统在常压、平稳运行时可以满足一般的润滑要求，但是由于润滑系统的应变能力差，一旦速度、温度、工况等条件发生改变，供应的润滑剂量将随之有所改变，从而给整个系统的稳定性和可靠性带来严重的影响，导致设备运行不稳定或降低使用寿命。

（5）目前使用的大部分润滑剂，主要成分为矿物油，降解性差，生物毒性强，易造成环境污染。全世界使用的润滑剂中[4]，除一部分由机械运转正常消耗掉或部分回收再生利用外，在装拆、灌注、机械运转过程中仍有4%～10%的润滑剂流入环境，仅欧共体每年就有60万t润滑剂由于各种原因流失在环境中。

2 新型润滑技术

新型润滑技术的发展方向主要包括了新的润滑方式和新的润滑材料两个方面。

21 新型润滑手段

（1）油雾润滑技术[5]，油雾润滑系统组成原理如图2所示。

油雾润滑系统的原理是利用压缩空气使油雾化，雾化的油被送到分配系统，再输送到各润滑点使用，油雾以不大于5 m/s的速度通过管道到达各润滑点。在润滑点处油雾被输送到被润滑表面，经过凝缩，油雾会凝固成凝液，这种凝液能够保证润滑表面获得良好润滑。油雾正常情况下成烟雾状[6]，粒度在2 μm以下，发生器产生的烟雾状油雾不容易凝结，这种油雾没有润滑效果，被称为干雾。但是好处在于，它在管道中传送时不会凝结在管道壁上，随着油雾弥散到摩擦副附近，经过凝结嘴，使油雾形成为气、油两相射流，射流在摩擦副内逐渐扩散时，由于润滑表面的阻滞，其动能转化成压力势能，因而，摩擦副内压力增高，其增高的数值可以通过计算获得：

公式：P-P0=05ρv2

式中：P为润滑后的压力；P0为润滑前压力；v为射流从凝结嘴射出速度；ρ为混合流体的密度。

[JP3]由于油雾润滑系统的运行只涉及极少的运动部件，运行可靠性高，非常有利于设备的长周期无故障运行。且在整个运行周期中润滑油耗用量降低了40%。

油雾润滑系统[7]一般包括一个油雾主机、油雾输送主管、被润滑设备处的下落管、油雾分配器、油雾喷嘴、油雾供应管、油雾排放收集总成、油雾排放管、残油收集箱、卡套接头等，特殊情况下还有吹扫型油雾排放注入总成、吹扫型油位观察总成。[JP2]油雾在主机内产生，在自身压力能下，经过油雾输送主管、下落管、油雾分配器，经过油雾喷嘴，顺着油雾供应管，进入轴承箱，流经轴承的滚动体，提供润滑。剩余的残雾（其浓度已经大大降低）从轴承箱底部的排放口进入排放收集总成，然后由油雾排放管排放到收集箱，最后由其弯管排放到环境中去，见图3。

油雾润滑技术优越的技术特性，受到了各行业使用单位的广泛关注。张振秀[8]油雾润滑在炼油装置中的应用方面取得了重要成果。张路平[9]对油雾润滑技术在650 mm冷轧机上的应用作了相应的介绍。中国石油锦西石化分公司在采用油雾润滑技术后，大大降低了设备的故障率，延长了装置的运转周期，效益十分可观。国外石化行业，油雾润滑已被作为非强制性润滑场合的主要选择。

采用油雾润滑系统有以下优点：①消除了润滑油污染；②有效防止外来污染物进入轴承箱；③消除搅拌产生的热量；④改善了润滑性能；⑤提高了设备长周期无故障工作时间；⑥可以取消轴承箱的冷却水，使用黏度更高的润滑油；⑦可有效降低人工成本。

油雾润滑系统的缺点就是排出的气体含有悬浮的油雾，易对环境造成污染。

（2）化学热处理表面改性[10]，化学热处理表面改性是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，从而可以提高零件的耐磨性、抗疲劳强度以及抗蚀性与抗高温氧化性，正因如此，化学热处理中的渗碳、渗氮、渗硫、渗硼和渗硅，及渗金属如渗铬、铝、锌、钛及碳化物覆层等，特别是近年来发展起来的多元共渗工艺，如氧氮渗，硫氮共渗，碳氮硫氧硼五元共渗等，在摩擦学表面改性领域都得到很大的应用。FeS改性层作为一种高熔点、易剪切的无机保护层，具有良好的固体润滑作用[11]，可通过电解渗硫和低温离子渗硫等方法获得，可使表层的摩擦系数降低至处理前的1/4～2/5。可以通过渗硼来提高金属材料的硬度、耐磨性能、抗擦伤性能及耐腐蚀性等。由于其改性层主要是由FeB和Fe2B两相组成，故加入稀土元素可以加快渗硼速度[12]，并且改善改性层的组织结构，使组织更加致密和均匀。与之相似，渗锌、渗硅可以提高金属材料的耐蚀性。

李争显[13]等人在采用高纯铝、钛靶材通过电弧离子镀工艺在TC4基材上沉积制备了TiN/AIN-TiAIN复合多层膜，其耐磨性相比基材提高6倍以上。贾贵西[14]等采用闭合场非平衡磁控溅射技术，在GCr15轴承钢球、45#钢和单晶硅基体上制备出自润滑Cr/C复合镀层，经实验测定，表现出良好的自润滑性能和综合机械性能。胡春华[15]应用离子氮碳共渗与离子渗硫技术，在SiCrMoCu合金铸铁表面制备出由离子氮碳共渗次表层及以FeS相为主的渗硫表层组成的FeS固体润滑复合层，试验表明，锂基脂润滑条件下，FeS固体润滑复合层表面的摩擦因数比未渗表面大约降低了40%，比渗硫表面降低了30%左右，体积磨损量分别比未渗表面及渗硫表面减少了50%和20%左右。

（3）磨损修复润滑技术，磨损修复润滑技术又称摩圣技术，它的突出特点是在机器不解体的运行状态下，以润滑剂为载体将制剂带入摩擦副表面，通过力化学作用选择性地原位修复磨损表面，优化机械元件配合间隙，恢复原设计尺寸，达到最佳运行状态。

磨损修复润滑技术的几种作用形式可概括如下三点[16]：

①聚合物高温铺展成膜作用：聚合物高温铺展成膜作用包括了悬浮PTFE、活性高分子等类型的润滑剂及其在摩擦效应下的结构重组和对磨损表面的融合填补；

②超微金属渗透聚合成膜作用：微金属渗透聚合成膜作用包括了微细分散的软金属悬浮液、复合金属分散液等润滑剂，及其对摩擦副表面的渗入填充、聚合成膜的修复功能；

③共晶滚球填充成膜作用：共晶滚球填充成膜作用主要涉及到极性润滑分子对微球形磨屑的吸附，及其在摩擦表面堆积形成的滚动性修复膜。

[JP2]经修复后的金属摩擦表面具有超滑、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温等的物理机械性能[17-18]，从而可有效控制机械设备的摩擦磨损，可大幅度节能、降耗，延长设备的使用寿命，同时可减震、降噪、降低有害气体排放。同时可节约对众多昂贵精加工设备、更换已磨损零部件的投入；节约设备的电能消耗最高达40%；节约润滑剂的费用；节约大修的人工、材料投入和误工损失等。董凌[19]等制备了Mg-Sn型复合纳米添加剂，可在摩擦表面沉积，并在接触区的高温高压作用下熔融铺展，形成低剪切强度的表面膜。由于这层膜的剪切强度比较低，可以减少摩擦界面的黏着磨损，表现出良好的减摩抗磨和自修复性能。田斌等[20]通过对羟基硅酸铝类陶瓷润滑油添加剂进行摩擦副表面分析后，探讨了该添加剂的作用机理，结果表明：该陶瓷添加剂表现出明显的磨损自修复功能，可以很好地覆盖和修补摩擦副表面原有的裂纹，显著降低摩擦副表面的粗糙度，改善摩擦副润滑性能。国内已有相关企业[21]在磨损自修复技术上成功投产，预计将会取得巨大的社会和经济效益。

22 新型润滑材料

作为润滑的主体，润滑剂发挥了重要的作用，传统润滑剂是在矿物基础油中加入添加剂来改善润滑性能，随着近年来的不懈努力，出现了各种新型的润滑材料：

（1）纳米润滑，纳米科学技术是20世纪90年代兴起的高新技术，随着纳米摩擦学的研究不断深入[22]，在润滑领域的应用前景也逐渐被人们所认识。主要认为纳米粒子在摩擦副表面的滚珠轴承效应是减少摩擦磨损的根本原因[23]，因此在润滑剂中添加纳米润滑材料，不仅可显著提高设备的润滑性能和承载能力，而且在条件苛刻的润滑场合，也表现出了良好的效果，大大开拓了润滑剂新的发展空间。

目前国内外对纳米润滑材料的研究成果十分显著，AHernández Battez等[24]将CuO、ZrO2和ZnO纳米微粒分别添加到聚α-烯烃（PAO 6）中，并研究其摩擦学性能，发现质量分数为05%的ZrO2和ZnO润滑油表现出很好的摩擦学行为，展现出极高的抗磨减摩价值，而含CuO粒子的纳米润滑油，当质量分数为2%时表现出很好的协同效应且减摩效果明显。江贵长[25]等人合成了一种葫芦型水溶石墨材料，该微粒直径为15～20 nm，该添加剂在三乙醇胺的水溶液中，显著提高了基础液的极压值，并降低了磨斑直径，使得摩擦系数从0232降低到0059。曹宏等[26]将纳米铜/石墨复合粉体添加到润滑油中，可显著增大润滑油承压能力，降低摩擦系数特别是高荷载下摩擦系数，并可提高其抗磨能力。谭秀民[27] 等研究发现氯化石蜡/环氧大豆油与纳米铜粉复配后共同构成的有机/无机润滑体系，可在机械部件表面形成一层牢固的膜，减少了其摩擦磨损。王东爱等[28]研究发现纳米金刚石微粒可明显改善润滑油的抗磨减摩性能；纳米金刚石润滑油的油膜有着非常好的抗黏滑能力和承载能力，对摩擦副有自修复作用。在普通发动机润滑油中加入质量分数001%的纳米金刚石微粒后，其润滑性能有很大的改善，在相同转速下功率平均提高42%。目前用作润滑添加剂研究的纳米材料归纳起来见表2[29]。

（2）固体润滑，固体润滑剂以其良好的润滑性和耐化学安定性已经得到了广泛认可，广泛应用于军工、航空航天等高科技领域，现在逐步推广到汽车、船舶、机械工程等领域，解决了一些常规润滑难以解决的问题。

[JP2]伍增勇[30]采用聚氨酯（PUR）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）互穿网络体系对PUR材料表面进行涂层改性，经改性后材料表面的润滑性能明显提高，当PVP质量分数为25%时，摩擦系数由改性前的0455降到0074。张利等[31]以新型耐高温高聚物聚酰亚胺（PI）为成膜材料，添加超细石墨粉体研制出一种固体润滑涂层材料，经测试，该材料摩擦系数≤016、耐磨性≥150 m/μm、油介质下摩擦学性能：摩擦系数≤01。

（3）液晶润滑，物质存在三种状态：晶体、液态和气态。随着温度的升高和降低，三种状态相互转化。但是，有一类有机材料在一定的温度区间呈现第四种状态——中间相，称之为液晶态。液晶态被认为是一类介于固体和液体之间的中间态，其机械特性和对称特征等介于液体与固体之间[32]，液晶态分子排列一维或二维长程有序。在垂直于表面的方向，液晶表现固体特性，阻止表面间的直接接触，因而具有较强的承载能力，而在滑动剪切方向，液晶表现为低黏度的液体，可有效地降低摩擦系数。液晶良好的润滑特性，在用作润滑添加剂和新型润滑材料时均具有不同程度的减摩、抗损的效果。

液晶按其形成过程可分为溶致液晶和热致液晶两大类：①溶致液晶是纯物质或混合物的各向异性浓溶液，它只在一定浓度及温度范围内形成。溶致液晶多出现于表面活性剂的浓溶液中，在极性溶剂中，随着表面活性剂浓度的增大，两种不同的分子间排斥力：一是静电效应产生的端基-端基排斥力；二是疏水作用产生的烃链-溶剂之间的排斥力。 导致无序向有序相转变，从而形成液晶态。通常，随着浓度的增大，将依次出现六方、立方、层状等液晶相[33]。②热致液晶是在非溶剂体系中加热纯物质至一定温度后形成的，继续加热至清亮点，又发生相转变而形成各向同性熔体；热致液晶根据内部分子排列的有序性不同，可以分为向列型（Nematics）、胆甾型（Cholestrics）和近晶型（Smectics）[34]。杨汉民[35]研究发现ZnS纳米粒子能提高TritonX-100/C10H21OH/H2O体系层状液晶的润滑性能。仝芳[36]等发现LaF3纳米粒子可在摩擦副表面生成由无机化合物La3+和F-组成的化学反应膜，在与有机吸附膜的协同作用下，提高Tween–80/n- C10H21OH/H2O体系层状液晶的润滑性能。Yuanhua Ding[37]制备的C10H14N2O8Na2纳米粒子可有效改善TritonX-100/n-C10H21OH/ H2O体系层状液晶的润滑性能。

[JP2]液晶润滑的理论目前还不成熟，因此在液晶润滑理论和应用研究有着很大的发展空间，这对新型润滑剂的发展和应用具有很大的推动作用，这包括液晶润滑理论的完善，新的液晶润滑添加剂的开发、多功能润滑添加剂的研制和液晶润滑乳液的研究等。

3 润滑技术的未来展望

笔者认为，由于现代工业在智能化和高精度化方面的不断发展，以及人们对减排节能的日益关注，未来润滑技术的发展趋势将会有以下几个方面：

（1）气体润滑技术[38]，虽然是上世纪中叶发展起来的新技术，但它的出现使润滑技术产生了质的飞跃，气体润滑的出现，就节约能源而论是一项极大的贡献，而且以气体润滑的支承件其精度的提高，工作寿命的延长以及气体润滑适用于高低温及辐射条件等方面，更是油、脂润滑望尘莫及。

（2）仿生润滑技术[39]，在进化和生存竞争中，生物形成了具有优异摩擦学性能的优化的结构设计、精巧的材料拓扑和多功能表面织构，通过对生物体系的减摩、抗黏附、增摩、抗磨损及高效润滑机制的研究，从几何、物理、材料和控制等角度借鉴生物体的成功经验和创成规律，研究、发展和提升工程摩擦副的性能。

（3）绿色润滑技术，随着人类的进步和科技的发展以及人们愈加强烈认识到资源的有限及环境保护的重要性，资源和环境已成为人类实现可持续发展所面临的两个重大问题，绿色润滑技术必然会成为将来新型润滑技术的一个重要发展方向。

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