（机械设计及理论专业论文）铝材轧机轧辊轴承无渍润滑油的研制.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：链 日期：业年旦月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：燮导师签名国髫嗍坐年卫月上日 摘要 目前，我国铝材轧制加工企业多采用中负载闭式齿轮油作为铝材 轴承润滑油，该润滑油具有减少磨损、带走摩擦时所产生的热量等优 点，但是其退火清洁性能差，易污染轧制工艺润滑油，影响铝材轧制 产品的表面质量。因此研制一种具有良好润滑性能的轴承无渍润滑 油，以提高铝材产品质量、延长轧制油的使用寿命、实现节能减排， 具有良好的经济效益和社会效益。 本文对轴承润滑基础油、润滑添加剂的理化性能、退火清洁性能、 氧化安定性能和摩擦学性能进行了测试与分析，并进行了润滑油配方 设计，研制出了一种高性能无污染的轴承润滑油。主要研究工作如下： ( 1 ) 运用e x x o n 退火盒法和t g d s c 热分析法对轴承润滑基础 油进行了退火清洁性能和热安定性能分析研究，结果表明聚醚和 p a 沪6 的退火清洁性能优于进口轴承无渍润滑油，当温度为3 1 7 5 时，挥发量分别为9 8 2 5 和8 2 2 4 ，而进口轴承无渍润滑油的挥发 量仅为2 7 0 6 。 ( 2 ) 在s h 0 2 0 6 b 变压器油氧化安定仪上对轴承润滑基础油和进 口轴承无渍润滑油进行了氧化安定性能分析研究，结果表明聚醚和 p a o 一6 的抗氧化性能差，不能满足轴承润滑性的氧化安定性的要求， 加入酚型抗氧剂和金属减活剂后，其抗氧化性能大幅度提高，可以与 进口轴承无渍润滑油相媲美。 ( 3 ) 在m r s - i o a 四球摩擦磨损试验机上对轴承润滑基础油进行 了抗磨性能分析研究，结果表明聚醚和p a o - 6 抗磨性能较好。为了进 一步提高油品的摩擦学性能，采用复配技术将含磷和含硫、磷极压抗 磨剂进行轴承无渍润滑油配方设计，在大量实验研究的基础上对硫、 磷化合物与金属表面发生反应生成保护膜的综合性能进行了考察，发 现硫、磷化合物复配可显著提高轴承油的摩擦学性能。 ( 4 ) 选择综合性能良好的基础油及添加剂制备了一种轴承无渍 润滑油，并以国内外轴承无渍润滑油为对照，进行了理化性能、退火 清洁性能和摩擦学性能测试，并进行了轴承台架试验，结果表明所研 制的轴承无渍润滑油使轴承工作平稳，磨损量少，其综合性能优良， 达到或超过国内外同类产品。 关键词：铝材轧机，无渍，轴承润滑油，摩擦学性能 i a bs t r a c t a tp r e s e n t ，m o s ta l u m i n u mc o m p a n i e sc h o o s et h em i d d l e - d u t yc l o s e d g e a ro i l a sb e a t i n go i lo fa l u m i n u mr o l l i n gm i l l ，w h i c hc a nd e c r e a s e a b r a s i o na n dt a k e a w a yt h eh e a tp r o d u c e db yf r i c t i o n ，h o w e v e r , i t s a n n e a l i n gp e r f o r m a n c ei sp o o ra n de a s yt op o l l u t er o l l i n go i l s ，a f f e c t i n g t h e q u a l i t y o fa l u m i n u m r o l l i n gp r o d u c t s t h e r e f o r e ，a k i n do f n o n s t a i n i n gb e a t i n go i lw i t hg o o d - p e r f o r m a n c ei sd e v e l o p e d ，t oi m p r o v e p r o d u c tq u a l i t ya n dp r o l o n gl i f e s p a no fr o l l i n ga l u m i n u mo i la n dr e a l i z e e n e r g ys a v i n ga n dp o l l u t a n tr e d u c t i o n ，w h i c hh a sg o o de c o n o m i cb e n e f i t a n ds o c i a lb e n e f i t i nt h i s t h e s i s ，t h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s ，a n n e a lf u m a c e ， o x i d a t i o ns t a b i l i t i e sa n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fb e a r i n gb a s eo i l sa n d a d d i t i v e sw e r et e s t e da n da n a l y z e d ，a n df o r m u l ad e s i g no ft h el u b r i c a t i n g o i lw a sm a d e f i n a l l y , an o p o l l u t e db e a r i n gl u b r i c a t i n go i lw i t hh i g h p e r f o r m a n c e sw a sd e v e l o p e d m a i nr e s e a r c hf i n d i n g so ft h i sp a p e rw e r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea n n e a lf u m a c ea n dt h e r m a ls t a b i l i t i e so fb a s eo i l sw e r e s t u d i e db ym e a n so fe x x o na n n e a la n a l y s i sa n dt g d s ct h e r m a l a n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb a s eo i ls u c ha sp o l y e t h e ro rp a o 一6i s b e t t e rt h a ni m p o r t e dn o n - s t a i n i n gb e a r i n go i li na n n e a l i n gc l e a n i n g ，w h i c h l o s e s9 8 2 5 o r8 2 2 4 o fi t sm a s su n d e rt h et e m p e r a t u r eo f317 5 ，b u t t h ei m p o r t e dn o n s t a i n i n gb e a r i n go i lo n l yl o s e s2 7 0 0 ( 2 ) 1 h eo x i d a t i o ns t a b i l i t i e so fb a s eo i l sa n di m p o r t e dn o n - s t a i n i n g b e a r i n go i lw e r es t u d i e dt h r o u g hs h 0 2 0 6o x i d a t i o ns t a b i l i z e r t h er e s u l t s s h o wt h a to x i d a t i o ns t a b i l i t i e so fp o l y e t h e ro rp a o - 6i sb a d a n dc a nn o t m e e tt h eo x i d a t i o n s t a b i l i t yr e q u i r e m e n t o f b e a r i n g l u b r i c a t i o n h o w e v e r , w h e na d d e dp h e n o l a n t i o x i d a n ta n dm e t a l d e a l t i v a t o r , t h e o x i d a t i o ns t a b i l i t i e so fp o l y e t h e ro rp a o 一6c r nb ei m p r o v e dg r e a t l y , w h i c hc a nn e a r l yh a v et h es a m eo x i d i a t i o ns t a t b i l i t i e sw i t hi m p o r t e d n o n - s t a i n i n gb e a r i n go i l ( 3 ) t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s o fb a s eo i l sw e r et e s t e do nt h e m r s io af o u r - b a l lt r i b o t e s t e r 1 h er e s u l t ss h o wt h a t t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o fp o l y e t h e ro rp a o 一6i s g o o d i no r d e rt oi m p r o v et h e h t r i b o l o g i c a lp r o p e r i t i e so fb a s eo i l ，f o r m u l ad e s i g no fb e a r i n gn o n s t a i n i n g l u b r i c a t i n go i lw a sm a d eb yo p t i m i z e dc o m p o u n d i n gt e c h n o l o g yw i t hs a n d s - pa d d i t i v e s ，t h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e so ft h ep r o t e c t i v ef i l m p r o d u c e d b e t w e e np - a n t i w e a ra d d i t i v ea n dm e n t a ls u r f a c ew e r e i n v e s t i g a t e dt h r o u g hl o t so fe x p e r i m e n t s ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a ts - p a d d i t i v ec a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h et r i b o l o g i c a lp r o p e r i t i e so fb e a r i n g o i l ( 4 ) an o n - s t a i n i n gb e a r i n go i lw i t hg o o do v e r a l lp e r f o r m a n c e so f b a s eo i l sa n da d d i t i v e sw a sd e v e l o p e da n dc o n t r a s t e dw i t ho t h e rb e a r i n g n o n s t a i n i n gb e a r i n go i l sh o m ea n da b r o a d ，a n dt h ep h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e sa n da n n e a lf u r n a c ea n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h ed e v e l o p e d n o n s t a i n i n gb e a r i n go i lw e r et e s t e da n di t sb e a r i n gb e d t e s tw a sa l s od o n e t h er e s u l t ss h o wt h a td e v e l o p e dn o n s t a i n i n gb e a r i n go i lh a se x c e l l e n t c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e s ，w h i c hc a nm a k eb e a r i n gw o r ks t e a d i l ya n d w i t hl e s sa b r a s i o n ，a c h i e v i n go re x c e e d i n gt h eo t h e rs i m i l a rp r o d u c t s h o m ea n da b r o a d k e yw o r d s ：a l u m i n u mr o l l i n gm i l l ，n o n - s t a i n i n g ，b e a r i n gl u b r i c a t i n g o i l ，b i o l o g i c a lp r o p e r t i e s i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 铝材轧制加工的状况1 1 2 铝材轧机轧辊轴承2 1 2 1 铝材轧机轧辊轴承的作用、结构及特点。2 1 2 2 铝材轧机轧辊轴承润滑状态3 1 2 3 铝材轧机轧辊轴承润滑方式7 1 3 铝材轧机轧辊轴承润滑油现状1 1 1 4 课题背景、来源及意义1 2 1 5 论文主要研究内容13 第二章铝材轧机轧辊轴承基础油及添加剂选择研究1 4 2 1 基础油的种类1 4 2 1 1 矿物油1 4 2 1 2 合成油。1 5 2 2 添加剂的种类l8 2 3 铝材轧机轧辊轴承基础油的理化性能分析。1 9 2 4 本章小结2 l 第三章铝材轧机轧辊轴承基础油退火性能的研究2 2 3 1 轴承基础油与退火性能的关系。2 2 3 1 1 试验材料及仪器2 2 3 1 2 试验方法的选择2 3 3 1 3 试验结果与分析2 3 3 2 轴承基础油的热安定性能分析。2 4 3 2 1 试验仪器2 4 3 2 2 试验方法的选择2 4 3 2 3 试验结果与分析2 5 3 3 本章小结2 7 第四章铝材轧机轧辊轴承基础油的氧化安定性能与摩擦性能的研究2 9 4 1 轴承基础油与氧化安定性能的关系。2 9 4 1 1 试验材料与仪器2 9 4 1 2 试验方法3 0 4 1 3 试验结果与分析。3 0 4 2 提高轴承基础油氧化安定性能的研究。3 2 4 2 1 抗氧化添加剂的确定3 2 4 2 2 抗氧化添加剂氧化安定性能的评定3 2 4 2 3 抗氧化添加剂的作用机理。3 4 4 3 铝材轧机轴承基础油摩擦性能的研究。3 5 4 3 1 试验方法与设备3 5 4 3 2 试验结果与分析3 7 4 3 3 抗氧剂对铝材轧机轴承合成基础油摩擦学性能的影响3 9 4 4 提高铝材轧机轧辊基础油摩擦性能的研究4 2 4 4 1 抗磨添加剂的选用及性能效果评价4 2 4 4 2 极压抗磨添加剂的作用机理4 4 4 5 本章小结4 5 第五章铝材轧机轧辊轴承无渍润滑油的研制及台架实验4 6 5 1 铝材轧机轧辊轴承润滑油的研制4 6 5 1 1 铝材轧机轧辊轴承无渍润滑油的性能要求4 6 5 1 2 铝材轧机轧辊轴承无渍润滑油的配方设计4 7 5 1 3 铝材轧机轧辊轴承无渍润滑油制备的过程4 7 5 1 4 铝材轧机轧辊轴承无渍轴承油理化性能评价4 8 5 2 铝材轧机轧辊轴承无渍润滑油台架试验4 9 5 2 1 试验设备与方法4 9 5 2 2 结果与分析一5 0 5 2 3 表面粗糙度和表面形貌分析5 4 5 3 本章小结5 7 第六章全文总结与展望5 8 6 1 全文总结5 8 6 2 展望。5 9 参考文献6 0 1 改谢6 z i 攻读学位期间主要的研究成果6 5 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着铝材轧机向着高精度、高速和大轧制力方向发展，对轧机轧辊滚动轴承 的润滑状态和润滑方式提出了越来越高的要求。据日本水岛制铁所的统计表明， 轧机轴承损坏事故虽占全制铁所零部件事故量的8 ( 列第2 位，仅次于轧辊事 故量1 6 ) ，但停机时间所占比例为全停产时间的1 6 以上( 轧辊停产时间所 占比例为1 1 ) ，与其他事故相比停产时间最长【h l 。可见，轴承事故的经济损失 除了轴承损耗量外，更重要的是包括轧制线的停产损失。 轧机轧辊轴承是铝材轧机重要部件之一，其使用寿命不但和轧辊轴承自身 设计及制造质量有关，而且还与轴承所承受的载荷、工作温度等因素有关。润滑 可以改善轧辊轴承的工作条件，减少摩擦、减缓磨损，从而使在同样的工作要求 下延长轴承的使用期限，强化设备的工况，具有良好的经济效益。 1 1 铝材轧制加工的状况 铝加工业成熟的一个重要标志是板带箔材比例占到加工材消费量的6 0 左 右，而中国这一比例才约为2 0 - - 2 5 ，处在快速发展的成长期阶段。 铝板材是我国国民经济发展的重要基础材料，广泛应用于航空、航天、建筑、 交通、电子、化工、食品、医药、印刷等行业。近年来在经济快速发展的推动下， 铝板材消费受到p s 版制造业、外墙建筑及室内装饰、铝箔制造、家电、食品包 装等行业需求增长的强力推动，铝板材生产持续保持稳定增长。 2 0 0 5 年，中国的铝板、带材产量达到2 3 8 万吨，同比增长约1 5 ，2 0 0 6 年 我国生产铝板、带材2 8 3 万吨，已经成为仅次于美国的第二大铝板、带材生产国。 行业专家预计，按照铝板带年产量均8 和铝箔产品1 0 - - 1 2 的保守增长率估算， 到2 0 1 0 年，中国的铝板带产品的产量将达到3 8 0 万吨以上，铝箔的产量有望达 到1 1 0 万吨以上。 综合分析我国目前铝板材产品的生产、市场供需、进出口和投资等方面的基 本数据发现，我国铝a n t - 业虽然在稳步发展，但一直以来存在着以中低端产品为 主、技术水平普遍不高的问题。在一些高精度铝板材产品方面，企业研发能力弱， 真正拥有自主知识产权的产品少，而且由于供坯、主辅机配套、精整等问题，我 国铝板材生产设计能力不能充分发挥，真正能达到规模化连续生产的厂家更少。 因而，高质量铝材的产量难以满足市场的需求，高精度的铝板材仍需大量进口。 例如，2 0 0 6 年我国进口了铝板、带材4 8 4 9 万吨( 大部分为各类高精度的铝板、 硕士学位论文第一章绪论 带材产品) ，占当年铝材进口量的7 0 6 7 ，2 0 0 6 年铝板、带材继续保持净进口 局面，净进口数量为2 2 2 7 万吨。 1 2 铝材轧机轧辊轴承 轧机轧辊轴承是轧机的三大零部件( 轴承、轧辊和轴承座、机架) 之一，属 于非常规情况下工作的轴承，一般要满足重载、高速、精密和耐冲击等工况要求。 轴承的自身结构和对轴承的润滑直接影响轧辊轴承的寿命和铝板带箔的质量。 1 2 1 铝材轧机轧辊轴承的作用、结构及特点 铝材轧机轧辊和轧辊轴承是轧机的重要部件。在轧制生产中，轧辊要与所轧 制金属直接接触，使金属产生塑性变形，因此，轧辊是轧机的主要变形工具，轧 辊是有由各类轴承支撑的，轧辊与轧辊轴承的质量和使用寿命直接关系到轧机的 产品的质量、生产效率及生产成本。 滚动轴承的特点决定了它在轧机上的使用方式。由于轧辊轴承要在径向尺寸 受到限制的条件下承受很大的轧制力，所以在轧机轧辊上使用的滚动轴承主要是 四列圆柱滚子轴承、双列球面滚子轴承及四列圆锥滚子轴承( 如图1 - 1 ) 。当前， 在一些中、小型轧机上，由于其轧制力是中等载荷，其轴承大多采用径向和轴向 负荷均能承受的双列球面滚子轴承。冷连轧机的工作辊轴承采用四列圆锥滚子轴 承，因为这种轴承可承受径向力，又可承受轴向力，所以不需要采用推力轴承。 铝箔高速轧机普遍都采用多列宽系圆柱滚动轴承，尽管要附加轴向止推轴承，但 其具有如下特点：( 1 ) 轴承中圆柱滚动体的径向承载能力高，与承受轴向力的深 槽球轴承配合使用，可大大延长使用寿命；( 2 ) 轴承断面径向尺寸小，在不增加 轴承箱尺寸的情况下，辊颈可以设计得较大，从而提高了轧辊的强度和寿命；( 3 ) 内座圈与轧辊轴颈为静配合，并以轴承内圈外径作为轧辊辊面的磨削基准，故内 圈滚道与辊面同心度比圆锥轴承( 内圈与辊颈为动配合) 好得多，从而避免了带 材上可能出现的周期性厚度变化( 即同板差) ；( 4 ) 主要构件( 内、外座圈与滚 动体) 的制造与装配精度更高，摩擦系数更小；( 5 ) 该轴承由紧紧相靠的两套双 列轴承组成，每对外圈及其配套滚动体组成可与任何一对内圈相配，具有互换性， 换辊时不需从辊颈上拆换轴承内圈；( 6 ) 该轴承的径向和轴向油隙均由制造厂给 予保证，更换轴承平均周期为6 个月，不必像圆锥轴承那样靠精确磨削隔圈来调 整轴承间隙；( 7 ) 四列圆柱滚子轴承的轴承箱上安装自卫块，以减少轴承的边缘 负荷。 2 硕七学位论文 第一章绪论 四列圆锥滚子轴承 图1 - 1 滚子轴承示意图 1 2 2 铝材轧机轧辊轴承润滑状态 四列圆柱滚子轴承 铝材轧机轧辊滚动轴承润滑的主要目的是在转动面上形成油膜，减少摩擦和 磨损及防止烧结和擦伤，减少动力消耗，提高轴承寿命。 铝材轧机轧辊轴承的特点主要表现为弹性流体润滑( e h l ) 【4 以们，e h l 即在弹 性变形的表面所发生的弹性流体润滑，弹性表面上分为平滑润滑油膜的低弹性系 数物质所形成的软弹性流体润滑，和由金属等高弹性系数摩擦面所形成的硬弹性 流体润滑的两部分，其最大的区别是在面上发生的接触压力大小，即软e h l 为 i o m p a ，硬e h l 为1 0 0m p a - - - 5g p a 。润滑油所受压力的影响基本为硬e h l ，滚动轴 承的e h l 产生于转动体及内轮或外轮之间【1 1 1 。 弹性流体润滑一般承受负荷可认为是球面或圆筒，材料是刚体，圆柱滚动轴 承是线接触，因而接触面上发生赫兹弹性变形，负荷分散呈圆型压力分布曲线的 接触领域。由于金属的滚动轴承的弹性系数较高，因而接触领域的直径仅在1 衄以下，即负荷不大时也能产生很大的赫兹压力。 当轴在高速转动时，两摩擦面油层被带入，进入狭窄的赫兹接触区域，形成 弹性流体润滑油膜厚度，除在出口侧呈现不长的的细脖状外，在接触区域基本上 是均一的。均一弹性油膜厚度h ，和最小油膜厚度瓦以及赫兹接触压力情况 及弹性流体润滑油膜如图1 2 。 3 硕七学位论文 第一章绪论 滚动轴承润滑赫兹接触压力 重挣j 色 l b ，囊凑 弹性流体润滑油膜 图1 - 2 滚动轴承润滑赫兹接触压力和弹性流体润滑油膜示意图 弹性流体润滑厚度与一般的流体润滑情况不同，而呈弹性润滑膜，膜内蓄积 一定的由负荷压力而得的弹性能，以致油膜产生弹韧性。作为滚动轴承润滑分析 理论基础的弹性流体动力学润滑理论是由d d o w s o n 和g r h i g g i n s o m 等于1 9 5 9 年创立的。 ( 一) 等温条件下的r e y n o l d s 方程 润滑油油膜承载能力的基本数学模型是流体动力润滑方程，它是由 0 r e y n o l d s ，于1 8 8 6 年首先导出，被称为r e y n o l d s 方程【1 2 , 1 3 1 。其对线接触润滑 做了如下假设： ( 1 ) 润滑油为牛顿流体，符合牛顿粘度定律； ( 2 ) 润滑油为不可压缩流体，密度为常数； ( 3 ) 忽略端泄的影响，则油膜压力p 将不随将y 方向变化； ( 4 ) 润滑过程是等温的。 4 硕仁学位论文 第一章绪论 稳态润滑的r e y n o l d s 方程司表不为： 旦r 旦望、1 = “一o h 撕l1 2 7 7 撖 撕 在有极压情况下的非稳态润滑的r e y n o l d s 方程可表示为： 旦f 旦望1 = “一o h + 一o h 式中，右边第一项为油楔项，第二项为挤压项。 ( 二) d o w s o n 理论 ld o w s o n 的假设 ( 1 ) 考虑接触变形，但是接触区变形由r e y n o l d s 方程求得； ( 2 ) 考虑压粘效应，润滑剂的粘度随压力变化而变化； ( 3 ) 等温润滑状态。 2 基本方程 ( 1 ) 膜厚方程 弹流状态下的弹性变形和油膜厚度如图i - 3 所示，其中油膜厚度公式为： h = + 羟+ y ( z ) ii 乏 诚力4 弋 良摹 7 一一j l o - _ ，_ 一 x 一 0 。- - 姒砭 ， 1z l 宅。等渤 衾1 l l 苫 嚣一 r c l 0 x 、 一 一x 一 图1 - 3 弹性变形与油膜厚度 5 ( i - 2 ) ( 1 - 3 ) 硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 压粘方程 润滑剂的粘度是随压力而变化的，描述润滑剂粘一压关系常用的b a r u s 关系 刁= 7 7 0 e 口p ( 卜4 ) ( 3 ) 润滑方程 由r e y n o l d s 方程可得如下的润滑方程 瓦a p = 1 2 u u 掣h ( 1 - 5 ) 积 。 式中：h 7 表示压力梯度的油膜厚度 3 油膜厚度 d o w s o n 推导的等温条件下线接触状态弹流的最小油膜厚度公式为： h m i n = 2 6 5 g o - 5 4 u o _ 7 0 w 。0 1 3 ( 1 - 6 ) 式中：g = a e ( 材料系数) ；u = r 0 么健( 速度系数) ；形= 仅：( 负荷系数) 中心油膜厚度公式为： 4 耳= 风访 ( 卜7 ) i 儿 4 压力分布与油膜形状 图1 - 4 为典型的弹流油膜厚度、油膜压力分布和油膜形状图。有如下特点： 曩 h t 嘲镗趁雹缓 图1 - 4 弹性流体润滑油压力分布与油膜形状 压力分布：在入口区，由于流体动压作用，压力逐渐增加，进入接触区后， 6 硕士学位论文第一章绪论 在某点与赫兹压力分布重合。在接触区中部基本上按赫兹分布。在出口区，往往 会出现一个二次压力高峰，然后压力迅速下降。 油膜形状：与压力分布相对应的油膜形状如图1 - 4 所示。在大部分接触区， 油膜接近于平行；在出口区对应于二次高峰处，油膜开始收缩，形成“颈缩”， 在这里构成了最小油膜。入口处油膜厚度为，中心处的油膜厚度吃，通常 吃，吃。 1 2 3 铝材轧机轧辊轴承润滑方式 轴承工作的可靠性和寿命与轴承润滑状态密切相关 1 4 , 1 5 l ，而轴承的润滑状态 与轴承的润滑方式有关。润滑方式的选择，是决定润滑效果的重要因素之一。润 滑方式的选择又与润滑要求、润滑剂的种类和被润滑轧机轧辊轴承的性能等有 关。常用的润滑方式有： ( 一) 油循环润滑 油循环润滑是一种对滚动轴承部位进行积极润滑的方式。它是利用油泵将润 滑油从油箱中吸出，通过油管、油孔导入滚动轴承座中，再通过轴承座的回油口， 将油返回油箱，经冷却和过滤后循环使用【1 6 1 。因此，这种润滑方式能够有效地 排除轴承工作中所产生的摩擦热。所以适用于转速高、载荷大的轴承中。 ( 二) 油雾润滑 油雾润滑是一种可以使用很少量的润滑油来满足滚动轴承润滑要求的润滑 方式。油雾润滑时，润滑油在油雾发生器中变成油雾，依靠这种油雾对滚动轴承 实现润滑，但是由于油雾在滚动轴承工作表面会再次凝聚成油滴，因此实际上滚 动轴承工作表面仍然保持着稀油润滑的状态。油雾润滑常常应用于轴承滚动体线 速度较高的工作环境中，以避免其它润滑方法由于油的内摩擦增大、供油过多导 致滚动轴承工作温度增高的弊端。一般来说，油雾润滑所需的空气压力为 0 0 5 0 1 5 m p a ，每个滚动轴承的空气量为5 1 0 l m i n ，供油量为0 1 lm l m i n 。 由于压缩空气是和油雾一起进入滚动轴承中的，所以冷却效果较好。这种润滑方 式主要适用于d n 0 9 x 1 0 6 m m r m i n 的高速滚动轴承。但是，油雾润滑中润滑剂 的运动粘度( 4 0 ) 一般不高于3 4 0 m m 2 s ，因为过高的粘度将无法达到雾化的效 果，润滑过的油雾可能会部分地随空气散逸，导致污染环境。 油雾润滑 1 7 - 1 9 是利用压缩空气将油雾化，使油形成非常细小的微粒子并散开 成雾状，油雾随压缩空气一起送到润滑表面前的凝缩喷嘴，通过它提高油雾的压 力和流速，将油雾粒子喷射到润滑表面，起到润滑的作用。油雾润滑具有供油清 洁、可靠性好、冷却作用强、耗油量少、质量好等优点，但其装置较为复杂。油 雾润滑装置的压缩空气从厂内压缩空气进入空气过滤器进行过滤及除水，过滤后 7 硕士学位论文第一章绪论 进入空气加热器，然后分成两路：一路经减压阀将压力从0 3 6 m p a 左右减至 0 0 2 m p a ，进入储油罐，在储油罐中产生汽泡，以循环油雾润滑油，减少油品碳 化。另一路随管进入储油罐，在储油罐内通过加热油进行二次加热，储油罐内装 有电加热器，油温可保持在4 0 左右，因此，通过二次加热，空气的温度也可 接近4 0 左右。二次加热后的空气进入调压阀，然后进入油雾发生头，通过油 雾发生头上的文丘利管的负压作用，可把润滑油吸上，喷出油雾发生头之后，形 成油雾储于储油罐的上腔内。通过协调进入油雾发生头的空气压力以及油雾发生 头上的旁通装置，可以得到合适的油雾润滑量及油雾压力。在储油罐上腔形成的 油雾沿着管道送至各个润滑点，油雾的工作原理图见图1 - 5 。 穗雾 叫 图卜5 油雾发生原理图 由图1 5 可知，油雾润滑系统主要由油雾发生装置、系统管路、凝缩等组成。 油雾润滑的优点： ( 1 ) 系统没有运动部件，运行可靠，不用备件库存且维护费用低； ( 2 ) 油雾可弥散到摩擦副各个部位，起到良好而又均匀的润滑效果； ( 3 ) 油雾具有一定的压力，在轴承腔内起到一定的密封作用，以防润滑油被 污染； ( 4 ) 耗油量最低，摩擦副始终保持新鲜、适量的润滑油； ( 5 ) 可以提高轴承的极限转速，延长轴承寿命，可用于转速轴承。 油雾润滑的缺点： ( 1 ) 由于采用压缩空气，在某些气源缺乏的场合，其应用受到了限制； ( 2 ) 系统的主要部件都需要进口，油雾润滑设备的初始装机投资较高； ( 3 ) 油雾量的调节很困难，而且油的粘度变化对油的雾化影响较大，因此必 须严格控制油温； 8 硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 油雾必须用大口径的管道输送，而且输送距离通常为3 0 米，最大也不能 超过8 0 米； ( 5 ) 开环系统约有2 0 的润滑油通过排气进入外界空气中，造成了环境的污 染并严重危害人体健康。 ( 三) 油气润滑 油气润滑 2 0 - 2 7 ，在学术界被称为“气液两相流体冷却润滑技术 ，是一种新 型的润滑技术。该技术是在吸取了油雾润滑的优点，克服了油雾润滑的一些缺点 后发展起来的，尤其适用于高温、高速、重载以及有冷却水和脏物侵入润滑点等 恶劣工况条件的场合。该技术能解决传统的单相流体润滑技术无法解决的难题， 并有非常明显的使用效果，大大延长了摩擦副的使用寿命，改善了现场的环境， 因此应用越来越广泛，尤其是在冶金工业领域的轧机轴承上使用较多。 油气润滑是利用在管道内流动的压缩空气，带动润滑油沿管道内壁不断地 向前流动，形成油气两相混合体后再输送到润滑点。压缩空气以恒定的压力( 约 0 3 0 4 m p a ) 连续不断地供给混合器；油则是通过油泵间歇供给，间歇时间和 供油量可根据各润滑点的耗油量进行调节。在油气混合器罩，流动的压缩空气把 油吹成油滴，附着在管壁上形成油膜，油膜随着气流的方向沿管壁流动，在流动 过程中油膜厚度逐渐减薄，并形成连续油膜；油气混合体在进入各个摩擦副之前 进入油气分配器进行分配，按照各个摩擦副的需要量分配后输送到各润滑点。油 气润滑的工作原理图见图卜6 。 气 图1 6 油气润滑的工作原理 由图1 7 可知，油气润滑系统是由供油部分、供气部分、油气混合部分、油 气输送及分配部分、电控系统等组成。 供油部分：主要有油箱、油泵和步进式给油器等主要元件组成，都是根据系 统的供油量选定的。 供气部分：为系统提供清洁而干燥的压缩空气，必须先经过油水分离及过滤。 在排气管上装有压力检测器，以保证工件中有足够的气压。 9 硕士学位论文第一章绪论 压蹭 空气 i 供油部分p 过滤部分揪气部分 4 - - 油气混合部分卜泊气润滑管路p 髓控部分 图卜7 油气润滑系统结构 油气混合部分：油和气在混合器中要使油能很好地分散成油滴，均匀地分散 在管道内表面，油气混合器有多种规格的供给量可供选用。在油气润滑系统中， 所有润滑点的润滑剂都是经过定量计算供给的：油气分配器的功能就是将润滑剂 进行定量分配，将分配好的润滑剂分别输送到各个润滑点。 油气润滑的优点： ( 1 ) 耗油量低，一般油气润滑的耗油量只有传统润滑耗油量的l 5 l l o o ； ( 2 ) 使用范围宽，尤其使用于高速、高温、重载及有流体侵蚀的场合。油气 润滑在运动的轴承部件之间形成很薄的润滑油膜，有效地降低了摩擦副的摩擦系 数；此外，压缩空气是一种理想的冷却剂，它不仅能使轴承散热降温，而且在轴 承座内部保持正压，起到良好的密封作用，可有效地防止外部流体或脏物侵入轴 承； ( 3 ) 润滑效能高，可大幅度提高摩擦副的使用寿命。油气润滑在供油量、轴 承温度和摩擦三者之间找到了最佳平衡点，用最小的供油量达到最佳的润滑效 果，同时又能起到降低轴承温升的作用，润滑剂几乎1 0 0 地被利用。采用油气 润滑的轴承，其使用寿命比采用其他润滑方式提高了3 倍以上； ( 4 ) 对油品粘度的适用性好，油量计算准确； ( 5 ) 大幅度降低被润滑设备的运行和维护费用； ( 6 ) 对环境的影响f t t d , 。油和压缩空气在形成油气混合体时并不真正融合， 也不存在雾化现象，因此不会像油雾润滑那样产生油雾污染环境；在更换轴承时 不需要象采用干油润滑那样对粘附在轴承上的厚厚油脂进行清理，因而减少了工 人劳动强度。 油气润滑的缺点： ( 1 ) 必须采用压缩空气作为润滑油的传递动力，在一定程度上限制了它的使 用范围，但在一般的冶金企业中都有集中的压缩空气源，所以不算为明显的缺点， 1 0 硕士学位论文第一章绪论 但来自压缩空气的气源往往含有较多的水份和杂质，如不作处理，会给润滑油带 来二次污染，降低润滑效果； ( 2 ) 国内技术不成熟，有些关键的零部件从国外进口，设备投资大。 1 3 铝材轧机轧辊轴承润滑油现状 由于铝加工业的迅速发展，我国相继拥有大量的国产和进口的现代化的四辊 或六辊轧机，这些轧机具有轧制力大、轧制速度高的特点，这给轧辊轴承及其配 套辅助设备的润滑提出了苛刻的要求，要求润滑剂具有优良的粘温性、氧化安定 性、防锈性、抗磨性等。目i j 国内铝材轧机的轴承润滑油大多采用2 2 0 号中负荷 闭式齿轮油，其性能指标见表1 1 。该润滑油具有减少磨损、带走摩擦时所产生 的热量、防腐蚀防锈等功能，但是其粘度高、闪点高、硫含量大、退火清洁性能 差。在轧机运行过程中，不可避免会因设备密封等问题发生润滑油泄漏，这种齿 轮润滑油一旦泄露到轧制工艺润滑油中，会使轧制油的严重污染，造成其退火清 洁性能下降，铝板带箔表面形成油斑，影响产品的质量，缩短工艺润滑油的使用 周期。 表1 - 1 中负荷闭式齿轮油理化指标 硕士学位论文第一章绪论 在国外，美国e s s o 公司生产的铝材轧机轧辊轴承无渍润滑油w y t o lb2 2 0 ( 理化指标见1 - 2 ) ，不仅具有很好的抗磨性能、氧化安定性能等，还具有很好 的清洁退火性能，对铝材轧制油无污染。 1 - 2 铝材轧机无渍轴承润滑油理化指标 1 4 课题背景、来源及意义 近年来，随着高质量铝板带箔在各个领域的需要越来越大，对加工生产铝 板带箔的设备铝材轧机也相应地提出了更高的要求，轧辊轴承是铝材轧机重要 部件之一，提高铝材轧机轧辊轴承的寿命和铝板带箔的质量，轴承润滑油起着关 键性的作用。 铝板带箔表面常出现严重的表面暗淡与残留的油污等质量缺陷，既破坏了产 品表面的美观，又影响了产品的使用性能。这些问题与轧机轧辊轴承润滑油的性 能有着很大的关系，因为在轧机运行过程中，不可避免会因设备密封等问题发生 泄漏，传统轴承油泄入后会严重污染工艺油，造成其退火清洁性能下降，使铝板 带箔表面形成油斑，影响产品质量，因此，有必要研制一种高性能无污染的轴承 润滑油，增加轴承寿命，延长油品的使用周期，提高铝板带箔的表面质量。 本课题来源于长沙神润科技有限公司与中南大学机电工程学院合作的铝材 轧机轧辊轴承无渍润滑油的研发项目。 现在国内铝材轧机轴承润滑油大部分采用中负荷闭式齿轮油，一些企业采用 国外轧机轴承润滑油，虽然能延长s l n 油的使用寿命，提高产品质量，但进口无 渍润滑油的供货周期长、价格相当的昂贵。因此，研制一种无污染高性能的轴承 无渍润滑油，代替国外的铝材轧机轴承无渍润滑油，对提升我国铝材加工技术， 降低生产成本有一定的意义。 1 2 硕士学位论文第一章绪论 1 5 论文主要研究内容 ( 1 ) 运用e x x o n 法和t g d s c 热分析法对轴承基础油进行退火清洁性能和热 安定性能分析，探讨基础油的成份与其热稳定性能的关系，并对其机理进行分析。 ( 2 ) 研究基础油化学组成对轴承润滑油的氧化安定性的影响，揭示氧化过程中 润滑基础油分子结构的变化，探讨基础油的氧化机理，开展油品的抗氧化性能研 究，以提高油品的氧化安定性。 ( 3 ) 对轴承基础油进行摩擦性能测试，研究润滑添加剂的种类、组成及其配比 对轴承润滑油摩擦性能的影响，以提高轴承润滑油的减摩抗磨能力。 ( 4 ) 选用在实验室研究中性能