润滑(卷名：机械工程)
lubrication
改善摩擦副的摩擦状态以降低摩擦阻力减缓磨损的技术措施。润滑是摩擦学研究的重要内容。充分利用现代的润滑技术能显著提高机器的使用性能和寿命并减少能源消耗。按摩擦副之间润滑材料的不同，润滑可分为流体（液体、气体）润滑和固体润滑（见润滑剂）。按摩擦副之间摩擦状态的不同，润滑又分为流体润滑和边界润滑。介于流体润滑和边界润滑之间的润滑状态称为混合润滑，或称部分弹性流体动压润滑。
流体润滑 在适当条件下，两相互摩擦表面可以被一层具有一定厚度（1.5～2微米以上）的粘性流体隔开，由流体压力平衡外载荷，流体层内的分子大部分不受摩擦表面离子电力场的作用而可自由移动，即摩擦只存在于流体分子之间的润滑状态。流体润滑的摩擦系数很低（小于0.01）。按润滑膜压力的产生方式，流体润滑可分为动压润滑和静压润滑。①流体动压润滑：靠摩擦表面的几何形状和相对运动，由粘性流体的动力作用产生压力，以平衡外载荷。②流体静压润滑：由外部向摩擦表面间供给有一定压力的流体，靠流体的静压力平衡外载荷。
在传统的润滑力学研究中，摩擦体和润滑流体分别被看作为刚性体和粘性流体（牛顿流体）。实际上摩擦体是弹性体，不过有时可以把它简化为刚性体。需要考虑弹性变形和压力对粘度影响的流体动压润滑，称为弹性流体动压润滑。摩擦体处于塑性状态时需要考虑塑性效应的流体动压润滑，称为塑性流体动压润滑。流体润滑的传统研究方法始于1886年，奠基人为英国的O.雷诺。后人把传统润滑力学研究成果统称为经典润滑力学。
在流体润滑中，流体的粘性一般用粘度来评定。图1为假设流体为不可压缩并作层片状流动的模型。流体对切向运动的粘性剪切阻力，即切应力τ与速度梯度
/
(流体速度u沿垂直于层片方向y的变化率)的关系为
式中 η为比例常数，即粘度，又称动力粘度。上述关系称为流体层流流动（图2）的内摩擦定律，又称牛顿内摩擦定律。流体的流动行为符合此定律的称为牛顿流体。对于脂类塑性体(称非牛顿流体)相应的内摩擦定律为
式中 τ0为脂的初始剪切阻力。有时还应考虑流体流动对时间的依从关系。
雷诺方程是描述流体动压润滑膜压力分布的基本方程。传统的雷诺方程是基于粘性流体的运动方程，又称纳维－斯托克斯方程。它是与质量连续性方程合并后根据某些假设简化得出的。描述流体润滑膜压力分布的普遍雷诺方程为
式中v1、v2分别为边界面1、2沿x方向的速度；t为时间；η 为流体的动力粘度；p为流体膜的压力；
为流体的密度;h为膜厚度。此式左边两项表征膜压力分布，右边三项表明流体动压润滑膜压力产生的原因，即楔入效应、表面伸张效应和挤压效应。通常表面伸张效应极微，可以忽略。当膜厚 h无变化时，挤压效应也可忽略。因此在大多数工况下，润滑流体的楔入效应为产生膜压力的主要项。对于气体动压润滑，还要对上述普遍雷诺方程附加一状态方程，如认为润滑气体为真实气体，满足多方关系，则附加的方程为
式中T 为绝对温度；R为特定气体的气体常数；n为多方膨胀指数，n=cp／cv，cp和cv分别为定压比热容和定容比热容。当n=1时，为等温流动；当n=1.401(空气)时，为绝热流动。此外，当润滑膜中的温度变化很大，从而使粘度发生显著变化时，还须对普遍雷诺方程附加一能量方程联立求解。边界润滑 两相互摩擦表面间存在一层薄膜（边界膜）时的润滑状态。这种现象通常出现在机器起动或停车时。边界膜可分为吸附膜和反应膜等（图3）。润滑剂中的极性分子吸附在摩擦表面所形成的膜称为吸附膜。吸附膜又分为物理吸附膜和化学吸附膜。①物理吸附膜：分子的吸引力将极性分子牢固地吸附在固体表面上，并定向排列形成一至数个分子层厚的表面膜。②化学吸附膜：润滑油中的某些有机化合物（如二烷基二硫代磷酸盐、二元酸二元醇酯等）降解或聚合反应所生成的表面膜，或润滑油中极性分子的有价电子与金属表面的电子发生交换而产生的化学结合力，使金属皂的极性分子定向排列并吸附在表面上所形成的表面膜。润滑油中的添加剂，如含硫、磷、氯等有机化合物的极压剂，与金属表面起化学作用生成能承受较大载荷的表面膜称为反应膜。在两个摩擦面上凸峰直接接触相对运动时所产生的摩擦热作用下，反应膜不断形成和破坏。
吸附膜达到饱和时，极性分子紧密排列，分子间的内聚力使膜具有一定的承载能力，防止两摩擦表面直接接触。图4为吸附膜的润滑作用模型。当摩擦副相对滑动时，吸附膜如同两个毛刷子相对滑动，能起润滑作用，降低摩擦系数。反应膜熔点高，不易粘着，剪切强度低，摩阻力小，又能不断破坏和形成，故能防止金属表面直接接触而起润滑作用。
影响吸附膜润滑性能的因素有极性分子的结构和吸附量、温度、速度和载荷等。当极性分子中碳原子数目增加时，摩擦系数降低。极性分子吸附量达到饱和时，膜的润滑性能良好并稳定。当工作温度超过一定范围时，吸附膜将散乱或脱附，润滑失效。通常吸附膜的摩擦系数随速度的增加而下降，直到某一定值。在一般工况下，吸附膜的摩擦系数与干摩擦相同，不受载荷的影响。反应膜在极高压力下有很强的抗粘着能力，润滑性能比任何吸附膜更稳定，它的摩擦系数随速度的增加而增加，直到某一定值。反应膜常用于重载、高速和高温等工况下。
在一定的工作条件下，边界膜抵抗破裂的能力称为边界膜的强度。它可用临界pv值、临界温度值或临界摩擦系数来表示。①临界pv值：在正常的边界润滑中，当载荷p或速度v加大到某一数值，摩擦副的温度突然升高，摩擦系数和磨损量急剧增大。边界膜强度达到极限值时相应的pv值称为临界pv值。②临界温度值：当摩擦表面温度达到边界膜散乱、软化或熔化的程度时，吸附膜发生脱附，摩擦系数迅速增大但仍具有某些润滑作用，这时的温度称为第一临界温度。当温度继续升高到使润滑油（脂）发生聚合或分解，边界膜完全破裂，摩擦副发生粘着，磨损剧增时的温度称为第二临界温度。临界温度是衡量边界膜强度的主要参数。③临界摩擦次数：边界膜达到润滑失效时所重复的摩擦次数称为临界摩擦次数。
参考书目
D.F.摩尔著，黄文治等译：《摩擦学原理及应用》，机械工业出版社，北京1982。( D.F.Moore， Principles and Applications of Tribology，Pergamon International Library，London 1975.)
J.霍林著，上海交通大学摩擦学研究室译：《摩擦学原理》，机械工业出版社，北京，1981。 ( J.Halling，Principles of Tribology， Macmillan Pr.， London，1975.)