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在第13章中，我们讨论了它们作为液压泵的作用。

18.1润滑过程

全膜润滑,弹性流体动力润滑以及边界润滑是三种润滑形式。

润滑膜的厚度与表面粗糙程度的比率是一个非常重要的数据。

润滑剂的厚度取决于粘性的绝对值，表面矢量的相对值U以及负载L。

图18.1（波浪图）将这些与摩擦系数f联系起来。

高的黏度值，高的相对速度以及低的负载相结合就产生了一层油膜，这层油膜的厚度要比每一表面的粗糙程度厚得多。

负载通过油楔快速运转。

这被称作是流体动力润滑或全膜润滑。

在这种状态下，润滑剂最重要的特性就是黏度。

通过选择适当的黏度，可以将摩擦控制在指定的负载范围或者黏度。

如果速度、黏度处于一个低值而负载高那么连个表面的不规则的地方就会产生摩擦。

这是表面润滑区，可以在启动或者停止时发生在泵轴中或者叶轮中或者发生在滑动的表面。

摩擦系数f与表面不规则地方的关系为：

f=s/p（18.1）

s表示剪切强度，p表示金属的屈服压力。

这两个数据均与材料的组成结构有关。

摩擦系数可以通过降低剪切应力s，提高屈服压力p或者增大受力面积来降低。

在边界区域，摩擦系数不仅是由相邻表面的接触方式决定，还要决定于影响接触表面的化学性质的添加剂。

这两种状态间的的媒介物是流体动力区域，在这个区域里油压将急剧升高。

它的粘稠度会以（指数次幂）增加，它就象低应力的固体一样，在没有接触的情形下也会使表面的不规则之处变形。

图18.1磨擦对黏度的依赖性η,相对黏度U，负载L

18.2流变能力

流变能力是对流体流动的研究。

流体流动是润滑剂的物理特性，它决定着其对真空环境下的设备或者气态环境下设备所产生的作用。

我们在这里讨论绝对黏度、动力黏度、黏度指数以及测量这些数据的技术。

18.2.1绝对黏度

黏度的定义在2.21中已经给出，在这里我们以另外一种形式再次讨论一下。

τ=ηs’（18.2）

τ是指剪切应力，s’是指剪切率。

牛顿流体的黏度与剪切速率无关。

并不是所有的流体都以这种方式流动。

诸如护手霜，滑脂以及其他一些人工合成的流质的乳剂，它们的黏度随着剪切速率的升高而降低。

对于我们所使用的人工合成流质来说，这种黏度的降低微乎其微，所以，η将会被视为一个常量。

滑脂的黏度随着剪切速率急剧降低直至降至形成其的油的黏度。

一种液体的黏度是由其分子间的粘合力所决定的。

由于粘合力随着温度的升高而下降，因此，液体的黏度在加热时会降低。

在SI中，动力黏度的η的单位是帕。

一亳帕=一厘泊—这是一种方便的转化，有利于记忆，有用的文献是以厘米-克-秒为单位计算的。

研究设备通过记录一根细长管在恒定压力下的流速来计算液体的绝对黏度。

这样的设备应符合ASTM与ISO标准。

流动速率（立方米/秒）与泊萧公式所确定的黏度有关。

（18.3）

⊿P是管子所承受的压力，d是指直径，l是指管子的长度。

这个公式忽略了末端效应，对于长的管子来说还是很准确的。

工程设备试图通过测量浸入式转轴或者平板附近的转页来测量转矩。

因为低黏度的液体的流动不是层级式的，所以要获得绝对黏度就必须进行矫正。

一种气体或者液体的动力黏度v是由其密度决定的

（18.4）

在c.g.s系统中，动力黏度冲程为单位。

一冲程=1c㎡/s，在SI中，以㎡/s为单位，但数据通常以m㎡/s来分配因为1cs=1m㎡/s.动力黏度，与溶解性与渗透性一样，是传输的特性—。

注意这三组数量都有L平方/T。

动力黏度在测量设备中是通过测算一定时间内流过长管的流量直接计算的。

工程设备使用的是短管或者孔板，在这中间，液体的流动不总是层级状的，所以，有必要列出这些读数并将其转化为动力黏度。

赛波特和雷氏设备记录一定量的油流经一个短管特定面积的次数。

安格勒设备测量同体积的油和水流经特定管道的次数比率。

赛波特（美国），雷氏（英国）与安格勒（德国）是最常用的测量油类的动力黏度的设备。

这些设备正被长管设备逐步取代以达到SI标准。

附件F5给出了将赛波特通用秒（SUS），雷氏秒以及安格勒度数转化为动力单位的因数。

石油的动力黏度随着温度的变化而变化符合这个等式

㏒（㏒（v+0.7）=A+B㏒T（18.5）

在根据（18.5）进行分配时，v在40度和100度这连个温度测量尺寸足以使得内插和外插达到倾点。

这个曲线对于大多数人工合成的材料也适用，除了硅氧化合物，该化合物在用这种方法实验时会弯曲。

18.2.2黏度指数

黏度指数6是一种划分动力黏度如何随着温度变化而变化的一种实验的方法。

这是一种主观的、过去的方案。

这种方案指出，宾夕法尼亚石油（石蜡含量高）的黏度受温度变化的影响不大。

这些石油被随意分配了黏度指数100。

来自海湾的石油（环烷含量高）黏度很低，黏度指数被定为0。

黏度指数根据40度到100度未知油的黏度值的不同以及0到100的不同的黏度指数来计算。

见图表18.2.计算黏度指数的方程式在这里并不述及，因为没有ASTM标准中的表，这些方程式是不能使用的。

作为另外一种选择，黏度指数可以从图表18.3中获得。

这种源自ASTM数据的算法极大的简化了计算程序并且能得出准确的结果。

黏度指数系统最开始是要用于矿物油中，后来被改进，用来测量人工合成物的黏度。

有些人工合成物的指数为负，而其他的，例如硅与癸二酸酯的黏度指数则超过100%。

图18.2油的黏度指数

18.3润滑技术

我们可以用液体对运动部件进行润滑—例如，石油或者人工合成的流质，润滑脂，或者固体的膜，例如银与二硫化钼。

在真空中利用这些技术产生的结果与在空气中产生的结果是截然不同的。

当周围的气体被排除时，每一项技术都有其自身的问题。

18.3.1液体润滑

在真空环境中，石油与人工合成的流质用来润滑真空泵与运动的表面。

在全膜区域，流质将运动表面之间的空间填满并使他们分离。

黏度应该足够低以使得转动或者滑动时周围的温度达到最低，保持高的运行温度（高黏度指数）。

全膜润滑所需要的黏度决定于运行温度范围和负载。

从图表18.1中我们可以看到n/l的比率应该是恒定的。

因此，对于高负载来说，是需要高黏度的流质的。

在一定范围内的流质，蒸汽压力通常与黏度成反比。

在全膜润滑状态下，润滑要依赖于流质粘附在动件表面的能力以及其形成有足够剪切应力的、在高剪切速率下能保持稳定的膜，这能支撑轴承负载。

图18.3在40℃和100℃时油的黏度随黏度指数变化关系

其他必要的因素还有附着力、稳定性以及导热性。

润滑脂必须将动件的表面淋湿并形成一层膜，这层膜在高剪切速率下能保持稳定。

剪切会产生热量，这些热量必须被隔离以防止降解以及黏度的进一步降低。

润滑脂的粘附力由液态金属粘合剂的粘力决定。

含有不饱和粘合剂的液体能够粘附于或者淋湿金属表面。

附着力是衡量内部分子引力的一项标准。

粘附力很强的润滑脂在金属的表面不会迅速分散或者消散。

有些高黏度的润滑脂，例如聚苯醚不仅能够紧紧的粘附于金属表面，而且还能形成一道屏障防止渗漏。

大多数的分子都这样进行排列以至于暴露的部分的金属附着力低。

这些流质与金属表面形成一个很高的接触角度，被称作是自憎膜。

有着好的附着力的且不阻止渗漏的流质会流向并淋湿金属表面。

烃油就具有这种特性。

除了象三硅氧烷以外的，硅流质也具有很高的渗透率。

滑动面和滚动面极容易用液体进行润滑以达到延长使用寿命的目的。

最简单的液体润滑系统是拭接外壳涂层。

更复杂的系统通过油箱内的蒸发和输出来持续不断的润滑。

如果流质内的气体已经完全排出，那么可以将其利用至流体的蒸汽压力的温度临界点。

通常流质的蒸汽压力见附件2与附件3.在真空环境中，聚苯酯通常被用来润滑手动滚动和滑动面。

用来供应润滑油的机器装置也能引起真空仓的有机污染。

可以通过选择蒸汽压力较低的润滑脂或者为润滑区域装一个护罩来降低污染。

防止渗漏的挡板可以方式润滑脂从穿过护罩的轴上渗出。

PTFE是碳氢化合物挡板而尼龙是碳氯化合物挡板。

对滑动轴或者滚动轴进入真空仓的护罩部位进行冷却是必要的。

滚动的摩擦发生在滚珠轴承之间。

在显微镜下观看，滚动面很象滑动面，对于黏度附着力以及热传导的作用是相同的。

涡轮分子泵上的高速滚珠轴承所需要的润滑脂的黏度要比低速运转的轴承所需的润滑脂黏度低。

图18.1表明乘积nU必须是一个常量。

边界润滑要求流质具有独特的性质，这通常要通过添加剂来实现。

硫、氯和铅对于钢-钢直接接触的边界润滑作用明显，这是因为它们可以形成低应力的合成物，这些合成物会在高处消失或者被蚀刻。

这些化学物质的作用相当于腐蚀剂。

磷通过在热的部位形成磷化铁作用，这就能够产生流动以填平不平之处。

塑性变形，想蚀刻一样，使得负载在温度升高的区域重新分配。

在这两种情形下，剪切应力都降低了，屈服压力升高而根据（18.1）摩擦却降低了。

油性或者润滑性是边界润滑剂的一个重要特征。

这是一个不确切的提法，不能在数量上做出定义。

它是指积极分子把自己排列在双层上的能力，这些双层很容易滑过与之相邻的双层。

动物脂肪的油性度很高，但是由于它们在化学性质上和热力性质上都不稳定，所以它们不能作为流体动力或者边界润滑剂。

有些酯类是非常稳定的，被用来做油性添加剂。

18.3.2润滑脂

润滑脂或是石油的蒸馏物或者，更常见的是，增稠了的石油或者人工合成液体。

石油通过真空蒸馏可以产生类似蜡的、高分子的物质（石蜡油），这种石蜡油在构成上是一致的。

还可以通过将液体胶凝或增稠的工艺来产生润滑脂。

许多化合物，例如粘土，酯类，金属皂和粉末状的四氟乙烯，都被用来提高润滑脂的黏度以保证润滑脂的稳定性。

这些润滑脂应该在增稠剂中，吸附在在上面或者通过毛细管运动停留在其中。

对于一种增稠的润滑脂来说，典型的起始材料是室温黏度在500mm/s左右的润滑脂。

增稠了的润滑脂室温黏度要比剪切速率低的原油高很多，但是在高剪切速率下，其黏度会下降30。

润滑脂的特性由他们的化学类型、增稠方法、蒸汽压力、服务温度范围、反应能力以及稳定性决定。

几种润滑脂的特性见表18.1.根据润滑脂和增稠剂的特性，润滑脂的蒸汽压力随着温度的升高而升高。

劳伦森已经说明润滑脂的真空性能决定于润滑脂的蒸汽压力机器生产方法。

他指出蒸发率和由蒸汽压力适中的烃油或者硅流质制作二来的胶凝润滑脂的数量取决于真空中润滑脂的总量，然而，分子蒸馏的润滑脂蒸发率却决定于表面区域。

他将此现象归因于分子蒸馏的润滑脂只从表面蒸发，而被填充的润滑脂的表面分子却在胶凝的有效区域大面积蒸发的事实。

随着油填满灯芯，这些分子被从油箱里传输过来的分子所取代。

他没有说明填充油脂的蒸发率在很大程度上是依赖由低蒸发压力的硅或者全氟聚醚而来的填充润滑脂。

ASTM穿透测试以毫米计算深度，证明特定的叶轮在给定的时间内可以穿透润滑脂。

这是润滑脂稠度的量度。

穿透深度在265—295毫米的2号润滑脂用于低速运转轴承的润滑。

软润滑脂用于高速滚珠轴承。

表18.1中每一种类型的润滑脂都有数种粘稠度。

滑脂润滑应用于使用寿命长、维护次数少的设备。

滑脂经常用于低速滚珠轴承，回转接头而且已经被用于涡轮分子泵轴承中了。

碳氢润滑脂对工作温度要求很低，这是其主要特点。

如果胶凝剂选择恰当，蒸馏润滑脂的工作温度极少超过室温，但对于填充的润滑脂却是较高的了。

全氟聚醚与硅流质的工作温度很高。

它们由流质和PTFE粉末混合而成。

对于钢面之间直接接触来说，硅流质是一种非常差的润滑剂，由这些流质提炼而来的润滑脂的性能也很差，除非用PTFE类的润滑剂增稠。

如果需要一个大的滑脂容器，那么最好使用由蒸汽压力低的硅流质或者PFPE流质制作的碳氢蒸馏物或者填充的滑脂。

如果薄膜就足够的话，那么也可以使用胶凝润滑脂。

如果电子爆炸会产生碎片的话，最好使用PFPE润滑脂而不是硅润滑脂。

润滑脂与弹性体之间的相互作用与附件1中所示的流质与弹性体之间的作用类似。

胶凝剂可能会引起反作用。

制造商会提供含有特定添加剂的润滑脂之间的相互作用方面的信息。

表18.1高真空油膏典型的物产

名称

类型

范围

在25℃的比重

渗透（mm）

光线[13]

酯类变厚的碳氢化合物

-40-90

10-4

--

150

阿匹松真空泵用油[14]

AP100润滑脂

PTFE变厚的碳氢化合物

10-30

10-8

1.042

-

L油脂

被蒸馏的碳氢化合物

0.896

道康宁[15]

纯真空

PTFE变厚的硅树脂

-40-260

10-7

1.0

＜260

克拉马依润滑脂

LVPL-10

PTFE变厚的碳氟化合物

-20-200

10-13

1.94

280

螺栓润滑剂经常被采用，但却不能应用于真空系统。

这些润滑脂是为边界润滑区域而形成的。

它们含有高压添加剂，例如银、铜、铅或者二硫化钼。

有些用于这些润滑脂中的原油和添加剂有着很高的蒸汽压力。

18.3.3固体润滑

用固体膜进行润滑的过程被称作是固体润滑。

在（18.1）中我们看到，边界区域的摩擦可以通过扩大接触面积与降低润滑剂的剪切力来降低。

固体润滑的主要优势是蒸汽压力低。

蒸汽压力低可以减少污染并使得其可以在高温下运行。

当负载极高、速度极低而表面温度又极高的情况下，固体膜润滑剂作用非常明显。

对于在真空状态下使用、不用维护的设备来说，设计必须简化。

固体润滑受限于其有限的稠度以及去除牺牲层时所产生的碎片。

固体润滑故障通常会引起局域性缺陷，因此，固体润滑系统的就没有液体润滑系统的使用寿命那样容易预测，因为液体润滑系统中的润滑剂的蒸发方式或者转移方式都是一致的。

固体润滑的好处是蒸汽压力低、剪切应力低以及对于碱金属的良好的附着性。

许多固体被用来做固体润滑剂。

有石墨、硫、硒化钼和鎢、金银以及PTFE。

最初，石墨以及其他分层固体的润滑能力被认为是由于它们松弛的分层结构。

层与层之间的吸引力很低，所以人们认为这就使得它们可以在低剪切力下能够滚动。

然而，当人们发现石墨只有在水蒸气的环境下才具有好的润滑性能而在真空或者高纬度环境下却不是好的润滑剂后，这一理论的缺陷也就为人们所知了。

在真空环境下，二硫化钼是一种好的润滑剂。

这两种物质润滑性质上存在区别的原因在于它们的组成机构不同。

石墨的构造结构是分层的，而且，层与层之间的结合能很高。

水蒸气造成的污染降低了这种结合能使得机械运动可以在较低的剪切应力下进行。

二硫化钼膜源自相邻的硫化物层之间的硫-钼-硫层，其结合能很低，所以，低剪切应力下的滑动产生的污染无关紧要。

二硫化钼和二硫化钨是应用最广泛的两种固体真空润滑剂。

法尔在将它们用于润滑时分析了它们的结构与性能。

麦迪描述了这些以及其他的固体膜是如何应用于空间硬件上的。

二硫化钼的蒸汽压力很低，可以应用于很多技术上，包括阴极真空喷镀和喷涂。

二硫化钼通过直流喷镀和射频喷镀沉积下来。

通过喷镀形成的膜润滑效果极佳而且不产生碎片。

二硫化钼-石墨-钠、硅的护罩被证明性能极好且使用寿命长。

用喷枪罩住的部件的磨损率小于3×

10-18m3/（N-m）,用于气溶胶中的二硫化钼膜的磨损率是上述磨损率的100倍。

我们已经谈论过二硫化钼润滑的刚面的摩擦与磨损。

在10的5次方与10的4次方的区间内，摩擦与磨损都降低了，因为水蒸气被排除了，所以这个压力就保持在10的4次方到10之间。

在10到0.1的压力范围内，摩擦继续降低，然而磨损率却急剧上升。

摩擦的降低要归因于除氧。

磨损率升高是因为真空中的热量无法消散。

低于0.1帕的时候，摩擦与磨损都不在发生变化。

通过将二硫化钼氧化成三氧化钼和二氧化钼，氧气使得摩擦加剧。

软金属也可以润滑滚动面。

材料副的硬度、延展性以及二次喷镀在设计一个摩擦低而使用寿命长的系统中是非常重要的。

最好的齿轮副是在二硫化钼-石墨-钠、硅护罩上运行的镀银铝齿轮。

镀金不锈钢螺栓被证明是一项防止系统在加热时而产生擦伤的有效技术。

聚四氟乙烯护罩也应用于真空设备。

PTFE会转移然后再重涂。

PTFE的长分子与滑动方向一致。

把任何物质放置于运动面之间都会减轻摩擦或者磨损。

外部环境会影响润滑剂的附着力、蒸汽、氧化以及内结晶力。

如果我们能够移除外界的材料，那么类似的金属会立即冷焊。

然而，相邻表面的冷焊可以通过具有不同点阵常数的材料而消除，例如在不锈圈钢中的蓝宝石球。

此系统的摩擦系数要高于润滑系统的摩擦系数。

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问题

18.1气体的黏度随着温度的升高而升高。

为什么液体的黏度随着温度的升高而降低？

18.2两种不同的液体黏度分别是40和36平方毫米/秒；

对于相