第4章 摩擦、磨損及潤(rùn)滑概述z-09.ppt

第四章摩擦 磨損及潤(rùn)滑概述 4 1摩擦 4 2磨損 4 3潤(rùn)滑劑 添加劑和潤(rùn)滑方法 4 4流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介 4 0概述 摩擦是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象 磨損是由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移 潤(rùn)滑是減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施 關(guān)于摩擦 磨損與潤(rùn)滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué) Tribology 4 0概述 本章將概略介紹機(jī)械設(shè)計(jì)中有關(guān)摩擦學(xué)方面的一些基本知識(shí) 摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的摩擦 磨損和潤(rùn)滑 以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學(xué)科 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進(jìn)入微觀 由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài) 由定性進(jìn)入定量 成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域 世界上使用的能源大約有1 3 1 2消耗于摩擦 如果能夠盡力減少無用的摩擦消耗 便可大量節(jié)省能源 另外 機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報(bào)廢和更換的 如果能控制和減少磨損 則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用 又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用 4 0概述 4 1摩擦 4 1摩擦 二 摩擦的分類 內(nèi)摩擦 在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象 外摩擦 在相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的物體表面間發(fā)生的相互阻礙現(xiàn)象 靜摩擦 僅有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)的摩擦 動(dòng)摩擦 在相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行中的摩擦 滑動(dòng)摩擦 物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滑動(dòng) 滾動(dòng)摩擦 物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滾動(dòng) 機(jī)械說 產(chǎn)生摩擦的原因是表面微凸體的相互阻礙作用 分子說 產(chǎn)生摩擦的原因是表面材料分子間的吸力作用 一 摩擦的機(jī)理 機(jī)械 分子說 兩種作用均有 1785年 法國(guó)的庫(kù)侖用機(jī)械嚙合概念解釋干摩擦 提出摩擦理論 后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論 1935年 英國(guó)的鮑登等人開始用材料粘附概念研究干摩擦 1945年 鮑登提出了粘附理論 4 1摩擦 三 滑動(dòng)摩擦 干摩擦 是指表面間無任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦 邊界摩擦 邊界潤(rùn)滑 是指摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開 摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦 詳細(xì)介紹 詳細(xì)介紹 4 1摩擦 混合摩擦 混合潤(rùn)滑 是指摩擦表面間處于邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態(tài) 混合摩擦能有效降低摩擦阻力 其摩擦系數(shù)比邊界摩擦要小得多 流體摩擦 流體潤(rùn)滑 是指摩擦表面被流體膜隔開 摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦 流體摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)最小 且不會(huì)有磨損產(chǎn)生 是理想的摩擦狀態(tài) 邊界摩擦和混合摩擦在工程實(shí)際中很難區(qū)分 常統(tǒng)稱為不完全液體摩擦 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 關(guān)于摩擦學(xué)的研究已逐漸深入到微觀研究領(lǐng)域 形成了微 納米摩擦學(xué)理論 引發(fā)出許多新的概念 比如提出了超潤(rùn)滑的概念等 從理論上講 超潤(rùn)滑是實(shí)現(xiàn)摩擦系數(shù)為零的摩擦狀態(tài) 但在實(shí)際研究中 一般認(rèn)為摩擦系數(shù)在0 001量級(jí) 或更低 的摩擦狀態(tài)即可認(rèn)為屬于超潤(rùn)滑 關(guān)于這方面的研究也是目前微 納米摩擦學(xué)研究的一個(gè)重要方面 同學(xué)們應(yīng)對(duì)此給予關(guān)注 磨損 指運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦而導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移 磨損會(huì)影響機(jī)器的效率 降低工作的可靠性 甚至促使機(jī)器提前報(bào)廢 4 2磨損 在設(shè)計(jì)或使用機(jī)器時(shí) 應(yīng)該力求縮短磨合期 延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損期 推遲劇烈磨損的到來 為此就必須對(duì)形成磨損的機(jī)理有所了解 一個(gè)零件的磨損過程大致可分為三個(gè)階段 即 磨合階段新的零件在開始使用時(shí)一般處于這一階段 磨損率較高 穩(wěn)定磨損階段屬于零件正常工作階段 磨損率穩(wěn)定且較低 劇烈磨損階段屬于零件即將報(bào)廢的階段 磨損率急劇升高 摩擦2 對(duì)磨損的研究開展較晚 20世紀(jì)50年代提出粘附理論后 60年代在相繼研制出各種表面分析儀器的基礎(chǔ)上 磨損研究才得以迅速開展 4 2磨損 詳細(xì)介紹 磨粒磨損是指外部進(jìn)入摩擦面間的游離硬顆粒或硬的輪廓峰尖所引起的磨損 沖蝕磨損 包括流體磨粒磨損 流體侵蝕磨損 指流動(dòng)的液體或氣體中所夾帶的硬質(zhì)物體 硬質(zhì)顆?；蛄黧w的沖蝕作用在摩擦表面引起的磨損 微動(dòng)磨損是指摩擦副在微幅運(yùn)動(dòng)時(shí) 由上述各磨損機(jī)理共同形成的復(fù)合磨損 微幅運(yùn)動(dòng)可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 粘附磨損也稱膠合 當(dāng)摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點(diǎn)處由于瞬時(shí)的溫升和壓力發(fā)生 冷焊 后 在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) 材料從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面 便形成粘附磨損 疲勞磨損也稱點(diǎn)蝕 是指由于摩擦表面材料微體積在交變應(yīng)力作用下重復(fù)變形時(shí)疲勞破壞而引起的機(jī)械磨損 零件表面出現(xiàn)月牙形淺坑 4 2磨損 關(guān)于磨損分類的見解頗不一致 如根據(jù)磨損機(jī)理來分可大體分為 腐蝕磨損也稱機(jī)械化學(xué)磨損 指由機(jī)械作用及材料與環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)作用共同引起的磨損 更多介紹 4 3潤(rùn)滑劑 添加劑和潤(rùn)滑方法 一 潤(rùn)滑劑 潤(rùn)滑油 4 3潤(rùn)滑劑 添加劑和潤(rùn)滑方法 潤(rùn)滑劑的種類 氣體潤(rùn)滑劑 液體潤(rùn)滑劑 潤(rùn)滑油 半固體潤(rùn)滑劑 潤(rùn)滑脂 固體潤(rùn)滑劑等 種類 有機(jī)油 動(dòng)植物油 礦物油 化學(xué)合成油 其中礦物油應(yīng)用最多 性能指標(biāo) 粘度它是潤(rùn)滑油的重要性能指標(biāo) 粘度值越高 油越稠 反之越稀 潤(rùn)滑油的粘度隨著溫度的升高而降低 隨著壓力的升高而增大 但壓力不太高時(shí) 如小于等于20MPa 變化極微 可略而不計(jì) 粘度的種類很多 有動(dòng)力粘度 常簡(jiǎn)稱為粘度 運(yùn)動(dòng)粘度 條件粘度 E等 潤(rùn)滑性 油性 指潤(rùn)滑油中極性分子與金屬表面吸附形成邊界油膜的性能 它反映了形成邊界油膜的能力 極壓性指潤(rùn)滑油中加入含硫 氯 磷的有機(jī)極性化合物后 油中極性分子在金屬表面生成抗磨 耐高壓的化學(xué)反應(yīng)邊界膜的性能 閃點(diǎn)指油在標(biāo)準(zhǔn)儀器中加熱所蒸發(fā)出的油氣 一遇火焰即能發(fā)出閃光時(shí)的最低溫度 它是衡量油易燃性的一種指標(biāo) 油的工作溫度應(yīng)比其閃點(diǎn)低30 40 凝點(diǎn)潤(rùn)滑油失去流動(dòng)性的溫度 氧化穩(wěn)定性礦物油暴露在高溫中會(huì)發(fā)生氧化并生成硫 氯 磷的酸性化合物 這是一些膠狀沉積物 會(huì)腐蝕金屬 加劇磨損 具體說明 潤(rùn)滑的目的 降低摩擦 減輕磨損 同時(shí)防銹 冷卻 緩沖 吸振等 4 3潤(rùn)滑劑 添加劑和潤(rùn)滑方法 潤(rùn)滑劑 粘度表征液體流動(dòng)的內(nèi)摩擦性能 如圖所示 有兩塊平板A及B 兩板之間充滿著液體 設(shè)板B靜止不動(dòng) 板A以速度 沿x軸運(yùn)動(dòng) 由于液體與金屬表面的吸附作用 因此板B表層的液體與板B一致而靜止不動(dòng) 板A表層的液體隨板A以同樣的速度 一起運(yùn)功 兩板之間液體的速度分布如圖a所示 其可看成兩板間的液體逐層發(fā)生了錯(cuò)動(dòng) 如圖b所示 因此層與層間存在著液體內(nèi)部的摩擦切應(yīng)力 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下關(guān)系式 動(dòng)力粘度 此式稱為粘性定律 牛頓液體流動(dòng)定律 式中 u是油層中任一點(diǎn)的速度 du dy是該點(diǎn)的速度梯度 是比例常數(shù) 即流體的動(dòng)力粘度 常簡(jiǎn)稱為粘度 其量綱為力 時(shí)間 長(zhǎng)度2 在國(guó)際單位制中 它的單位是N s m2 即Pa s 其厘米克秒制單位是P poise 單位名稱為泊 1P 0 1Pa s 4 3潤(rùn)滑劑 添加劑和潤(rùn)滑方法 運(yùn)動(dòng)粘度 等于動(dòng)力粘度 與同溫度下該液體密度 的比值即在國(guó)際單位制中 的單位是m2 s 實(shí)用上這個(gè)單位嫌大 故常采用它的厘米克秒制單位St stoke 單位名稱為斯 或cSt 厘斯 1St 1cm2 s 100cSt 10 4m2 s國(guó)標(biāo)規(guī)定采用潤(rùn)滑油在40 時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度 單位為cSt或mm2 s 中心值作為其牌號(hào) 如牌號(hào)為L(zhǎng) AN10的潤(rùn)滑油 其在40 時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度中心值為10cSt 運(yùn)動(dòng)粘度 4 3潤(rùn)滑劑 添加劑和潤(rùn)滑方法 是指在一定條件下 利用某種規(guī)格的粘度計(jì) 通過測(cè)定潤(rùn)滑油穿過規(guī)定孔道的時(shí)間來進(jìn)行計(jì)量的粘度 條件粘度單位我國(guó)常用恩氏度 Et 美國(guó)用賽氏通用秒SUS 英國(guó)用雷氏秒R運(yùn)動(dòng)粘度與條件粘度的換算見課本P51 條件粘度 E 潤(rùn)滑脂 固體潤(rùn)滑劑 4 3潤(rùn)滑劑 添加劑和潤(rùn)滑方法 潤(rùn)滑油 稠化劑 如鈣 鈉 鋁 鋰等金屬皂 種類 石墨 使用溫度 350 大于350 開始氧化 可在水中工作 二硫化鉬 MoS2 使用溫度 60 t 300 遇水性能下降 聚四氟乙烯 摩擦系數(shù)低 只有石墨的 半 種類 鈣基潤(rùn)滑脂 耐水 不耐高溫 t 65 鈉基潤(rùn)滑脂 不耐水 耐高溫 t 120 鋰基潤(rùn)滑脂 既耐水 又耐高溫 價(jià)格高 維持 使用壽命 時(shí)間長(zhǎng) 鋁基潤(rùn)滑脂 耐水 吸附能力高 可防銹 性能指標(biāo) 錐 針 入度指一個(gè)質(zhì)量1 5N的標(biāo)準(zhǔn)錐體 于25 恒溫下 由潤(rùn)滑脂表面經(jīng)5s后刺入的深度 它反映了潤(rùn)滑脂稠度的大小 錐 針 入度愈小潤(rùn)滑脂愈稠 潤(rùn)滑脂的牌號(hào)就是該潤(rùn)滑脂錐 針 入度的等級(jí) 滴點(diǎn)指在規(guī)定的加熱條件下 潤(rùn)滑脂從標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量杯孔口滴下第一滴時(shí)的溫度 決定工作溫度 潤(rùn)滑脂的工作溫度至少應(yīng)低于滴點(diǎn)20 常用潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂的牌號(hào) 性能及適用場(chǎng)合將在以后章節(jié)中介紹 添加劑 4 3潤(rùn)滑劑 添加劑和潤(rùn)滑方法 為了提高油的品質(zhì)和性能 常在潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂中加入一些分量雖小但對(duì)潤(rùn)滑劑性能改善起巨大作用的物質(zhì) 這些物質(zhì)叫添加劑 二 添加劑 潤(rùn)滑方法 油潤(rùn)滑在工程中應(yīng)用最普遍 常用的供油方式有 滴油潤(rùn)滑 油環(huán)潤(rùn)滑 飛濺潤(rùn)滑 噴油潤(rùn)滑 壓力循環(huán)潤(rùn)滑等 脂潤(rùn)滑只能間歇供應(yīng)潤(rùn)滑脂 其常用于運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低的場(chǎng)合 4 3潤(rùn)滑劑 添加劑和潤(rùn)滑方法 三 潤(rùn)滑方法 油環(huán)潤(rùn)滑 間歇式連續(xù)式 連續(xù)式包括 4 3潤(rùn)滑劑 添加劑和潤(rùn)滑方法 a 針閥式油杯b 油芯油杯c 旋蓋式油脂杯這三種油杯均已列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 選用時(shí)可查閱有關(guān)手冊(cè) 常用的潤(rùn)滑裝置 流體動(dòng)力潤(rùn)滑形成的必要條件 楔形空間 相對(duì)運(yùn)動(dòng) 保證流體由大口進(jìn)入 連續(xù)不斷地供油 流體動(dòng)力潤(rùn)滑是指兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的摩擦表面 借助于相對(duì)速度而產(chǎn)生的粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開 由流體膜產(chǎn)生的壓力來平衡外載荷 優(yōu)點(diǎn) 摩擦力小 磨損小 可緩和沖擊和振動(dòng) 流體潤(rùn)滑根據(jù)摩擦面間形成油膜的原理不同分為 4 4流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介 一 流體動(dòng)力潤(rùn)滑 4 4流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介 流體動(dòng)力潤(rùn)滑通常研究的是低副接觸受潤(rùn)零件間的潤(rùn)滑問題 動(dòng)畫 流體動(dòng)力潤(rùn)滑 彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑 流體靜力潤(rùn)滑 4 4流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介 二 彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑 彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論是研究在相互滾動(dòng)或伴有滑動(dòng)的滾動(dòng)條件下 兩彈性物體間的流體動(dòng)力潤(rùn)滑膜的力學(xué)性質(zhì) 這時(shí)的計(jì)算必須把在油膜壓力