摩擦磨損與潤滑課件第一章緒論

1、第一章 緒論 摩擦、磨損和潤滑是一個古老 的課題，特別是工業(yè)革命以后，機 器的大量使用對其產(chǎn)生了迫切需求 ，使其研究和發(fā)展進入了一個新的 時期。1966年英國的喬斯特（ H.Perer.Jost）先生在其著名的報告 “A Report on the Present and Industrys Needs”中提出了“摩擦學 （Tribology)”這一名詞:“相互作用、 相對運動表面副的科學及有關(guān)技術(shù) ”，標志著該領域研究的系統(tǒng)化和 革命化進展。 摩擦學研究的理論和實踐包括 設計和計算、潤滑材料和潤滑方法 ，摩擦材料和表面狀態(tài)以及摩擦故 障診斷、監(jiān)測和預報等。 世界上使用的能源大約有1312消耗

2、于摩擦 。 第一節(jié) 摩擦學定義、簡史及其研究內(nèi) 容 一、定義： 摩擦學的一般定義是：“關(guān)于相對 運動中相互作用表面的 科學、技術(shù)及有關(guān)的實踐”。通常也理 解為包括摩擦、磨損和 潤滑在內(nèi)的一門跨學科的科學。 v N 第一節(jié) 摩擦學定義、簡史及其研究內(nèi)容 一、定義：摩擦學的一般定義是：“關(guān)于相 對運動中相互作用表面的科學、技術(shù)及有關(guān) 的實踐”。通常也理解為包括摩擦、磨損和 潤滑在內(nèi)的一門跨學科的科學。 二、簡史 人類很早就對摩擦現(xiàn)象有了認識并加以 利用，許多早期的文獻里，都有把摩擦的影 響減至最小的多種嘗試的記載2000多年前 的亞里士多德就已經(jīng)提到摩擦力的概念。但 是真正對摩擦進行定量的研究，則

3、始于15世 紀的文藝復興時期。 500多年的漫長而曲折的歷史大致可劃分 為四個時期來討論。 運動 方向 A B 二、簡史 1、直到15世紀意大利的L.達芬奇（法 國阿蒙頓1699有同樣的發(fā)現(xiàn)）才開始摩 擦學的理論研究。人類對摩擦現(xiàn)象早有 認識，如史前人類已知鉆木取火。中國 在春秋時期已經(jīng)普遍地應用動物脂肪來 潤滑車軸。用礦物油作潤滑劑最早見于 中國西晉張華所著博物志。 2、1750年歐拉用引入靜摩擦概念， 1785年法國的C.A.de庫侖繼前人的研究 ，用機械嚙合概念解釋于摩擦，提出摩 擦理論，并對靜摩擦與動摩擦給出區(qū)別 。后來又有人提出分子吸引理論和靜電 力學理論。 3、1935年，英國的F

4、.P.鮑登等人開始用 材料粘著概念研究干摩擦 。1950年， 鮑登提出粘著理論。 4、1886年，英國的雷諾繼前人觀察到 的流體動壓現(xiàn)象，總結(jié)出流體動壓潤滑 理論。20世紀50年代普遍應用電子計算 機以后，線接觸彈性流體動壓潤滑理論 有所突破。60年代在相繼研制出各種表 面分析儀的基礎上 ，磨損研究得以迅 速開展。至此綜合研究摩擦、潤滑和磨 損相互關(guān)系的條件已初步具備，并逐漸 形成摩擦學這一新學科。 1785年庫侖對摩擦的解釋 庫侖對摩擦的 解釋如圖他在 1785年用凹凸面 說明摩擦面之間 的接觸，但是他 也承認分子力的 存在。 庫侖測滑動摩擦力的裝置 雷尼研究摩擦與壓力的實驗裝置 庫侖研究滾

5、動摩擦的裝置 庫侖測靜摩擦的裝置 達芬奇手稿中的一頁， 描述他對摩擦的研究 阿孟頓的摩擦實驗裝置 1508年，達芬奇（14521519）使用石頭和木 頭開始了對固體摩擦的實驗研究，測量了 水平和斜面上物體間的摩擦力，測量了半 圓形槽與滾筒間的摩擦，進行了表面接觸 面積對摩擦阻力影響的實驗研究，發(fā)現(xiàn)了 等重物體之間的摩擦力與接觸面積無關(guān)的 重要結(jié)論。達芬奇首先引入了摩擦系數(shù)的 概念他將該系數(shù)定義為摩擦力和垂 物體所具有的摩擦阻力等于自身重量 的四分之一”當時他使用的材料大多為 硬木或鐵與硬木的組合，他的結(jié)論對于這 些材料來說還是比較符合實際的 達芬奇還研究了摩擦面間有潤滑油和 其它介質(zhì)時對摩擦的

6、影響他認為“所有 東西，不管它如何薄，當它放入兩個互相 摩擦的物體之間時，摩擦都會減少” 一、達芬奇的早期研究時期 進入16世紀后，由于水力和風力能 源的廣泛應用，機器大量增加特別是 磨的發(fā)展，大大推進了對摩擦的研究 許多科學家進行了各種各樣的摩擦實驗 ，其中最有成就者當推法國實驗物理學 家阿蒙頓（16631705）。作為一個永動機的積 極倡導者，他通過多次實驗后，于1699 年12月19日向皇家科學院提交了一分經(jīng) 典論文。在文中提出了摩擦力的經(jīng)典規(guī) 律，這就是后來人們所熟知的阿蒙頓定 律。 靜摩擦定律：兩接觸物體間的最 大靜摩擦力，跟接觸面上的正壓力成正 比，并與接觸面的性質(zhì)及狀態(tài)有關(guān)；但

7、與接觸面的面積及形狀無關(guān)。即：f靜 0N。 滑動摩擦定律：滑動摩擦力跟摩 擦物體接觸面上的正壓力成正比，跟外 表的接觸面積無關(guān)即：f滑N。 二、阿蒙頓的進一步研究時期 進入18世紀，機器的大量使用，使得機 械的效率和耐磨問題成為了一大難題。為此 ，巴黎科學院于1781年以“摩擦定律和繩的 倔強性”為題，進行了一次有獎競賽。庫侖（ 17361806）研究總結(jié)了達芬奇和阿蒙頓的實驗和 理論之后，又進一步做了大量的實驗。最終 以簡單的機械理論為題的論文贏得了這 次競賽的優(yōu)勝獎，提出了他的摩擦理論 庫侖摩擦定律。 庫侖摩擦第一定律：摩擦力跟作用在 摩擦面上的正壓力成正比，跟外表的接觸面 積無關(guān)。稱謂靜

8、摩擦定律和滑動摩擦定律。 庫侖摩擦第二定律：滑動摩擦力和滑 動速度大小無關(guān)。 實際上滑動摩擦力和滑動速度的關(guān)系是 相當復雜的。 庫侖摩擦第三定律：最大靜摩擦大于 滑動摩擦力，即f靜f滑。 庫侖對摩擦的研究，總結(jié)了從達芬奇到 阿蒙頓的理論，提出了他的庫侖摩擦定律。 但是，實際上這些定律只能是經(jīng)典的經(jīng)驗公 式，對于實際情況也僅僅是近似的、粗淺的 描述。 三、庫侖對摩擦的總結(jié)時期 19世紀，隨著蒸汽機進入實用階段，工 業(yè)革命迅速普及，為了防止機器的高速轉(zhuǎn)動 而帶來的軸承燒焦和磨損，潤滑成了這個時 期摩擦研究的特征 1883年，英國的托爾（18451904）在研究軸承 的潤滑中發(fā)現(xiàn)油膜具有高壓力；同時

9、代的雷 諾（18421912）根據(jù)托爾的發(fā)現(xiàn)，利用流體力學的 原理，從理論上證明了因旋轉(zhuǎn)而在油膜中產(chǎn) 生高壓力的現(xiàn)象，說明了軸與軸承的間隙能 支持載荷的道理 1896年，金斯伯里（18631943）證明了用空氣 代替潤滑油的設想，在一次美國軍事系統(tǒng)的 展覽會上進行了空氣軸承的公開表演這種 軸承后來在高速磨床、高級陀螺儀上得到了 廣泛的應用 在這一時期，雷尼（17911866）、莫倫（17951880 ）等人測定了許多物體間的摩擦系數(shù)，迄今 仍在廣泛應用 總之，進入19世紀，由于摩擦的實驗定 律大體已確立完畢，只是在研究如何減小摩 擦方面進行了一系列工作但仍然沒有對摩 擦的物理機制給以科學的、滿

10、意的解釋 四、19世紀對摩擦的研究時期 此外還有生物中的摩擦學問題， 如研究海豚皮膚結(jié)構(gòu)以改進艦只 設計，研究人體關(guān)節(jié)潤滑機理以 診治風濕性關(guān)節(jié)炎，研究人造心 臟瓣膜的耐摩壽命以謀求最佳的 人工心臟設計方案等。地質(zhì)學方 面的摩擦學問題有地殼運動 、火 山爆發(fā)和地震 ，以及山、海、斷 層形成等。在音樂和體育以及人 們?nèi)粘Ｉ钪幸泊嬖诖罅康哪Σ?學問題 。摩擦學涉及許多學科 ，如物理、化學、材料、機械工 程和潤滑工程等。隨著科學技術(shù) 的發(fā)展，摩擦學的理論和應用必 將由宏觀進入微觀，由靜態(tài)進入 動態(tài)，由定性進入定量，成為系 統(tǒng)綜合研究的領域。 三、研究內(nèi)容 摩擦學研究的對象很廣泛，在機械工 程中主要

11、包括：動、靜摩擦副，如滑動 軸承、齒輪傳動、螺紋聯(lián)接等。零件表 面受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵 和水輪機轉(zhuǎn)輪等。機械制造工藝的摩擦 學問題，如金屬成形加工、切削加工和超 精加工等。彈性體摩擦副，如汽車輪胎 與路面的摩擦、彈性密封的動力浸漏等。 特殊工況條件下的摩擦學問題，如宇宙 探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等 ，深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和 防漏密封等。 三、研究內(nèi)容 摩擦學研究的對象很廣泛，概括說 研究摩擦、磨損(包括材料轉(zhuǎn)移)和潤滑 (包括固體潤滑)的原理及其應用。 有以下八方面： 1 摩擦學現(xiàn)象的作用機理。 2 材料的摩擦學特性。 3 摩擦學元件(包括人體人工關(guān)節(jié))的

12、特性與設計以及摩擦學失效分析。 4 摩擦材料。 5 潤滑材料。 6 摩擦學狀態(tài)的測試技術(shù)與儀器設備 。 7 機器設備摩擦學失效狀態(tài)的在線檢 測與監(jiān)控以及早期預報與診斷。 8 摩擦學數(shù)據(jù)庫與知識庫。 在機械工程中主要包括： 動、靜摩擦副，如滑動軸承 、齒輪傳動、螺紋聯(lián)接等。 零件表面受工作介質(zhì)摩擦或 碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機 轉(zhuǎn)輪等。 機械制造工藝的摩擦學問題 ，如金屬成形加工、切削加工 和超精加工等。 彈性體摩擦副，如汽車輪胎 與路面的摩擦、彈性密封的動 力浸漏等。 特殊工況條件下的摩擦學問 題，如宇宙探索中遇到的高真 空、低溫和離子輻射等，深海 作業(yè)的高壓、腐蝕、潤滑劑稀 釋和防漏密封等。

13、 此外還有： 生物中的摩擦學問題，如研 究海豚皮膚結(jié)構(gòu)以改進艦只設計 ，研究人體關(guān)節(jié)潤滑機理以診治 風濕性關(guān)節(jié)炎，研究人造心臟瓣 膜的耐摩壽命以謀求最佳的人工 心臟設計方案等。 地質(zhì)學方面的摩擦學問題有 地殼運動 、火山爆發(fā)和地震 ， 以及山、海、斷層形成等。 在音樂和體育以及人們?nèi)粘?生活中也存在大量的摩擦學問題 。摩擦學涉及許多學科 ，如物 理、化學、材料、機械工程和潤 滑工程等。隨著科學技術(shù)的發(fā)展 ，摩擦學的理論和應用必將由宏 觀進入微觀，由靜態(tài)進入動態(tài)， 由定性進入定量，成為系統(tǒng)綜合 研究的領域。 概括幾點： 1、摩擦學機理研究 2、各種材料和表面處理工藝的摩 擦學特性研究 3、液體潤

14、滑劑、固體潤滑材料及 其摩擦學性能的研究 4、摩擦學測試技術(shù)與設備的應用 研究以及摩擦、磨損工況監(jiān) 測與故障診斷研究 第二節(jié) 摩擦學意義 摩擦學的意義主要表現(xiàn)在經(jīng)濟與技術(shù)兩個 方面：摩擦學是一門研究接觸界面力學行 為和損傷機理的學科，它是控制摩擦行為 、預防磨損失效、提高工作可靠性所必須 掌握的一門基礎知識?，F(xiàn)代裝備的失效主 要源于三種形式，即磨損、斷裂和腐蝕， 其中磨損約占60。摩擦會引起一系列的 物理變化和化學變化，它產(chǎn)生熱、噪音、 震動、污染，甚至會引發(fā)事故危險，摩擦 即意味著消耗能源。據(jù)美國材料試驗學會 ASTM的分析報告稱，全世界約有40%以 上的各類能 源被摩擦消耗掉 1、1978

15、年，世界摩擦學會主席JOST教授 應遨來華訪問，經(jīng)調(diào)查研究后指出：中國 在控制摩擦、應用摩擦學研究成果等方面 還十分落后，如果科學合理的應用現(xiàn)有的 理論、技術(shù)、產(chǎn)品，中國每年可節(jié)省400 億的資金。 2、2004年，謝友柏院士指出：摩擦每年 為我國造成1000億元的經(jīng)濟損失。 目前 ，我國能源產(chǎn)量居世界第3位， 能源消耗 量居第2位。 3、因此，準確認識摩擦、磨損的發(fā)生機 理，尋找合理的技術(shù)手段控制摩擦磨損行 為，對于節(jié)材、節(jié)能、降耗是非常重要的 技術(shù)途徑。 4、摩擦學研究推動相關(guān)技術(shù)的研究并推 動生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展 5、大力改進摩擦學意義上的機械系統(tǒng)設 計，增加機械運行可靠性 一、常見的摩擦學失

16、效如下： 機器除了消耗能量來克服摩擦外，由于 機器中的摩擦副較早損壞，相應的零部件(易 損件)定期更換。再加上制造、運輸、存儲、 維修維護的費用和維修時的停機損失，構(gòu)成 了機器運行成本中的一個很大的份額。具統(tǒng) 計，汽車的維護費用與油料費用相當；機器 的失效報廢，有80%以上是由磨損造成的。 1、軸承因磨損而間隙變得過大，軸頸就偏離 設計規(guī)定的位置，機器將失去預定的運動精 度；當軸上作用有不穩(wěn)定的載荷時，間隙過 大直接導致軸頸與軸承表面的撞擊和機器的 振動；軸及軸上零件的變位，會導致許多不 同類型的非法運動；摩擦形成的熱膨脹使間 隙變小或潤滑不良，軸頸就可能與軸承咬死 而完全不能旋轉(zhuǎn)。 、齒輪齒

17、面或凸輪表面磨損幾何形狀發(fā)生 變化，結(jié)果將破壞齒輪傳動的平穩(wěn)性和設計 所規(guī)定的從動件的運動規(guī)律，磨損還造成齒 輪輪齒強度的降低和斷齒。 第二節(jié) 摩擦學意義 、運動副（如機床導軌等）的“爬行” 是一個古典的非線性振動問題，其起因是 靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù)而產(chǎn)生的特殊 現(xiàn)象。解決的辦法是通過改變潤滑狀態(tài)或 表面材質(zhì)匹配來改變這個問題。 、流體動力徑向軸承在一定條件下會產(chǎn) 生自激振動，或稱油膜振蕩。由此引起的 毀機等重大事故的發(fā)生已屢見不鮮。 、在制動器、離合器、帶傳動或其他摩 擦傳動以及螺紋或其他借助摩擦力鎖緊的 聯(lián)接中，又時常因為摩擦表面之間的摩擦 力不足或不穩(wěn)定而失效，甚至出現(xiàn)嚴重事 故，例

18、如因制動失靈造成的車輛、提升設 備的重大事故。 、利用接觸（如內(nèi)燃機的活塞環(huán)）或不 接觸（迷宮式）密封的表面副阻止流體泄 漏時，發(fā)生碰撞、磨損使間隙增大和流體 外流失控，造成機器故障甚至嚴重后果。 除此之外，工作物料對工作部件產(chǎn)生 的磨損，也是摩擦學研究去解決的重要課 題。例如：攪拌機葉片、水輪機葉片、球 磨機磨球、破碎機工作件等。 第三節(jié) 未來發(fā)展及動向： 一、摩擦學發(fā)展的主要表現(xiàn) 1、從宏觀到微觀；從靜態(tài)到動態(tài)；從定 性到定量；從單因素到多因素； 2、多學科聯(lián)合研發(fā)：如力學、表面科學 、金屬物理、傳熱學、材料科學及測試 技術(shù)； 3、利用先進技術(shù)成果；通過實驗進行機 理研究；建立模型并實驗驗

19、證； 二、摩擦學研究的動向 1、工程陶瓷材料摩擦學研究 2、微納米摩擦學、微機電系統(tǒng)摩擦學研 究 3、表面工程研究 4、摩擦副中聚合物復合材料組合摩擦學 研究 5、摩擦學系統(tǒng)的工況監(jiān)測與故障診斷技 術(shù)研究 第一章 緒論 （2學時） 本學科研究的內(nèi)容、學習的目的與意 義，本學科的發(fā)展動向。 1.1 摩擦學的定義及其研究的主要內(nèi)容 1.2 摩擦學研究意義 1.3 發(fā)展動向 1.4 學習計劃與要求 第二章 固體的表面性質(zhì) （2學時） 2.1 概述固體表面形貌的組成， 2.2 固體的表面形貌 2.3 表面參數(shù)及表面測量 2.4 典型表面的組成 2.5 表面能與表面吸附 第三章 固體表面的接觸 （4學時

20、） 3.1 概述表面接觸的基本概念，接觸變 形的判據(jù)，赫茲接觸理論。 3.2 接觸面積 3.3 赫茲接觸 3.4 粗糙表面的接觸 3.5 接觸物理和接觸化學 第四節(jié) 學習計劃 第四章 摩擦 （ 6學時） 4.1 概述古典摩擦定律的局限 性，粘著理論，分子機械理論 ，影響摩擦系數(shù)的因素等。 4.2 摩擦的分類 4.3 古典摩擦定律 4.4 干摩擦機理 4.5 影響摩擦系數(shù)的主要因素 4.6 滑動摩擦的犁溝阻力與粘 著阻力 第五章 磨損 （ 4學時） 5.1 概述粘著磨損、磨料磨損 、疲勞磨損、微動磨損、沖蝕 磨損、氣蝕磨損的現(xiàn)代理論。 重點在：粘著磨損、磨料磨損 、疲勞磨損、沖蝕磨損。 5.2

21、磨損的主要類型 5.3 磨損的過程和磨損的測量 5.4 影響磨損的主要因素 5.5 磨損的計算 第六章 潤滑與潤滑劑 （ 8學時） 6.1 概述潤滑理論基礎，邊界潤滑的機 理及影響 6.2 摩擦特性曲線與潤滑狀態(tài) 6.3 潤滑劑 6.4 潤滑方法 第七章 耐磨和減磨材料 （ 2學時） 7.1 金屬耐磨材料 7.2 金屬減磨材料 7.3 非金屬耐磨、減磨材料 7.4 復合材料 7.5 耐磨、減磨材料的選擇 第八章 機械耐磨性設計 （ 2學時） 8.1 概述 8.2 摩擦副材料的選擇 8.3 提高耐磨性的結(jié)構(gòu)設計 8.4 維護與保養(yǎng) 第九章 冶金設備潤滑與機械系統(tǒng)狀態(tài) 診斷 （2學時） 9.1 冶金設備潤滑 9.2 診斷理論及狀態(tài)診斷方法分類應 用 序號主要內(nèi)容教學方式 學時 分配 輔導答 疑 比例 1第一章 緒論講授2 2第二章 固體的表面性質(zhì)講授22：1 3第三章 固體表面的接觸 講授42：1 4第四章 摩擦 講授62：1 5第五章 磨損講授42：1 6第六章 潤滑與潤滑劑講授