第4章 摩擦磨損及潤滑概述

1、4-1 摩擦 4-2 磨損 4-3 潤滑劑、添加劑和潤滑方法 4-4 流體潤滑原理簡介 4-0 概述 第第4章章 摩擦、磨損及潤滑概述摩擦、磨損及潤滑概述 4-0 概 述 摩擦學(xué)摩擦學(xué)(Tribology)研究相對運(yùn)動的作用表面間的摩研究相對運(yùn)動的作用表面間的摩 擦、磨損和潤滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用擦、磨損和潤滑，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。的一門邊緣學(xué)科。 摩擦摩擦相對運(yùn)動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象相對運(yùn)動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象 磨損磨損由于摩擦而造成物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移由于摩擦而造成物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移 潤滑潤滑減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施

2、減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施 世界上使用的世界上使用的能源大約有能源大約有 1/31/2 消耗于摩擦消耗于摩擦。 機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢磨損超過限度而報廢 和更換的和更換的。 減少摩擦減少摩擦 節(jié)省能源；節(jié)省能源； 減少磨損減少磨損 降低設(shè)備維修次數(shù)和費用，節(jié)省制造降低設(shè)備維修次數(shù)和費用，節(jié)省制造 零零 件及其所需材料的費用。件及其所需材料的費用。 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)入動態(tài)，由定性進(jìn)入定量，成 為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。 “ “機(jī)械說機(jī)械說” ” 摩擦原因是表面微凸體的相互阻礙作用摩擦原因是表

3、面微凸體的相互阻礙作用 “ “分子說分子說” ” 摩擦原因是表面材料分子間的吸力作用摩擦原因是表面材料分子間的吸力作用 一、摩擦的機(jī)理一、摩擦的機(jī)理 “ “機(jī)械分子說機(jī)械分子說”兩種作用均有兩種作用均有 4-1 摩擦摩擦 二二、摩擦的分類摩擦的分類 內(nèi)內(nèi) 摩摩 擦擦在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對 運(yùn)動的現(xiàn)象。運(yùn)動的現(xiàn)象。 外外 摩摩 擦擦在相對運(yùn)動的物體表面間發(fā)生的相互阻在相對運(yùn)動的物體表面間發(fā)生的相互阻 礙作用現(xiàn)象。礙作用現(xiàn)象。 靜靜 摩摩 擦擦僅有相對運(yùn)動趨勢時的摩擦。僅有相對運(yùn)動趨勢時的摩擦。 動動 摩摩 擦擦在相對運(yùn)動進(jìn)行中的摩擦。在相對運(yùn)動進(jìn)行中

4、的摩擦。 滑動摩擦滑動摩擦物體表面間的運(yùn)動形式是相對滑動。物體表面間的運(yùn)動形式是相對滑動。 滾動摩擦滾動摩擦物體表面間的運(yùn)動形式是相對滾動。物體表面間的運(yùn)動形式是相對滾動。 潘存云教授研制 潘存云教授研制 1. 干摩擦干摩擦 兩零件表面直接接觸后，因為微觀局部兩零件表面直接接觸后，因為微觀局部 壓力高而形成許多冷焊點，運(yùn)動時被剪切。壓力高而形成許多冷焊點，運(yùn)動時被剪切。 不允許出現(xiàn)干摩擦！不允許出現(xiàn)干摩擦！ 2. 邊界摩擦邊界摩擦 三、三、 滑動摩擦狀態(tài)滑動摩擦狀態(tài) 功耗功耗 磨損磨損 溫度溫度 燒毀軸瓦燒毀軸瓦 運(yùn)動副表面有一層厚度運(yùn)動副表面有一層厚度1 m的薄的薄 油膜，不足以將兩金屬表面

5、完全分開，油膜，不足以將兩金屬表面完全分開， 其表面部分微觀高峰部分仍將相互搓削。其表面部分微觀高峰部分仍將相互搓削。 比干摩擦的磨損輕比干摩擦的磨損輕，f 0.1 0.3 v v v 潘存云教授研制 v 有一層壓力油膜將兩金屬表面隔開，有一層壓力油膜將兩金屬表面隔開， 彼此不直接接觸。彼此不直接接觸。是理想的摩擦狀態(tài)。 3. 液體摩擦液體摩擦 摩擦和磨損極輕摩擦和磨損極輕，f 0.001 0.01 潘存云教授研制 4. 混合摩擦混合摩擦 v 混合摩擦是指摩擦表面間處于邊界混合摩擦是指摩擦表面間處于邊界 摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)。混合摩摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)。混合摩 擦能有效降低摩擦阻力，其

6、摩擦系數(shù)擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系數(shù) 比邊界摩擦?xí)r要小得多。比邊界摩擦?xí)r要小得多。 潘存云教授研制 在一般機(jī)器中，處于后三種情在一般機(jī)器中，處于后三種情 況的混合狀態(tài)。況的混合狀態(tài)。 f n/p o 邊界摩擦邊界摩擦 混合摩擦混合摩擦 液體摩擦液體摩擦 摩擦特性曲線摩擦特性曲線 稱無量綱參數(shù)稱無量綱參數(shù)n/p為軸承為軸承特特 性數(shù)性數(shù)。 -動力粘度，動力粘度，p-壓強(qiáng)壓強(qiáng) ，n-每每 秒轉(zhuǎn)數(shù)秒轉(zhuǎn)數(shù) 邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區(qū)分，常邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區(qū)分，常 統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為不完全液體摩擦。不完全液體摩擦。 摩擦學(xué)研究的最新進(jìn)展：摩擦學(xué)研究的最新進(jìn)展： 微納米摩擦學(xué)理論

7、微納米摩擦學(xué)理論 可實現(xiàn)：可實現(xiàn)： f 0.001 超潤滑摩擦狀態(tài)。超潤滑摩擦狀態(tài)。 機(jī)器的壽命機(jī)器的壽命 磨損磨損由于摩擦而導(dǎo)致由于摩擦而導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移零件表面材料的逐漸喪失或遷移。 磨損曲線磨損曲線 磨合階段磨合階段 磨損量磨損量 時間時間 劇烈磨劇烈磨 損階段損階段 穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段 4-2 磨損磨損 磨損過程大致如圖所示：磨損過程大致如圖所示： 磨合階段磨合階段包括摩擦表包括摩擦表 面輪廓峰的形狀變化和表面面輪廓峰的形狀變化和表面 材料被加工硬化兩個過程材料被加工硬化兩個過程 后果后果降低機(jī)器的效率和可靠性降低機(jī)器的效率和可靠性，甚至促使機(jī)器提前報廢。，甚至促

8、使機(jī)器提前報廢。 它是磨損的不穩(wěn)定階段，在它是磨損的不穩(wěn)定階段，在 整個壽命周期內(nèi)時間很短。整個壽命周期內(nèi)時間很短。 機(jī)器的壽命機(jī)器的壽命 磨損曲線磨損曲線 磨合階段磨合階段 磨損量磨損量 時間時間 劇烈磨劇烈磨 損階段損階段 穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段 穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段零件在平穩(wěn)而緩慢的速度下磨損零件在平穩(wěn)而緩慢的速度下磨損 它標(biāo)志著磨擦條件相對穩(wěn)定。它標(biāo)志著磨擦條件相對穩(wěn)定。 劇烈磨損階段劇烈磨損階段在經(jīng)在經(jīng) 過穩(wěn)定磨損階段后，零件過穩(wěn)定磨損階段后，零件 表面遭到破壞，運(yùn)動副間表面遭到破壞，運(yùn)動副間 隙增大引起而外的動載荷隙增大引起而外的動載荷 和振動。零件即將進(jìn)入報和振動。零件即將

9、進(jìn)入報 廢階段廢階段 設(shè)計機(jī)器時，要求縮短磨合期、延長穩(wěn)定期、推遲劇烈設(shè)計機(jī)器時，要求縮短磨合期、延長穩(wěn)定期、推遲劇烈 磨損期的到來。磨損期的到來。 磨粒磨損磨粒磨損 磨損的分類磨損的分類 疲勞磨損疲勞磨損 粘附磨損粘附磨損 沖蝕磨損沖蝕磨損 腐蝕磨損腐蝕磨損 微動磨損微動磨損 磨損磨損 類型類型 按磨損機(jī)理分按磨損機(jī)理分 按磨損表面按磨損表面 外觀可分為外觀可分為 點蝕磨損點蝕磨損 膠合磨損膠合磨損 擦傷磨損擦傷磨損 磨粒磨損磨粒磨損也簡稱磨損，也簡稱磨損，外部進(jìn)入摩擦面間的游離硬外部進(jìn)入摩擦面間的游離硬 顆粒（如空氣中的塵土或磨損造成的金屬微粒）或硬的顆粒（如空氣中的塵土或磨損造成的金屬微

10、粒）或硬的 輪廓峰尖在軟材料表面上犁刨出很多溝紋時被移去的材輪廓峰尖在軟材料表面上犁刨出很多溝紋時被移去的材 料，一部分流動到溝紋兩旁，一部分則形成一連串的碎料，一部分流動到溝紋兩旁，一部分則形成一連串的碎 片脫落下來成為新的游離顆粒，這樣的微粒切削過程就片脫落下來成為新的游離顆粒，這樣的微粒切削過程就 叫磨粒磨損。叫磨粒磨損。 潘存云教授研制 1 1、磨粒磨損、磨粒磨損 粘附磨損粘附磨損也稱膠合，當(dāng)也稱膠合，當(dāng) 摩擦表面的輪廓峰在相互作摩擦表面的輪廓峰在相互作 用的各點處由于瞬時的溫升用的各點處由于瞬時的溫升 和壓力發(fā)生和壓力發(fā)生“冷焊冷焊”后，在后，在 相對運(yùn)動時，材料從一個表相對運(yùn)動時，

11、材料從一個表 面遷移到另一個表面，便形面遷移到另一個表面，便形 成粘附磨損。成粘附磨損。嚴(yán)重的粘附磨嚴(yán)重的粘附磨 損會造成運(yùn)動副咬死。損會造成運(yùn)動副咬死。 潘存云教授研制 2 2、粘附磨損、粘附磨損 疲勞磨損疲勞磨損也稱點蝕，是由于摩擦表面材料微體積在也稱點蝕，是由于摩擦表面材料微體積在 交變的摩擦力作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引交變的摩擦力作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引 起的機(jī)械磨損。起的機(jī)械磨損。 點蝕過程：點蝕過程： 產(chǎn)生初始疲勞裂紋產(chǎn)生初始疲勞裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展 微粒脫落，形成點蝕坑。微粒脫落，形成點蝕坑。 潘存云教授研制 3 3、疲勞磨損、疲勞磨損 沖蝕磨損沖蝕磨損流動的液體或

12、氣體中所夾流動的液體或氣體中所夾 帶的硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒沖擊零件表帶的硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒沖擊零件表 面所引起的機(jī)械磨損。利用高壓空氣面所引起的機(jī)械磨損。利用高壓空氣 輸送型砂或高壓水輸送碎石時，管道輸送型砂或高壓水輸送碎石時，管道 內(nèi)壁所產(chǎn)生的機(jī)械磨損是實例之一。內(nèi)壁所產(chǎn)生的機(jī)械磨損是實例之一。 近年來，由于燃?xì)鉁u輪機(jī)的葉片、火箭發(fā)動機(jī)的尾噴管這樣近年來，由于燃?xì)鉁u輪機(jī)的葉片、火箭發(fā)動機(jī)的尾噴管這樣 一些部位的破壞，才引起人們對這種磨損形式的特別注意一些部位的破壞，才引起人們對這種磨損形式的特別注意 潘存云教授研制 4、沖蝕磨損、沖蝕磨損 腐蝕磨損腐蝕磨損當(dāng)摩擦表面材料在環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)當(dāng)摩

13、擦表面材料在環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué) 作用下引起腐蝕，在摩擦副相對運(yùn)動時所產(chǎn)生的磨損作用下引起腐蝕，在摩擦副相對運(yùn)動時所產(chǎn)生的磨損 即為腐蝕磨損。即為腐蝕磨損。 5 5、腐蝕磨損、腐蝕磨損 微動磨損微動磨損是指摩擦副在微幅運(yùn)動時，由上述各磨損是指摩擦副在微幅運(yùn)動時，由上述各磨損 機(jī)理共同形成的復(fù)合磨損。微幅運(yùn)動可理機(jī)理共同形成的復(fù)合磨損。微幅運(yùn)動可理 解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對運(yùn)動。解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對運(yùn)動。 應(yīng)用實例應(yīng)用實例：軸與孔的過盈配合面、滾動軸承套圈的配合面、：軸與孔的過盈配合面、滾動軸承套圈的配合面、 旋合螺紋的工作面、鉚釘?shù)墓ぷ髅娴?。旋合螺紋的工作面、鉚釘?shù)墓ぷ髅娴取?/p>

14、 6 6、微動磨損、微動磨損 一、一、 潤滑劑潤滑劑 作用：作用：降低摩擦功耗、減少磨損、冷卻、吸振、防銹等。降低摩擦功耗、減少磨損、冷卻、吸振、防銹等。 分類分類 液體液體潤滑劑潤滑劑潤滑油潤滑油 半固體半固體潤滑劑潤滑劑潤滑脂潤滑脂 固體固體潤滑劑潤滑劑 1. 潤滑油潤滑油 礦物油來源充足、成本低廉、穩(wěn)定性好、因而應(yīng)用最廣。礦物油來源充足、成本低廉、穩(wěn)定性好、因而應(yīng)用最廣。 種類：種類： 氣體氣體潤滑劑潤滑劑空氣空氣 有機(jī)油有機(jī)油動、植物油動、植物油 礦物油礦物油石油產(chǎn)品，石油產(chǎn)品， 化學(xué)合成油化學(xué)合成油 4-3 潤滑劑、添加劑和潤滑方法潤滑劑、添加劑和潤滑方法 潘存云教授研制 潤滑油的特

15、性：潤滑油的特性： (1)粘粘溫相關(guān)性溫相關(guān)性 溫度溫度 t 壓力壓力p 但但p 350 才開始氧化，可在水中工作才開始氧化，可在水中工作 摩擦系數(shù)低，使用溫度范圍廣摩擦系數(shù)低，使用溫度范圍廣 (- -60300 )，但遇水性能下降。，但遇水性能下降。 摩擦系數(shù)低，只有石墨的一半。摩擦系數(shù)低，只有石墨的一半。 使用方式使用方式 1.1.調(diào)和在潤滑油中；調(diào)和在潤滑油中； 2.2.涂覆、燒結(jié)在摩擦表面形成覆蓋膜；涂覆、燒結(jié)在摩擦表面形成覆蓋膜； 3.3.混入金屬或塑料粉末中燒結(jié)成型?；烊虢饘倩蛩芰戏勰┲袩Y(jié)成型。 油性添加劑油性添加劑 種類種類 添加劑添加劑為了改善潤滑劑品質(zhì)和性能而添加的物質(zhì)為了

16、改善潤滑劑品質(zhì)和性能而添加的物質(zhì) 二、添加劑二、添加劑 非極壓油非極壓油 軟化溫度軟化溫度t t/ / 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) f 含脂肪酸和極壓添加劑的油含脂肪酸和極壓添加劑的油 含脂肪含脂肪 酸的油酸的油 含極壓添含極壓添 加劑的油加劑的油 作用作用提高油性、極壓性、延長使用壽命、改善性能提高油性、極壓性、延長使用壽命、改善性能 極壓添加劑極壓添加劑 分散凈化劑分散凈化劑 消泡添加劑消泡添加劑 抗氧化添加劑抗氧化添加劑 降凝劑降凝劑 增粘劑增粘劑 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潤滑油潤滑在工程中的應(yīng)用最普遍，其供油方式有：潤滑油潤滑在工程中的應(yīng)用最普遍，其供油方式有： 三、潤滑

17、方法三、潤滑方法 潤滑方式潤滑方式 人工給油人工給油 油杯滴油油杯滴油 浸油潤滑、飛濺給油浸油潤滑、飛濺給油 用油泵強(qiáng)制潤滑和冷卻用油泵強(qiáng)制潤滑和冷卻 低速傳動低速傳動 高速傳動高速傳動 甩油環(huán)甩油環(huán) 噴油潤滑噴油潤滑 油泵油泵 冷冷 卻卻 器器 滴油潤滑滴油潤滑 浸油潤滑浸油潤滑 飛濺潤滑飛濺潤滑 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 針閥針閥 式油式油 杯杯 旋蓋式油杯旋蓋式油杯 脂用 潘存云教授研制 壓注式油杯壓注式油杯 彈簧蓋油杯彈簧蓋油杯 四、潤滑裝置四、潤滑裝置 1. 油杯油杯 潘存云教授研制 潘存云教授研制 2. 油環(huán)油環(huán) 潘存云教授研制 潘存云教授研制 一、流體動力潤

18、滑一、流體動力潤滑 先分析平行板的情況。板先分析平行板的情況。板B靜止，板靜止，板A 以速度向左運(yùn)動，板間充滿潤滑油，無以速度向左運(yùn)動，板間充滿潤滑油，無 載荷時，載荷時， 液體各層的速度呈三角形分液體各層的速度呈三角形分 布，近油量與處油量相等，板布，近油量與處油量相等，板A不會下不會下 沉。但若板沉。但若板A有載荷時，油向兩邊擠出，有載荷時，油向兩邊擠出， 板板A逐漸下沉，直到與逐漸下沉，直到與B板接觸。板接觸。 v 4-4流體潤滑原理簡介 流體動力潤滑是指兩個作流體動力潤滑是指兩個作相對運(yùn)動物體的摩擦表面相對運(yùn)動物體的摩擦表面， 借助于相對速度而產(chǎn)生的粘性流體膜將兩摩擦表面完全借助于相對

19、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。隔開，由流體膜產(chǎn)生的壓力來平衡外載荷。 潘存云教授研制 潘存云教授研制 F F F F F 動壓油膜動壓油膜因運(yùn)動 而產(chǎn)生的壓力油膜。 v vv h1 a a h2 c c vv 兩平形板之間不能兩平形板之間不能 形成壓力油膜！形成壓力油膜！ 如兩板不平行板。板間間隙呈沿運(yùn)動方向由大如兩板不平行板。板間間隙呈沿運(yùn)動方向由大 到小呈收斂楔形分布，且板到小呈收斂楔形分布，且板A有載荷，有載荷， 當(dāng)板當(dāng)板A 運(yùn)動時，兩端速度呈虛線分布，則必然進(jìn)油多運(yùn)動時，兩端速度呈虛線分布，則必然進(jìn)油多 而出油少。由于液體實際上是不可壓縮

20、的，必而出油少。由于液體實際上是不可壓縮的，必 將在板內(nèi)擠壓而形成壓力，迫使進(jìn)油端的速度將在板內(nèi)擠壓而形成壓力，迫使進(jìn)油端的速度 往內(nèi)凹，而出油端的速度往外鼓。進(jìn)油端間隙往內(nèi)凹，而出油端的速度往外鼓。進(jìn)油端間隙 大而速度曲線內(nèi)凹，出油端間隙小而速度曲線大而速度曲線內(nèi)凹，出油端間隙小而速度曲線 外凸，進(jìn)出油量相等，同時間隙內(nèi)形成的壓力外凸，進(jìn)出油量相等，同時間隙內(nèi)形成的壓力 與外載荷平衡，板與外載荷平衡，板A不會下沉。這說明了在間不會下沉。這說明了在間 隙內(nèi)形成了壓力油膜。這種因運(yùn)動而產(chǎn)生的壓隙內(nèi)形成了壓力油膜。這種因運(yùn)動而產(chǎn)生的壓 力油膜稱為動壓油膜。各截面的速度圖不一樣，力油膜稱為動壓油膜。

21、各截面的速度圖不一樣， 從凹三角形過渡到凸三角形，中間必有一個位從凹三角形過渡到凸三角形，中間必有一個位 置呈三角形分布。置呈三角形分布。 F pmax 潘存云教授研制 F 形成動壓油膜的必要條件：形成動壓油膜的必要條件： 1.兩工件之間的間隙必須有兩工件之間的間隙必須有楔形間隙楔形間隙； 2.兩工件表面之間必須兩工件表面之間必須連續(xù)充滿潤滑油或其它液體連續(xù)充滿潤滑油或其它液體； 3.兩工件表面必須有兩工件表面必須有相對滑動速度相對滑動速度。其運(yùn)動方向必。其運(yùn)動方向必 須保證潤滑油從大截面流進(jìn)，從小截面流出來。須保證潤滑油從大截面流進(jìn)，從小截面流出來。 Fy =F Fx 0 Fy =F Fx = 0 應(yīng)用實例應(yīng)用實例向心滑動軸承動壓油膜的形成過程：