b第四章 摩擦、磨損和潤滑

1、q 摩擦是相對運(yùn)動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；摩擦是相對運(yùn)動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；q 磨損是由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；磨損是由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；q 潤滑是減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。潤滑是減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)(Tribology)。摩擦學(xué) 摩擦學(xué)是研究相對運(yùn)動的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者間摩擦學(xué)是研究相對運(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)用的一門邊緣學(xué)科。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

2、擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進(jìn)入微觀，由靜隨著科學(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。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。 世界上使用的能源大約有世界上使用的能源大約有 1/31/2 消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無用消耗于摩擦。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)

3、和費(fèi)用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用。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。 第第4 4章章 摩擦、磨損和潤滑摩擦、磨損和潤滑 摩擦、磨損、潤滑和密封失效是現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的摩擦、磨損、潤滑和密封失效是現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的主要失效原因。主要失效原因。 消極影響：消耗能源；消極影響：消耗能源； 破壞精度（包括磨損和爬行）；破壞精度（包括磨損和爬行）； 增大噪聲增大噪聲 積極作用：驅(qū)動積極作用：驅(qū)動( (摩擦輪、無級變速）摩擦輪、無級變速） 緩沖，如宇航員座椅；緩沖，如宇航員座椅； 自鎖，如釘子等自鎖，如釘子等4.1 摩擦與潤滑狀態(tài)摩擦與潤滑狀態(tài) 摩擦分類摩擦分類：外摩擦（存在于兩物體表面之

4、間）：外摩擦（存在于兩物體表面之間） 內(nèi)摩擦（流體內(nèi)部產(chǎn)生的粘剪力）內(nèi)摩擦（流體內(nèi)部產(chǎn)生的粘剪力） 按照兩表面的潤滑狀況，摩擦分為：按照兩表面的潤滑狀況，摩擦分為： 1）干摩擦）干摩擦-無潤滑狀態(tài)無潤滑狀態(tài) 2）邊界摩擦）邊界摩擦邊界潤滑狀態(tài)邊界潤滑狀態(tài) 3）流體摩擦）流體摩擦流體潤滑狀態(tài)流體潤滑狀態(tài) 4）混合摩擦）混合摩擦混合潤滑狀態(tài)混合潤滑狀態(tài)4.1.1 干摩擦干摩擦 不加潤滑劑時(shí)，相對運(yùn)動的零件表面直接接觸，這樣不加潤滑劑時(shí)，相對運(yùn)動的零件表面直接接觸，這樣產(chǎn)生的摩擦稱為干摩擦產(chǎn)生的摩擦稱為干摩擦 (如真空中如真空中)。fnFfF 現(xiàn)在觀點(diǎn)認(rèn)為：現(xiàn)在觀點(diǎn)認(rèn)為： 摩擦力的組成可表示為：摩擦

5、力的組成可表示為：frnFFFAF分子機(jī)械古典摩擦理論的摩擦力計(jì)算公式：古典摩擦理論的摩擦力計(jì)算公式：4.1.2 邊界摩擦邊界摩擦兩表面加入潤滑油后，在金屬兩表面加入潤滑油后，在金屬表面會形成一層邊界膜，在載表面會形成一層邊界膜，在載荷的作用下，邊界膜互相接觸，荷的作用下，邊界膜互相接觸，橫向剪切力比較弱，這種摩擦橫向剪切力比較弱，這種摩擦狀態(tài)稱為邊界摩擦。狀態(tài)稱為邊界摩擦。油性分子吸附在表面油性分子吸附在表面4.1.3 流體摩擦流體摩擦 當(dāng)兩摩擦表面被流體（液體或氣體）完全隔開時(shí)，當(dāng)兩摩擦表面被流體（液體或氣體）完全隔開時(shí)，摩擦表面不會產(chǎn)生金屬間的直接摩擦，流體分子摩擦表面不會產(chǎn)生金屬間的直

6、接摩擦，流體分子層間的粘剪阻力就是摩擦力，這種摩擦稱為流體層間的粘剪阻力就是摩擦力，這種摩擦稱為流體摩擦。摩擦。 實(shí)現(xiàn)流體摩擦有下列三種方法實(shí)現(xiàn)流體摩擦有下列三種方法: 1)流體動壓潤滑流體動壓潤滑 基本假設(shè)：基本假設(shè)：1.兩板間流體作層流運(yùn)動兩板間流體作層流運(yùn)動2.兩板間是牛頓流體，其粘度只隨溫度的變化而兩板間是牛頓流體，其粘度只隨溫度的變化而 變化，忽略壓力對粘度的影響，而且流體是不可變化，忽略壓力對粘度的影響，而且流體是不可 壓縮的壓縮的3.與兩板相接觸的流體層與板間無滑動出現(xiàn)與兩板相接觸的流體層與板間無滑動出現(xiàn)4.流體的重力和流動過程中產(chǎn)生的慣性力略去流體的重力和流動過程中產(chǎn)生的慣性力

7、略去5.由于間隙很小，壓力沿由于間隙很小，壓力沿Y方向大小不變方向大小不變6.平板沿平板沿Z方向無限長，所以流體沿方向無限長，所以流體沿Z方向無流動。方向無流動。流體動力潤滑形成的必要條件：流體動力潤滑形成的必要條件：q 楔形空間；楔形空間；q 相對運(yùn)動（保證流體由大口進(jìn)入）；相對運(yùn)動（保證流體由大口進(jìn)入）；q 連續(xù)不斷地供油。連續(xù)不斷地供油。流體動力潤滑是指兩個(gè)作相對運(yùn)動物體的摩擦表面，借助于相對速度而產(chǎn)流體動力潤滑是指兩個(gè)作相對運(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隔開，由流體膜產(chǎn)生的壓力來平衡外載荷。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

8、衡外載荷。 英國的雷諾于英國的雷諾于1886年繼前人觀察到的流體動壓現(xiàn)象，總結(jié)出流體動壓潤滑年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。理論。20世紀(jì)世紀(jì)50年代普遍應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)之后，線接觸彈性流體動壓潤滑的理年代普遍應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)之后，線接觸彈性流體動壓潤滑的理論開始有所突破。論開始有所突破。流體潤滑原理簡介一、流體動力潤滑一、流體動力潤滑流體潤滑1 動畫 2）彈性流體動壓潤滑）彈性流體動壓潤滑考慮了接觸區(qū)彈性變形和壓力對接觸區(qū)潤滑油粘度考慮了接觸區(qū)彈性變形和壓力對接觸區(qū)潤滑油粘度的影響的動壓潤滑稱為彈性流體動力潤滑的影響的動壓潤滑稱為彈性流體動力潤滑,簡稱為彈簡稱為彈流潤滑流潤

9、滑.兩表面的距離兩表面的距離 稱為稱為平均油膜厚度。接觸平均油膜厚度。接觸區(qū)的出口處油膜變薄區(qū)的出口處油膜變薄,這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“頸頸縮縮”,此處兩表面距離此處兩表面距離 稱為最小油膜厚度。稱為最小油膜厚度。0hminh3) 流體靜壓潤滑流體靜壓潤滑 用油泵將潤滑油經(jīng)過節(jié)流用油泵將潤滑油經(jīng)過節(jié)流器以所需要壓力注入被潤器以所需要壓力注入被潤滑表面的油室滑表面的油室,再由油室再由油室的封油邊流回油箱。的封油邊流回油箱。4.1.4 混合摩擦混合摩擦當(dāng)動壓潤滑條件不具備，且邊界膜遭破壞時(shí)，當(dāng)動壓潤滑條件不具備，且邊界膜遭破壞時(shí)，就會出現(xiàn)流體摩擦、邊界摩擦和干摩擦同時(shí)存就會出現(xiàn)流體摩擦、邊界摩擦

10、和干摩擦同時(shí)存在的現(xiàn)象，這種摩擦狀態(tài)稱為混合摩擦。在的現(xiàn)象，這種摩擦狀態(tài)稱為混合摩擦。4.2 磨損磨損 磨損：運(yùn)動副表面材料不斷損失磨損：運(yùn)動副表面材料不斷損失 磨損率磨損率: 單位時(shí)間內(nèi)材料的磨損體積或重量單位時(shí)間內(nèi)材料的磨損體積或重量 4.2.1 磨損過程（三階段）磨損過程（三階段）:1)跑合磨損階段跑合磨損階段 2)穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段 3)劇烈磨損階段劇烈磨損階段 4.2.2 磨損分類磨損分類根據(jù)磨損機(jī)理可分為根據(jù)磨損機(jī)理可分為1）粘著磨損：）粘著磨損：2）磨粒磨損）磨粒磨損/磨削磨削形成：混合或形成：混合或邊界摩擦?xí)r，載荷大，速度高，邊邊界摩擦?xí)r，載荷大，速度高，邊界膜破壞，表面

11、尖峰接觸。界膜破壞，表面尖峰接觸。現(xiàn)象：現(xiàn)象：形成材料轉(zhuǎn)移。形成材料轉(zhuǎn)移。影響因素：影響因素：材料硬度，表面粗糙度，載荷、速度、材料硬度，表面粗糙度，載荷、速度、溫度，不同材料配副。溫度，不同材料配副。形成：形成：表面微峰或外界硬質(zhì)顆粒進(jìn)入摩擦面。表面微峰或外界硬質(zhì)顆粒進(jìn)入摩擦面?，F(xiàn)象：現(xiàn)象：表面劃傷或犁溝現(xiàn)象。表面劃傷或犁溝現(xiàn)象。影響因素：影響因素：環(huán)境，表面硬度、粗糙度。環(huán)境，表面硬度、粗糙度。3）疲勞磨損（也稱疲勞點(diǎn)蝕）疲勞磨損（也稱疲勞點(diǎn)蝕）4）沖蝕磨損）沖蝕磨損形成：高副形成：高副接觸應(yīng)力反復(fù)作用。軸承、齒輪。接觸應(yīng)力反復(fù)作用。軸承、齒輪?，F(xiàn)象：現(xiàn)象：表層金屬剝落，形成點(diǎn)蝕凹坑。表層

12、金屬剝落，形成點(diǎn)蝕凹坑。影響因素：表面硬度、粗糙度，潤滑油粘度。影響因素：表面硬度、粗糙度，潤滑油粘度。形成：形成：一定速度的硬質(zhì)微粒反復(fù)作用，表面受法一定速度的硬質(zhì)微粒反復(fù)作用，表面受法向力及切向力。燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片、水輪機(jī)葉片。向力及切向力。燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片、水輪機(jī)葉片?，F(xiàn)象：現(xiàn)象：表面疲勞破壞，表面材料損失。表面疲勞破壞，表面材料損失。影響因素：影響因素：材料硬度材料硬度5）腐蝕磨損）腐蝕磨損-電化學(xué)作用電化學(xué)作用形成：形成：空氣中的酸、潤滑油中的無機(jī)酸產(chǎn)生化學(xué)作用空氣中的酸、潤滑油中的無機(jī)酸產(chǎn)生化學(xué)作用或電化學(xué)作用。或電化學(xué)作用?，F(xiàn)象：現(xiàn)象：表面腐蝕并磨損。表面腐蝕并磨損。影響因素：影響因

13、素：環(huán)境、潤滑油的腐蝕性。環(huán)境、潤滑油的腐蝕性。4.3 潤滑劑和添加劑潤滑劑和添加劑 潤滑劑：潤滑油、潤滑脂和固體潤滑劑的總稱潤滑劑：潤滑油、潤滑脂和固體潤滑劑的總稱1、潤滑油的粘度、潤滑油的粘度潤滑油的粘度反映了潤滑潤滑油的粘度反映了潤滑油在外力作用下抵抗剪切油在外力作用下抵抗剪切變形的能力，也是內(nèi)摩擦變形的能力，也是內(nèi)摩擦力大小的標(biāo)志力大小的標(biāo)志。FA式中 A-流體剪切面積 流體剪切應(yīng)力4.3.1 液體潤滑劑液體潤滑劑(潤滑油潤滑油) 剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力與流體沿與流體沿y方向速度的梯度成正比，即方向速度的梯度成正比，即/ddy 定義為流體的動力粘度定義為流體的動力粘度 上式稱為牛頓流體粘性定

14、律上式稱為牛頓流體粘性定律,凡符合此定律的凡符合此定律的流體稱為牛頓流體流體稱為牛頓流體,否則稱為非牛頓流體否則稱為非牛頓流體。 除此以外，還有運(yùn)動粘度和相對粘度（恩氏除此以外，還有運(yùn)動粘度和相對粘度（恩氏粘度）粘度）1）動力粘度）動力粘度圖示圖示,長、寬、高各為長、寬、高各為1m的流體，如果使立方體頂面流的流體，如果使立方體頂面流體層相對底面流體層產(chǎn)生體層相對底面流體層產(chǎn)生1m/s的運(yùn)動速度，所需要的外的運(yùn)動速度，所需要的外力力F為為1N時(shí)，則流體的粘度時(shí)，則流體的粘度為為1Ns/m，叫做，叫做“帕秒帕秒”，常用常用Pas表示。有時(shí)也用表示。有時(shí)也用“（dyn s/cm2）泊）泊P”、“厘泊

15、厘泊cP”表示。表示。換算關(guān)系：換算關(guān)系：1Pa S=10P=1000cP2）運(yùn)動粘度）運(yùn)動粘度 流體的動力粘度與同溫度下的密度流體的動力粘度與同溫度下的密度的比值的比值,稱為稱為運(yùn)動粘度運(yùn)動粘度: 單位是單位是cm/s,叫做叫做“斯斯”,常用常用St表示表示恩氏粘度是相對粘度的一種恩氏粘度是相對粘度的一種,它是用它是用200ml的粘性流體的粘性流體,在給定的溫度在給定的溫度t下流經(jīng)一定直徑和長度的毛細(xì)管所需的下流經(jīng)一定直徑和長度的毛細(xì)管所需的時(shí)間時(shí)間,與同體積的蒸餾水在與同體積的蒸餾水在20時(shí)流經(jīng)同樣的毛細(xì)管所時(shí)流經(jīng)同樣的毛細(xì)管所需時(shí)間的比值來衡量流體的粘性。恩氏粘度用需時(shí)間的比值來衡量流體

16、的粘性。恩氏粘度用 表示表示oEt3) 相對粘度相對粘度oEt換算關(guān)系：換算關(guān)系：1m2/s=104St=106cSt 礦物油礦物油=0.850.91 1、粘溫特性、粘溫特性2 2、潤滑油的特性、潤滑油的特性 實(shí)驗(yàn)表明潤滑油的粘度隨實(shí)驗(yàn)表明潤滑油的粘度隨溫度的變化存在指數(shù)關(guān)系溫度的變化存在指數(shù)關(guān)系:00/mttt2、潤滑油的粘壓特性、潤滑油的粘壓特性 實(shí)驗(yàn)表明粘度和壓實(shí)驗(yàn)表明粘度和壓力的關(guān)系近似表示為力的關(guān)系近似表示為:0ape3、油性、油性反映在摩擦表面的吸附性能反映在摩擦表面的吸附性能 （邊界潤滑和粗糙表面尤其重要）（邊界潤滑和粗糙表面尤其重要）4、閃點(diǎn)、閃點(diǎn)瞬時(shí)燃燒和碳化的溫度；瞬時(shí)燃燒

17、和碳化的溫度； 燃點(diǎn)燃點(diǎn)長時(shí)間連續(xù)燃燒的溫度（高溫性能）；長時(shí)間連續(xù)燃燒的溫度（高溫性能）；5、凝點(diǎn)、凝點(diǎn)冷卻，由液體轉(zhuǎn)變?yōu)椴荒芰鲃訒r(shí)的臨冷卻，由液體轉(zhuǎn)變?yōu)椴荒芰鲃訒r(shí)的臨界溫度；界溫度； (低溫啟動性能低溫啟動性能)6、極壓性（、極壓性（EP）, 在重壓下表面膜破裂的最大在重壓下表面膜破裂的最大 接觸載荷，用接觸載荷，用PB表示，表示，(極限載荷）極限載荷）7、酸值、酸值限制潤滑劑變質(zhì)后對表面的腐蝕限制潤滑劑變質(zhì)后對表面的腐蝕4.3.2 潤滑脂及其主要性能潤滑脂及其主要性能 組成：基礎(chǔ)油組成：基礎(chǔ)油+稠化劑稠化劑+添加劑添加劑+澎潤土澎潤土 是一種半固體潤滑劑。潤滑脂的性能指標(biāo)主要有針是一種半

18、固體潤滑劑。潤滑脂的性能指標(biāo)主要有針入度、滴點(diǎn)、析油量、機(jī)械雜質(zhì)、灰分、水分等入度、滴點(diǎn)、析油量、機(jī)械雜質(zhì)、灰分、水分等1）錐入度）錐入度表示稠度、軟硬程度表示稠度、軟硬程度 H(mm)/0.1阻力大小、流動性強(qiáng)弱阻力大小、流動性強(qiáng)弱標(biāo)準(zhǔn)錐體，標(biāo)準(zhǔn)錐體，150g，25 ，5sh2）滴點(diǎn)）滴點(diǎn)-固體固體流體的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，表示耐熱性流體的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，表示耐熱性3）防水性能；）防水性能；4）靜音性能；）靜音性能；5）種類）種類A)鈣基脂：抗水，適于輕中重載荷；鈣基脂：抗水，適于輕中重載荷；B)鈉基脂：耐高溫，但不抗水；鈉基脂：耐高溫，但不抗水；C)鋰基脂：多用途，最好；鋰基脂：多用途，最好；D)鋁基脂：高度耐水性，航運(yùn)機(jī)械鋁基脂：高度耐水性，航運(yùn)機(jī)械 E)其它特種潤滑脂（特種合成油、添加劑、其它特種潤滑脂（特種合成油、添