第4章摩擦磨損與潤(rùn)滑

1、第四章第四章 摩擦、磨損與潤(rùn)滑概述摩擦、磨損與潤(rùn)滑概述4-1 摩擦摩擦4-2 磨損磨損4-3 潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法4-4 流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介4-0 概述概述4-0 概述概述 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(mén)邊緣學(xué)科。相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門(mén)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。態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)

2、，由定性進(jìn)入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。 q 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；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；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(rùn)滑是減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。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)關(guān)于摩擦、磨損與潤(rùn)滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)( (TribologyTribology) )。 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 1/31/2 消耗于摩擦。如果能夠盡力減少消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無(wú)用的摩擦消耗，便可大量節(jié)

3、省能源。另外，機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是無(wú)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(guò)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)備由于磨損超過(guò)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。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。4-1 摩擦摩擦二二、摩擦的分類(lèi)摩擦的分類(lèi)內(nèi)內(nèi) 摩摩 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。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。外外 摩摩 擦：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。擦：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作

4、用現(xiàn)象。靜靜 摩摩 擦：僅有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)的摩擦。擦：僅有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)的摩擦。動(dòng)動(dòng) 摩摩 擦：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行中的摩擦。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)?；瑒?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)。滾動(dòng)摩擦：物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滾動(dòng)。q “機(jī)械說(shuō)機(jī)械說(shuō)”產(chǎn)生摩擦的原因是表面微凸體的相互阻礙作用；產(chǎn)生摩擦的原因是表面微凸體的相互阻礙作用；q “分子說(shuō)分子說(shuō)”產(chǎn)生摩擦的原因是表面材料分子間的吸力作用；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)理一、摩擦的機(jī)理q “機(jī)械分子說(shuō)機(jī)械分子說(shuō)”兩種作用均有。兩種作

5、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(lái)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(lái)又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論。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(kāi)始用年，英國(guó)的鮑登等人開(kāi)始用材料粘附概念研究干摩擦，材料粘附概念研究干摩擦，1950年，鮑登提出了粘附理論。年，鮑登提出了粘附理論。三、三、 種滑動(dòng)摩擦狀態(tài)種滑動(dòng)摩擦狀態(tài). . 干摩擦是指表面間無(wú)任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦。干摩擦是指表面間無(wú)任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦。. . 邊界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開(kāi)，其摩擦性質(zhì)取決于

6、邊界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開(kāi)，其摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦。邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦。 4-1 摩擦摩擦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)?；旌夏旌夏Σ潦侵改Σ帘砻骈g處于邊界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，其摩擦系數(shù)比邊界摩擦?xí)r要小得多。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。流體摩擦是指摩擦表面被流體膜隔開(kāi)，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間流體摩擦是指摩擦表面被流體膜隔開(kāi)，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，是理想粘性阻力的摩擦。流體摩擦?xí)r的摩擦系

7、數(shù)最小，且不會(huì)有磨損產(chǎn)生，是理想的摩擦狀態(tài)。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(chēng)為不完全液體摩擦。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(chēng)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，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)在中，一般認(rèn)

8、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)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)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。們應(yīng)對(duì)此給予關(guān)注。 4-1 摩擦摩擦磨損是運(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)磨損是運(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。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。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，推遲劇烈在設(shè)計(jì)或使用

9、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(lái)。為此就必須對(duì)形成磨損的機(jī)理有所了解。磨損的到來(lái)。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(guò)程大致可分為三個(gè)階段，即：一個(gè)零件的磨損過(guò)程大致可分為三個(gè)階段，即： 磨合階段新的零件在開(kāi)始使用時(shí)一般處于這一階段，磨損率較高。磨合階段新的零件在開(kāi)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。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。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。 對(duì)磨損的研究開(kāi)展較晚，對(duì)磨損的研究開(kāi)

10、展較晚，20世紀(jì)世紀(jì)50年代提出粘著理論后，年代提出粘著理論后，60年代在相繼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(kāi)展。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(kāi)展。 4-2 磨磨 損損F磨粒磨損也簡(jiǎn)稱(chēng)磨損，是外部進(jìn)入摩擦表面的游離硬顆粒或硬的輪廓峰磨粒磨損也簡(jiǎn)稱(chēng)磨損，是外部進(jìn)入摩擦表面的游離硬顆粒或硬的輪廓峰尖所引起的磨損。尖所引起的磨損。F沖蝕磨損流體中所夾帶的硬質(zhì)物質(zhì)或顆粒，在流體沖擊力作用下而在摩沖蝕磨損流體中所夾帶的硬質(zhì)物質(zhì)或顆粒，在流體沖擊力作用下而在摩擦表面引起的磨損。擦表面引起的磨損。F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

11、復(fù)合微動(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)。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)。F粘附磨損也稱(chēng)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)粘附磨損也稱(chēng)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)生的溫升和壓力發(fā)生“冷焊冷焊”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。個(gè)表面，便形成粘附磨損。F疲勞磨損也稱(chēng)點(diǎn)蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，疲勞磨損也稱(chēng)點(diǎn)蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦

12、力作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引起的磨損。反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引起的磨損。 關(guān)于磨損機(jī)理與分類(lèi)的見(jiàn)解頗不一致，大體上可概括為：關(guān)于磨損機(jī)理與分類(lèi)的見(jiàn)解頗不一致，大體上可概括為： F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)作用下引起腐蝕，在摩腐蝕磨損當(dāng)摩擦表面材料在環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)作用下引起腐蝕，在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。4-2 磨磨 損損一、潤(rùn)滑劑一、潤(rùn)滑劑q 潤(rùn)滑油潤(rùn)滑油q 潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑脂q 固體潤(rùn)滑劑固體潤(rùn)滑劑粘度的種類(lèi)有很多，如：動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)粘度、條件粘度等。粘度的種類(lèi)有很多，如：動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)粘度、條件粘度等。潤(rùn)

13、滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)是：錐入度，反映其稠度大小。潤(rùn)滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)是：錐入度，反映其稠度大小。 粘度是潤(rùn)滑油的主要質(zhì)量指標(biāo)，粘度值越高，油越稠，反之越??；粘度是潤(rùn)滑油的主要質(zhì)量指標(biāo)，粘度值越高，油越稠，反之越稀；潤(rùn)滑油的牌號(hào)與運(yùn)動(dòng)粘度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如：牌號(hào)為潤(rùn)滑油的牌號(hào)與運(yùn)動(dòng)粘度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如：牌號(hào)為L(zhǎng)-AN10的油在的油在40時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度大約為時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度大約為10 cSt。滴點(diǎn)，決定工作溫度。滴點(diǎn)，決定工作溫度。應(yīng)用礦物油作潤(rùn)滑劑的記載最早見(jiàn)于西晉張華所著應(yīng)用礦物油作潤(rùn)滑劑的記載最早見(jiàn)于西晉張華所著博物志博物志，書(shū)中提，書(shū)中提到酒泉延壽和高奴有石油，并且用于到酒泉延壽和高奴有石油

14、，并且用于“膏車(chē)及水碓甚佳膏車(chē)及水碓甚佳”。工程中常用運(yùn)動(dòng)粘度，單位是：工程中常用運(yùn)動(dòng)粘度，單位是：St(斯斯)或或 cSt(厘斯厘斯)，量綱為，量綱為(m2/s)；：動(dòng)植物油、礦物油、合成油。：動(dòng)植物油、礦物油、合成油。：潤(rùn)滑油：潤(rùn)滑油+ +稠化劑稠化劑：石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。：石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。4-2 潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法提高油性、極壓性提高油性、極壓性延長(zhǎng)使用壽命延長(zhǎng)使用壽命改善物理性能改善物理性能添加劑的作用添加劑的作用油性添加劑油性添加劑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

15、劑增粘劑添加劑的種類(lèi)添加劑的種類(lèi) 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)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)滑劑性能改善其巨大作用的物質(zhì)，這些物質(zhì)叫添加劑。潤(rùn)滑劑性能改善其巨大作用的物質(zhì)，這些物質(zhì)叫添加劑。二、添加劑二、添加劑 4-2 潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法潤(rùn)滑油潤(rùn)滑在工程中的應(yīng)用最普遍，常用的供油方式有：潤(rùn)滑油潤(rùn)滑在工程中的應(yīng)用最普遍，常用的供油方式有：滴油潤(rùn)滑、浸油潤(rùn)滑、飛濺潤(rùn)滑、噴油潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑等滴油潤(rùn)滑、浸油潤(rùn)滑、飛濺潤(rùn)滑、噴油潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑等 用于低速用于低速 用于高速用于高速 油脂潤(rùn)滑常用于運(yùn)轉(zhuǎn)速度

16、較低的場(chǎng)合，將潤(rùn)滑脂涂抹于需潤(rùn)滑的零件油脂潤(rùn)滑常用于運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低的場(chǎng)合，將潤(rùn)滑脂涂抹于需潤(rùn)滑的零件上。潤(rùn)滑脂還可以用于簡(jiǎn)單的密封。上。潤(rùn)滑脂還可以用于簡(jiǎn)單的密封。三、潤(rùn)滑方法三、潤(rùn)滑方法常用的潤(rùn)滑裝置常用的潤(rùn)滑裝置浸油與飛濺潤(rùn)滑浸油與飛濺潤(rùn)滑噴油潤(rùn)滑噴油潤(rùn)滑4-2 潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法 流體動(dòng)力潤(rùn)滑形成的必要條件：流體動(dòng)力潤(rùn)滑形成的必要條件：q 楔形空間；楔形空間；q 相對(duì)運(yùn)動(dòng)（保證流體由大口進(jìn)入）；相對(duì)運(yùn)動(dòng)（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(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)流體動(dòng)力潤(rùn)滑是指兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的

17、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(kāi)，由流體膜產(chǎn)生的壓力來(lái)平衡外載荷。生的粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開(kāi)，由流體膜產(chǎn)生的壓力來(lái)平衡外載荷。 英國(guó)的雷諾于英國(guó)的雷諾于1886年繼前人觀察到的流體動(dòng)壓現(xiàn)象，總結(jié)出流體動(dòng)壓潤(rùn)滑年繼前人觀察到的流體動(dòng)壓現(xiàn)象，總結(jié)出流體動(dòng)壓潤(rùn)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(dòng)壓潤(rùn)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(dòng)壓潤(rùn)滑的理論開(kāi)始有所突破。論開(kāi)始有所突破。一、流體動(dòng)力潤(rùn)滑一、流體動(dòng)力潤(rùn)滑 4-2 流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介二、彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑二、彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑 彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論是研究在點(diǎn)、線接觸條件下，兩彈性物體間的流體彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論是研究在點(diǎn)、線接觸條件下，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下，摩擦表面的變形動(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下，摩擦表面的變形的彈性方程、表述潤(rùn)滑劑粘度與壓力間關(guān)系的粘壓方程與流體動(dòng)力潤(rùn)滑的主的彈性方程、表述潤(rùn)滑劑粘度與壓力間關(guān)系的粘壓方程與流體動(dòng)力潤(rùn)滑的主要方程結(jié)合起來(lái)，以求解油膜壓力分布、潤(rùn)滑膜厚度分布等問(wèn)題。要方程結(jié)合起來(lái)，以求解油膜壓力分布、潤(rùn)滑膜厚