第四章磨擦、磨損及潤滑

1、第四章第四章 摩擦、磨損及潤滑摩擦、磨損及潤滑 摩擦學摩擦學（Tribology）41 摩摩 擦擦 靜摩擦靜摩擦外摩擦外摩擦摩摩擦擦動摩擦動摩擦內摩擦內摩擦滾動摩擦滾動摩擦滑動摩擦滑動摩擦摩擦磨損潤滑和密封失效是現代機械系統的主要失效原因。摩擦磨損潤滑和密封失效是現代機械系統的主要失效原因。存在于兩物體表面之間存在于兩物體表面之間流體內部產生的粘剪力流體內部產生的粘剪力干摩擦干摩擦最不利最不利（無潤滑狀態(tài)）無潤滑狀態(tài)） 邊界摩擦邊界摩擦最低要求最低要求（邊界潤滑狀態(tài)）邊界潤滑狀態(tài)）流體摩擦（流體摩擦（流體潤滑狀態(tài)）流體潤滑狀態(tài)）混合摩擦混合摩擦（混合潤滑狀態(tài)）混合潤滑狀態(tài)）塑性變形邊界膜彈性變

2、形液體塑 性 變 形邊 界 膜彈 性 變 形液 體塑性變形邊界膜彈性變形液體塑性變形邊界膜彈性變形液體金屬摩擦副的滑動摩擦：金屬摩擦副的滑動摩擦：一、干摩擦一、干摩擦 古典摩擦理論的摩擦力計算公式：古典摩擦理論的摩擦力計算公式： 庫侖公式 nfFfF新理論：分子機械理論、能量理論、粘著理論 不加潤滑劑時，相對運動的零件表面直接接觸，這樣產不加潤滑劑時，相對運動的零件表面直接接觸，這樣產生的摩擦稱為干摩擦生的摩擦稱為干摩擦 (如真空中如真空中)。0.300.35一、干摩擦一、干摩擦 簡單粘著理論： BsynBrfFAFsyBnfFFfbaFnAri二、邊界摩擦（邊界潤滑）二、邊界摩擦（邊界潤滑）

3、 兩表面加入潤滑油后，在金屬表兩表面加入潤滑油后，在金屬表面會形成一層邊界膜，它可能是物理面會形成一層邊界膜，它可能是物理吸附膜，也可能是化學反應膜。吸附膜，也可能是化學反應膜。 不滿足流體動壓形成條件，或雖有不滿足流體動壓形成條件，或雖有動壓力，但壓力較低，油膜較薄時，動壓力，但壓力較低，油膜較薄時，在載荷的作用下，邊界膜互相接觸，在載荷的作用下，邊界膜互相接觸，橫向剪切力比較弱，這種摩擦狀態(tài)稱橫向剪切力比較弱，這種摩擦狀態(tài)稱為邊界摩擦。為邊界摩擦。邊界膜：比較牢固地吸附在金屬表面的分子膜。邊界膜：比較牢固地吸附在金屬表面的分子膜。塑性變形邊界膜彈性變形液體0.010.1( a )( b )

4、物理吸附膜如圖物理吸附膜如圖 常溫、輕載、低速常溫、輕載、低速 化學吸附膜化學吸附膜 中等載荷、速度和溫度中等載荷、速度和溫度 化學反應膜化學反應膜 重載、高速和高溫重載、高速和高溫 膜厚比膜厚比 2/12221lim)/(qqRRh越大，油膜承載比例大，越大，油膜承載比例大，f 越小越小 判斷摩擦狀態(tài)：判斷摩擦狀態(tài)：邊界摩擦邊界摩擦 邊界膜強度邊界膜強度:合理選擇潤滑副材料和潤合理選擇潤滑副材料和潤滑劑滑劑,降低表面粗糙度值降低表面粗糙度值,潤滑劑中加潤滑劑中加油性和極壓添加劑油性和極壓添加劑三、流體摩擦（潤滑）三、流體摩擦（潤滑） 膜厚比膜厚比 3 全液體摩擦全液體摩擦 當兩摩擦表面被流體

5、（液體或氣體）完全隔開時，當兩摩擦表面被流體（液體或氣體）完全隔開時，摩擦表面不會產生金屬間的直接摩擦，流體分子摩擦表面不會產生金屬間的直接摩擦，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。塑性變形邊界膜彈性變形液體0.0010.008n當動壓潤滑條件不具備，且邊界膜遭破壞當動壓潤滑條件不具備，且邊界膜遭破壞時，就會出現流體摩擦、邊界摩擦和干摩時，就會出現流體摩擦、邊界摩擦和干摩擦同時存在的現象，這種摩擦狀態(tài)稱為混擦同時存在的現象，這種摩擦狀態(tài)稱為混合摩擦。合摩擦。n非（完全）液體摩擦非（完全）液體摩擦n膜厚比四、混合摩擦（潤滑）四、

6、混合摩擦（潤滑） 塑性變形邊界膜彈性變形液體 342 磨磨 損損一、典型的磨損過程（三階段）一、典型的磨損過程（三階段） 磨 合 磨損 階 段穩(wěn) 定 磨 損 階 段劇 烈 磨 損 階 段IIIIIIqt時 間t磨損量qO1、磨合磨損過程、磨合磨損過程 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 在一定載荷作用下形成一個穩(wěn)定的表面粗糙度，且在以后過程中，此粗糙度不會繼續(xù)改變，所占時間比率較小經磨合的摩擦表面加工硬化，形成了穩(wěn)定的表面粗糙度，摩擦條件保持相對穩(wěn)定，磨損較緩,該段時間長短反映零件的壽命經穩(wěn)定磨損后，零件表面破壞，運動副間隙增大動載、振動潤滑狀態(tài)改變溫升磨損速度急劇

7、上升直至零件失效 二、磨損分類：根據磨損機理可分為二、磨損分類：根據磨損機理可分為1）粘著磨損：）粘著磨損：2）磨粒磨損）磨粒磨損/磨削磨削形成：邊界摩擦，載荷大，速度高，邊界膜破壞，形成：邊界摩擦，載荷大，速度高，邊界膜破壞，表面尖峰接觸。表面尖峰接觸?，F象：形成材料轉移?，F象：形成材料轉移。影響因素：材料硬度，表面粗糙度，載荷、速度、影響因素：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：表面微峰或外界硬質顆粒進入摩擦面。形成：表面微峰或外界硬質顆粒進入摩擦面。現象：表面劃傷或犁溝現象?，F象：表面劃傷或犁溝現象。影響因素：環(huán)境，表面硬度、粗糙度。影響因素：

8、環(huán)境，表面硬度、粗糙度。3）疲勞磨損（也稱疲勞點蝕）疲勞磨損（也稱疲勞點蝕）4）流體磨粒、沖蝕磨損）流體磨粒、沖蝕磨損形成：接觸應力反復作用。軸承、齒輪。形成：接觸應力反復作用。軸承、齒輪?，F象：表層金屬剝落，形成點蝕凹坑。現象：表層金屬剝落，形成點蝕凹坑。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：一定速度的硬質微粒反復作用，表面受法形成：一定速度的硬質微粒反復作用，表面受法向力及切向力。燃氣渦輪機葉片、水輪機葉片。向力及切向力。燃氣渦輪機葉片、水輪機葉片?，F象：表面疲勞，材料損失?，F象：表面疲勞，材料損失。影響因素：材料硬度影響因素：材料硬度5）腐

9、蝕磨損）腐蝕磨損-電化學作用電化學作用形成：空氣中的酸、潤滑油中的無機酸產生化學作用形成：空氣中的酸、潤滑油中的無機酸產生化學作用或電化學作用。或電化學作用?，F象：表面腐蝕并磨損。現象：表面腐蝕并磨損。影響因素：環(huán)境、潤滑油的腐蝕性。影響因素：環(huán)境、潤滑油的腐蝕性。6）微動磨損）微動磨損形成：小振幅、大頻率、點或線接觸。形成：小振幅、大頻率、點或線接觸?，F象：磨損面積小?，F象：磨損面積小。影響因素：載荷。影響因素：載荷。2、潤滑脂、潤滑脂 鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂、鋰基潤滑脂 3、固體潤滑劑、固體潤滑劑 石墨、二硫化鉬、氮化硼 、蠟、 聚氟乙烯、 酚醛樹脂 43 潤滑劑、添加劑和潤滑方法潤滑劑、

10、添加劑和潤滑方法 1、潤滑油、潤滑油 有機油、礦物油、合成油 潤滑劑：氣體、液體、半固體和固體潤滑劑：氣體、液體、半固體和固體一、潤滑油的粘度一、潤滑油的粘度潤滑油的粘度潤滑油的粘度反映了潤滑油反映了潤滑油在外力作用下在外力作用下抵抗剪切變形抵抗剪切變形的能力，也是的能力，也是內摩擦力大小內摩擦力大小的標志的標志。FA式中 A-流體剪切面積 流體剪切應力Oyxu=vBu=0Au1m1m1mF=1Nv=1m/s 剪切應力剪切應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律上式稱為牛頓流體粘性定律,凡

11、符合此定凡符合此定律的流體稱為牛頓流體律的流體稱為牛頓流體,否則稱為非牛否則稱為非牛頓流體頓流體。 除此以外，還有運動粘度和條件粘度除此以外，還有運動粘度和條件粘度（恩氏粘度）（恩氏粘度）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生體層相對底面流體層產生1m/s的運動速度，所需要的外的運動速度，所需要的外力力F為為1N時，則流體的粘度時，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。有時也用表示。有時也用“（dyn s/cm2）泊）泊P”、“厘泊厘泊cP”表示。表示。換算關系

12、：換算關系：1Pa S=10P=1000cP2）運動粘度）運動粘度 流體的動力粘度與同溫度下的密流體的動力粘度與同溫度下的密度度的比值的比值,稱為運動粘度稱為運動粘度: 單位是單位是cm/s,叫做叫做“斯斯”,常用常用St表表示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,在在給定的溫度給定的溫度t下流經一定直徑和長度的毛細管所需的時間下流經一定直徑和長度的毛細管所需的時間,與同體積的蒸餾水在與同體積的蒸餾水在20時流經同樣的毛細管所需時間時流經同樣的毛細管所需時間的比值來衡量流體的粘性。（恩氏粘度用的比值來衡量流體的粘性。（恩氏粘度用 表示）

13、表示）oEt3) 條件粘度條件粘度oEt換算關系：換算關系：1m2/s=104St=106cSt 礦物油礦物油=850900kg/m31 1、粘溫特性、粘溫特性二、潤滑油的特性二、潤滑油的特性 潤滑油的粘度隨溫度的潤滑油的粘度隨溫度的變化存在指數關系變化存在指數關系:00/mttt2、潤滑油的粘壓特性、潤滑油的粘壓特性 粘度和壓力的關系粘度和壓力的關系近似表示為近似表示為: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、閃點瞬時燃燒和碳化的溫度；瞬時燃燒和碳化的溫度； 燃點燃點長時間連續(xù)燃燒的溫度（高

14、溫性能）；長時間連續(xù)燃燒的溫度（高溫性能）；5、凝點、凝點冷卻，由液體轉變?yōu)椴荒芰鲃拥呐R界溫度；冷卻，由液體轉變?yōu)椴荒芰鲃拥呐R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后對表面的腐蝕限制潤滑劑變質后對表面的腐蝕3、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、閃點瞬時燃燒和碳化的溫度；瞬時燃燒和碳化的溫度； 燃點燃點長時間連續(xù)燃燒的溫度（高溫性能

15、）；長時間連續(xù)燃燒的溫度（高溫性能）；5、凝點、凝點冷卻，由液體轉變?yōu)椴荒芰鲃拥呐R界溫度；冷卻，由液體轉變?yōu)椴荒芰鲃拥呐R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后對表面的腐蝕限制潤滑劑變質后對表面的腐蝕潤滑油的選用:n我國將柴油機潤滑油按質量標準分為五個等級。（CA、CB、CC、CD、CE）其中農用運輸車常用CC級潤滑油，它又分為5W/30、5W/40、10W/30、l0W/40、10W/40、20W/40、30、40等8種粘

16、度型號。數值越大，潤滑油的粘度越大。應根據不同的季節(jié)、地區(qū)和柴油機的技術狀態(tài)，選用不同牌號的潤滑油。在保證可靠潤滑的前提下，為使發(fā)動機有效地發(fā)揮其效率，盡量選用低牌號的潤滑油。夏季可選用40CC級柴油機潤滑油，冬季可選用30CC級柴油機潤滑油。對于新出廠的柴油機，由于各運動件配合間隙較小，選用的潤滑油粘度可適當低一些。 三、潤滑脂及其主要性能三、潤滑脂及其主要性能1）針入度）針入度軟硬程度軟硬程度 H(mm)/0.1阻力大小、流動性強弱阻力大小、流動性強弱標準錐體，標準錐體，150g，25 ，5sh組成：組成： 基礎油基礎油+稠化劑稠化劑+添加劑添加劑+澎潤土澎潤土潤滑脂的性能指標：潤滑脂的性

17、能指標：針入度、滴點、析油量、針入度、滴點、析油量、 機械雜質、灰分、水分機械雜質、灰分、水分2）滴點）滴點-固體固體流體的溫度轉折點，表示耐熱性流體的溫度轉折點，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：高溫，但不抗水；鈉基脂：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，航運機械鋁基脂：高度耐水性，航運機械 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、添加劑、 稠化劑等）稠化劑等）鈣基潤滑脂n由機油、動植物油和石灰制

18、成的稠密的油膏，呈黃色。它具有良好的耐水性，適用于與水分或潮氣接觸的機件的潤滑。由于它用水做穩(wěn)定劑，當使用溫度超過規(guī)定值時就會失水，使?jié)櫥慕Y果結構破壞，所以它不耐高溫，通常不超過70。鈣基潤滑脂根據其針入度的大小又分為五個牌號，其代號分別為ZG-1、ZG-2、ZG-3、ZG-4和ZG-5。號越大，針入度越小，脂越硬。1號適用于溫度較低的工作條件；2號適用于輕負荷且溫度不超過55的滾珠軸承；3號適用于中負荷、中轉速且溫度60以下的機械摩擦部分；4號、5號適用于溫度在70以下的重負荷低速機械的潤滑。中小功率柴油機的冷卻水泵軸承的潤滑，加以注4號鈣基潤滑脂為最合適。鈉基潤滑脂:n由機油和肥皂混合

19、而成，顏色由黃到暗褐，甚至黑色。其特點之一是耐高溫，被廣泛應用在高溫下工作的機器上。它的另一特點是親水性強，遇水后被溶解即失效，因此不能用于接觸水的部位。鈉基潤滑脂按針入度分為ZN-2、ZN-3、ZN-4三個牌號。2號和3號適用于溫度不高于115的摩擦部分，但不能用于與水接觸的部位；4號適用于溫度不高于135的摩擦部分，也不能用于有水或潮濕的部位。發(fā)電機軸承和離合器軸承必須使用鈉基潤滑脂。鈣鈉基潤滑脂。n為混合皂基潤滑脂、分為ZGN-1和ZGN-2兩個牌號。其耐水性比鈉基潤滑脂強，耐高溫性強于鈣基潤滑脂。適用于高溫下工作的軸承的潤滑，其上限工作溫度為100 。鋰基潤滑脂:nZL-1、ZL-2、

20、ZL-3、ZL-4。多用途的潤滑脂，-20至145度范圍內的各種機械設備的滾動和滑動摩擦部位的潤滑。API質量等級分類，n汽油機油分為SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG n 柴油機油分為：CA、CB、CD、CE、CF n加W的是冬季油，不加的是夏季油例如:n5W/30是冬夏通用油 5牌號（運動粘度 ） 5W/30 意思代表既能滿足冬季用5號油，又能滿足夏季30號油的場合的多級油nL-AN46 L-潤滑劑 AN-全損耗系統用油，精制的礦物油類 n類（L） 品種（AN）數字（46)注:n內燃機油和齒輪油是按100攝氏度運動粘度劃分的，其它潤滑油是按40攝氏度的劃分的四、固體潤滑劑四、固體潤滑

21、劑用途：真空、輻射、重載等惡劣環(huán)境；用途：真空、輻射、重載等惡劣環(huán)境；種類：種類：MoS2，PTFE，石墨，氟化石墨，石墨，氟化石墨， WS2、 納米材料納米材料應用方法：涂鍍，沉積，粘貼，嵌入，添加劑應用方法：涂鍍，沉積，粘貼，嵌入，添加劑五、添加劑五、添加劑 作用越來越大，在潤滑脂、合成油中不加添加劑，作用越來越大，在潤滑脂、合成油中不加添加劑，則潤滑很差或沒有潤滑作用則潤滑很差或沒有潤滑作用 種類繁多：種類繁多：）油性添加劑，極性分子結構；）油性添加劑，極性分子結構；）抗磨極壓（）抗磨極壓（EPEP）添加劑）添加劑）抗氧化腐蝕添加劑；）抗氧化腐蝕添加劑；）潔凈分散劑，汽車發(fā)動機）潔凈分散劑，汽車發(fā)動機）防銹劑）防銹劑）降凝劑）降凝劑）增粘劑）增粘劑）消泡劑