第三章摩擦、磨損與潤滑

1、第三章 摩擦、 磨損與潤滑 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)教研室 張祖立基本要求1、摩擦、磨損和潤滑的概念、種類及性質(zhì)2、邊界潤滑的特點(diǎn)和潤滑機(jī)理3、流體動(dòng)壓潤滑的潤滑機(jī)理，形成流體動(dòng)壓潤滑的條件4、摩擦特性曲線的意義，流體潤滑、混合潤滑和邊界潤滑的特點(diǎn)及用膜厚比判定摩擦狀態(tài)5、磨損的過程，磨損的種類及減輕摩擦磨損的途徑和措施引 言 摩擦現(xiàn)象是自然界中普遍存在的物理現(xiàn)象。對于機(jī)器來講，摩擦?xí)剐式档停瑴囟壬?，表面磨損。過大的磨損會(huì)使機(jī)器喪失應(yīng)有的精度，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，縮短使用壽命。 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的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。 機(jī)

2、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。 潤滑是減小摩擦、減小磨損、提高機(jī)械效率的最常用最有效方法。 關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)。 本章主要介紹有關(guān)摩擦、磨損和潤滑的一些基礎(chǔ)知識。 零件的相對運(yùn)動(dòng)是在相互摩擦下進(jìn)行的。摩擦 有益的摩擦：摩擦傳動(dòng)、摩擦制動(dòng)和摩擦聯(lián)接等； 有害的摩擦：造成能量損耗、效率降低、溫度升高、表 面磨損。磨損 使機(jī)器的精度降低、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，縮短使用壽命。 磨損是消耗材料、降低機(jī)械壽命和使用性能的主要根源。潤滑 減少摩擦和磨損、降低功耗、提高效率的主要措施。 第一節(jié) 摩 擦一、摩擦的類型靜摩擦 滑動(dòng)摩擦 滾動(dòng)摩擦 按摩擦副運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 按摩擦狀態(tài) 干摩擦

3、 邊界摩擦（邊界潤滑） 流體摩擦（流體潤滑） 混合摩擦（混合潤滑） 液體動(dòng)力潤滑 液體靜力潤滑 動(dòng)摩擦 1干摩擦干摩擦 兩摩擦表面直接接觸，不加入任何潤滑劑的摩擦。干摩擦的特點(diǎn) 摩擦系數(shù)大，發(fā)熱多，磨損嚴(yán)重，零件壽命短等。要求高摩擦的摩擦副，可在干摩擦狀態(tài)下工作；要求低摩擦的摩擦副，應(yīng)力求避免干摩擦。 2邊界摩擦（邊界潤滑）邊界膜 潤滑劑在摩擦表面由吸附作用或化學(xué)反應(yīng)生成一層薄膜。邊界膜的種類 物理吸附膜、化學(xué)吸附膜、化學(xué)反應(yīng)膜。邊界膜的厚度 一般在0.1m以下邊界膜的性質(zhì) 取決于摩擦表面的性質(zhì)和邊界膜的結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)性質(zhì)； 邊界膜的存在，避免了部分表面金屬的直接接觸，可大大減少摩擦磨損。邊

4、界摩擦的應(yīng)用 普通滑動(dòng)軸承、氣缸與活塞環(huán)、凸輪與導(dǎo)桿、機(jī)床導(dǎo)軌等處。要求低摩擦的摩擦副，維持邊界摩擦是其最低要求。 3流體摩擦（流體潤滑）兩相對滑動(dòng)表面被一流體層完全隔開，表面微觀凸峰不直接接觸，摩擦的性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間黏性阻力，由流體的壓力傳遞兩個(gè)表面間的相互作用力。流體摩擦的特點(diǎn) 摩擦系數(shù)很小，沒有磨損，使用壽命 長。流體動(dòng)力潤滑 靠摩擦表面間的相對運(yùn)動(dòng)把流體帶到 摩擦表面間建立壓力膜。 流體靜力潤滑 由外界將具有壓力的流體送入摩擦表面之間建立壓力膜。要求低摩擦的，流體摩擦是比較理想的摩擦狀態(tài)。 4混合摩擦（混合潤滑）當(dāng)摩擦表面間有潤滑油，但不能保證流體摩擦?xí)r， 有部分接觸是邊界摩擦

5、，其余部分是流體摩擦。摩擦特性曲線 當(dāng)hn/pm超過一定值時(shí)，為流體動(dòng)壓油膜，最小油膜厚度h大于金屬表面粗糙度Rz1與Rz2之和；當(dāng)hn/pm值降低到一定程度時(shí)，處于邊界摩擦或混合摩擦狀態(tài)；當(dāng)hn/pm值很低時(shí)，h0，表面凸峰的相互接觸進(jìn)一步加劇，m 急劇增加，趨于無潤滑摩擦狀態(tài)。膜厚比l 摩擦(潤滑)狀態(tài)可用膜厚比l來大致估計(jì) 式中：hmin兩表面間的最小公稱油膜厚度 Rq1、Rq2兩表面間的輪廓均方根偏差 Rq = (1.21.25) Ra Ra輪廓表面算術(shù)平均偏差 l 1邊界摩擦狀態(tài) 3流體摩擦狀態(tài) 二、固體表面接觸時(shí)的摩擦機(jī)理解釋摩擦本質(zhì)的理論 機(jī)械嚙合理論 粘著理論 分子機(jī)械理論 機(jī)

6、械嚙合理論 兩個(gè)表面接觸時(shí)，微觀凸峰相互嚙合，相對運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生 的摩擦力就是嚙合點(diǎn)切向阻力的總和，表面粗糙度越大，摩擦力就越大。這一理論可以解釋較粗糙加工表面的摩擦現(xiàn)象不能解釋高精加工的表面，粗糙度值越小，接觸面積越大，摩擦力也越大。2. 粘著理論 兩物體之間的摩擦是由兩種因素構(gòu)成的： 摩擦面實(shí)際接觸區(qū)的粘著作用和表面不平度凸峰的犁溝作用。 (1)粘著作用 表觀接觸面積 A=ab 真實(shí)接觸面積 Ar = SAri Ar只有A的1%或更少載荷作用下，微面積上的應(yīng)力達(dá)到或超過材料的屈服極限，引起塑性流動(dòng)；接觸點(diǎn)粘結(jié)形成冷焊結(jié)點(diǎn)，相對滑動(dòng)時(shí)，冷焊結(jié)點(diǎn)被切開。冷焊結(jié)點(diǎn)的粘結(jié)力摩擦力 （2）犁溝作用較硬

7、表面的微觀凸峰在較軟表面上犁出“犁溝”。此力很小，忽略不計(jì)。摩擦力 Fm ArtB 真實(shí)接觸面積 理想的塑性材料：載荷增大，真實(shí)接觸面積隨之增大，但應(yīng)力為材料的壓縮屈服極限sSC，故摩擦系數(shù)m粘著理論可以解釋許多摩擦現(xiàn)象，如基體材料和潤滑條件一定時(shí)，摩擦系數(shù)是常數(shù)、摩擦力的大小與表觀接觸面積無關(guān)等。 3. 分子機(jī)械理論 摩擦過程中既有表面微觀凸峰間的機(jī)械嚙合和壓力變形產(chǎn)生的阻力，又有表面分子間相互吸引產(chǎn)生的切向阻力。 總摩擦力 是所有力之和摩擦系數(shù)式中：a與表面分子有關(guān)的參數(shù) b與表面機(jī)械特性有關(guān)的參數(shù)分子機(jī)械理論考慮的因素多，比較符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果機(jī)械分子理論通常用來解決真實(shí)接觸面積較大的摩擦問題

8、 第二節(jié)磨 損磨損 是兩接觸表面由于摩擦的機(jī)械作用使表面物質(zhì)逐漸損耗的過程。磨損的危害 配合間隙增大，機(jī)械精度和可靠度降低，產(chǎn)生沖擊載荷統(tǒng)計(jì)資料表明，一般機(jī)械中有8090%的零件因磨損而報(bào)廢。磨損量 以體積、厚度、質(zhì)量為單位來度量磨損的材料損耗。磨損率 單位時(shí)間的磨損量 耐磨性 磨損率的倒數(shù) 一、典型的磨損過程跑合（初期）磨損階段穩(wěn)定磨損階段 劇烈磨損階段 二、磨損的基本類型1粘著磨損由于粘著作用，使摩擦表面的材料由一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面所引起的磨損。載荷愈大、溫度愈高、材料愈軟，粘著現(xiàn)象也就愈嚴(yán)重。粘著磨損是機(jī)械中最為常見的一種磨損。粘著磨損按破壞程度不同分為： （1）輕微磨損 剪切破壞發(fā)

9、生在界面上，表面材料的轉(zhuǎn)移極為輕微； （2）涂抹 剪切發(fā)生在軟金屬淺層，并轉(zhuǎn)移到硬金屬表面； （3）劃傷 剪切發(fā)生在軟金屬表層，硬金屬表面可能被劃傷； （4）撕脫 剪切發(fā)生在摩擦副一方或雙方基體金屬較深層； （5）咬死 嚴(yán)重粘著，摩擦表面彼此咬住，相對運(yùn)動(dòng)停止。 通常將后幾種較嚴(yán)重的粘著磨損稱為膠合 減輕粘著磨損的措施： （1）合理選擇摩擦副材料 同種類金屬比異種金屬粘著傾向大，單相金屬比多相金屬粘著力大；脆性金屬比塑性材料抗粘著能力強(qiáng)。 （2）采用表面處理如電鍍、滲碳、滲氮、表面淬火、噴鍍等，或涂一層耐磨材料。 （3）采用含有油性和極壓添加劑的潤滑劑 （4）限制摩擦表面的溫度 采用合適的散熱

10、措施，防止油膜破裂及金屬產(chǎn)生熔焊。 （5）控制壓強(qiáng) 當(dāng)壓強(qiáng)超過材料硬度1/3以上時(shí)，易產(chǎn)生粘著。 （6）正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 使壓力均布，有利于壓力油膜的形成和防止外界雜物進(jìn)入摩擦面間。 2磨粒磨損硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔系挠操|(zhì)突出物，對較軟表面進(jìn)行“磨削或刮擦”引起摩擦表面材料脫落的現(xiàn)象。磨粒磨損與摩擦材料的硬度和磨粒的硬度有關(guān)。磨粒硬度對磨損的影響 保證摩擦表面有一定壽命的要求 Hm 1.3 Ha 減輕磨粒磨損的措施：1）合理選擇摩擦副材料2）降低表面粗糙度3）改進(jìn)密封裝置4）注意潤滑油的清潔5）防止沙塵等外來顆粒 3接觸疲勞磨損 （疲勞點(diǎn)蝕）接觸應(yīng)力作用的摩擦副，表面材料體積在重復(fù)變形時(shí)，因疲勞

11、而剝落特征： 表面上出現(xiàn)麻坑點(diǎn)蝕是滾動(dòng)軸承、齒輪等點(diǎn)、線接觸零件的主要失效形式之一。減輕接觸疲勞磨損的措施： （1）合理選擇摩擦副材料 （2）合理選擇表面粗糙度 表面粗糙度值愈小，疲勞壽命愈高。 （3）合理選擇潤滑油黏度 黏度低的潤滑油易于滲入裂紋，加速裂紋擴(kuò)展；黏度高的潤滑油有利于接觸應(yīng)力均勻分布，提高抗點(diǎn)蝕能力。 （4）合理選擇表面硬度 硬度越高，產(chǎn)生疲勞裂紋的危險(xiǎn)性越小。 4腐蝕磨損在磨損過程中與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)造成材料轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。實(shí)踐中，磨損常常是許多現(xiàn)象的綜合，磨損類型可能隨著工作（如相對滑動(dòng)速度和工作載荷）而發(fā)生變化第三節(jié) 潤滑劑凡是能降低摩擦阻力的介質(zhì)，都可作為潤滑劑

12、。常用的潤滑劑有液體，氣體、半固體和固體。固體和氣體潤滑劑多應(yīng)用在高溫、高速及要求防止污染等特殊場合。對于橡膠、塑料制成的零件易用水進(jìn)行潤滑。絕大多數(shù)場合采用潤滑油或潤滑脂潤滑。一、潤滑油 1黏度黏度是指潤滑油抵抗變形的能力，它表征流體內(nèi)摩擦阻力的大小。 牛頓粘滯定律 在層流狀態(tài)下，兩層流體間剪切應(yīng)力的大小和垂直于流動(dòng)方向的速度梯度成正比式中：t 流體單位面積上的剪切應(yīng)力； 流體沿垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的速度梯度，“-”表示u隨y的增大 而減小； h表征流體黏性的比例常數(shù)，稱為流體的動(dòng)力黏度。 黏度常用的表示方法： （1）動(dòng)力黏度h 國際單位 1Ns/m2 或 1Pas 物理單位 P（Poise）（

13、泊） P=1dyns/cm2 P的百分之一稱為cP（厘泊） 1P=100cP=0.1Pas （2）運(yùn)動(dòng)黏度n某一溫度下，潤滑油的動(dòng)力黏度與其密度的比值稱為運(yùn)動(dòng)黏度運(yùn)動(dòng)黏度n 的表達(dá)式為 m2/s式中：h動(dòng)力黏度，as r潤滑油密度，kg/m3 礦物油 r =850900kg/m3工程上常用的運(yùn)動(dòng)黏度單位是St(斯)和cSt（厘斯） St=100cSt=1cm2/s潤滑油的牌號 該油在40時(shí)，運(yùn)動(dòng)黏度以cSt（mm2/s）為單位的平均值. 如L-A46號機(jī)械油在40時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為41.4 cSt50.6cSt 。影響潤滑油黏度的因素：（1）溫度 溫度對潤滑油黏度的影響很大，溫度升高時(shí)黏度降低。

14、（2）壓力壓力升高時(shí)潤滑油的黏度會(huì)加大。 當(dāng)壓力在5MPa以下時(shí)，黏度隨壓力變化很小，忽略不計(jì)； 壓力在100MPa以上時(shí)，黏度隨壓力變化很大。齒輪傳動(dòng)嚙合處的局部壓力可達(dá)4 000MPa，因此，分析滾動(dòng)軸承、齒輪等高副接觸零件的潤滑狀態(tài)時(shí)，不能忽視高壓下潤滑油黏度的變化。 2油性潤滑油在金屬表面上的吸附能力油中的極性物質(zhì)吸附于金屬表面，形成一層定向排列的極性分子吸附層邊界膜邊界膜對金屬的吸附力大、不易破裂，則摩擦系數(shù)小，潤滑效果好，表明潤滑油的油性好。 3閃點(diǎn)潤滑油在標(biāo)準(zhǔn)儀器內(nèi)加熱蒸發(fā)的油汽，遇到火焰發(fā)出閃光的最低溫度閃點(diǎn)是衡量潤滑油易燃性的尺度。高溫下工作的機(jī)器，其工作溫度應(yīng)比潤滑油的閃點(diǎn)

15、低3040 4凝點(diǎn)在規(guī)定的條件下，潤滑油不能自由流動(dòng)時(shí)所達(dá)到的最高溫度凝點(diǎn)是衡量潤滑油在低溫下工作的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響機(jī)器在低溫下的起動(dòng)性能和磨損情況 二、潤滑脂潤滑脂 以潤滑油作為基礎(chǔ)油，加入稠化劑制成的膏狀物質(zhì)。常用的稠化劑 為金屬皂，如鈣基皂、鈉基皂、鋰基皂等。鈣基潤滑脂 抗水性良好，但耐熱能力差，工作溫度不易超過5565。鈉基潤滑脂 耐熱性較高，工作溫度可達(dá)120，但抗水性能差。鋰基潤滑脂 抗水性良好，耐高溫，100下可長期工作，并機(jī)械安定性較好，多用途。鋁基潤滑脂 抗水性良好，吸附能力較高，防銹，70時(shí)開始軟化，只能用到50左右的溫度。潤滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)：（1）錐入度（或稠度）

16、表征潤滑脂稠度的一個(gè)指標(biāo)測定錐入度方法：在25下，重量為1.5N的標(biāo)準(zhǔn)錐體，從潤滑脂表面自由沉下經(jīng)過5s后刺入的深度（以0.1mm計(jì)）為錐入度。潤滑脂的牌號為該潤滑脂錐入度的等級。（2）滴點(diǎn)表示潤滑脂受熱后開始滴落的溫度。潤滑脂的工作溫度至少應(yīng)低于滴點(diǎn)20。 三、添加劑 普通潤滑劑在十分惡劣的工作條件下（如高溫、低溫、重載、真空等）會(huì)很快劣化變質(zhì)，失去潤滑能力。為了提高油的品質(zhì)和使用性能，常在普通潤滑油和潤滑脂中加入少量物質(zhì)，使?jié)櫥偷男阅馨l(fā)生根本變化，這類物質(zhì)稱為添加劑添加劑的類型：抗氧化添加劑 如二烷基苯基、二硫代磷酸等。 可抑制潤滑油氧化變質(zhì)。極壓添加劑 如二烷苯化硫、二鋅二硫化磷酸鋅等

17、。 可以在金屬表面上形成一層保護(hù)膜，以減輕磨損。降凝添加劑 如烷基萘等。 可降低油凝點(diǎn)。油性添加劑（硬脂酸鋁、磷酸三乙酸等） 可提高油性。使用添加劑是現(xiàn)代改善潤滑性能的重要手段。 四、潤滑劑的選用原則 1類型選擇一般情況選用潤滑油，橡膠、塑料制成的零件宜用水潤滑。潤滑脂常用于不易用油潤滑或重載低速場合。氣體潤滑劑多用于高速輕載場合。固體潤滑劑一般用于不易使用潤滑油或潤滑脂的特殊條件下，如高溫、高壓、極低溫、真空、強(qiáng)輻射，不允許污染及無法給油等場合，或作為潤滑油、潤滑脂的添加劑等。 2工作條件工作載荷大時(shí)，應(yīng)選用黏度大且油性和極壓性好的潤滑油。承受重載、間斷或沖擊載荷時(shí)要加入油性劑或極壓潤滑劑。

18、低速時(shí)，宜選用黏度大的潤滑油或錐入度小的潤滑脂；高速時(shí)，宜選用黏度小的潤滑油或錐入度大的潤滑脂；低溫下工作時(shí)，選用黏度小、凝點(diǎn)低的潤滑油；高溫下工作時(shí)，選用黏度大、閃點(diǎn)高及抗氧化性能好的潤滑油；極低溫下工作時(shí)，當(dāng)采用抗凝劑也不滿足要求時(shí)，應(yīng)選用固體潤滑劑。3結(jié)構(gòu)條件及環(huán)境特點(diǎn)垂直潤滑面、開式齒輪、鏈條等應(yīng)采用高黏度油或潤滑脂或固體潤滑劑以保持較好的附著性。多塵、潮濕環(huán)境條件下，宜采用抗水的鈣基、鋰基或鈉基潤滑脂。在酸堿化學(xué)介質(zhì)環(huán)境及真空、輻射條件下宜采用固體潤滑劑。第四節(jié) 流體摩擦潤滑一、流體動(dòng)力潤滑液體動(dòng)力潤滑的工作原理 A、B兩板間形成楔形間隙；B板以速度V移動(dòng)，把潤滑油從間隙的大端帶向小端；設(shè)液體是不可壓縮，板寬度無窮大，油不能沿z方向流動(dòng)；油在入口處流速呈凹形拋物線狀，在出口處流速呈凸形拋物線狀；從入口端到出口端必然有某個(gè)截面處壓力最大；承載區(qū)油膜壓力分布如圖所示，B板的速度越大，油的黏度越大，則油楔內(nèi)的壓力越高。 獲得流體動(dòng)力潤滑的基本條件：（1）兩板間沿運(yùn)動(dòng)方向的間隙必須成楔形。（2）必須有足夠的相對運(yùn)動(dòng)速度，其速度方向應(yīng)使?jié)櫥蛷男ㄐ未罂诹魅?，從小口流出。?）潤滑油應(yīng)