第2章 機(jī)械零部件的摩擦、磨損及潤滑

§2-1摩擦§2-2磨損§2-3潤滑劑、添加劑和潤滑方法§2-4流體潤滑原理簡介§2-0概述第2章機(jī)械零部件的摩擦、磨損與潤滑

摩擦

是相對運(yùn)動(dòng)的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；

磨損

是由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；

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)(Tribology)。

摩擦學(xué)是研究相對運(yùn)動(dòng)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。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。世界上使用的能源大約有1/3~1/2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。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。2.0概述

摩擦能量損耗

磨損材料損耗22.1摩擦二、摩擦的分類內(nèi)摩擦：在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。外摩擦：在相對運(yùn)動(dòng)的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。靜摩擦：僅有相對運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí)的摩擦。動(dòng)摩擦：在相對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行中的摩擦?；瑒?dòng)摩擦：物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對滑動(dòng)。滾動(dòng)摩擦：物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對滾動(dòng)。

“機(jī)械說”產(chǎn)生摩擦的原因是表面微凸體的相互阻礙作用；“分子說”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“機(jī)械－分子說”兩種作用均有。2.1.1

摩擦的種類及其基本性質(zhì)3三、4種滑動(dòng)摩擦狀態(tài)可以用膜厚比λ來大致估計(jì)兩滑動(dòng)表面所處的摩擦（潤滑）狀態(tài)，2.1摩擦——兩滑動(dòng)粗糙表面的最小公稱油膜厚度，um——兩表面輪廓的均方根偏差（為算術(shù)平均偏差的1.20～1.25倍）umλ≤1時(shí)呈邊界摩擦（潤滑）狀態(tài)；λ＞3時(shí)呈流體摩擦（潤滑）狀態(tài)；1≤λ≤3時(shí)呈混摩擦（潤滑）狀態(tài)。42.1.2干摩擦

1785年，法國的庫侖用機(jī)械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論。

1935年，英國的鮑登等人開始用材料粘附概念研究干摩擦

1950年，鮑登提出了粘附理論。干摩擦是指表面間無任何潤滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦。兩金屬表面互相覆蓋的公稱接觸面積（或表觀接觸面積）為A0。表面輪廓峰相接觸所形成的接觸斑點(diǎn)的微面積的總和，為真實(shí)接觸面積Ar。金屬表面法向載荷作用下的接觸面積為真實(shí)接觸面積。由于真實(shí)接觸面積很小，因此輪廓峰接觸區(qū)壓力很大。5

簡單黏附理論模型如圖所示：在干摩擦條件下，可將較硬表面堅(jiān)硬的輪廓峰在較軟表面上犁出“犁溝”時(shí)所需克服的阻力忽略不計(jì)，則摩擦力—結(jié)點(diǎn)材料的剪切強(qiáng)度極限，MPa；—真實(shí)接觸面積，mm2—摩擦力，N對于理想的彈塑性材料真實(shí)接觸面積Aｒ?yàn)?

故得：

金屬的摩擦系數(shù)為：★τB、σsy是指相接觸兩種金屬中較軟者的剪切強(qiáng)度極限與壓縮屈服極限?！锎蠖鄶?shù)金屬的的τB/σsy值均較接近，所以摩擦系數(shù)相差甚小。6修正黏附理論認(rèn)為:在摩擦情況下，輪廓峰接觸區(qū)同時(shí)有壓應(yīng)力和切應(yīng)力存在。金屬材料的塑性變形同時(shí)取決于壓應(yīng)力和切應(yīng)力的復(fù)合作用，而不僅僅取決于金屬材料的壓縮屈服極限。故修正后的粘附理論為:★粘附理論與實(shí)際情況比較接近，可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)解釋摩擦現(xiàn)象。★在工程中,常用金屬材料副的摩擦系數(shù)是指:在常規(guī)壓力與速度條件下，通過實(shí)驗(yàn)測定的一個(gè)常數(shù)?！锷鲜鼋Y(jié)論不完全符合實(shí)際。為此，鮑登等人于1964年又提出了一種更切合實(shí)際的修正黏附理論。

72.1.3

邊界摩擦（邊界潤滑）邊界摩擦邊界膜物理吸附膜―潤滑油中的極性分子與金屬表面相互吸附而形成化學(xué)吸附膜―潤滑油中的分子靠分子鍵與金屬表面形成化學(xué)吸附化學(xué)反應(yīng)膜―潤滑油中的化學(xué)添加劑與金屬進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的膜邊界膜極薄，只有幾個(gè)分子厚邊界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開，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。8邊界理論形成機(jī)理92.1.4流體摩擦（流體潤滑）

流體膜厚度大到足以將兩表面的粗糙峰完全隔開，就形成了流體潤滑。因?yàn)槟Σ镣耆l(fā)生在流體內(nèi)部分子之間，金屬表面無磨損，這是理想的潤滑狀態(tài)。摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦。根據(jù)流體膜形成原理，流體潤滑可分為：流體靜壓潤滑―人為的在兩運(yùn)動(dòng)副表面間輸入具有一定壓力的潤滑油，強(qiáng)迫形成潤滑油膜。問題：流體潤滑狀態(tài)是否有邊界膜存在?流體動(dòng)壓潤滑―依靠幾何效應(yīng)、速度效應(yīng)、粘度效應(yīng)及供油量自動(dòng)形成油膜的潤滑。該潤滑不能在兩平行表間形成。10

工程實(shí)際中，多數(shù)摩擦處于邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。這兩種狀態(tài)能有效降低摩擦，減輕磨損，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使運(yùn)動(dòng)副能維持這兩種摩擦狀態(tài)。2.1.5混合摩擦（混合潤滑）

混合摩擦介于邊界摩擦和液體摩擦之間。兩運(yùn)動(dòng)副表面間存在比邊界潤滑狀態(tài)要厚的潤滑油膜，但該油膜又不足以完全將兩表面完全隔開，從而仍有某些粗糙峰接觸。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。11

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，形成了微－納米摩擦學(xué)理論，引發(fā)出許多新的概念，比如提出了超潤滑的概念等。從理論上講，超潤滑是實(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0.001量級（或更低）的摩擦狀態(tài)即可認(rèn)為屬于超潤滑。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)對此給予關(guān)注。12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，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。為此就必須對形成磨損的機(jī)理有所了解。一個(gè)零件的磨損過程大致可分為三個(gè)階段，即：磨合階段新的零件在開始使用時(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。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。對磨損的研究開展較晚，20世紀(jì)50年代提出粘著理論后，60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展。2.2磨損13磨合階段穩(wěn)定磨損階段劇烈磨損階段機(jī)械磨損大致可分三個(gè)階段，如下圖所示：14磨粒磨損也簡稱磨損，是外部進(jìn)入摩擦表面的游離硬顆?；蛴驳妮喞寮馑鸬哪p。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。微動(dòng)磨損

是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運(yùn)動(dòng)。粘附磨損也稱膠合，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“冷焊”后，在相對運(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。疲勞磨損也稱點(diǎn)蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，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)理與分類的見解頗不一致，大體上可概括為：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，在摩擦副相對運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。152.3.1潤滑劑作用：降低摩擦，減輕磨損，保護(hù)零件不遭銹蝕，而且在采用循環(huán)潤滑時(shí)還起到散熱降溫的作用。潤滑油膜還具有緩沖、吸振的能力。使用潤滑指，既可以防止內(nèi)部的潤滑劑外泄，又可阻止外部雜質(zhì)侵入，避免加劇零件的磨損，起到密封作用。2.3潤滑潤滑劑可分為氣體、液體、半固體和固體四種基本類型。1、潤滑油：動(dòng)植物油、礦物油、合成油。評價(jià)指標(biāo)：粘度、油性、極壓性、閃點(diǎn)、抗氧化性運(yùn)動(dòng)粘度粘度分類動(dòng)力粘度條件粘度1）粘度粘度的物理意義：

▲反映流體粘滯性大小

▲衡量流體抵抗剪切變形的能力

▲標(biāo)志著流體內(nèi)摩擦阻力的大小粘度是潤滑油的主要質(zhì)量指標(biāo)，粘度值越高，油越稠，反之越?。?6牛頓流體與動(dòng)力粘度XYohU△第一層油與上板同速流動(dòng)△最下層油與底板一樣靜止不動(dòng)△由于油的粘滯性，沿Y方向油層以不同速度u沿X方向移動(dòng)，于是潤滑油在油層厚度h內(nèi)形成層流動(dòng)。△沿Y方向的速度變化率（速度梯度）表示為：牛頓在1687年指出：層流流體各油層間的剪應(yīng)力與其速度梯度成正比。即：17hU―流體單位面積上的剪切阻力―比例常數(shù)，即流體的動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度又稱絕對粘度，主要用于流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算中。其單位為:牛頓內(nèi)摩擦定律:牛頓流體―符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體被稱為牛頓流體。

運(yùn)動(dòng)粘度―測得的動(dòng)力粘度與相同溫度下該流體的密度的比值，即：18條件粘度―測得的動(dòng)力粘度與相同溫度下該流體的密度的比值。用ηE表示。潤滑油的粘―溫效應(yīng)：粘度隨溫度升高而降低，隨溫度降低而升高。粘度隨溫度變化的程度用粘度指數(shù)衡量，粘度指數(shù)越高，粘度隨溫度的變化越小，說明粘―溫性能越好。潤滑油的粘―壓效應(yīng)：粘度隨壓力升高而提高。壓力越高粘―壓效應(yīng)越明顯。潤滑油的牌號與運(yùn)動(dòng)粘度有一定的對應(yīng)關(guān)系，如：牌號為L-AN10的油在40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度大約為10cSt。工程中常用運(yùn)動(dòng)粘度，單位是：St(斯)或cSt(厘斯)，量綱為(m2/s)；2）油性（潤滑性）―指潤滑油中的極性分子吸附于摩擦表面的性質(zhì)。油膜與金屬表面的吸附能力越強(qiáng)，潤滑性越好。193）極壓性―化學(xué)合成油中的極性分子生成抗磨損、耐高壓化學(xué)反應(yīng)邊界膜的性能。4）閃點(diǎn)―油在標(biāo)準(zhǔn)儀器中加熱所蒸發(fā)出的油汽，一遇火焰即能發(fā)出閃光時(shí)的最低溫度，稱為油的閃點(diǎn)5）凝點(diǎn)―在規(guī)定條件下，使液體不能再自由流動(dòng)的最高溫度6）氧化穩(wěn)定性2.潤滑脂：潤滑油+稠化劑3.固體潤滑劑：石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。

潤滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)是：錐入度，反映其稠度大小。滴點(diǎn)，決定工作溫度。20提高油性、極壓性延長使用壽命改善物理性能添加劑的作用油性添加劑極壓添加劑分散凈化劑消泡添加劑抗氧化添加劑降凝劑增粘劑添加劑的種類為了提高油的品質(zhì)和性能，常在潤滑油或潤滑脂中加入一些分量雖小但對潤滑劑性能改善其巨大作用的物質(zhì)，這些物質(zhì)叫添加劑。2.3.2

添加劑21潤滑油潤滑在工程中的應(yīng)用最普遍，常用的供油方式有：滴油潤滑、浸油潤滑、飛濺潤滑、噴油潤滑、油霧潤滑等用于低速用于高速

油脂潤滑常用于運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低的場合，將潤滑脂涂抹于需潤滑的零件上。潤滑脂還可以用于簡單的密封。2.3.3

潤滑方法浸油與飛濺潤滑噴油潤滑22手工潤滑滴油潤滑23油墊潤滑噴霧潤滑24油氣潤滑油浴潤滑潤滑方法25油環(huán)潤滑壓力供油潤滑261.間歇式供油裝置對于一些小型、低速或間歇運(yùn)動(dòng)的裝置，可采用間歇式潤滑，在需潤滑部位安裝油杯。一般采用油壺或油槍將潤滑油注入油杯。27用潤滑脂進(jìn)行潤滑時(shí)，只能采用間歇供應(yīng)潤滑脂的方式。常用旋蓋式油脂杯作為潤滑裝置。杯中裝滿潤滑脂后，旋動(dòng)上蓋即可將潤滑指擠入需要的潤滑的部位。282.連續(xù)供油裝置對于重要的裝置，必須采用連續(xù)供油的方法。常用供油置如針閥油杯和油芯油杯等。針閥油杯可調(diào)節(jié)滴油速度來改變供油量，并且停車時(shí)可板倒油杯上端的手柄以關(guān)閉什閥而停止供油。油芯油杯在停車時(shí)仍斷續(xù)供油，會引起無用的消耗。29流體動(dòng)力潤滑形成的必要條件：

楔形空間；相對運(yùn)動(dòng)（保證流體由大口進(jìn)入）；連續(xù)不斷地供油。

流體動(dòng)力潤滑是指兩個(gè)作相對運(yùn)動(dòng)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。英國的雷諾于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)壓潤滑理論。20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)壓潤滑的理論開始有所突破。2.4流體潤滑原理簡介一、流體動(dòng)力潤滑（動(dòng)畫）30二、彈性流體動(dòng)力潤滑彈性流體動(dòng)力潤滑理論是研究在點(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、表述潤滑劑粘度與壓力間關(guān)系的粘壓方程與流體動(dòng)力潤滑的主要方程結(jié)合起來，以求解油膜壓力分布、潤滑膜厚度分布等問題。（詳細(xì)說明）

流體靜力潤滑是指借助外部供入的壓力油形成的流體膜來承受外載荷的潤滑方式。三、流體靜力潤滑（詳細(xì)說明）采用流體靜力潤滑可在兩個(gè)靜止且平行的摩擦表面間形成流體膜，其承載能力不依賴于流體粘度，故能用粘度極低的潤滑劑，且既可使摩擦副有較高的承載能力，又可使摩擦力矩降低。31本章結(jié)束32粘附磨損當(dāng)摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點(diǎn)處發(fā)生“冷焊”后，在相對滑動(dòng)時(shí)，材料從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面,便形成了粘附磨損。這種被遷移的材料，有時(shí)也會再附著到原先的表面上去，出現(xiàn)遷移，或脫離所粘附的表面而成為游離顆粒。嚴(yán)重的粘附磨損會造成運(yùn)動(dòng)副咬死。這種磨損是金屬摩擦副之間最普遍的一種磨損形式。33磨粒磨損外部進(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）或硬的輪廓峰尖在軟材料表面上犁刨出很多溝紋時(shí)被移去的材料，一部分流動(dòng)到溝紋的兩旁，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叫磨粒磨損。34疲勞磨損

疲勞磨損是指由于摩擦表面材料微粒體積在重復(fù)變形時(shí)疲勞破壞而引起的機(jī)械磨損。例如當(dāng)滾動(dòng)或滾－滑運(yùn)動(dòng)的高副受到