第4章磨擦磨損及潤(rùn)滑

第4章摩擦磨損及潤(rùn)滑概述主要內(nèi)容：1.摩擦及其分類2．磨損及其分類3.潤(rùn)滑劑類型及常用的潤(rùn)滑方法4.流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本原理重點(diǎn)內(nèi)容：1.摩擦的類型及特點(diǎn)2.磨損 的類型及特點(diǎn)3.潤(rùn)滑劑的類型及使用方法§4-0概述摩擦學(xué)----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)用的一門邊緣學(xué)科?！Σ?-相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；▲磨損--由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；▲潤(rùn)滑--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)Tribology)。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損過度而報(bào)廢和更換的。減少摩擦節(jié)省能源；減少磨損降低設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用。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。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(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。外摩擦：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。靜摩擦：僅有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)的摩擦。動(dòng)摩擦：在相對(duì)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(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)?！皺C(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。§4-1摩擦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)的鮑登等人開始用材料粘附概念研究干摩擦，1950年，鮑登提出了粘附理論。三、４種滑動(dòng)摩擦狀態(tài)（詳細(xì)介紹）１.干摩擦是指表面間無任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦。２.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。（詳細(xì)介紹）

４．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)。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。３．流體摩擦是指摩擦表面被流體膜隔開，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(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)際研究中，一般認(rèn)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)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。

磨損—由于摩擦而導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。機(jī)器的壽命磨損曲線磨合階段

磨損量時(shí)間劇烈磨損階段

穩(wěn)定磨損階段

§4-2磨損磨損過程大致如圖所示：▲磨合階段----包括摩擦表面輪廓峰的形狀變化和表面材料被加工硬化兩個(gè)過程。▲穩(wěn)定磨損階段----零件在平穩(wěn)而緩慢的速度下磨損。它標(biāo)志著磨擦條件相對(duì)穩(wěn)定?！鴦×夷p階段----在經(jīng)過穩(wěn)定磨損階段后，零件表面遭到破壞，運(yùn)動(dòng)副間隙增大引起動(dòng)載荷和振動(dòng)。零件即將進(jìn)入報(bào)廢階段。后果—降低機(jī)器的效率和可靠性，甚至促使機(jī)器提前報(bào)廢。設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)，要求縮短磨合期、延長(zhǎng)穩(wěn)定期、推遲劇烈磨損期的到來。它是磨損的不穩(wěn)定階段，在整個(gè)壽命周期內(nèi)時(shí)間很短。磨粒磨損磨損的分類：疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型按磨損機(jī)理分按磨損表面外觀可分為點(diǎn)蝕磨損膠合磨損擦傷磨損磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：磨粒磨損—也簡(jiǎn)稱磨損，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。潘存云教授研制磨損的機(jī)理：磨損的機(jī)理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：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(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。嚴(yán)重的粘附磨損會(huì)造成運(yùn)動(dòng)副咬死。潘存云教授研制磨損的機(jī)理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：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機(jī)械磨損。點(diǎn)蝕過程：產(chǎn)生初始疲勞裂紋→擴(kuò)展→微粒脫落，形成點(diǎn)蝕坑。潘存云教授研制磨損的機(jī)理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：沖蝕磨損—流動(dòng)的液體或氣體中所夾帶的硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒沖擊零件表面所引起的機(jī)械磨損。利用高壓空氣輸送型砂或高壓水輸送碎石時(shí)，管道內(nèi)壁所產(chǎn)生的機(jī)械磨損是實(shí)例之一。。近年來，由于燃?xì)鉁u輪機(jī)的葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管這樣一些部位的破壞，才引起人們對(duì)這種磨損形式的特別注意磨損的機(jī)理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：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。磨損的機(jī)理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：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)。應(yīng)用實(shí)例：軸與孔的過盈配合面、滾動(dòng)軸承套圈的配合面、旋合螺紋的工作面、鉚釘?shù)墓ぷ髅娴?。一、?rùn)滑劑作用：降低摩擦功耗、減少磨損、冷卻、吸振、防銹等。分類液體潤(rùn)滑劑----潤(rùn)滑油半固體潤(rùn)滑劑----潤(rùn)滑脂固體潤(rùn)滑劑1.潤(rùn)滑油礦物油來源充足、成本低廉、穩(wěn)定性好、因而應(yīng)用最廣。種類：氣體潤(rùn)滑劑----空氣有機(jī)油----動(dòng)、植物油礦物油----石油產(chǎn)品化學(xué)合成油§4-3潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法潘存云教授研制A在軸承中，潤(rùn)滑油最重要的物理參數(shù)是粘度，它是選擇潤(rùn)滑油的主要依據(jù)。粘度表征液體流動(dòng)的內(nèi)摩擦特性。A、B兩板之間充滿了液體，B板靜止，A板水平移動(dòng)速度為v。由于液體與金屬表面的吸附作用，A板表面的液體速度為v，而B板表面的液體速度為0。兩板之間的速度呈線性分布。oxyydydu分析位置y處薄層的受力B粘度----重要指標(biāo)，粘度值越高，油越稠，反之越??；粘度的種類動(dòng)力粘度運(yùn)動(dòng)粘度條件粘度工程中常用運(yùn)動(dòng)粘度：ν

=ηρ

單位：cm2

/

s(斯St)2)運(yùn)動(dòng)粘度注：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40℃時(shí)的平均運(yùn)動(dòng)粘度大約為10cSt。或mm2

/

s(厘斯cSt)液體層與層之間摩擦切應(yīng)力：τ=ηdudy--流體中任意點(diǎn)處的切應(yīng)力與該處的速度梯度成正比。η----液體的動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度單位：泊或厘泊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1)動(dòng)力粘度η-----牛頓液體流動(dòng)定律表4-1常用常用潤(rùn)滑油的主要性質(zhì)名稱全損耗系統(tǒng)用油GB443-89汽輪機(jī)油GB11120-89代號(hào)40℃的粘度mm2/sL-AN76.12~7.48-10110凝點(diǎn)≤C閃點(diǎn)(開式)≥C用于高速底負(fù)荷機(jī)械、精密機(jī)床、紡織紗錠的潤(rùn)滑和冷卻。普通機(jī)床的液壓油。用于一般滑動(dòng)軸承、齒輪、蝸輪的潤(rùn)滑用于重型機(jī)床導(dǎo)軌、礦山機(jī)械的潤(rùn)滑。用于汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等高速高負(fù)荷軸承和各種小型液體潤(rùn)滑軸承L-AN10090~1100210L-AN109.0~11.0-10125L-AN1513.5~16.5-10165L-AN3228.8~32.2-10170L-AN4641.4~50.6-10180L-AN6861.2~74.8-10190L-TSA3228.8~35.2-7180L-TSA4641.4~50.6主要用途3)條件粘度指在一定條件下，利用某種規(guī)格的粘度計(jì)，通過測(cè)定潤(rùn)滑油穿過規(guī)定孔道的時(shí)間來進(jìn)行度量的粘度。常用的有：恩氏度（?Et）----中國(guó)慣用賽氏通用秒（SUS）----美國(guó)慣用雷氏秒----英國(guó)慣用潤(rùn)滑油的特性：

1）粘----溫相關(guān)性溫度t↑壓力p↑→η↓ 但p<10MPa時(shí)可忽略。變化很小→η↑ 粘--溫圖潘存云教授研制0.080.070.060.050.040.030.020.0130405060708090℃ηL-TSA32L-TSA46L-AN10L-EQC10W/30選用原則：1)載荷大、溫度高的軸承，宜選用粘度大的油；2)載荷小、轉(zhuǎn)速高的軸承，宜選用粘度小的油；粘度值的大小不僅影響摩擦副的運(yùn)動(dòng)阻力，而且對(duì)潤(rùn)滑油膜的形成及承載能力具有決定性的作用。2）潤(rùn)滑性（油性----吸附性）潤(rùn)滑性是指潤(rùn)滑油中的分子與金屬表面吸附形成一邊界油膜，以減小摩擦和磨損。潤(rùn)滑性愈好，吸附能力愈強(qiáng)。對(duì)于那些低速重載或潤(rùn)滑不充分的場(chǎng)合，潤(rùn)滑性具有特別重要的意義。3）極壓性(抗磨、耐壓性)極壓性能是潤(rùn)滑油中加入含硫、氯、磷的有機(jī)極性化合物之后，油中的極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓的化學(xué)反應(yīng)邊界膜的性能，它在重載、高速、高溫條件下，可改善邊界潤(rùn)滑性能。4）閃點(diǎn)(易燃性)潤(rùn)滑油在標(biāo)準(zhǔn)容器中加熱所蒸發(fā)的油氣，遇火焰即能發(fā)出閃光時(shí)的最低溫度。是衡量油易燃性的指標(biāo)。對(duì)于在高溫下工作的機(jī)器，這是一個(gè)重要參數(shù)。一般要求工作溫度比油的閃點(diǎn)低30~40℃。5）凝點(diǎn)(凝固性)潤(rùn)滑油在規(guī)定的條件下，不再自由流動(dòng)時(shí)所達(dá)到的最高溫度。它是潤(rùn)滑油在低溫下工作的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響到機(jī)器在低溫下的啟動(dòng)性能和磨損情況。6）氧化穩(wěn)定性從化學(xué)意義上講，潤(rùn)滑油是不活潑的。但當(dāng)它們暴露在高溫氣體中時(shí)，也會(huì)發(fā)生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。這是一種膠狀沉積物，不但腐蝕金屬，而且加劇零件的磨損。2.潤(rùn)滑脂----潤(rùn)滑油與各種稠化劑（鈣、鈉、鋁、鋰等金屬皂）混合稠化而成。優(yōu)點(diǎn)：密封簡(jiǎn)單、不需要經(jīng)常添加、不易流失；對(duì)速度和溫度不敏感，適用范圍廣。缺點(diǎn)：摩擦損耗較大、機(jī)械效率低，不適宜高速場(chǎng)合。潤(rùn)滑脂的種類：鈉基潤(rùn)滑脂鋰基潤(rùn)滑脂鋁基潤(rùn)滑脂鈣基潤(rùn)滑脂分類1)鈣基潤(rùn)滑脂 具有良好的抗水性，但耐熱能力差，工作溫度不宜超過55~65℃。2)鈉基潤(rùn)滑脂 具有較高的耐熱性，但抗水性較差，工作溫度可達(dá)120℃。由于它能與少量水乳化，從而保護(hù)金屬免遭腐蝕，比鈣基脂有更好的防銹能力。----工程上應(yīng)用最廣3)鋰基潤(rùn)滑脂這種潤(rùn)滑脂既能抗水，又耐高溫，而且有較好的機(jī)械按定型，是一種多用途的潤(rùn)滑值。工作溫度不宜超過145℃。4)鋁基潤(rùn)滑脂 具有良好的抗水性，對(duì)金屬表面有高的吸附能力，故可起到良好的防銹作用。潤(rùn)滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)：2)滴點(diǎn)，決定工作溫度。錐入度，反映其稠度大小。 ---在25℃恒溫下,一重量為1.5N的標(biāo)準(zhǔn)錐體由潤(rùn)滑脂表面經(jīng)5秒后刺入的深度。其等級(jí)做為潤(rùn)滑脂的牌號(hào)。---在規(guī)定加熱條件下,潤(rùn)滑脂從標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量杯的孔口滴下第一滴時(shí)的溫度.3.固體潤(rùn)滑劑聚氟乙烯樹脂用于潤(rùn)滑油不能勝任工作的場(chǎng)合：高溫、低速重載。石墨二流化鉬（MoS2）---性能穩(wěn)定、t>350℃才開始氧化，可在水中工作。-----摩擦系數(shù)低，使用溫度范圍廣(-60~300℃)，但遇水性能下降。-----摩擦系數(shù)低，只有石墨的一半。使用方式：1.調(diào)和在潤(rùn)滑油中；2.涂覆、燒結(jié)在摩擦表面形成覆蓋膜；3.混入金屬或塑料粉末中燒結(jié)成型。添加劑----為了改善潤(rùn)滑劑品質(zhì)和性能而添加的物質(zhì)。二、添加劑非極壓油軟化溫度t/℃摩擦系數(shù)f含脂肪酸和極壓添加劑的油含油性添加劑（如脂肪酸）的油含極壓添加劑的油作用----提高油性、極壓性、延長(zhǎng)使用壽命、改善性能。油性添加劑種類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潤(rùn)滑油潤(rùn)滑在工程中的應(yīng)用最普遍，其供油方式有：三、潤(rùn)滑方法潤(rùn)滑方式人工給油；油杯滴油；浸油潤(rùn)滑、飛濺給油；用油泵強(qiáng)制潤(rùn)滑和冷卻。低速傳動(dòng)高速傳動(dòng)甩油環(huán)噴油潤(rùn)滑油泵冷卻器滴油潤(rùn)滑浸油潤(rùn)滑飛濺潤(rùn)滑旋蓋式油脂杯脂用潘存云教授研制針閥式油杯潘存云教授研制潘存云教授研制壓注式油杯四、潤(rùn)滑裝置1.油杯潘存云教授研制彈簧蓋油杯2.油環(huán)潘存云教授研制潘存云教授研制一、流體動(dòng)力潤(rùn)滑

FFFFvF§4-4流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介流體動(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)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。動(dòng)壓油膜----因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓力油膜。

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vvh1aah2ccvv兩平形板之間不能形成壓力油膜！Fpmax潘存云教授研制F形成動(dòng)壓油膜的必要條件：1.兩工件之間的間隙必須有楔形間隙；2.兩工件表面之間必須連續(xù)充滿潤(rùn)滑油或其它液體；3.兩工件表面必須有相對(duì)滑動(dòng)速度。其運(yùn)動(dòng)方向必須保證潤(rùn)滑油從大截面流進(jìn)，從小截面出來?！艶y=F∑Fx≠0∑Fy=F∑Fx=0應(yīng)用實(shí)例--向心滑動(dòng)軸承動(dòng)壓油膜的形成過程：靜止→爬升→將軸起抬→質(zhì)心左移→穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)e----偏心距e二、彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論----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)。求解油膜壓力分布、潤(rùn)滑膜厚度分布等問題▲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；▲流體動(dòng)力潤(rùn)滑的主要方程。流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論的前提：----適應(yīng)于低副中兩零件之間的潤(rùn)滑問題，潤(rùn)滑劑粘度不隨壓力變化；零件摩擦表面為剛體；潘存云教授研制潘存云教授研制