摩擦学原理(第2章润滑剂)ppt课件.ppt

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1、润滑,埃及金字塔中搬运巨像的情况,应用实例,应用实例,第二章 润滑剂,2.1 润滑剂的作用与类型 2.1.1 润滑剂的作用润滑剂是现代机械系统的基本要素之一，它的主要作用是减少运动副之间的摩擦和磨损，提高机械效率，延长机械的工作寿命。除此之外，使用润滑循环系统还能起到冷却摩擦副、带走磨损碎屑或其它颗粒污染物以及保护金属表面免遭腐蚀等有益作用。,润滑剂的物质形态已经覆盖了气体、液体和固体单相以及气-液、液-液、液-固两相甚至气-液-固三相，十分广泛。有些类型的润滑剂有时也会带来环境污染等问题，所以需要对润滑剂的知识有全面的认识和理解。,润滑油一般由基础油和润滑油添加剂混合而成。基础油分为矿物油和

2、合成油两大类。矿物油的最高使用温度为130，有些超精炼的矿物油使用温度可达200,而某些合成油则可耐370的高温。相对于矿物油来说，合成油属于高档润滑油，用于高温、高压、高真空和高湿度等极端环境工况。,2.1.2 润滑油的类型,润滑剂从形态上分,润滑油的性能指标,（1）粘度1）动力粘度-表征流体内摩擦阻力大小的指标，Pas；2）运动粘度-同温度下液体动力粘度与密度之比，m2/s；粘度的大小表示了液体流动时其内摩擦阻力的大小，粘度愈大，内摩擦阻力就愈大，液体的流动性就愈差。（2） 润滑性（油性）润滑油中极性分子吸附于金属表面形成边界油膜的性能。吸附力强，油膜不易破裂，摩擦系数小，则说明油性好。,

3、（3）极压性润滑油中加入添加剂后，油中极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压化学反应边界膜的性能。 （4） 闪点润滑油在火焰下发生闪烁时的最低温度。闪点对于高温下工作的机器是一个十分重要的性能指标。（5） 凝点润滑油在试管中冷却到不能流动时的最高温度。凝点是润滑油在低温下工作的一个重要指标。（6） 氧化稳定性 润滑油在高温下抗氧化的性能。,(7)酸值（总酸值、中和值）润滑油中有机酸的总含量。中和1g石油产品所需的KOH毫克数，mgKOH/g.可用来衡量润滑油的氧化安定性或作为换油指标。（8）总碱值规定的条件下滴定时，中和1g试样中全部碱性组分所需高氯酸的量。以相同物质的量的KOH毫克数表示。（9）

4、水溶性酸和碱用一定体积的中性蒸馏水和润滑油在一定温度下混合、振荡，使蒸馏水将润滑油中的水溶性的酸和碱抽出来然后测定蒸馏水溶液的酸性和碱性。新油：润滑油精制时酸碱分离不好贮存和使用：润滑油被污染或氧化分解汽轮机油：抗乳化度降低变压器：腐蚀设备，耐电压下降,（10）机械杂质油中不溶于汽油或苯的沉淀和悬浮物，经过滤而分出的杂质，称为机械杂质。灰尘，混沙，金属碎屑，氧化物和锈末等将加速机械零件的研磨、拉伤和划痕等磨损，堵塞油路，拉伤和划痕等，堵塞油路油嘴和滤油器，造成润滑失效。(11) 灰分指润滑油在规定条件下完全燃烧后，剩下的残留物（不燃物）。以质量分数表示。灰分的成分：金属盐类，金属氧化物含添加剂

5、的油的灰分较高。灰分使润滑油在使用胄积炭增加，灰分过高，造成机械零件的磨损。(12) 残炭隔绝空气时，油经蒸发分解生成焦炭状的残余物。用质量分数表示。残炭是油中胶状物质和不稳定化合物含量的间接指标，也是矿物油基础油精制深浅程度的标志。含S、O、N多时，残炭高，结焦倾向大，增加摩擦磨损。压缩机油残炭高时，在压缩机气缸、胀圈和排气阀座上的积炭就多，磨损，高温时会发生爆炸。,(13) 水分,质量分数表示。油品中应不含水分。标准方法：其一定量的试样与无水溶剂混合，蒸馏，测定含水量。水含量0.03%,称为痕量。影响： 破坏润滑油膜，润滑效果变差加速油中酸对金属的腐蚀机械设备的锈蚀润滑油的添加剂失效 低温

6、流动性变差，结冰，堵塞油路 润滑油乳化，温度高时，形成汽泡，破坏润滑，气阻润滑油的循环 变压器油，则会绝缘性能下降检查方法：试管中取油，浑浊，乳化，不透明；试管加热，气雾，管壁上有气泡，、水珠或有劈啪响声盛在试管中的油中加入少量无水硫酸铜（白色粉末）用细铜线绕成圈，在火上烧红，放入有油的试管中，有劈啪响声,矿物油是以石油为原料经过蒸馏和精炼制成的，它的主要成分是由碳和氢两种元素构成的烃，烃的分子结构有烷烃（也称石蜡烃）、环烷烃和芳香烃。烷烃有直链和枝链两种类型，碳原子间只有单键结合，如图（a）、（b）所示。,环烷烃中的碳原子间也是单键结合，但不是链状而是呈环状，如图2.1（c）所示；芳香烃中的

7、碳原子链也呈环状，不过碳原子间是单双键交替结合，因此，氢含量较少，如图2.1（d）所示。,由于分子结构的不同，润滑油的性能也有显著差异。烷烃含量高的润滑油密度较环烷烃油小，而粘温性能较好。矿物油的粘压性能也与其环烷烃的含量多少有关。芳香烃的含量则与润滑油的边界润滑性能有关。,当矿物油在粘性、抗氧化性、热稳定性及挥发性等方面无法满足使用工况的条件时，需要采用性能更优越（价格也更高）的合成润滑油。表2.1比较了矿物油和一些常用合成油的理化性能，可以看出，合成油的闪点、热稳定性较矿物油高，饱和蒸汽压较低，有些合成油的粘度随温度的变化较矿物油小。,常用的合成油有以下几类：1碳氢化合物 通过合成方法可以

8、生产不含芳香烃和环烷烃的碳氢化合物用作润滑油，如聚丁烯、聚烯合成油（PAO）。与矿物油相比，合成的碳氢化合物在粘-温特性、低温特性、挥发性和氧化稳定性方面有一定程度的改善，可以用于对低温性能要求严格的严寒区用长寿命内燃机油、倾点低且冷冻剂溶解度小的冷冻机油、对高低温性能要求较严格的喷气发动机油、对氧化安定性和抗剪切安定性要求较高的齿轮油、对粘度指数、低温性能和热氧化稳定性要求严格的自动变速传动液等场合。,2酯 通过酸与醇的组合可以合成出种类繁多的酯用作润滑剂，包括有机酸酯、氟代酯、磷酸酯和硅酸酯等。酯作为润滑剂的特点是粘-温性能、抗挥发性能突出，但容易通过氧化、热反应或水解反应而发生降解。由二

9、元酸、单元酸与甲醇、乙醇或丙醇反应合成的二元酯（也称双酯）广泛用于航空发动机润滑。季戊四醇酯的耐热性优于双酯，加入合适的抗氧化剂后可以用于200应用场合，如汽轮机润滑油。聚乙二醇酯是一种不溶于水的化合物，具有良好的热稳定性和润滑性，用于液压油。由有机羧酸和氟乙酰胺醇合成的氟代酯具有较好的抗氧化性和阻燃性，但粘-温性能较差。磷酸酯（如磷酸三甲苯酯，TCP）广泛用于矿物油和其它合成润滑油的抗磨添加剂。硅酸酯具有热稳定性好、低粘度、低挥发性的优点，但水解稳定性较差，主要用于低温条件下的润滑。,3硅氧烷硅氧烷也称为硅油，有很好的化学惰性、热稳定性、优良的粘-温性能、低挥发性和低表面张力，适用于流体动力

10、润滑，但边界润滑性能较差。常用的硅氧烷润滑油有二甲基硅油、甲苯基硅油和氯化甲苯基硅油。硅油可用于高低温条件下的润滑，在空间飞行器等极端环境下应用较多。,4聚苯醚 聚苯醚是一类芳香族化合物，具有优异的抗辐射能力和抗氧化性，但粘度特性较差，常用于强辐照工况下（如宇宙飞行、反应堆或以原子能为动力的装置）机械部件的润滑。,5全氟聚醚 全氟聚醚（PFPE）具有优良的抗氧化性、低挥发性和较好的边界润滑特性，其分子量、极性基团可以在一定范围内调整以获得不同的粘度和表面迁移性能。全氟聚醚被广泛用于硬盘表面的润滑，也用于高温、高真空条件下的润滑。,2.1.3润滑脂润滑脂也是广泛使用的润滑剂材料。润滑脂密封简单，

11、不须经常加添，不易流失，所以在垂直的摩擦表面上可以使用。润滑脂对载荷和速度的变化有较大的适应范围，受温度的影响不大，但摩擦损耗较大，机械效率低，故不宜用于高速。且润滑脂易变质，不如油稳定。总的来说，一般参数的机器，特别是低速而带有冲击的机器，都可以使用润滑脂润滑。,润滑脂是由基础油、稠化剂（如钙、钠、铝、锂等金属皂）、添加剂和填充剂混合稠化而成。基础油是常用的矿物油或合成油，添加剂的功能和类型也与一般润滑油添加剂相同或相似，填充剂则是一些起溶胶、分散或固体润滑作用的辅助成分，稠化剂是润滑脂的最主要成份，常用的是脂肪酸的金属皂，如硬脂酸锂和硬脂酸钙，相应的润滑脂也就常称为锂基润滑脂和钙基润滑脂。

12、,1.润滑脂的种类,按基础油组成分类，如分为石油基润滑脂和合成油润滑脂；按用途分类，如分为减摩润滑脂，防护脂和密封脂；按润滑脂的某一特性分类，如高温脂，耐寒脂和极压脂等。润滑脂中的稠化剂的类型，是决定润滑脂工作性能的主要因素。,润滑脂的分类方法,几类润滑脂特性的简要介绍：（1）烃基润滑脂 以石蜡稠化基础油制成的润滑脂称为烃基润滑脂。具有良好的可塑性，化学安定性和胶体安定性，不溶于水，遇水不产生乳化。其缺点是熔点低。烃基润滑脂主要用于保护场合。,（2）皂基润滑脂 皂基润滑脂占润滑脂产量的 90 %左右，使用最广泛。最常使用的有钙基，钠基，锂基，钙一钠基，复合钙基等润滑脂。复合铝基、复合锂基润滑脂

13、也占有一定的比例。,钙基润滑脂：不溶于水，滴点低，适用于温度较低，环境潮湿的轴承部件中。钠基润滑脂：耐高温，但易溶于水，适用于温度较高，环境干燥的轴承部件中。锂基润滑脂：抗水性较好，滴点较高，适用于潮湿和与水接触的机械部位。铝基润滑脂：高耐水性，适用于与水接触的部位，集中润滑系统和航运机械部位的润滑及防蚀。钡基润滑脂：有良好的抗水性，滴点较高，不溶于汽油和醇等有机溶剂，适用于油泵，水泵等摩擦部位的润滑。,目前使用最多的是钙基润滑脂，它有耐水性，常用于60C以下的各种机械设备中的轴承润滑。钠基润滑脂可用于115145C以下，但不耐水。锂基润滑脂性能优良，耐水，在-20150C范围内广泛适用，可以

14、代替钙基、钠基润滑脂。,（3）无机润滑脂 主要有膨润土润滑脂及硅胶润滑脂两类。硅胶润滑脂是由表面改质的硅胶稠化甲基硅油制成的润滑脂，可用于电气绝缘及真空密封。膨润土润滑脂是由表面活性剂处理后的有机膨润土稠化不同粘度的石油润滑油或合成润滑油制成。适用于汽车底盘、轮轴承及高温部位轴承的润滑。,（4）有机润滑脂 各种有机化合物稠化石油润滑油或合成润滑油，各具有不同的特性，这些润滑脂大都用作特殊用途。如阴丹士林、酞青铜稠化合成润滑油制成高温润滑脂可用于200250；含氟稠化剂如聚四氟乙烯稠化氟碳化合物或全氟醚制成的润滑脂，可耐强氧化剂，作为特殊部件的润滑。又如聚脲润滑脂可用于抗辐射条件下的轴承润滑等。

15、,2润滑脂的性能润滑脂的主要性能包括：流动性（针入度）、触变性、粘度、强度极限、低温流动性、滴点、蒸发性、胶体安定性、氧化安定性等。润滑脂的最主要性能是流动性，以针入度表示。针入度数值越大表示润滑脂越软。,3润滑脂使用（1）润滑脂的填充量 润滑脂的填充量，以填充轴承和轴承壳体空间的1/3到1/2为宜。若加脂过多，由于搅拌发热，会使脂变质恶化或软化。高速时应仅填充至1/3或更少。当转速很低时，为防止外部异物进入轴承内，可以填满壳体空间。,（2）润滑脂的补充和更换润滑脂的使用寿命是有限的，由于剪切作用和工作时间增加，润滑脂会出现老化，使其润滑性能降低。为了避免产生过多的摩擦损耗和材料磨损，摩擦副中

16、须隔一定时间补充或更换一次润滑脂。润滑脂的补充时间间隔与摩擦副的结构、尺寸、转速和环境条件有关。,不同滚动轴承的润滑脂补充时间间隔,上图是在轴承外径表面温度为70C情况下绘出的，因此适用于轴承温度70C以下，若超过70C，每上升15C，补充周期应减半。如轴承用于尘埃很多，且密封不可靠的场合，补充周期可缩短到图示值的一半到十分之一。,（3）润滑脂的混合原则上，牌号不同的润滑脂不能混合，含有不同种类稠化剂的脂相混合会破坏润滑脂的结构和稠度，不同基油的脂相混合会造成两元相流体而影响连续润滑。因此，一般应避免混合使用各种润滑脂，若必须更换牌号相异的润滑脂时，应把轴承内原有的润滑脂完全清除后，再填入新的

17、润滑脂。,2.1.4 固体润滑剂1固体润滑剂的性能 固体润滑是指利用固体粉末、薄膜或整体材料来减少作相对运动两表面的摩擦与磨损并保护表面免于损伤的作用。,固体润滑剂的基本性能有以下要求： （1）能与摩擦表面牢固地附着，有保护表面功能； （2）具有较低的抗剪强度； （3）稳定性好，包括物理热稳定，化学热稳定，时效稳定和不产生腐蚀及其他有害的作用； （4）要求固体润滑剂有较高的承载能力。,由于固体润滑剂不能像润滑油那样可以把摩擦界面上的摩擦热导出一部分，而且在使用过程中很难补充，因此在选用时应根据固体润滑剂的特点，考虑采取相应的补救措施。,固体润滑剂的使用方式,整体使用，如将尼龙或聚四氟乙烯塑料制

18、成齿轮、轴承和凸轮等；以各种覆盖膜的形式使用，如粘结膜、转化膜、等离子喷镀膜和溅射膜等；以复合材料或组合材料的形式使用，如以金属为基体的复合材料和将金属液浸渍到石墨孔隙中的金属石墨组合材料等；直接使用粉末固体润滑剂，或将粉末如石墨粉和二硫化钼粉等添加到油、脂中使用等。,2固体润滑剂的种类 固体润滑剂一般可分为以下几类： 层状晶体结构固体润滑剂：它们是易于劈开的化合物或具有减摩作用的单体物质。按结合形式、结晶体系和成分可分为：硫化物，硒化物，碲化物，氟化物，卤化物，单质（石墨等），氮化物，氧化物，有机物等；非层状无机物：如硫化物，碲化物，氟化物，陶瓷和超硬合金；软金属薄膜：如Au，Ag，In，C

19、a，Cd，Pb，Sn及其合金；,高分子材料：如聚四氟乙烯，聚缩醛，尼龙，聚酰胺，聚酰亚胺，环氧树脂，酚醛树脂，硅树脂等； 化学生成膜与化学合成膜：如磷酸盐，以及在镀钼的金属表面通以硫蒸气，生成MoS2膜等。,最常用的固体润滑剂有：石墨、二硫化钼（ MoS2）、聚四氟乙烯（PTFE）和尼龙等。石墨性能稳定，在350C以上才开始氧化，并可在水中工作。二硫化钼与金属表面吸附性强，摩擦系数低，使用温度范围也广（-60300C），但遇水则性能下降。使用固体润滑剂，一定要了解固体润滑剂的特性，根据工作条件合理使用，才能达到预期的效果。,聚四氟乙烯,3固体润滑剂的使用方式(1)作为固体润滑粉末来使用将固体润

20、滑粉末（如MoS2）以适量添加到润滑油或润滑脂中，可提高润滑油脂的承载能力及改善边界润滑状态等，这也是较常用的使用方法，如MoS2油剂、MoS2油膏、MoS2润滑脂及MoS2水剂等。以粒度小于0.5 m的固体润滑剂加入到发动机润滑油中，这些小颗粒能通过滤器进到摩擦面，当摩擦面因某种原因暂时缺油时，固体润滑剂的小颗粒起润滑作用，起到短时间应急的作用。,(2)在一些特殊条件下，脂润滑和油润滑的使用受到限制时可采用混合润滑剂。方法有：将固体润滑剂加入润滑脂中，一般是在润滑脂中加入3%或5%的一号二硫化钼；用粘接剂将固体润滑剂加入工程塑料和粉末冶金材料中，制成有自润滑性能的轴承零件；在轴承的滑动部位刻

21、制小槽或小沟，嵌入相应形状的固体润滑剂组合材料；也可在保持架兜孔、引导面或滚道上直接镶嵌固体润滑剂组合材料。用电镀、高频溅射、离子镀层、化学沉积、溶射等技术使固体润滑剂或软金属（金， 银，铅等）在轴承零件摩擦面上形成一层均匀致密的薄膜。,(3)将摩擦材料做成整体零部件使用。某些工程塑料如聚四氟乙烯、聚甲醛、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸脂、聚砜、聚酰亚胺、氯化聚醚、聚苯硫醚和聚对苯二甲酸酯等的摩擦系数较低，成形加工性和化学稳定性好，电绝缘性优良，抗冲击能力强，可以制成整体零部件，若采用玻璃纤维、石墨纤维、金属纤维、硼纤维等对这些塑料增强，综合性能更好，使用较多的有齿轮、轴承、导轨、凸轮、滚动轴承保持架

22、等。石墨电刷、电接点、宝石轴承、刀刃支承等则是使用一定特性的材料直接制成零部件来使用的例子。,(4)将摩擦材料做成各种覆盖膜来使用。通过不同方法将固体润滑剂覆盖在运动副摩擦表面上，使之成为具有一定自润滑性能的干膜，这是较常用的方法之一。成膜的方法很多，各种固体润滑剂可通过溅射、电泳沉积、等离子喷镀、离子镀、电镀、化学生成、浸渍、粘结剂粘结、挤压、滚涂等方法来成膜。,5将摩擦材料制成复合或组合材料来使用。组合或复合的最终目的是要获得一种性能更优越的新材料，一般都称为复合材料。目前用得最广的有称为“金属塑料”的复合材料（国外牌号有DU材料）以及表面带自润滑层的聚缩醛DX材料。 例如，金属塑料材料（

23、DU）是在软钢板上镀一层3050m的青铜，再烧结一层多孔青铜球粒，浸渍或滚涂 PTFE（聚四氟乙烯）填充孔隙，再经过烧结、轧制、整形而制成的金属塑料轴承。它既保持了PTFE低摩擦系数的特点，又具有足够的机械强度，高承载能力，良好的散热性和耐磨性，可用于飞机和宇宙飞船上的高温、重载滑动轴承中。,2.1.5 其他类型的润滑剂将少量的油和微量的添加剂与水混合形成乳化液、微乳液或者真溶液作为润滑剂，既能减少油的用量，还能增强冷却作用，在金属切削、磨削、电火花加工、轧制、冲压、拔丝等加工中应用广泛。根据油的含量和与水的相溶程度，可分为：可溶性油；半合成液和合成液。,可溶性油是油（体积比约占80%）、乳化

24、剂、添加剂和水形成的不透明乳液，胶体颗粒大于1m，使用时将1%5%的可溶性油加入到99%95%的水中。半合成液是一种半透明的乳液，胶体颗粒在1m以下，油含量较少（体积比10%30%），乳化剂和其他添加剂各占10%20%，其余为水，使用时也要按约20：1的比例用水稀释。合成液是透明水溶液，不含油，添加剂含量可达50%，使用时将2%10%的合成液加入到98%90%的水中。在这些水基润滑液中，一般都含有起防锈、杀菌和增强边界润滑效应作用的添加剂。水基润滑剂在节约石油资源和环境友好方面有其独特优势，应用领域在不断扩展。,空气或其它惰性气体也是一类重要的润滑介质，并在精密仪器、导轨、计算机硬盘等方面得到

25、了广泛应用。 利用高压气体将润滑油雾化而形成的气-液两相介质被用于高速滚动轴承的润滑。此外，某些液态金属、液氧和制冷剂分别被用作核反应堆、火箭发动机和制冷机的润滑，一些新材料如磁流体、离子液体、电/磁流变液等也被尝试作为润滑剂，润滑剂的种类在不断丰富和扩展。,2.2 润滑油密度密度是润滑油最基本的物理性能之一。在润滑分析中，通常认为润滑油是不可压缩的，并且忽略热膨胀的影响，因而将密度视为常量。一般以20C时的密度作为标准。,事实上，润滑油的密度是压力和温度的函数。在某些条件下，例如弹性流体动压润滑状态，必须考虑润滑油的密度变化，进行变密度的润滑计算。 润滑油所受压力增加时，其体积减小而密度增加

26、，所以密度随压力的变化可用压缩系数C来表示，即 （2.1）这里，V是已知质量M的体积。由此可得式中，0和p分别为在压力p0和p下的密度。对于润滑油可取C的表达式为式中，粘度的单位为mPas时，C的单位为m2/N。,为了计算方便，也常采用如下的密度与压力关系式 （2.2） 式中p的单位用GPa。 温度对密度的影响是由热膨胀造成体积增加，进而使密度减小。设润滑油的热膨胀系数为t，则 （2.3） 式中，t为温度t时的密度，而0为温度t0时的密度，t的单位为-1。,通常润滑油的t值可用两个关系式表示。如果粘度单位用mPas，当粘度低于3000mPas，此时1og10 3.5，则而当粘度高于3000mP

27、as，即1og10 3.5时,当压力降低到一定程度（如真空环境下）或温度升高到一定程度时，液态的润滑油会转变为气态，体积增大而密度减小。物质由液态转变为气态的临界压力称为饱和蒸汽压(Vapor Pressure)。在一定温度下，润滑油的饱和蒸汽压满足Langmuir方程,式中，饱和蒸汽压Pvap的单位是Torr（托，即mmHg），G表示蒸发速率，单位是gcm-1s-1，T表示温度，单位是K(+273)，M代表润滑油的分子量。,2.3 流体粘度粘度是流体作为润滑剂时最重要的性能参数。与密度相比，润滑剂的粘度随温度、压力等工况参数的变化更为显著。在以液体作润滑剂的流体动压润滑中，主要的问题是粘度性

28、质及其与温度的关系。气体润滑时，润滑剂的可压缩性即密度随压力的变化将具有重要作用。而对于弹性流体动压润滑状态，温度和压力对粘度的影响以及润滑剂的可压缩性都将成为不可忽视的问题。,2.3.1 动力粘度与运动粘度 流体流动时，由于流体与固体表面的附着力和流体内部分子间的作用，将不断产生剪切变形，而流体的粘滞性就是流体抵抗剪切变形的能力。粘度是流体粘滞性的度量，用以描述流动时的内摩擦。,Newton最先提出粘性流体的流动模型，他认为流体的流动是许多极薄的流体层之间的相对滑动,如图2.3所示。在厚度为h的流体表面上有一块面积为A的平板，在F力的作用下以速度U运动。此时，由于粘性流体的内摩擦力将运动依次

29、传递到各层流体。由于流体的粘滞性，在相互滑动的各层之间将产生剪应力即流体的内摩擦力，由它们将运动传递到各相邻的流体层，使流动较快的层减速，而流动较慢的层加速，形成按一定规律变化的流速分布。当A、B表面平行时，对大部分流体介质来说流速u可视为沿z向直线分布。,图2.3 牛顿流体流动模型,图2.4 粘度定义,Newton提出了粘滞剪应力与剪应变率成正比的假设，称为牛顿粘性定律，即: 其中，为剪应力，即单位面积上的摩擦力，=F/A； 为剪应变率，即剪应变随时间的变化率。 可知，剪应变率等于流动速度沿流体厚度方向的变化梯度。这样，牛顿粘性定律可写成: 式中，比例常数定义为流体的动力粘度。 各种不同流体

30、的动力粘度数值范围很宽。空气的动力粘度为0.02mPas，而水的粘度为1 mPas。润滑油的粘度范围为2 mPas 400 mPas，熔化的沥青可达700 mPas。,在工程中，常常将流体的动力粘度与其密度的比值作为流体的粘度，这一粘度称为运动粘度，常用表示。运动粘度的表达式为: 通常润滑油的密度=0.7g/cm31.2g/cm3，而矿物油密度的典型值为0.85 g/cm3，因此运动粘度与动力粘度的近似换算式可采用 (cP)=0.85(cSt) （2.8）,2.3.2 粘度与温度的关系粘度随温度的变化（常称为粘-温关系）是润滑剂的一个十分重要的特性。如表2.1所示，矿物油和合成油的粘度随温度的

31、升高而降低，通常润滑油的粘度越高，其对温度的变化就越敏感。,从分子学的观点来看，流体是由大量的处于无规则运动状态的分子所组成，流体的粘度是分子间的引力作用和动量的综合表现。分子间的引力随着分子间的距离会发生明显改变，而分子的动量取决于运动速度。当温度升高时，流体分子运动的平均速度增大，而分子间的距离也增加。这样就使得分子的动量增加，而分子间的作用力减小。因此，液体的粘度随温度的升高而急剧下降，从而严重影响它们的润滑作用。,大多数润滑油的粘度随温度会剧烈下降，它们之间的变化规律的次切线 具有多项式形式。粘度与温度的关系式可以写成如下几种形式: 上述式中，0为温度为T0时的粘度；为温度为T时的粘度

32、； 为温粘系数，可近似取作0.03 1/C；m=1,2,；表示“无限粘度”温度，对于标准矿物油，可取95；、s、b均为常数。,这些粘温方程中，Reynolds粘温方程在数值计算中使用起来较方便，而Vogel粘温方程描述粘温关系更为准确。 粘-温关系也可以用ASTM（美国材料试验协会）定义的粘度指数来表示，常用于绘制粘-温线图。其关系式为 式中，为运动粘度，a、b、c和d均为常数，T为绝对温度。,当的单位为mm2/s时，a=0.60.75，b=1，d=10，在ASTM坐标纸上，采用双对数的纵坐标和单对数的横坐标，上式为一直线，如图2.5所示。其方程为其优点是只需测定两个温度下的粘度值以决定待定常

33、数A和B，然后根据直线即可确定其它温度下的粘度。,ASTM线图示意图,对于通常的矿物油，采用ASTM线图十分有效，还可将直线的倾角用作评定润滑油粘-温特性的指标。 用粘度指数（VI值）来表示各种润滑油粘度随温度的变化程度，是一种应用普遍的经验方法。它的表达式为 先测量出待测油在210F（85C）时的运动粘度值，然后据此选出在210F具有同样粘度且粘度指数分别为0和100的标准油。式中，L和H是这两种标准油在100F（38C）时的运动粘度。U是该待测油在100F时的运动粘度。然后用式（2.15）计算得到该润滑油的粘度指数值。,在表2.4中给出了几种润滑油的粘度指数。 粘温指数高的润滑油表示它的粘

34、度随温度的变化小，因而粘温性能好。,2.3.3 粘度与压力的关系当液体或气体所受的压力增加时，分子之间的距离减小而分子间的引力增大，因而粘度增加。通常，当矿物油所受压力超过0.02GPa时，粘度随压力的变化就十分显著。随着压力的增加粘度的变化率也增加，当压力增到几个GPa时，粘度升高几个量级。当压力更高时，矿物油丧失液体性质而变成蜡状固体。由此可知：对于重载荷流体动压润滑，特别是弹性流体动压润滑状态，粘压特性是非常重要的问题。,描述粘度和压力之间变化规律的粘压方程主要有: 式中，为压力p时的粘度；0为大气压下的粘度；为粘压系数；p0为压力系数，可取为5.110-9；对一般的矿物油，z通常可取为

35、0.68；c可近似取为/15。 当压力大于1GPa后，Barus粘压方程计算的粘度值过大，而Reoland粘压方程则更符合实际情况。,25C时的粘压系数（10-8 m2/N） 在国外很早就开始研究润滑油的粘压特性，相继发表了几百种润滑油的粘压数据，建立的高压粘度计的测量压力达到3GPa以上。,当同时考虑温度和压力对粘度的影响时，通常将粘温、粘压公式组合在一起，采用的表达式如下： 其中，式（2.19）较简单，便于运算，而式（2.20）则较准确。,2.4 非牛顿流体2.4.1 非牛顿流体的类型 在通常的使用条件下，大部分润滑油可以视为牛顿流体。对于牛顿流体，剪应力与剪应变率的关系是通过原点的直线，

36、如图2.6中的C，直线的斜率表示粘度数值，因此，牛顿流体的粘度只随温度和压力而改变，而与剪应变率无关。凡是不同于上述特性的流体统称为非牛顿流体，如上图中的A、B和D所示。非牛顿流体可以表现为塑性、伪塑性和膨胀性等形式。,对于伪塑性和膨胀性流体，通常用指数关系式近似地描述其非线性性质，即： 式中，和n为常数，对于牛顿流体，n=1而定义为动力粘度。 图2.6中A代表的塑性体亦称Bingham体，它显示出一种屈服应力s，当剪应力超过s时才产生流动，其流变关系式为 润滑脂的非牛顿性质类似于Bingham体，但剪应力与剪应变率呈非线性关系。经过长时间剪切后润滑脂的流变特性可用下列公式近似地表述：,为了改

37、善使用性能，现代润滑油通常含有由多种高分子材料组成的添加剂，以及合成润滑剂的大量使用，它们都呈现出强烈的非牛顿性质，使得润滑剂的流变行为成为润滑设计中不可忽视的因素。,2.4.2 非牛顿流体的本构方程 在润滑理论研究中，常用的非牛顿流体的本构方程有1Ree-Eyring本构方程 这是润滑理论中最常用的非牛顿流体本构方程，其主要特点是剪应力与剪应变率的关系是非线性的，并且剪应力可以无限增加。 实践表明，Ree-Eyring模型较准确地描述了一些液体的流变特性，特别适用于简单液体。它的剪应力与剪应变率 的关系曲线如图2.7中曲线1所示。,2粘塑性本构方程 图2.7中曲线2为极限剪切流体模型的流变特

38、性。若令L为极限剪应力，则剪应力随剪应变率的变化规律由两条直线描述，即： 这一方程的线性部分就是牛顿流体。当剪应力达到极限剪应力后，其值不再随剪应变率增加而增加。由于本构方程由两条直线构成，在它们的交点处的导数出现不连续。,研究表明，如果有充足的时间允许液体对载荷响应的话，任何液体都可能承受极大的剪切应力。然而在弹流润滑条件下，润滑剂在极短的瞬间穿过接触区，因而它所能承受的剪应力就将存在极限值。极限剪应力L的数值随压力和温度而变化，根据Bair-Winer的研究，极限剪应力L与压力的关系可表示为： 式中，L0是大气压时的极限剪应力值，表示随压力变化的比例系数。极限剪应力的大小一般为：L4105

39、Pa2107Pa。,3圆形本构方程 这是近年提出的一种渐近本构方程，通常将其用于温度引起的流体非牛顿特性研究。其曲线有连续的导数，剪应力随剪应变率不断增大而趋近极限值L，如图2.7中曲线3所示。,4温度效应本构方程 温度效应本构方程如图2.7中曲线4所示，这是黄平等人4在考虑温度对粘度的影响而推导得到的。这一模型的最大特点是在剪应力达到最大值后，随剪应变率增加剪应力开始下降。 式中， 与润滑剂的物理性能、温度特性和摩擦副结构尺寸有关。是粘温系数；0是粘度；x是计算点距入口处的距离；是润滑剂的密度；c是润滑剂的比热容；u0是运动表面的速度。,5线性粘弹性本构方程 实验证明，当流体被施加的应力发生

40、急剧变化时将呈现弹性效应，即流体的粘弹性。在弹流润滑计算中，通常采用粘弹性流变模型，最简单的是线性粘弹性体即Maxwell体， 对于纯弹性体，它遵守虎克定律，即 式中，e为弹性剪应变；G为剪切弹性模量。 对于线性粘弹性体即Maxwell体，它同时具有牛顿流体和虎克固体的性质，其流变特性的本构方程为,式（2.29）表明，粘弹性体的主要特点是剪应变率与时间有关。线性粘弹性体的流变特性是采用粘度和剪切弹性模量G两个参数来描述的，因而形式简单。但是，Maxwell模型是根据微小剪应变条件得出的，用它来计算剪应变较大的弹流润滑不能得到满意的结果，采用线性粘弹性体计算的摩擦系数将大于实际测量值。,6非线性

41、粘弹性本构方程 Maxwell模型计算得到的弹流润滑摩擦系数偏大的原因是由式（2.29）右端第一项引起的，因此在实际使用中可以将非牛顿流体粘性代替式中的牛顿流体粘性，即： 其中，F()为非线性粘性函数。 Johnson 和Tevaarwerk5综合 Maxwell模型和Ree-Eyring模型，提出如下的非线性粘弹性体本构方程，即：,当0时， ，此时 ，即牛顿粘性定律。这样，式（2.31）与线性粘弹性体的本构方程（2.29）完全相同。由此可见Johnson和Tevaarwerk提出的流体模型概括了润滑剂的线性和非线性粘性、线性和非线性弹性以及弹性和塑性行为。这一流体模型可以适用于各种不同弹流润

42、滑状态，见图2.9。,7简单粘弹性本构方程,2.4.3 非牛顿流体的其它特性1剪应变率稀化（伪塑性pseudoplastic）,大多数液体在高剪应变率（如106 s-1108 s-1）时粘度将降低而呈非牛顿性。对于两相润滑剂（例如乳化液、润滑脂）以及高粘性的油或含有聚合物的油，则在较低的剪应变率（如102 s-1106 s-1）时就出现非牛顿性，如图2.11所示。,具有伪塑性的液体通常是由无规则排列的长链分子组成，在剪切作用下使分子排列规则化，从而减少相邻层之间的作用而降低了表观粘度。,2剪切时间稀化（触变性thixotropic）某些类型的润滑剂（如润滑脂、乳化液）的表观粘度（当时的剪切应力

43、与当时的剪应变率的比值）随着剪切持续时间的延长而降低，这种行为称为触变性。图2.12是一种锂基润滑脂在恒温（20C）、恒剪切速率（100s-1）条件下测得的剪切应力随剪切时间的变化曲线，图中的每条曲线代表的是该润滑脂经历的剪切时间，可以看出该润滑脂的表观粘度随剪切持续时间而降低的现象。触变性通常是可逆的，就是说当剪切作用停止后，经过充分的恢复时间，粘度将回复到原来数值或接近原来数值。对于润滑脂和稠乳剂而言，出现触变性的原因在于它们的结构在剪切作用下不断破坏，同时又自行重建。当结构破坏不断发展时，表观粘度连续降低，直到破坏与重建达到平衡而获得粘度的稳定值。,2.5 润滑油的表面张力润滑油在固体表

44、面的铺展或聚集以及夹着润滑油的两固体表面间的粘着等现象与润滑油的表面张力大小密切相关。表面张力代表液体表面增加单位面积所需要做的功，是液体的基本物理化学性质之一，通常以mN/m为单位。,表面张力实质上是液-气两相分子结构和相互间作用力的不同造成界面能量过剩的结果。液体内部的分子间距离不完全一致，但有一定的平均值，液体分子间的相互引力维持此平均距离不至于使液体分子因热运动而挥发，同时，每个分子受来自各个方向的周围分子的吸引作用相等，合力为零。然而处于液体表面的分子则不同，来自气相的分子间作用力较来自液体内的分子间作用力要小得多，因为气相的密度较小，分子间的距离较大，因此，表面的分子受到指向内部的

45、合力，要使液体表面分子脱离就必须作功，导致体系能量的升高，此部分能量就是表面自由能。由于处于表面的分子相互间的距离较内部分子的大，使得表面分子受到沿表面方向的侧向约束力，这个力就是表面张力。,液体的表面张力有多种测量方法，如毛细上升法、气泡最大压力法、停滴法、悬滴法、滴重法等，但最直接的方法是脱环法（也称圆环法）。这种方法是测定将水平接触液面的圆环拉离液面过程所需的平衡力。水平接触液面的圆环（通常用铂环，以保证与绝大部分液体接触时接触角为零）被提拉时将带起一些液体，形成液柱。环对测力传感器施加的力包括环的自重和带起液体的重力P。P随提起高度的增加而增加，但有一个极限，超过此值环和液面脱开。此极

46、限值取决于液体表面张力和环的尺寸，因为外力提起液柱是通过液体表面张力实现的。因此：R为环的内半径，r为环丝的半径，为被测液体的表面张力, F为校正因子.,液体的表面张力一般随温度的升高而线性下降。表面张力也会受压力的影响，但关系比较复杂。一些添加剂（如表面活性剂）会显著改变液体的表面张力。对铁磁流体来说，其表面张力也受外加磁场大小的影响。,2.6 润滑油添加剂 添加剂是为改善基础油和润滑脂的性能而加入的物质，种类很多。改善基础油粘-温性能的粘度指数改进剂增强润滑油和润滑脂抗氧化性能的抗氧化剂增强润滑油清净作用的清净分散剂增强边界润滑效应的减摩剂和极压抗磨剂,2.6.1 减摩添加剂 减摩添加剂又

47、称为摩擦改进剂或油性剂，其主要作用是降低边界润滑条件下的滑动摩擦系数。一般来说是一些动、植物油脂或在烃链末端有极性基团的化合物，包括：（1）羧酸及其衍生物，如硬脂酸、单油酸甘油酯；（2）氨基化合物，如油酰胺；（3）磷酸或磷酸的衍生物；（4）有机聚合物，如甲基丙烯酸酯、有机硼化合物和有机钼化合物。减摩剂与金属或金属氧化物有很强的亲和力，容易被吸附或反应形成低抗剪强度的膜，阻止金属间的直接接触，从而降低摩擦系数。,2.6.2 极压抗磨添加剂 极压抗磨剂也称为抗磨剂、极压剂或载荷添加剂。在边界润滑条件下，极压抗磨剂首先在摩擦面上形成吸附膜，当压力和温度条件苛刻时，添加剂发生分解，分解的活性物质在摩擦

48、作用下重新化合、聚合形成较厚（约数十纳米）的韧性膜，或者与摩擦副表面作用形成改性层，起到减缓磨损的作用。常用的极压抗磨剂有以下一些类型。,1活性硫化物 在有充足的氧气（或空气）存在的条件下，对于钢摩擦副来说，摩擦过程中容易在表面形成氧化铁，它起到催化作用，使得活性硫化物中的硫原子与铁反应生成硫化铁，当硫化铁的厚度在0.15微米左右时，可以起到抗磨作用。常用的几种硫化物添加剂有二苄基二硫化物、聚苯硫醚、二黄原酰基二硫化物、硫化聚丙烯等。硫化物添加剂常用于金属切削液、钻头润滑油等。硫化物还常与含氯或含磷添加剂复合使用。,2有机磷化物 在较高的温度条件下，磷与金属表面能形成金属磷化物，这些金属磷化物

49、与金属能进一步形成低熔点的混合物，对粗糙峰有抛光作用。典型的磷化物添加剂有二烷基亚磷酸酯、磷酸三苯酯、二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）等，特别是ZDDP，除具有突出的抗磨性外，还兼有抗氧化性、抗腐蚀性、悬浮分散性等功效，在内燃机油、齿轮油等润滑油中得到广泛应用。ZDDP在摩擦化学反应中，除生成硫化物、磷化物、锌化铁的极压润滑膜外，还会发生分解和聚合反应，生成一些聚合物的中间体及摩擦聚合物。此外，ZDDP对铝合金的润滑效果特别好。,3氯化合物 在高压和有微量湿气的条件下，氯化合物可以在金属表面生成一层金属氯化物薄膜，起到抗磨作用。广泛使用的氯化物添加剂有氯化石蜡、氯化联苯等。氯化铁除具有抗磨性外，

50、其摩擦系数也比较低。但氯化物的抗腐蚀性差，特别是在有水存在的条件下不能使用，因为氯化铁会水解生锈。,4二烷基二硫代磷酸硫化氧钼（MoDTP） MoDTP是一种具有优良减摩性能的极压添加剂，它在摩擦过程中可以使微凸体的峰顶磨平，表面变得光洁，并生成数十纳米的边界润滑膜。这种添加剂的一个特点是其生成速度与磨损速度可以达到平衡，从而避免了摩擦副基体的磨损，所以也称为无牺牲性边界润滑膜。,为取得最佳的极压性能，在应用中大部分采用几种不同类型化合物的复合配方或极压剂与油性剂、清净分散剂、固体润滑剂混合在一起使用，如在齿轮油中常含有3种或4种极压添加剂。这类复合型添加剂有Cl-P-S化合物与ZDDP的复合