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1、3-1 摩擦,3-2 磨损,3-3 润滑剂、添加剂和润滑方法,3-4 流体润滑原理简介,3-0 概述,第3章 摩擦学设计概论,思考题：(1)何为摩擦、磨损与润滑，它们之间的相互关系如何?(2)摩擦对哪些机械零件的工作性能、寿命是不利的?哪些 机械零件是靠摩擦来工作的?试举例说明。(3)摩擦可分为哪几种?(4)零件的典型磨损过程?(5)磨损可分为哪几种类型？(6)减少磨损的一般方法有哪些?(7)润滑的目的和功用是什么?(8)润滑类型，有何特点？,3-0 概 述,摩擦学-研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。,摩擦-相对运动的物体表面间的相互阻碍
2、作用现象；,磨损-由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；,润滑-减轻摩擦和磨损所应采取的措施。,关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。,世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的。,随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。,二、摩擦的分类,内 摩 擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运 动的现象。,外 摩 擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍 作用现象。,静 摩 擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。,动 摩 擦：在相对运动进行中
3、的摩擦。,滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。,滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。,“机械说”-摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用；,“分子说”-摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用；,一、摩擦的机理,“机械分子说”两种作用均有。,3-1 摩擦,1.干摩擦,两零件表面直接接触后，因为微观局部压力高而形成许多冷焊点，运动时被剪切。,不允许出现干摩擦！,2.边界摩擦,三、滑动摩擦状态,功耗,磨损,温度,烧毁轴瓦,运动副表面有一层厚度1 m的薄油膜，不足以将两金属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互搓削。,比干摩擦的磨损轻，f 0.1 0.3,有一层压力油膜将两金属表面隔开，彼此
4、不直接接触。是理想的摩擦状态。,3.液体摩擦,摩擦和磨损极轻，f 0.001 0.01,4.混合摩擦,混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。,在一般机器中，处于后三种情况的混合状态。,摩擦特性曲线,称无量纲参数n/p为轴承特性数。-动力粘度，p-压强，n-每秒转数,边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。,摩擦学研究的最新进展：微纳米摩擦学理论,可实现：f 0.001-超润滑摩擦状态。,磨损由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。,磨损曲线,3-2 磨损,磨损过程大致如图所示：,磨合阶段-
5、包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程。,稳定磨损阶段-零件在平稳而缓慢的速度下磨损。它标志着磨擦条件相对稳定。,剧烈磨损阶段-在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭到破坏，运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动。零件即将进入报废阶段。,后果降低机器的效率和可靠性，甚至促使机器提前报废。,设计机器时，要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧烈磨损期的到来。,它是磨损的不稳定阶段，在整个寿命周期内时间很短。,磨粒磨损,磨损的分类：,疲劳磨损,粘附磨损,冲蚀磨损,腐蚀磨损,微动磨损,磨损类型,按磨损机理分,按磨损表面外观可分为,点蚀磨损,胶合磨损,擦伤磨损,两种不同的称谓,磨损的机理：,磨粒磨
6、损也简称磨损，外部进入摩擦面间的游离硬颗 粒（如空气中的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的轮廓峰尖在软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微粒切削过程就叫磨粒磨损。,磨损的机理：,粘附磨损也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作 用的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。严重的粘附磨损会造成运动副咬死。,磨损的机理：,疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在 交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的机械磨损。点蚀过程：产生初始疲劳裂纹扩展
7、 微粒脱落，形成点蚀坑。,磨损的机理：,冲蚀磨损流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬 质颗粒冲击零件表面所引起的机械磨损。利 用高压空气输送型砂或高压水输送碎石时，管道内壁所产生的机械磨损是实例之一。,近年来，由于燃气涡轮机的叶片、火箭发动机的尾喷管这样一些部位的破坏，才引起人们对这种磨损形式的特别注意,磨损的机理：,腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作 用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。,磨损的机理：,微动磨损是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同形成的复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。,应用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承
8、套圈的配合面、旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面等。,一、润滑剂,作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。,分类,液体润滑剂-润滑油,半固体润滑剂-润滑脂,固体润滑剂,1.润滑油,矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应用最广。,种类：,气体润滑剂-空气,有机油-动、植物油,矿物油-石油产品，,化学合成油,3-3 润滑剂、添加剂和润滑方法,在轴承中，润滑油最重要的物理参数是粘度，它是选择润滑油的主要依据。粘度表征液体流动的内摩擦特性。,A、B两板之间充满了液体，B板静止，A板水平移动速度为v。由于液体与金属表面的吸附作用，A板表面的液体速度为v，而B板表面的液体速度为0。两板之间的速度
9、呈线性分布。,液体层与层之间摩擦切应力：,-流体中任意点处的切应力与该处的速度梯度成正比。,-液体的动力粘度，简称粘度,量纲：力时间/长度2,单位：N s/m2(Pa s)称为泊。,或厘泊：1P=1 dyn s/cm2,实验结果：,分析位置y处薄层的受力,粘度-重要指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀；,粘度的种类,动力粘度,运动粘度,条件粘度,1)动力粘度,-牛顿液体流动定律,1泊=100厘泊,工程中常用运动粘度：,单位：m2/s,称为斯St：cm2/s,或厘斯cSt：1St=100 cSt,2)运动粘度,3)条件粘度,指在一定条件下，利用某种规格的粘度计，通过测定润滑油穿过规定孔道的时间来进
10、行度量的粘度。,常用的有：,恩氏度（Et）-中国惯用,赛氏通用秒（SUS）-美国惯用,雷氏秒-英国惯用,运动粘度与条件粘度之间的换算关系：,润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如：牌号为L-AN10的油在40时的运动粘度大约为10 cSt。,润滑油的特性：,1）粘-温相关性,温度 t,压力p,但p 10 Mpa时可忽略。变化很小,粘-温图,L-TSA32,L-TSA32,L-TSA32,L-TSA32,选用原则：,1)载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；,2)载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油；,粘度值的大小不仅影响摩擦副的运动阻力，而且对润滑油膜的形成及承载能力具有决定性的作用。
11、,2）润滑性（油性）,润滑性是指润滑油中的分子与金属表面吸附形成一边界油膜，以减小摩擦和磨损。润滑性愈好，吸附能力愈强。对于那些低速重载或润滑不充分的场合，润滑性具有特别重要的意义。,3）极压性,润滑性能是润滑油中加入含硫、氯、磷的有机极性化合物之后，油中的极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能，它在重载、高速、高温条件下，可改善边界润滑性能。,4）闪点,润滑油在标准容器中加热所蒸发的油气，遇火焰即能发出闪光时的最低温度。是衡量油易燃性的指标。对于在高温下工作的机器，这是一个重要参数。一般要求工作温度比油的闪点低 3040。,5）凝点,润滑油在规定的条件下，不再自由流动时所达
12、到的最高温度。它是润滑油在低温下工作的一个重要指标，直接影响到机器在低温下的启动性能和磨损情况。,6）氧化稳定性,从化学意义上讲，润滑油是不活泼的。但当它们暴露在高温气体中时，也会发生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。这是一种胶状沉积物，不但腐蚀金属，而且加剧零件的磨损。,2.润滑脂,-润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。,优点：密封简单、不需要经常添加、不易流失；对速度和温度不敏感，适用范围广。,缺点：摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合。,润滑脂的种类：,钠基润滑脂,锂基润滑脂,铝基润滑脂,钙基润滑脂,分类,1)钙基润滑脂,这种润滑脂具有良好的抗水性，但耐热能力差
13、，工作温度不宜超过 5565。,2)钠基润滑脂,这种润滑脂具有较高的耐热性，但抗水性较差，工作温度可达 120。由于它能与少量水乳化，从而保护金属免遭腐蚀，比钙基脂有更好的防锈能力。,-工程上应用最广,3)锂基润滑脂,这种润滑脂既能抗水，又耐高温，而且有较好的机械按定型，是一种多用途的润滑值。工作温度不宜超过 145。,4)铝基润滑脂,这种润滑脂具有良好的抗水性，对金属表面有高的吸附能力，故可起到良好的防锈作用。,润滑脂的主要质量指标是：,2)滴点，决定工作温度。,1)锥入度，反映其稠度大小。,3.固体润滑剂,聚氟乙烯树脂,用于润滑油不能胜任工作的场合：高温、低速重载。,石墨,二流化钼（MoS
14、2）,-性能稳定、t 350 才开始氧化，可在水中工作。,-摩擦系数低，使用温度范围广(-60300)，但遇水性能下降。,-摩擦系数低，只有石墨的一半。,使用方式：,1.调和在润滑油中；,2.涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜；,3.混入金属或塑料粉末中烧结成型。,其应用日渐广泛,油性添加剂,种类,添加剂-为了改善润滑剂品质和性能而添加的物质。,二、添加剂,作用-提高油性、极压性、延长使用寿命、改善性能。,极压添加剂,分散净化剂,消泡添加剂,抗氧化添加剂,降凝剂,增粘剂,润滑油润滑在工程中的应用最普遍，其供油方式有：,三、润滑方法,润滑方式,人工给油；,油杯滴油；,浸油润滑、飞溅给油；,用油泵强制
15、润滑和冷却。,喷油润滑,滴油润滑,浸油润滑,飞溅润滑,针阀式油杯,旋盖式油杯 脂用,压注式油杯,弹簧盖油杯,四、润滑装置,1.油杯,2.油环,一、流体动力润滑,先分析平行板的情况。板B静止，板A以速度向左运动，板间充满润滑油，无载荷时，液体各层的速度呈三角形分布，近油量与处油量相等，板A不会下沉。但若板A有载荷时，油向两边挤出，板A逐渐下沉，直到与B板接触。,3-4 流体润滑原理简介,流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。,动压油膜-因运动而产生的压力油膜。,两平形板之间不能形成压力油膜！,如两板不平
16、行板。板间间隙呈沿运动方向由大到小呈收敛楔形分布，且板A有载荷，当板A运动时，两端速度若程虚线分布，则必然进油多而出油少。由于液体实际上是不可压缩的，必将在板内挤压而形成压力，迫使进油端的速度往内凹，而出油端的速度往外鼓。进油端间隙大而速度曲线内凹，出油端间隙小而速度曲线外凸，进出油量相等，同时间隙内形成的压力与外载荷平衡，板A不会下沉。这说明了在间隙内形成了压力油膜。这种因运动而产生的压力油膜称为动压油膜。各截面的速度图不一样，从凹三角形过渡到凸三角形，中间必有一个位置呈三角形分布。,形成动压油膜的必要条件：,1.两工件之间的间隙必须有楔形间隙；,2.两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液
17、体；,3.两工件表面必须有相对滑动速度。其运动芳方向必 须保证润滑油从大截面流进，从小截面出来。,Fy=F Fx 0,Fy=F Fx=0,应用实例-向心滑动轴承动压油膜的形成过程：,静止,爬升,将轴起抬转速继续升高,稳定运转达到工作转速,e-偏心距,二、弹性流体动力润滑,弹性流体动力润滑理论-研究在点、线接触条件下，两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质。,求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题,流体动力润滑理论的前提：,-适应于低副中两零件之间的润滑问题，,润滑剂粘度不随压力变化；,零件摩擦表面为刚体；,依靠润滑剂的粘附作用，两圆柱体相互滚动时将润滑剂带入间隙。由于接触压力较高使接触面发生局
18、部变形，接触面积增大，并形成了一个平行缝隙，在出油口处的接触面边缘出现了使间隙变小的突出部分，称为缩颈现象，此处形成了最小油膜厚度，出现了第二个峰值压力。,干摩擦接触,弹性流体动力润滑的机理：与干摩擦进行对比分析,工作原理：依靠供油装置，将高压油压入轴承间隙中，强制形成油膜。,特点：静压轴承载任何工况下都能胜任工作。,常用节流器,关键器件：节流器,节流器作用：根据外载荷的变化自动调节各油腔内的压力。,三、流体静力润滑,1)静压轴承,2)空气轴承,空气也是一种流体润滑剂，其粘度只有L-AN7润滑油的1/4000，摩擦力小到可忽略不计，因此可用于数十万转的超高速轴承。,空气轴承的工作原理与液体润滑轴承本质上是一样。分静压和动压两种。,气膜厚度-20 m,制造精度,严格过滤,优点：1)不随温度变化，可用于高温或低温；,2)没有油污染的危险；,3)回转精度高，运行噪音低。,缺点：承载能力不大，密封困难。,
