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1、第四章 摩擦、磨损及润滑概述,本章重点 摩擦的分类及弹性流体动力润滑的基本原理,摩擦的分类及机理 磨损的种类及过程 流体动力润滑的基本知识,本章难点 弹性流体动力润滑的基本原理,主要内容,内容提要：,本章主要内容是对摩擦学所研究的主要对象(即摩擦、磨损及润滑的基本问题)作简单扼要的介绍，重点在于阐述摩擦和磨损的分类和机理，形成油膜的动压和静压原理，以及弹性流体动力润滑的基本知识。,学习目标：,明确摩擦学所包含的主要内容、研究对象及发展摩擦学的重要经济价值。对于干摩擦、边界摩擦、混合摩擦、流体摩擦的机理和物理特征要有扼要的了解。初步了解磨损的一般规律及各种磨损的机理和物理特征。了解润滑的作用及润
2、滑剂的主要质量指标。掌握流体动力润滑的基本概念及楔形效应承载原理。,摩擦学（Tribology）,41 摩擦,一、摩擦的类型,(1)、摩擦：内摩擦、外摩擦、静摩擦、动摩擦。(2)、根据位移形式不同分：滑动摩擦、滚动摩擦。(3)、滑动摩擦根据摩擦面间存在润滑剂的情况分：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦、混合摩擦,边界摩擦、混合摩擦及流体摩擦都必须具备一定的润滑条件，所以，相应的润滑状态也常分别称为边界润滑、混合润滑及流体润滑。可以用膜厚比来大致估计两滑动表面所处的摩擦(润滑)状态，即,式中：hmin-两滑动粗糙表面间的最小公称油膜厚度，m；Ra1,Ra2-分别为两表面轮廓算术平均偏差，m。,膜厚比:,
3、当膜厚比l时，为边界摩擦(润滑)状态；当=l5时，为混合摩擦(润滑)状态；当5 时，为流体摩擦(润滑)状态。,1、干摩擦,(1)摩擦理论：,库仑公式,新理论：分子机械理论、能量理论、粘着理论,(2)简单粘着理论：,B：结点材料的 剪切强度极限sy：材料的压缩屈服极限,Ar:真实接触面积,摩擦副接触面积示意图,干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。此时产生较大的摩擦功耗和严重磨损,严禁出现.,1945年由鲍登(FPBowden)等人提出,18世纪提出,(3)修正粘附理论,真空中的洁净金属发生摩擦时，其摩擦系数要比常规环境里的摩擦系数大得多。鲍登等人于1964年又提出了一种更切
4、合实际的修正粘附理论。接触区同时有压 应力和切应力存在,在复合应力作用下，接触区出现了结点增长的现象。,当两金属界面被表面膜分隔开时,Bj为表面膜的剪切强度极限；当剪断发生在较软金属基体内时,Bj 为较软金属基体的剪切强度极限B；若表面膜局部破裂并出现金属粘附结点时，Bj将介于较软金属的剪切强度极限和表面膜的剪切强度极限之间。,2、边界摩擦（边界润滑）,当运动副的摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦称为边界摩擦.膜厚比l时.其摩擦系数通常约在0.1左右.,图:单层分子边界膜的摩擦模型,图:多层分子边界膜的,按边界膜形成机理，边界膜分为吸附膜(物理吸附膜
5、及化学吸附膜)和反应膜。,合理选择摩擦副材料和润滑剂，降低表面粗糙度值，在润滑剂中加入适量的油性添加剂和极压添加剂，都能提高边界膜强度。,二、摩擦的双重性：,4、流体摩擦（润滑）,3、混合摩擦（润滑）,当摩擦表面间处于边界摩擦与流体摩擦的混合状态时(膜厚比=l5)，称为混合摩擦。越大，油膜承载比大，f越小。,当摩擦面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓峰完全隔开(即5)时,即形成了完全的流体摩擦(或称全液体摩擦)。,摩擦系数极小(油润滑时约为0.0010.008)，而且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。,1.有利：带传动、自锁、汽车启动 2.有害：消耗能量、使零件磨损,42 磨损,一、典型的
6、磨损过程,1、磨合磨损过程,运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移，即形成磨损。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。,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。在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小,经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓,该段时间长短反映零件的寿命,3、急剧磨损阶段,2、稳定磨损阶段,经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大动载振动润滑状态改变温升磨损速度急剧上升直至零件失效,1.粘附磨损,二、磨损的类型,根据磨损机理来分
7、类:,当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处发生冷焊后，在相对滑动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成了粘附磨损。,降低磨粒磨损的措施：a.满足润滑条件 b.合理选材 c.提高表面光洁度d.加强防护密封装置,降低粘附磨损的措施：a.合理选择配对材料 b.采取表面处理 c.限温、限压 d.采取含油性极压添加剂,2.磨粒磨损,外部进入摩擦面间的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖在较软材料表面上进行微切削过程就叫磨粒磨损。,3.疲劳磨损,降低表面疲劳磨损的措施：,4.流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损,5.机械化学磨损,三、磨损的双重性,2.有害：可靠性降低、机器失效,1.有利：减小零件表面粗糙度、磨削、研磨,c
8、.加极压添加剂 d.提高表面光洁度,a.合理选材及其硬度 b.选择粘度高的润滑油,疲劳磨损是指由于摩擦表面材料微体积在重复变形时疲劳破坏而引起的机械磨损。,流体磨粒磨损是指由流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒作用引起的机械磨损。流体侵蚀磨损是指由液流或气流的冲蚀作用引起的机械磨损。,机械化学磨损是指由机械作用及材料与环境的化学作用或电化学作用共同引起的磨损。氧化磨损是最常见的机械化学磨损之一。,43 润滑,润滑的概念：,在摩擦副间加入润滑剂，减低摩擦、减轻磨损的措施。,润滑的作用：,1.减小摩擦，提高机械效率；2.减轻磨损，延长机械使用寿命;还有冷却、防尘、吸振、防锈、清洗作用。,一
9、、润滑剂及主要性能,润滑剂可分为气体、液体(油)、半固体(脂)和固体四种基本类型,1、润滑油,有机油、矿物油、合成油,性能指标：,1）粘度：油的流动阻力或指抵抗变形的能力。是润滑油最重要的性能之一.,2）油性：又叫润滑性，指润滑油中极性分子与金属表面形成物理吸附膜或化学吸附膜的润滑性能。,3）凝点：又叫流动点，润滑油开始失去流动性的最高温度。是低温下工作的润 滑油的重要指标。,4）闪点和燃点：指油在标准仪器中加热所蒸发出的油汽，遇火焰能发出闪光的最低温度。是高温工作油的重要指标（通常应使工作温度比油的闪点低3040。）.,5）极压性能：是油中加入含硫、氯、磷的有机极性化合物后，油中极性分子在金
10、属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能。,6)氧化稳定性:,2润滑脂(黄油或干油）,是润滑油与稠化剂（如钙、锂、钠的金属皂)的膏状混合物。,常用润滑脂主要种类:,(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，工作温度不宜超过5565C。,(2)钠基润滑脂,这种润滑脂有较高的耐热性，工作温度可达120，但抗水性差。由于它能与少量水乳化，从而保护金属免遭腐蚀，比钙基润滑脂有更好的防锈能力。,(3)锂基润滑脂,这种润滑脂既能抗水、耐高温(工作温度不宜高于145)，而且有较好的机械安定性，是一种多用途的润滑脂。,(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
11、，故可起到很好的防锈作用。,3）安定性,3、固体润滑剂,石墨、二硫化钼、氮化硼、蜡、聚氟乙烯、酚醛树脂,润滑脂的主要质量指标,1)锥(针)入度(或稠度),指一个重1.5N的标准锥体，于25恒温下，由润滑脂表面经5s刺入的深度(以 0.lmm计)。它标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。锥入度愈小表明润滑脂愈稠。,2)滴点,在规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度叫润滑脂的滴点。润滑脂的滴点决定了它的工作温度。润滑脂的工作温度至少应低于滴点20。,二、润滑油、润滑脂的添加剂,为了提高油的品质和使用性能，常加入某些分量虽少(从百分之几到百万分之几)但对润滑剂性能改善起巨大作
12、用的物质，这些物质称为添加剂。,3.添加剂的作用：,1.添加剂的概念：,1)提高润滑剂的油性、极压性和在极端工作条件下更有效的工作能力。2)推迟润滑剂的老化变质，延长其正常便用寿命。3)改善润滑剂的物理性能，如降低凝点、消除泡沫、提高粘度、改进其粘-温特性等。,有油性添加剂、极压添加剂、分散净化剂、消泡添加剂、抗氧化添加剂、降凝剂、增粘剂等。,2.添加剂的种类:,图 添加剂的作用,三、润滑方法,润滑油或润滑脂的供应方法在设计中是很重要的，尤其是油润滑时的供应方法与零件在工作时所处润滑状态有着密切的关系。,1油润滑,向摩擦表面施加润滑油的方法可分间歇式和连续式两种。,（2）滴油润滑,针阀油杯和油
13、芯油杯都可做到连续滴油润滑。,图：针阀式油杯,图：油芯油杯,手工用油壶或油枪向注油杯内注油，只能做到间歇润滑。,（1）手工定期润滑,(2)油环润滑,油环套在轴颈上，下部浸在油中。当轴颈转动时带动油环转动，将油带到轴颈表面进行润滑。,(3)飞溅润滑,利用转动件(例如齿轮)或曲轴的曲柄等将润滑油溅成油星以润滑轴承。,(4)压力循环润滑,用油泵进行压力供油润滑,可保证供油充分,能带走摩擦热以冷却轴承。这种润滑方法多用于高速、重载轴承或齿轮传动上。,2脂润滑,脂润滑只能间歇供应。加脂方式有人工加脂、脂杯加脂和集中润滑系统供脂，旋盖式油脂杯是应用得最广的脂润滑装置。,四、润滑方法选择,主要根据零件工作速
14、度、所受载荷和工作环境要求进行选择。同时注意集中与分散，间歇与连续，有无压力和循环要求等。,五、润滑油的粘度单位,粘度常用单位动力粘度、运动粘度、条件粘度（恩式粘度）等来表示，我国的石油产品常用运动粘度来表示。,牛顿粘性定律：,式中：流体单位面积上的剪切阻力,即切应力,流体沿垂直于运动方向（即沿图(平行板间液体的层流流动)中y轴方向或流体膜厚度方向）的速度梯度，式中的“-”号表示v随y的增大而减小；比例常数,即流体的动力粘度；,图：平行板间液体的层流流动,（1）动力粘度（绝对粘度）,牛顿在1687年提出了粘性液的摩擦定律（简称粘性定律）即在流体中任意点处的切应力均与该处流体的速度梯度成正比。若
15、用数学形式表示这一定律，即为：,摩擦学中把凡是服从这个粘性定律的流体都叫牛顿液体。,国际单位（SI）：Pas(帕秒）1Pas=1N s/m2绝对单位（C.G.S.制）：P(泊),Cp(厘泊)1P=100cP=0.1Pas,如图对于长、宽、高各为lm的液体，上、下平面发生lm/s相对滑动速度需要的切向力为lN时，该液体的动力粘度为lNs/,或lPas（帕秒）。,（2）运动粘度v,m2/s,工程中常用动力粘度与同温度下该液体密度的比值表示粘度,称为运动粘度,即:,St(斯)，百分之一St称为cSt(厘斯),单位：绝对单位（C.G.S.制）：,原国标GB443一64曾规定润滑油是按或50或l0O时运
16、动粘度中心值划分牌号。新国标GB443一84规定采用润滑油在40时的运动粘度中心值作为润滑油的新牌号。润滑油实际运动粘度应在中心粘度值的10%偏差以。常全损耗系统用油(机械油)的新、旧牌号对照见表4-1。,在规定温度下，从恩式粘度计流出200ml样品油所需时间与同体积蒸馏水在20 C时流出所需时间比值称为该液体的条件粘度。换算关系,（3）条件粘度（相对粘度）,我国常用恩氏度(Et)作为条件粘度单位。美国习惯用赛氏通用秒(SUS)，英国习惯用雷氏秒（R）作为条件粘度单位。,运动粘度与条件粘度可按下列关系进行换算(t指平均温度t时的运动粘度):,4、影响润滑油粘度的主要因素,（1）温度,润滑油的粘
17、度随着温度的升高而降低,（2）压力,P20MPa时，随PP,矿物油的粘-压关系，可用下列经验式表示：,几种常用润滑油的粘-温曲线 见图4-7。,式中：p润滑油在压力p时的动力粘度，Pas；0润滑油在,单位即为,/N。对于一般的矿物油，,Pa的压力下的动力粘度，Pas；,e自然对数的底，e=2.718；,润滑油的粘-压系数。当压力p的单位为Pa时，的,1）两滑动表面沿运动方向的间隙是由大 至小的形状;,根据摩擦面间油膜形成的原理，可把流体润滑分为流体动力润滑(利用摩擦面间的相对运动而自动形成承载油膜的润滑)及流体静力润滑(从外部将加压的油送入摩擦面间，强迫形成承载油膜的润滑)。,34流体润滑简介
18、,1 流体动力润滑,实现条件：,2）相对速度v足够大;,3)油楔中有足够的油量.,图(两相对运动夹板间油层中的速度分布和压力分布),两个作相对运动物体的摩擦表面，用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，称为流体动力润滑。,2、弹性流体动力润滑,图：弹性流体动力润滑时，接触区的弹 性变形、油膜厚度及压力分布,弹性流体动力润滑理论是研究在相互滚动或伴有滚动的滑动条件下，两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质。把计算在油膜压力下摩擦表面的变形的弹性方程、表述润滑剂粘度与压力间关系的粘压方程与流体动力润滑的主要方程结合起来，以求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题。,3、流体静力润滑,图：流体静力润滑系统示意图,流体静力润滑是靠液压泵(或其它压力流体源)将加压后的流体送入两摩擦表面之间，利用流体静压力来平衡外载荷。,
