摩擦磨损及润滑概述

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1、4-1 摩擦4-2 磨损4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法 4-4 流体润滑原理简介 4-0 概述第4章 机械零件设计概论 4-0 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 作 用 现 象 磨 损 由 于 摩 擦 而 造 成 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

2、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 。减 少 摩 擦 节 省 能 源 ；减 少 磨 损 降 低 设 备 维 修 次 数 和 费 用 ， 节 省 制 造零 件 及 其 所 需 材 料 的 费 用 。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

3、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 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

4、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 4-1 摩 擦 潘 存 云 教 授 研 制潘 存 云 教 授 研 制 潘 存 云 教 授 研 制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 。 2. 边 界 摩 擦三 、 滑 动 摩 擦 状 态 功 耗 磨 损 温 度 运 动 副 表 面 有 一 层 厚 度 1 m的 薄 油 膜 ，不 足 以 将

5、 两 金 属 表 面 完 全 分 开 ， 其 表 面 部 分 微观 高 峰 部 分 仍 将 相 互 剪 切 。比 干 摩 擦 的 磨 损 轻 ， f 0.1 0.3 v 有 一 层 压 力 油 膜 将 两 金 属 表 面 隔 开 ，彼 此 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 vvv 潘 存 云 教 授 研 制4. 混 合 摩 擦 v 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 ，

6、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 。 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 。 机 器 的 寿 命磨 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 磨 合 阶 段 磨 损 量 时 间剧 烈 磨损 阶 段 稳 定 磨 损 阶

7、 段 4-2 磨 损磨 损 过 程 大 致 如 图 所 示 ： 磨 合 阶 段 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

8、 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 损 疲 劳 磨 损 粘 附 磨 损 冲 蚀 磨 损 腐

9、 蚀 磨 损 微 动 磨 损 磨 损 类 型 ： 磨 粒 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 。 潘 存 云 教 授 研 制 磨 损 的 机 理 ： 磨 粒 磨 损 疲 劳 磨 损 粘

10、 附 磨 损 冲 蚀 磨 损 腐 蚀 磨 损 微 动 磨 损 磨 损 类 型 ： 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 。 潘 存 云 教 授 研 制 磨 损 的 机 理 ： 磨 粒 磨 损 疲 劳 磨 损 粘 附 磨 损 冲 蚀 磨 损 腐 蚀 磨 损 微 动 磨 损 磨 损

11、类 型 ： 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 微 粒 脱 落 ， 形 成 点 蚀 坑 。 潘 存 云 教 授 研 制 磨 损 的 机 理 ： 磨 粒 磨 损 疲 劳 磨 损 粘 附 磨 损 冲 蚀 磨 损 腐 蚀 磨 损 微 动 磨 损 磨 损 类 型 ： 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

12、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 ： 磨 粒 磨 损 疲 劳 磨 损 粘 附 磨 损 冲 蚀 磨 损 腐 蚀 磨 损 微 动 磨 损 磨 损 类 型 ： 腐 蚀 磨 损 当 摩 擦 表 面 材 料 在

13、 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 ： 磨 粒 磨 损 疲 劳 磨 损 粘 附 磨 损 冲 蚀 磨 损 腐 蚀 磨 损 微 动 磨 损 磨 损 类 型 ： 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

14、 承 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 4-3 润 滑 剂 、 添 加 剂 和 润 滑 方 法

15、潘 存 云 教 授 研 制A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 呈 线 性 分 布 。= dudy流 体 中 任 意 点 处 的 切 应 力 与 该 处 的 速 度 梯

16、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 为 Pa s， 称 为 泊 。 o xyydy du分 析 位 置 y处 薄 层 的 受 力 B粘 度 液 体 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 在 C.G.S制 中 称 为 斯 St： cm2 /s 或 厘 斯 cSt： 1St=10

17、0 cSt(2) 运 动 粘 度 潘 存 云 教 授 研 制表 4-1 常 用 润 滑 油 的 主 要 性 质 名 称全 损 耗系 统 用 油GB 443-89汽 轮 机 油GB 11120-89 代 号 40 的 粘 度/(mm2/s)L-AN7 6.127.48 -10 110凝 点 闪 点 (开 式 ) 用 于 高 速 低 负 荷 机 械 、精 密 机 床 、 纺 织 纱 锭 的润 滑 和 冷 却普 通 机 床 的 液 压 油 。用 于 一 般 滑 动 轴 承 、齿 轮 、 蜗 轮 的 润 滑用 于 重 型 机 床 导 轨 、矿 山 机 械 的 润 滑用 于 汽 轮 机 、 发 电 机

18、等高 速 高 负 荷 轴 承 和 各 种小 型 液 体 润 滑 轴 承L-AN100 90110 0 210L-AN10 9.011.0 -10 125L-AN15 13.516.5 -10 165L-AN32 28.832.2 -10 170L-AN46 41.450.6 -10 180L-AN68 61.274.8 -10 190L-TSA32 28.835.2 -7 180L-TSA46 41.450.6 主 要 用 途 (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

19、 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 Vt与 条 件 粘 度 Et之 间 的 换 算 关 系 ： cSt64.80.8=2.3 tttt EEVE 时 ，当 cSt14.7=2.16 tt EVEt 时 ，当 潘 存 云 教 授 研 制润 滑 油 的 特 性 ： (1)粘 温 相 关 性 温 度 t 压 力 p 但 p 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 )，

20、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 非 极 压 油 软 化 温 度 t/ 摩擦系数 f 含 脂 肪 酸 和 极 压 添 加 剂 的 油含 脂 肪酸 的 油含 极 压 添加 剂 的 油作 用 提 高 油 性 、 极

21、 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 潘 存 云 教 授 研 制 潘 存 云 教 授 研 制 潘 存 云 教 授 研 制 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 润 滑 和 冷 却 低 速 传 动高 速 传 动甩 油 环 喷 油 润 滑 油 泵 冷却器滴 油 润 滑 浸 油 润 滑 飞 溅 润 滑 潘

22、 存 云 教 授 研 制潘 存 云 教 授 研 制 潘 存 云 教 授 研 制针 阀式 油杯 旋 盖 式 油 杯 脂 用 潘 存 云 教 授 研 制压 注 式 油 杯油 芯 油 杯 四 、 润 滑 装 置 1. 油 杯 潘 存 云 教 授 研 制 潘 存 云 教 授 研 制 2. 油 环 潘 存 云 教 授 研 制 潘 存 云 教 授 研 制 潘 存 云 教 授 研 制 一 、 流 体 动 力 润 滑 FFF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

23、 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 。 v F 4-4 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 。 v v v h 1aah2cc两 平

24、 形 板 之 间 不 能 形 成 压 力 油 膜 ！ 如 两 板 不 平 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

25、 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 。 Fpm ax 潘 存 云 教 授 研 制F 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

26、件 表 面 之 间 必 须 连 续 充 满 润 滑 油 或 其 它 液 体 ；3.两 工 件 表 面 必 须 有 相 对 滑 动 速 度 。 其 运 动 方 向 必 须 保 证 润 滑 油 从 大 截 面 流 进 ， 从 小 截 面 流 出 来 。 F y =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 高质 心 左 移 稳 定 运 转 达 到 工 作 转 速e 偏 心 距 。 e 二 、 弹 性 流 体 动 力 润 滑 弹 性 流 体 动 力 润 滑 理 论 研 究 在 点

27、 、 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 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 流 体 动 力 润 滑 的 主 要 方 程流 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 潘 存 云 教 授 研 制潘 存 云

28、 教 授 研 制 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 。V 2V1 V1V2F V2赫 兹 接 触 区h minh 0 第 二 个 峰 值 压 力 弹 性 流 体 动

29、 力 润 滑 的 机 理 ： 与 干 摩 擦 进 行 对 比 分 析F干 摩 擦 接 触 赫 兹 接 触 区 潘 存 云 教 授 研 制 潘 存 云 教 授 研 制 潘 存 云 教 授 研 制节流器 节 流 器D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 承在 任 何 工 况 下 都能 胜 任 工 作 。 d0 d0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 。 油 台 起 密 封 作 用 三 、 流

30、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 20m 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 。