（机械设计及理论专业论文）ti蜗杆副材料及含纳米粒子润滑油摩擦学性能研究.pdf

中文摘要 材料副和润滑油相关摩擦学性能试验罨 究是蜗杼传动材料选择祁润滑油选 择的重要依据。本文针对t i 蜗秆传动从材料和润滑两个方面开展了摩擦学性能 试验磺究，主要研究内容如下： 针对t l 蜗轷传渤的啮合性能特点，研究了t i 蜗杆传动所需瓣材料副的特点 朝瓣润滑性能魄要求。 奁基础油润滑条件下，在摩擦蘑损试验机上进行了q s n 6 5 0 1 2 0 c r m n t i 、 q s n 6 5 0 1 - 3 5 c r m o 、4 5 - 2 0 c r m n t i 、4 5 3 5 c r m o 、4 0 c v 2 0 c r m f f r i 、4 0 c r 3 5 c r m o 、 2 0 c r m n 撕2 0 c r m n t i 、2 0 c r m n t i 3 5 c r m o 八对材辩尉摩擦学性能试验，对跑了它 们的摩擦系数、磨损量、表面粮糙度、表面形貌等性能，分析了卡才料副的磨损机 理。结果表骧4 0 c r - 2 0 c r m n t i 是较好的材料副组合，其有较好的抗摩减摩性，适 合硬齿西副t i 蜗轷传动。 为了探索廒用于硬齿磷副t i 蜗杆传动的新型润滑剂，分剐选用了铜、镣、 氧化镩、金剐石、氮化硅五种纳米粒子添加到蜗杆传动用基础油中，在摩擦磨损 试验机上，分剐对钢一铜副、镳一锻剽乖芎料辙了摩攘学牲戆试验，并与基础、酒的润 滑效果进行了对比。试验结果表明，纳米粒子在基勰酒中表现出良好豹抗磨减瘁 性，蕊且其效果受到纳米粒子种类、浓度、摩擦副材料等因素豹影桶。在含有纳 米铜粒子的基础油润滑条件下，材料副4 0 c r - 2 0 c r m n t i 的摩擦系数最小，磨损羹 也最少，磨损表面平整均匀。 开展了t i 蛹桴传动性能实验研究。分别以蜗秘传动罔基础、魂骝台有纳米锱 粒子的基础油作为两种试验用油，测试t i 蜗样减速机的机械效率。结巢表明蜗 卡下减速机在含有纳米锅粮子的油样润滑下梳械效率较高，从而进；步证实纳米粒 予具有较好的抗磨减摩性。 关键阂：蜗；l 干传动摩擦磨损纳米粒子润滑油疆齿巍酬 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h e t r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c eo fm a t e r i a lp a i r s a n d l u b r i c a t i n go i l i st h ei m p o r t a n tr e f e r e n c eo ft h ec h o i c eo ft h em a t e r i a l sa n dt h e l u b r i c a t i n go i lo ft h ew o r mg e a rd r i v e a i m i n ga tt h em e s h i n gp e r f o r m a n c eo ft i w o r md r i v e ，s t u d yo nt h et r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a l sa n dt h el u b r i c a t i n g o i li sp e r f o r m e d ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s a c c o r d i n gt ot h em e s h i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h et 1w o r md r i v e t h er e q u i r e d p e r f o r m a n c eo f m a t e r i a lp a i r sa n dt h el u b r i c a t i n go i la r ed i s c u s s e df o rt h et 1w o r m d r i v e u n d e rc o n d i t i o no ft h eb a s eo i ll u b r i c a t i n g ，t h ee x p e r i m e n t so ft h et r i b o l o g i c a l p e r f o r m a n c e o fs e v e r a lm a t e r i a l p a i r s i n c l u d i n gq s n 6 5 0 1 2 0 c r m n t i ， q s 秭，5 o 1 3 5 c f i 证o ，4 5 2 0 c r m n f i ，4 5 3 5 c r m o ，4 0 c r - 2 0 c r m n t i ，4 0 c r - 3 5 c r m o ， 2 0 c 拣仇t i 也o c r m n 蕊a n d2 0 c r m n t i - 3 5 c r m o a r ep e r f o r m e do nt h ew e a r t e s t e r , n l e t r i b o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha sf r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，a t t r i t i o nv a l u e ，s u r f a c er o u g h n e s s a n ds u r f a c et o p o g r a g h y , a r ec o m p a r e dr e s p e c t i v e l y t h em e c h a n i s mo ff r i c t i o na n d w e a l o fm a t e r i a lp a i r si sa n a l y s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea n t i w e a ra n da n t i f r i c t i o n p e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a lp a i r s4 0 c r - 2 0 c r m n t ii sb e t t e rt h a nt h ep e r f o r m a n c eo f o t h e r sa n dt h em a t e r i a lp a i r s4 0 c r - 2 0 c r m n t ii sf e a s i b l ef o rt h et 1w o r md r i v ew i t h h a r d e nt e e t h t od e v e l o pt h en e wl u b r i c a n tf o rt h et iw o r md r i v ew i t hh a r d e nt e e t h ，t h en a n o p a r t i c l e s ，s u c ha sc u ，n i ，z n o ，s i 3 n 4a n da d a m a s ，a r eu s e da sa d d i t i v ed i s p e r s e di nt h e b a s eo i lf o rt e s to nt h ew e a r - t e s t e r a n dt h et r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c eo ft h en a n o p a r t i c l e s i sm e a s u r e da m o n gt h ef r i c t i o np a i r so fs t e e l s t e e la n ds t e e l c o p p e r t h e r e s u l t so fi n v e s t i g a t i o ns h o wt h a tt h ea n t i w e a ra n da n t i f r i c t i o np e r f o r m a n c eo fb a s eo i l w i t hl l a n op a r t i c l e si sm o r ee x c e l l e n tt h a nt h es i n g l eb a s eo i l m o r e o v e r , t h ee f f e c ti s i n f l u e n c e db ys u c hf a c t o r sa st h et y p eo ft h en a n op a r t i c l e s ，i t st h i c k n e s si nt h eo i l ，t h e t o a dc a r r i e da n dt h em a t e r i a l so ft h ef r i c t i o np a i r s t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h e m a t e r i a lp a i r s4 0 c r - 2 0 c r m f l l li sm i n i m u mu n d e rl u b r i c a t i n gc o n d i t i o no fb a s eo i l w i t ht h ec un r n op a r t i c l e sa d d i t i v e 。a tt h es a m et i m e t h ew e a re x t e n to ft h ep i n4 0 c r i sa l s om i n i m u ma n dt h ew e a r i n gs u r f a c eo f t h ep i n4 0 c ri ss m o o t h f i n a l l y , t h et r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n to ft h et iw o r md r i v ep a i r si st a k e na sa p r o v i n gr e s e a r c h 孙em e c h a n i c a le 掇c i e n c yo ft h et 1 w o r md r i v er e d u c e ri s c o m p a r e du n d e rc o n d i t i o no ft h eb a s eo i la n dt h eb a s eo i lw i t ht h ec u n a n op a r t i c l e s 鑫sa d d i t i v e 。t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sp r e s e n tt h a tt h em e c h a n i c a le f f i c i e n c yi sh i g h e r w h e nt h et r a n s m i s s i o ni sl u b r i c a t e db yt h eo i lw i t ht h ec un a n op a r t i c l e s t h e d e m o n s t r a t i o ns h o w sf u r t h e rt h a tt h ea n t i w e a ra n da n t i f r i c t i o np e r f o r m a n c eo ft h e r l a n op a r t i c l e si ss u p e r i o rt ot h eb a s eo i l k e yw o r d s ：w o r md r i v e ，f r i c t i o na n dw e a r , n a n op a r t i c l e s ，l u b r i c a t i n go i l t h eh a r d e nt e e t hp a i r s 独创性声明 本人声明所篁交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注积致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，瑰不包含为获褥墨鲞盘茎或其能教育机构黔学位或诞 书纛使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中 作了弱确静说嘴并表示了谢意。 学位论文作者签名：歌新 签字日期： 期才年1 月7 争e | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基建盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授投基凄盘鲎可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据簿进行检 索，并采用影印、缩印或扫接等复制手段缣存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 肉国家有关部f 1 或机构送交论文的复e f 件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 歇薪 导师签名： 孙国吻 签字瞬期：为以牟7 月，午弱签字目期：钞9 眸，月，弘鞲 第一章绪论 1 1 蜗杆传动的发展 第一章绪论 蜗杆传动广泛应用于机械制造、交通运输、起重机械等方面，其传动比大、 工作平稳、结构紧凑等优点，在近代工业中发挥了重要的作用。 1 1 1 蜗杆传动的特点及主要失效形式 1 1 1 1 蜗杆传动的特点 蜗杆传动是一种常见的机械传动，它是用来传递两交错轴之间的动力和运动 的装置，属于齿轮传动的范畴。它具有以下特点【”1 ： 1 传动方面，蜗杆传动兼有螺旋传动和齿轮传动的特性，可以保证啮合的齿 数多，而且传动平稳、冲击小、噪音低，但是由于蜗轮和蜗杆共轭齿面间相对滑 动速度大，致使其摩擦损耗功率大、效率低，使蜗杆传动的反行程一般具有自锁 性。 2 结构方面，与齿轮传动相比，蜗杆传动能实现较大的传动比，机构的结 构比较紧凑、体积较小。 3 工艺方面，蜗杆传动一般采用对偶加工法，即加工蜗轮( 蜗杆) 时，刀具 和毛坯的啮合是蜗杆和蜗轮啮合过程的再现。 蜗杆传动的类型较多，根据蜗杆外形及蜗杆螺旋面形成的原理分类，可以分 成三类：圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动 3 1 。由于本文主要研究环面 蜗杆传动，故其它两类传动在此不再赘述。环面蜗杆按照齿面的形成原理不同， 又可分类如下： ，直廓环面蜗杆传动( t a 蜗杆) i， r r if 一次包络( p 蜗杆) 蠢j 平面包络环面蜗杆传动1 二次包络( t p 蜗杆)蜗o 一次包茎吾( i 啦呙币r 箨、广一次包络传if 一恹乜珀 动l 渐开线包络环面蜗杆传动( t i 蜗杆) 一 il 二次包络 l 锥面包络环面蜗杆传动( t k 蜗杆) 第一章鳍论 1 1 蜗杆传动的发展 第一毒绪论 蜗杆传动广泛应用于机械制造、交通运输、超重机械等方面，其传动比大、 工作平稳、结构紧凑等优点，在近代工业中发挥了重要的作用。 1 1 1 蜗杆传动的特点及主要失效形式 蜗杆传动是一种常见的机械传动，它是用来传递两交错轴之间的动力和运动 的装置，属于齿轮传动的范畴。它具有以下特点【”】： 1 传动方面，蜗杆传动兼有螺旋传动和齿轮传动的特眭，可以保证啮合的齿 数多，而且传动平稳、冲击小、噪音低，但是由于蜗轮和蜗杆共轭齿面阳j 相对滑 动速度大，致使其摩擦损耗功率大、效率低，使蜗杆传动的反行程傲具有自锁 2 结构方面，与齿轮传动相比，蜗卡t 传动能实现较大的传动比，机构的结 3 工艺方面，蜗杆传动一般采用对偶加工法，即加工蜗轮( 蜗杆) 时，刀具 蜗杆传动的类型较多，根据蜗杆外形及蜗杆螺旋面形成的原理分类，可以分 成三类：圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动r 3 。由于本文主要研究环面 蜗杆传动，故其它两类传动在此不再赘述。环面蜗杆按照齿面的形成原珲不同， 霾卜一动援黧= ，蜗jo 二扶乜鞲( i p 蜗币r ) 箨、广一次包络传i【一恹乜兰吾 il 二次包络 第一章绪论 1 1 1 2 蜗杆传动的主要失效形式 由于材料和齿形的原因，蜗杆的强度总高于蜗轮的轮齿强度，故蜗轮轮齿首 先失效。如图1 1 和1 2 是蜗轮轮齿齿面点蚀和胶合现象。 蜗杆传动在啮合面之间有很大的相对滑动，发热量较高故蜗杆传动的主要 失效形式是蜗轮齿面胶合、磨损、点蚀，以及轮齿的弯曲折断。 图1 1 蜗轮磨损后的胶合现象 图1 2 磨损后蜗轮齿面的点蚀现象 1 1 2tl 蜗杆传动的特点及其失效形式的判断 t i 蜗杆传动是在二十世纪七十年代初出现的一种蜗杆传动副，它是由渐开 第一章绪论 面斜齿轮和其共轭齿面“渐开面包络环面蜗杆”组成的一种交错轴传动方式。 和平面齿蜗轮一环面蜗杆传动一样，它同属于以蜗轮作为基本件的一次包络环面 蜗杆传动。它既具有环面蜗杆传动的特点，又有自身的特点f 4 j ： 1 t i 蜗杆传动是线接触，多齿对同时啮合，诱导法曲率小，因此具有承载 能力大、传动效率高的优点。 2 t i 蜗杆传动中的蜗轮是普通的渐开线斜齿轮，可以方便而精确的制造。 3 t i 蜗杆副在理论上能够实现磨削加工，这样可以采用硬齿面副传动，能 够节省大量贵重的有色金属，而且传动能力得到较大提高。 国内外学者对n 蜗杆传动的研究主要集中在理论分析、加工工艺和实验研 究等方面。我国的张希康、王树人、吴序堂、朱景梓、刘洪斌、段路茜 4 - 8 1 等在 理论分析方面做了大量有意义的研究工作。刘宗辅、殷李森、詹东安、毕庆贞p 。2 j 等在加工工艺方法方面作出了初步探索，取得了可喜的成果。德雷斯顿科技大学 1 1 3 】、郑州机械研究所1 1 4 】、朱景梓【6 】等在实验研究方面进行了卓有成效的工作，为 t i 蜗杆的研究和应用做出了贡献。 蜗杆传动用材料副如果采用钢钢副材料制造，这样的材料组合具有较强的 互溶性【7 4 】，传动中一旦摩擦表面间的润滑膜破裂，表面金属直接接触，蜗杆传动 本身相对滑动速度大，就会发生粘着现象，甚至胶合。由此可以推断，t i 蜗杆 传动的主要失效形式也可能是齿面粘者、胶合。 1 1 3 蜗杆传动用材料副的研究现状 在探索蜗杆传动材料副研究方面，主要着重于蜗轮材料，学者们已经进行了 一定的工作，概括起来，主要有以下几方面： 1 蜗轮常用铜合金制造，有时也用铸铁制造，蜗杆一般用合金钢或碳钢制 造这样从材质的配对上可以降低磨损和防止胶合。例如锡青铜是一种很好的耐 磨材料，广泛应用于制造高速、重负荷的蜗轮l l6 。”l 。 2 锌铝合金材料以其资源丰富，价格便宜，机械性能及耐磨性能好等优点， 也被选做蜗轮材料【1 8 “】。 3 随着制造技术和润滑技术的发展，使得蜗轮材料以钢代铜成为可能，这 样既降低了材料的成本，同时也提高了蜗杆副的传动性能瞄2 9 】。 尽管人们对蜗杆传动用材料进行了较多研究，但没有取得根本性的进展，基 本没有离开以铜制造蜗轮这个前提，而铜蜗轮传动存在以下几个基本问题【2 8 j ： 1 铜的强度与钢质材料相比较低。一般铜的许用接触应力 ob 一 2 7 0 n r a m 2 ；许用弯曲应力【ob 】9 0 n r a m 2 ，这大大限制了铜蜗轮的承载能力。 2 铜的价格昂贵且使用寿命短。铜材的价格一般相当于钢材价格的几倍或 第一攀绪论 十几倍；铜蜗轮强与蜗杆啮合时容易发生涂抹类型的粘瞽磨损，加之蜗杆齿丽突 峰对铜蜗轮软齿酾的“犁沟效应”使得铜蜗轮的磨损非常快，使用寿命短。 3 铜与钢的性能不同，铜蜗轮传渤中润滑油不能加入撩压型薅如荆，这就 捷缮锈娲轮在薅黢蘩、离速运转貔条件下鹣瘁掾力穰太，传动渥麦秀嘉。 1 1 4 蜗杆传动润滑油的研究现状 蜗杆传动滑动速度大，发热量高，具有与齿轮传动不同的特点，对于润滑油 也有特殊豹要求。蜗轮娲杼油广泛应髓予起重、轻纺及仪袭等 亍业豹娲轮蜗抒锩 麓装置，在簧统瓣瓣耱矮抒传羲中，滤涝涵懿静类、添热裁瓣往爵疆蟹蕊韵憝 性能都有一定的影响。 1 1 4 1 国外蜗轮蜗杆油发展概况 1 9 4 8 年美国石油学会( a p i ) 把蜗秆传动润滑油列入传动润滑油【3 0 - 3 1 。1 9 5 7 年 三菱、基蠢、共鄹、曳善、疆石、葵跣尔、壳簿、埃素、懑鬻等石渡公司梗继攒 缀螨轮蜗梧专孺裔潞漓。1 9 5 8 年鑫本瞵_ 翌厅公布了娲耔传动澜涛漶暂定标礁。 1 9 6 2 年美国制订了m i l l 1 5 0 1 9 c 军用舰格，规定用动物溯脂作润滑油中的添加 剂并规定了加入黩，此油称为复合油。同年还公布了m i l l - 1 8 4 8 6 规格，1 9 7 2 年对m i l l 1 8 4 8 6 规格进行了修订，增订了赫兹载荷必须大于4 0 的指标，并熙 名为m i l l - 1 8 4 8 6 b ( o s ) ，1 9 8 2 年又熬凝颁蠢了m i l l - 1 8 4 8 6 b ( o s i 援格。1 9 7 2 牮美国齿轮毒l 造纛徐会撵出的a g - m a 2 5 0 0 3 袈捂| 美及1 9 8 1 年提密的该麓蕊静 新版本a g i d a 2 5 0 0 4 规定适用于一般蜗轮蜗杆传动的润滑瀚为7 c o m p 、8 c o m p 、 8 a c o m p ，是含3 一1 0 的脂肪油或合成脂肪油调制的复合油。1 9 7 6 年原西德的 d n 5 1 5 0 9 标准“搿输润滑剂的选择”提出按持久强度设计的、经淬火处理工作 的蜗脊传动可选用禽特殊减磨活性裁瓣溺潜酒。 莺舔上簇彝予麓复合涵、投压鏊鬃轮瓣毒手洼、台或受舔翰蟋释潼懿及极瑟工 啦齿轮油。 以上情况说明国外的蜗杆传动润滑油从一般的含有脂肪油、合成脂肪油 泉 满足高滑动率传动的特点之外。还增加了综合磨损指数这项要求和一些特殊添 宓瑶裁的要求。国夕 娥格中还羁确援定了械等元素的含量，以避免对锶蜗轮的瘸蚀。 1 1 。4 2 莺| 毒蜗轮躺释涵静发震褫孺 我国对蜗杆传渤润滑油的研究始于1 9 7 7 年，那时的改进措施还只是提高油 的粘度，后来又进行了在基础油中加入动物脂肪、合成脂肪的研究1 2 9 - 3 0 j 。到了 8 0 年代初，沈阳化工厂和茂名石化公翊簿相继研制出了蜗轮蜗杆油。1 9 8 2 年兰 蛾练洼能工蔻厂裁订了“蟋轮蜒轷澹謦彳亍拣难一0 0 8 8 2 ”娥揍。淀强纯工厂黪台 第一章绪论 成蜗轮蜗杆油通过了沈阳市化工局鉴定。1 9 8 6 年茂名石化公司的蜗轮蜗杆油通 过了广东省石油化工厅的鉴定。1 9 9 1 年兰州炼油化工总厂负责起草提出蜗轮蜗 杆油的行业标准s h 0 0 9 4 9 1 ，并于1 9 9 2 年1 2 月开始实施。但该标准中没有台架 评定项目，中和值指标略高，抗氧化性能指标略低，未完全达到国际上具有代表 性的美军m i l l 一1 5 0 1 9 e 规格和m i l l 一1 8 4 8 6 b ( o s ) 规格。为此，原中石化总公司 在“八五”期间，组织国内六大炼油厂( 兰炼、上炼、茂名石化、大连石化、北 京燕山、大庆石化) 及郑州机械研究所进行联合攻关，研制出了具有国际水平的 蜗轮蜗杆油系列产品及其专用评定台架。目前上述炼油厂均生产普通型和极压型 蜗轮蜗杆油系列产品。 1 1 4 3 蜗轮蜗杆油的发展趋势 随着科学技术的发展，尤其是制造技术和润滑技术的发展，使得蜗轮蜗扦传 动材料研究有了很大的进展，钢蜗轮传动的实现尤其引人注意，它不仅实现了以 钢代替青铜，使其材料的成本显著降低，节约了贵重金屑，同时也提高了传动性 能。所以必须开发适合钢蜗轮用的蜗轮蜗杆油。 随着社会的发展和现代战争对油料的需求，蜗轮蜗秆油应向着通用化、规范 化、环保化的方向发展。通用化是军队油料部门面临的一个紧迫的问题，随着现 代战争对油料的要求，油品的简化已引起各部门的关注。对油料而言，通用化已 成为个总体的发展趋势。我国部份用油规范没有进行严格的划分，厂家推荐用 油时存在着混乱现象，现在我国正向国际标准化组织靠拢，原有标准正被新的标 准所代替，炼油厂也正逐渐以符合新标准的配方油代替老配方油，老配方油j 下逐 渐停止生产。因此，蜗轮蜗杆油也应向新的蜗轮蜗杆油规范靠拢。 近年来，许多学者致力于开发新型添加剂来替代传统添加剂。由文献 3 2 - 3 4 1 获悉，胶体硼酸盐、有机硼酸脂等硼系极压抗磨剂，就是新型高效多功能添加剂。 纳米微粒添加剂的应用研究也受到越来越多的重视，高永建，张治军【3 5 】等研 究了t i 0 2 纳米粒子的减摩抗磨性能、承载能力等，发现其综合摩擦学性能好于 传统的抗磨添加剂。 1 1 5t i 蜗杆传动材料选择与润滑油选择的特点 t i 蜗杆传动材料的选择与其本身的的啮合特点密切相关。t i 蜗杆传动时瞬 时接触线与相对速度的夹角接近直角，有利于形成润滑油膜，这使其本身就具有 优良的传动性能。t i 蜗杆副之一的蜗轮是普通的渐开线斜齿轮，很容易加工出 高精度的渐开面齿面还可以进行修形，能够用钢材料制造，因此t i 蜗杆副可以 实现硬齿面传动。 第一章绪论 但是，蜗杆传动的主要问题，例如齿面间相对滑动速度大、摩擦温升高、油 膜易破裂，使齿面发生粘着磨损，严重时啮合齿面产生胶合。 如果t i 蜗杆副采用钢一钢配对的硬齿面传动，除了t i 蜗杆传动具有良好的 润滑条件外，还需要解决材料和润滑问题。 硬齿面副蜗杆传动现在应用较广泛的材料主要有4 0 0 r 、4 0 c r n i 、3 7 s i m n 2 m o y 、 2 0 c r m n t i 等合金钢，齿面硬度范围一般要达到4 5 6 2 h r c 。 润滑油以及添加剂的选择要保证摩擦表面间具有一定承载能力的润滑油膜。 近年来，纳米粒子等新型添加剂的出现为蜗杆传动用润滑油提供了良好的选择。 1 2 摩擦学研究的概况 摩擦学是一个涉及物理化学、材料学、表面工程学、数学、机械学、力学、 热力学等学科的高度交叉综合的边缘学科【8 6 】。个有力的证据是在力学、金属材 料、非金属材料、机械学、机械工程等学部的国家自然科学发展调研报告中，都 涉及到摩擦学的内容。摩擦学研究的范围相当广泛，包括机械学、冶金学、力学、 物理学、化学等方面的内容。摩擦学研究的目标是采用润滑、材料设计等手段， 实现对摩擦和磨损的控制和利用。摩擦和磨损过程受到摩擦副材料、润滑剂、工 作参数、环境和工作历史等许多因素的影响，各因素间存在着复杂的耦合及相互 作用。摩擦学最突出的特征是摩擦磨损过程的耗散性和不可逆性。 1 2 1 摩擦学学科的形成与意义 众所周知，2 0 世纪6 0 年代英国的教育和科学部建立了一个以h p j o s t 为主 席的工作委员会。该委员会创造性地提出了“摩擦学”( t r i b o l o g y ) 这个术语，首次 确立了摩擦学的概念和这一学科的研究范围，把润滑、摩擦、磨损、接触力学有 机地统一起来了。这一创举提高了摩擦学整个学科的社会地位，使人们相信在工 程技术领域中，摩擦学确实是一个具有高度深远意义的学科。在1 9 6 6 年英国发表 的h p j o s t 的报告中明确指出了摩擦学是一门边缘学科，它是研究作相对运动 的相互作用表面及其有关理论和实践的一门科学和技术，是摩擦、磨损和润滑的 总称。随后，摩擦学作为一门独立学科，受到世界各国的关注，许多国家相继投 入大量人力、物力对摩擦学开展系统的研究和实践。近4 0 年来，摩擦学研究在理 论、试验和应用方面都有了较大的进展，己取得了惊人的经济和社会效益。究其 原因，一是摩擦现象在自然界中存在着普遍性、基础性和广泛性。二是该学科与 资源消耗问题的直接性和紧密性。在目前和可预见的未来的经济形势下，资源的 节约将越来越重要。因此，可以断言，在今后相当长的时期内，摩擦学研究仍将 持续成为人们所感兴趣和倾力的前沿学科1 8 “。 第一章绪论 l j2 2 蜗杆传动摩擦学研究现状 机械传动学和摩擦学是两个重要的学科方向，机械传动学自身的发展迫切需 要摩擦学。由于现代机械设备向大型化发展以及提高大型设备关键部件完整性、 可靠性的迫切要求，正确地设计和解决大功率传动装置的润滑及磨损寿命问题， 是降低能耗、延长使用寿命的重要基础和关键措施。 机械传动，尤其是齿轮传动的接触面不是单纯的曲面，而是必须考虑接触弹 性变形的三维空间的复杂共轭啮合曲面，另方面在齿轮( 或蜗轮蜗杆) 齿面 间的润滑状态正是润滑理论中最复杂、最困难的三维空间变曲率接触和非稳态弹 流问题。因此对传动副进行工作界面的润滑性能优化设计是复杂而困难的，必须 借助于摩擦学来研究。 蜗杆传动是一种重要的机械传动形式，它具有传动比大、结构紧凑等优点， 但是蜗杆副接触应力高，滑动摩擦速度大，润滑不良，蜗杼副易磨损，甚至胶合 失效，这些缺点都制约了蜗杆传动的应用。为此，蜗杆副的传动形式、蜗杆副材 料摩擦磨损性能、蜗杆副润滑方式、润滑机理、润滑剂的性质等方面的研究成为 蜗杆传动研究的重要课题之一。因此，应用摩擦学研究的成果和方法，开展蜗杆 传动摩擦学问题的研究，提高蜗杆副的传动效率和使用寿命，对于蜗杆副的设计、 制造和生产应用具有重要的实用价值。 1 - 2 3 含纳米粒子添加剂润滑油摩擦学研究现状 近年来，国内外学者在纳米粒子作润滑油添加剂方面进行了一系列的研究工 作 3 8 - 4 3 ，研究涉及纳米粒子的摩擦学特性、摩擦学机理以及用于此方面的纳米粒 子的制备和后处理，他们的研究表明纳米粒子作润滑油添加剂能明显提高基础油 的摩擦学性能，具有很好的开发应用前景，从而在摩擦学研究中丌辟了一个新的 前沿领域。 目前，被用作润滑油添加剂加以研究的纳米粒子主要有纳米单质粉体、纳米 氧化物、纳米氢氧化物、纳米硫化物、纳米硼酸盐、聚合物纳米微球以及纳米稀 土化合物等。 纳米单质粉体的摩擦学性能及机理研究纳米单质包括纳米金属、纳米金刚石 等粉体。沈明武m l 对金刚石纳米颗粒对薄膜润滑性能影响进行研究时发现，余刚 石纳米颗粒在摩擦过程中不断地分散和团聚，并呈现时间效应，同时由于纳米金 刚石在摩擦副间的“微滚动”效应，使摩擦力减小。 纳米氧化物及纳米氢氧化物的摩擦学性能及机理研究。z s h u a5 1 、陈爽 4 6 j 分别对f e 3 0 4 纳米粒子和p b o 纳米粒子作润滑油添加剂进行研究，结果表明，添 第一章绪论 加少量的纳米粒子即可明显提高基础油的承载能力及抗磨减摩能力。 纳米硫化物的摩擦学性能及机理研究。w e i m i nl i u 47 1 、s h u a n gc h e n 4 8 增对 d d p 修饰的纳米硫化锌和纳米硫化铅进行了研究，并对磨斑表面进行了x 一射线光 电子能谱分析，发现在摩擦表面生成了由z n s p b s ，z n o p b o ，f e s ，f e 3 0 4 ，s 0 4 2 和p 0 4 3 - 组成的边界膜，也就是说在摩擦表面生成了摩擦化学反应膜，所以提高 了基础油的摩擦学性能。 纳米硼酸盐的摩擦学性能及机理研究。z s h uf 4 9 】对相同条件下的纳米硼酸 盐、纳米氢氧化物、以及纳米氧化物的摩擦学性能进行了比较，发现纳米硼酸枯 的摩擦学性能优于纳米氢氧化物和纳米氧化物。 纳米稀土化合物的摩擦学性能及机理研究。q i us u n q i n g 5 们、j i n g f a n gz h o u 5 l 】 等对c e f 。、l a f ，纳米稀土氰化物作润滑油添加剂的摩擦学性能进行了研究，结果 表明添加少量纳米稀土氟化物的润滑油与基础油相比最大无卡咬载荷增加了8 5 ，摩擦系数至少降低了2 5 ，但纳米稀土氟化物不能有效地提高润滑油的抗 磨性能。 聚合物与无机复合纳米微球的摩擦学性能及机理研究。赵彦保【5 2 】采用原位种 子聚合法成功地制备了油酸p s t i 0 2 复合纳米微球，并对其摩擦学性能进行了研 究，结果表明，油酸p s t i 0 2 复合纳米微球能显著提高基础油的失效载荷。 粒子尺寸大小对摩擦学性能影响的研究。陈会荣【53 j 等在研究硫代钼酸镍粒子 尺寸大小对油品摩擦学性能影响时发现，粒子大小对其在油中的分散稳定性以及 油品的摩擦学性能有明显影响。 纳米微粒作为润滑油添加剂的几个研究方向： 1 纳米粒子的制备及其对磨损表面的修复功能。 2 解决纳米粒子在润滑剂中的稳定性分散问题。 3 并清纳米材料作为润滑添加剂的最佳粒度、浓度、温度、负荷、转速、与 其它添加剂的配伍及对基体材料的性能影响。 4 建立与纳米粒子研究相适应的实验室评价、检测手段。 1 3 纳米材料的研究及在摩擦学方面的应用 纳米材料又称超微颗粒材料 3 7 1 ，由纳米粒子组成。“纳米”是英文 n a n o m e t e r ( 可以写为n a n o ) 的译名，是一种度量单位，1 纳米为百万分之一毫米， 即1 毫微米，也就是1 0 9 米，约相当于4 5 个原子串起来那么长，原子的直径为 0 卜0 3n m 。纳米结构通常是指尺寸在1 0 0 纳米以下的微小结构。早在1 9 5 5 年， 著名物理学家、诺贝尔奖金获得者r e f e y n m a n 曾经提出这样的设想：如果对 嚣一举绪论 物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就能得到大量的异乎寻常的特 性。1 9 8 2 年，科学獬b i n n i n g 和r o h r e r 5 4 发布扫描隧道显微镜( s c 籼i n g t u n n e l i n g m i c r o s c o p y ，s t m ) 研制成功，促进了纳米科学的发展。1 9 9 0 年7 月第一膳 嚣舔n s t ( n a n o s c a l es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，繇续寒辩援) 会议在美霞曩尔 的摩召开，标志赣鳓米科技豁正式诞生。 1 3 1 纳米材料的结构性能 纳米材瓣大致搿分为纳来粉寒、缡涨纾维、纳米貘、绒米块钵等疆类。篡申 缡米粉末开发霹淹簸长、技术最为袋熬，跫生产英毽三爽产菇的墓穑。本实验皆 成用的纳米材料怒纳米粉末。由于纳米粒子尺寸小，这使得纳米体系的光、热、 电、磁等物理性质与常规材料不同，袋现出许多奇异的特性f 5 5 - 58 ： 1 表面效应。随着粒径减小，比表蕊积大大增加：粒径5 n m 时，表面的体积 分数为5 0 ：粒缎为2 n m 对，表面韵 奉积分数增加到8 0 。 2 。量子足寸效藏。随着鬏粒足寸懿豢变，在一定条 孛一f 会雩| 莛鬏粒夔矮豹袋 变。如特殊的力学悭质：呈纳米晶粒的氽属要比传统的糨黼粒金属硬3 - - 5 待。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能簿 方面。 3 宏观量子隧邋效应。微观粒子凝霄贯穿势垒的能力称为隧道效应。 1 3 2 纳米材料的制备 纳米粒子的制餐方法有多种 5 9 1 ，例如物理法、化学法、综合法等。 1 物理方法：真空冷凝法、机械粉碎法、离子溅射洮、冷冻干燥法。 2 。化学方法：气靼 宅学爱应法、沉淀法、承热合成法、喷雾热艇法、溶驳 一凝胶法。 3 综合方法：激光诱导气相化学反应法、等离子体拥强气相化学反应法、 y 射线辐射法、电子辐射法。 1 3 。3 纳米材料的应用 当今联接懿发袋要求材辩懿超徽纯、彗l 佬、元 孛静藤集成、高密度存镶帮 超快传输等特性为纳米科技和纳米材料的应用6 0 提供了，“”阔的空间。 1 纳米电子学、光电子学和磁学领域的应用。研制出浙材料取代硅，采用蛋 自质二极管，纳米碳管作引线和分子电线。2 0 0 1 年7 月，荷兰研究人员制遗出 在童滠下能有效工作熬单电子纳米碳蛰鼹体管。由于它低糕能的特点，将或为分 第一章绪论 子计算机的理想材料【6 ”。利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应研制的读出磁头将 磁盘记录密度提高3 0 多倍。瑞士苏黎世的研究人员制备了c u 、c o 交替填充的 纳米丝利用其巨磁电阻效应制备出超微磁场传感器。 2 纳米医学和生物学领域的应用。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、 红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有： 利用纳米s i 0 2 微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米会( a u ) 粒子的 细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。 各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快 速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血 管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。 3 在国防科技上的应用。纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例 如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系：对化学、生物、核 武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳 米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用 一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角 落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。 4 纳米陶瓷的广泛应用。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一【6 ，纳米 陶瓷具有类似于金属的超塑性。例如，纳米氟化钙和纳米氧化钛陶瓷在室温下即 可发生塑性形变，1 8 0 时，塑性形变可达1 0 0 。存在预制裂纹的试样在1 8 0 。c 下弯曲时，也不发生裂纹扩展 3 2 - 6 4 1 。目前，纳米陶瓷粉体的制备较为成熟，新工 艺和新方法不断出现，已具备了生产规模。美国宾州大学陈一苇教授【6 副利用无压 烧结制备平均粒径为6 0 n m 的致密y 2 0 3 块体材料，为发展纳米陶瓷带来新的希 望。 5 纳米材料在石油化工中的应用。纳米材料目前在油品中的应用主要集中在 部分油品的添加剂上。由于纳米粒子具有比表面积大、高扩散性、熔点低等特性， 因此以纳米粒子为基础制备的新型润滑材料广泛应用于摩擦领域中【6 。 5 纳米科技在其它领域的应用。纳米颗粒的表面反应活性高、催化效率高、 吸附能力强的优异性质使其在化工催化方面有着重要的应用。在分子组装方面， 美国贝尔实验室的科学家利用有机分子硫醇的自组装技术制备直径为1 2 n m 的 单层的场效应晶体管，这种单层纳米晶体管的制备是研制分子尺度电子器件重要 的一步【6 7 1 。 1 3 4 纳米材料在摩擦学方面的应用 2 0 世纪8 0 年代末期在国际上兴起的纳米摩擦学研究，在一定意义上说是本 第一掌绪论 学科发展的必然越辫。摩擦学就其性质而言属于表面科举范畴，其研究对象鼹发 生在摩擦表面和界面上的微观的动态行为与变化，而摩擦j 过程中材料表面所寝现 的宏鼹特性与其藤予、分子结构密切棚关。纳米摩擦学磷究提供了一静新的撩维 方法窝疆变摸式，麓获暴子、分子足溲羯示摩擦塞豢与澜渗裰逢，建立耪攀喜镦翳 结梅与宏斑特性之滴的构性关系和定鬃准则，因此更加符合摩擦学的研究溉律。 美国著名摩擦学学者w i n t e r 教授予1 9 8 9 年在欧洲摩擦学国际学术会议 ( e u r o t r i b 8 9 ) 上所作的题为“摩擦学未来趋势”特邀报告中指出：摩擦学术来 大有翦途的发展怒被称为微观的或原予尺菠的摩擦学。荚翻机械工程师学会主艨 d o w s o n 教援奁t 9 9 2 年第1 9 蓬l e e d s ，l y o n 痒攘学国琢羲舞港会主题季翼告中，憨绥 8 0 年代颤来摩擦学研究的重大进震辩，其中就毽括弹流濑滑理论与实验研究健 使润滑油膜厚度幽微米扩展到纳米爨缎。 纳米摩擦学( n a n ot r i b o l o g y ) 或称微观摩擦学( m i c r ot r i b o l o g y ) 或分子摩擦 举( m o l e c u l a rt r i b o l o g y ) ，它是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损 臻及其怼蒙。圭蘩磷究内容包括纳寒薄貘懑潺窥擞鼹瘁攘黪撰瓤理，戳及表嚣鞠 弊蘑分子工程，帮遴过材精表蘧镦璐敬经或分子涂层，袋密建立有序分子艨豹润 滑状态，以获褥优异的减摩耐磨性能。 纳米摩擦学税学科基础、研究方法、实验测试设备和理论分析手段等方丽都 与宏观摩擦学研究肖很太差别。纳米麟擦学是由原子、分子结构出发，考察纳浓 尺度豹表嚣和界瑟分予爱瘴攘学萼亍为，菸理论基磁是表露物理帮表耍纯学，鬃爝 静理论分裾手段主簧莛计算税动力学穰钕，实验溅试仪器憝各类挡摇探锌委徽镶 以及专门的微型嶷验装置。 纳米摩擦学研究有着广泛的应用附景。随着精密机械和高科技设备的发展， 其摩擦副间隙或涡特膜厚度通常处于纳米范围，特另1 5 是纳米科学技术所推动的新 兴学科，铡如纳米魄予学、霸米生物学粒微观机械的发展，都要求开震纳张摩擦 学研究。 虽然纳米摩擦举的发展在理论和应用研究方面都取得麓犬进展，有些研究成 柴还直接应用于实际，推动了现代科举技术的发展。然而，出于纳米摩擦学研究 涉及到摩擦界面的微观动态过程，在联论分析和实验研究上都存在很大困难。实 验测试技术还需爱避一步完善，使之鬟糖翔实豹反映实鼯工援。特别需要建立微 蹒瘴攘学臻象懿携疆模鍪秘定量分毒嚣方法，发震赣懿理论诗粪方法。 随着纳米材料和纳米摩擦学的不断发展，近年来国内外学者在开发优异的抗 磨减摩和抗极压性能的添加剂的过程中，注意到了纳米村料摩擦学性能，并对其 进行了一系列的研究。俄罗斯科学家利用纳米金刚石作润滑油添加剂生产了牌号 为n 5 0 a 磨合澜游潮，专f j 瘸于内燃机憋瘗合，该晶可馊爨合时间缩短5 0 9 0 ， 第一章绪论 同时可提高磨合质量，节约燃料，延长发动机寿命。我国的王尔德用纳米石墨粉 作添加剂合成了高级润滑油，并申请了发明专利。 1 4 论文主要工作内容 t i 蜗杆传动中的蜗轮是普通的渐开线斜齿圆柱齿轮，而蜗杆在理论上可以 实现磨削加工，从而能够实现钢钢副硬齿面传动。但是，考虑到任何蜗杆传动 都存在较大的相对滑动速度，易造成啮合面温度升高，润滑油膜破裂，导致齿面 粘着磨损甚至胶合现象产生。为解决蜗杆副硬齿面传动中易出现的胶合现象，同 时也为了提高t i 蜗杆传