第4章机械零件摩擦

1、第第4 4章章 机械零件的摩擦、磨损、润滑及密封机械零件的摩擦、磨损、润滑及密封 4.1 摩擦摩擦 4.2 磨损磨损 4.3 润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂 4.4 润滑方式润滑方式 4.5 流体润滑原理及方法流体润滑原理及方法 4.6 密封装置密封装置 润滑润滑：在摩擦面内加入物质使两表面分开，以减速小摩擦、：在摩擦面内加入物质使两表面分开，以减速小摩擦、 磨损的方法称为润滑。磨损的方法称为润滑。 摩擦是现象，磨损是结果，润滑是改善摩擦、磨损的摩擦是现象，磨损是结果，润滑是改善摩擦、磨损的 手段。手段。 摩擦摩擦是自然界最普遍的现象之一。世界能源的是自然界最普遍的现象之一。世界能源的1/31/

2、31/21/2消消 耗在各种形式的摩擦中，机械中的零件因磨损报废，耗在各种形式的摩擦中，机械中的零件因磨损报废， 给社会生产造成极大的浪费；摩擦也有有利的一面，如：给社会生产造成极大的浪费；摩擦也有有利的一面，如： 汽车行驶、飞机着陆、刹车、机械夹具、带传动、摩擦轮汽车行驶、飞机着陆、刹车、机械夹具、带传动、摩擦轮 传动、无级变速器等等。传动、无级变速器等等。 磨损磨损：摩擦导能量损耗或摩擦表面物质的流失或转移即磨损。：摩擦导能量损耗或摩擦表面物质的流失或转移即磨损。 摩擦学：摩擦学：研究摩擦、磨损与润滑的科学和技术的统称。研究摩擦、磨损与润滑的科学和技术的统称。 第第4 4章章 机械零件的摩

3、擦、磨损、润滑及密封机械零件的摩擦、磨损、润滑及密封 4.14.1 摩摩 擦擦 摩擦摩擦 内摩擦内摩擦发生在物质内部的阻碍分子运动的摩擦。发生在物质内部的阻碍分子运动的摩擦。 （分子之间）（分子之间） 外摩擦外摩擦接触的两个物体发生相对滑动或滑动趋势接触的两个物体发生相对滑动或滑动趋势 时，在接触表面产生的阻碍相对滑动的摩擦。时，在接触表面产生的阻碍相对滑动的摩擦。 （运动物体之间（运动物体之间) ) 摩擦摩擦 静摩擦：只有滑动趋势的摩擦。静摩擦：只有滑动趋势的摩擦。 动摩擦动摩擦 滚动摩擦滚动摩擦 滑动摩擦滑动摩擦 干摩擦干摩擦 边界摩擦边界摩擦 混合磨擦混合磨擦 流体摩擦流体摩擦 一、四种

4、摩擦状态一、四种摩擦状态 1 1、干摩擦、干摩擦 两个接触表面无润滑剂，直接触，两个接触表面无润滑剂，直接触， 此时摩擦称为干摩擦。其理论主要有此时摩擦称为干摩擦。其理论主要有 分子分子-机械理论、粘着理论。机械理论、粘着理论。 粘着力粘着力Fa：两金属表面间互相粘着的凸峰剪断力。：两金属表面间互相粘着的凸峰剪断力。 犁刨力犁刨力Fm：较硬的凸峰在较软的凸峰的犁刨作用：较硬的凸峰在较软的凸峰的犁刨作用。 因此，摩擦力为：因此，摩擦力为： )(manmanffFFFfFF 干摩擦特点：摩擦系数一般在干摩擦特点：摩擦系数一般在f=0.1数量级，阻力大、数量级，阻力大、 磨损重、发热高、易胶合、寿命

5、短。磨损重、发热高、易胶合、寿命短。 4.14.1 摩摩 擦擦 2、边界摩擦：、边界摩擦： 两金属表面间由于润滑油与金属表面的吸附作用，两金属表面间由于润滑油与金属表面的吸附作用， 在金属表面形成极薄的油膜（边界膜）将金属表面隔在金属表面形成极薄的油膜（边界膜）将金属表面隔 开，但高峰部分仍将相互搓削，此时的摩擦称为边界开，但高峰部分仍将相互搓削，此时的摩擦称为边界 摩擦。摩擦。 摩擦系数一般在摩擦系数一般在 f边 边=10-2 数量级，边界膜厚度 数量级，边界膜厚度1微米。微米。 4.14.1 摩摩 擦擦 3、流体摩擦、流体摩擦 当两金属表面完全被液体隔开，只有液当两金属表面完全被液体隔开，

6、只有液 体间的摩擦。此时摩擦只发生在流体内部，体间的摩擦。此时摩擦只发生在流体内部， 摩擦系数很小，摩擦系数一般在摩擦系数很小，摩擦系数一般在f流流=10-3 数量级数量级 4.14.1 摩摩 擦擦 边界膜边界膜 物理吸附膜：润滑剂中的脂肪酸极性分子在金属表面物理吸附膜：润滑剂中的脂肪酸极性分子在金属表面 分子的吸引力作用下吸附在金属表面分子的吸引力作用下吸附在金属表面 上而形成的膜。上而形成的膜。 化学吸附膜：润滑剂中分子受化学键力的作用而贴附化学吸附膜：润滑剂中分子受化学键力的作用而贴附 在金属表面所形成的吸附膜。在金属表面所形成的吸附膜。 化学反应膜：润滑剂中含有以原子形式存在的硫、磷、

7、化学反应膜：润滑剂中含有以原子形式存在的硫、磷、 氯时，高温下这些元素与金属起化学反氯时，高温下这些元素与金属起化学反 应，在金属表面开成应，在金属表面开成S、P、Cl化合物所化合物所 形成的膜。形成的膜。 4、混合摩擦、混合摩擦 二、摩擦特性曲线二、摩擦特性曲线 边界摩擦 混合摩擦 流体摩擦 动力粘度 p平均压强 n轴速 临界点 轴承特性系数 摩擦面间同时存在着边界摩擦和流体摩擦的混合状态。一般摩擦面间同时存在着边界摩擦和流体摩擦的混合状态。一般 摩擦系数为摩擦系数为f混 混=0.01-0.001数量级。 数量级。 滑动摩擦的摩擦状态大致可以用膜厚比滑动摩擦的摩擦状态大致可以用膜厚比 估计。

8、估计。 为边界摩擦为边界摩擦 状态；状态； 为混合摩擦状态；为混合摩擦状态； 为流体摩擦状态。为流体摩擦状态。 21 min aa RR h 1 515 左图为摩擦特性曲线，无量纲左图为摩擦特性曲线，无量纲 称为称为 轴承特性数。随着轴承特性数。随着 的不同，摩擦副分的不同，摩擦副分 别处于边界摩擦、混合摩擦和流体摩擦状态。别处于边界摩擦、混合摩擦和流体摩擦状态。 p n p n 4.14.1 摩摩 擦擦 4.2 磨磨 损损 一、磨损过程一、磨损过程 磨损大致分为三个阶段：磨损大致分为三个阶段： 磨损量磨损量 磨合阶段磨合阶段稳定磨损阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段 1、磨合阶段、磨合

9、阶段 2、稳定磨损阶段、稳定磨损阶段 3、剧烈磨损阶段、剧烈磨损阶段 二、磨损种类二、磨损种类 按磨损机理分为以下几种：按磨损机理分为以下几种： 1、粘附磨损（胶合磨损）、粘附磨损（胶合磨损） 2、疲劳磨损（点蚀）、疲劳磨损（点蚀） 3、磨粒磨损、磨粒磨损 这是最常见的磨损形式，占总磨损数的这是最常见的磨损形式，占总磨损数的50%。 4.2 磨磨 损损 4、腐蚀磨损、腐蚀磨损 在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学 反应的磨损。反应的磨损。 5、流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损（冲蚀磨损）、流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损（冲蚀磨损） 流体磨粒磨损流体磨粒

10、磨损 是指由流动的液体或气流中所夹带的硬质颗粒作用是指由流动的液体或气流中所夹带的硬质颗粒作用 引起的机械磨损。引起的机械磨损。 侵蚀磨损（冲蚀磨损）侵蚀磨损（冲蚀磨损） 由液流或气流的冲蚀作用引的机械磨损。由液流或气流的冲蚀作用引的机械磨损。 、微动磨损、微动磨损 4.2 磨磨 损损 4.3 润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂 一、润滑剂的作用一、润滑剂的作用 降低摩擦，减轻磨损，保护零件不受锈蚀，循环润滑降低摩擦，减轻磨损，保护零件不受锈蚀，循环润滑 油还能起到散热作用。因此，润滑油膜还具有缓冲、吸振油还能起到散热作用。因此，润滑油膜还具有缓冲、吸振 作用。使用膏状的润滑脂，起到密封作用（即可以

11、防止内作用。使用膏状的润滑脂，起到密封作用（即可以防止内 部的润滑剂外泄，以可阻止外部杂质侵入）。部的润滑剂外泄，以可阻止外部杂质侵入）。 二、润滑剂二、润滑剂 润滑剂润滑剂 气体润滑剂气体润滑剂 液体润滑剂液体润滑剂 固体润滑剂固体润滑剂 半固体润滑剂半固体润滑剂 润滑油润滑油 机油：动物油、植物油机油：动物油、植物油 矿物油：来源充足、价格低廉、用途广。矿物油：来源充足、价格低廉、用途广。 化学合成油化学合成油 1、润滑油、润滑油 评定指标评定指标 1）粘度）粘度： 动力粘度动力粘度： 油呈层流分布，层与层之间油呈层流分布，层与层之间 的摩擦剪应力的摩擦剪应力应满足如下关系：应满足如下关系

12、： y v 此式称为牛顿液体流动定律。此式称为牛顿液体流动定律。 比例常数，即：流体动力粘度。表征液体内摩擦阻力大小。比例常数，即：流体动力粘度。表征液体内摩擦阻力大小。 单单 位：国际单位：位：国际单位： Pa.s（帕（帕.秒）秒） 绝对单位：绝对单位： 称为称为1P（泊）（泊） P=0.1Pa.s=100cP(厘泊厘泊) 4.3 润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂 运动粘度运动粘度 sm mkg sPa / )/( )( 2 3 单单 位：位：St（斯）。（斯）。 换算关系：换算关系：1St=1cm2/s=100cSt=10-4m2/s 1cSt=1mm2/s 注：根据国家标准注：根据国家标准G

13、B443-84规定，润滑油在规定，润滑油在40的运动粘度中心的运动粘度中心 值作为润滑的牌号。值作为润滑的牌号。 例如：牌号例如：牌号L-AN5润滑，在润滑，在40时其运时其运 动粘度为动粘度为5.06cSt. 条件粘度条件粘度 是在一定条件下，利用某种规格的粘度计，通过测定润滑穿过是在一定条件下，利用某种规格的粘度计，通过测定润滑穿过 规定孔道的时间来进行计量的粘度。规定孔道的时间来进行计量的粘度。 单位：恩氏度（单位：恩氏度（Et）我国我国 常用恩氏度（常用恩氏度（Et）作为条件粘度单位，美国习惯用赛氏通用秒）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（），英国习

14、惯用雷氏秒（R）作为条件粘度单位。）作为条件粘度单位。 4.3 润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂 动力粘度动力粘度 ：主要用于流体动力计算。：主要用于流体动力计算。Pas 运动粘度运动粘度 ：使用中便于测量。：使用中便于测量。m2/s 粘度与温度的关系：温度粘度与温度的关系：温度粘度粘度 粘度与压力的关系：压力粘度与压力的关系：压力粘度粘度， 2)润滑性（油性）润滑性（油性） 润滑性是指润滑油中极性分子与金属表面吸附形成一层边界油润滑性是指润滑油中极性分子与金属表面吸附形成一层边界油 膜，以减小摩擦和磨损损性能。膜，以减小摩擦和磨损损性能。 适用于低速、重载或润滑不充分的场合。适用于低速、重载或润

15、滑不充分的场合。 物理膜物理膜 3）极压性）极压性 极压性能是润滑油中加入硫、氯、磷的有机极性化合物事，油极压性能是润滑油中加入硫、氯、磷的有机极性化合物事，油 中极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜。中极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜。 （化学膜）（化学膜） 4.3 润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂 一是流体的密度随压力增高而加大，不过对于所有的润滑油来说，压力在一是流体的密度随压力增高而加大，不过对于所有的润滑油来说，压力在 100MPa以下时每增加以下时每增加20MPa的压力，油的密度增加约的压力，油的密度增加约1，因此在实际润滑，因此在实际润滑 条件下这个影

16、响可以不予考虑。条件下这个影响可以不予考虑。 另一是压力对流体粘度的影响，这只有在压力超过另一是压力对流体粘度的影响，这只有在压力超过20 MPa时，粘度才随压时，粘度才随压 力的增高而加大，高压时则更为显著。力的增高而加大，高压时则更为显著。 4）闪点）闪点 油在标准仪器中加热蒸发出的油汽，一遇火焰即能发出闪油在标准仪器中加热蒸发出的油汽，一遇火焰即能发出闪 光时的最低温度，称为油的闪点。光时的最低温度，称为油的闪点。 闪点是衡量油的易燃性。闪点是衡量油的易燃性。 通常使油的工作温度比油的闪点低通常使油的工作温度比油的闪点低3040 5）凝点）凝点 指润滑油在规定的条件下，不能再自由流动时所

17、达到的最指润滑油在规定的条件下，不能再自由流动时所达到的最 高温度。是低温工作机器的重要指标。高温度。是低温工作机器的重要指标。 6）氧化稳定性）氧化稳定性 在高温气体中，油发生氧化生成硫、氯、磷的酸性化合物，在高温气体中，油发生氧化生成硫、氯、磷的酸性化合物， 这种物质腐蚀金属，加剧金属的磨损。这种物质腐蚀金属，加剧金属的磨损。 4.3 润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂 2润滑脂润滑脂 润滑脂润滑脂=润滑油润滑油+稠化剂（如钙、锂、钠的金属皂）稠化剂（如钙、锂、钠的金属皂） 分类：分类： 钙基润滑脂：良好抗水性、但耐热能力差，工钙基润滑脂：良好抗水性、但耐热能力差，工 作温度不宜超过作温度不宜超

18、过5565 。 钠基润滑脂：良好耐热性（工作温度可达钠基润滑脂：良好耐热性（工作温度可达120 。），抗水性差。比钙基润滑。），抗水性差。比钙基润滑 脂防锈能力强。脂防锈能力强。 锂基润滑脂：能抗水，耐高温（不高于锂基润滑脂：能抗水，耐高温（不高于145 。），是一种多用途润滑剂。），是一种多用途润滑剂。 铝基润滑剂：良好抗水性，对多属表面有吸附铝基润滑剂：良好抗水性，对多属表面有吸附 作用，很好的防锈功能。作用，很好的防锈功能。 润滑脂：润滑脂是由润滑油加上稠化剂组成，是膏状物，不润滑脂：润滑脂是由润滑油加上稠化剂组成，是膏状物，不 易流动，可保持在摩擦表面上。它由一种易流动，可保持在摩擦表

19、面上。它由一种(或几种或几种)润滑油和润滑油和 一种一种(或几种或几种)稠化剂调合成具有可塑性的油膏。稠化剂调合成具有可塑性的油膏。 4.3 润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂 主要性能指标：主要性能指标： 1）锥入度（稠度）锥入度（稠度） 重重1.5N的标准锥体，于的标准锥体，于25恒温下，由润滑脂表面经恒温下，由润滑脂表面经 5s后刺入的深度。后刺入的深度。 它标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。它标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。 2）滴点）滴点 在规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口滴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。下第一滴时的

20、温度叫润滑脂的滴点。 滴点决了润滑油的工作温度。滴点决了润滑油的工作温度。 4.3 润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂 三、添加剂三、添加剂 有时为了改善某些性能还加入一些添加剂，添加剂可以改有时为了改善某些性能还加入一些添加剂，添加剂可以改 变润滑剂的各种性能，起到提高承载能力、降低摩擦和减少变润滑剂的各种性能，起到提高承载能力、降低摩擦和减少 磨损的目的。目前世界各国都普遍使用加有添加剂的润滑油。磨损的目的。目前世界各国都普遍使用加有添加剂的润滑油。 3、固体润滑剂、固体润滑剂 如石墨、二硫化钼、氮化硼、石蜡、聚四氟乙烯、酚醛树如石墨、二硫化钼、氮化硼、石蜡、聚四氟乙烯、酚醛树 脂等。石墨和二硫

21、化相应用最广。脂等。石墨和二硫化相应用最广。 固体润滑剂一般用于不宜使用润滑油和润滑脂的特殊条件固体润滑剂一般用于不宜使用润滑油和润滑脂的特殊条件 下。此外，它还可以作为润滑油或润滑脂的添加剂使用，以下。此外，它还可以作为润滑油或润滑脂的添加剂使用，以 及与金属或塑料等混合制成自润滑复合材料使用。及与金属或塑料等混合制成自润滑复合材料使用。 4.3 润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂 一、润滑方法一、润滑方法 润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有： 滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等 用于低速 用于高速 油脂润滑常用于运转速度较低的场合，将润滑脂涂抹 于需润滑的零件上。润

22、滑脂还可以用于简单的密封。 浸油与飞溅润滑喷油润滑 4.4 润滑方法润滑方法 二、常见润滑装置二、常见润滑装置 1、间歇式供油装置、间歇式供油装置 对于一些小型、低速或间歇运动的装置，可采用间歇式对于一些小型、低速或间歇运动的装置，可采用间歇式 供油，在需润滑的部位安装油杯。一般采油壶或油杯将润供油，在需润滑的部位安装油杯。一般采油壶或油杯将润 滑油注入油杯。滑油注入油杯。 4.3 润滑方法润滑方法 二、常见润滑装置二、常见润滑装置 2、连续供油装置、连续供油装置 对于重要的装置必须采用连续供油的对于重要的装置必须采用连续供油的 方法。常用的连续供油如：针阀油杯方法。常用的连续供油如：针阀油杯

23、 和油芯油杯等。和油芯油杯等。 4.3 润滑方法润滑方法 脂润滑脂润滑 脂润滑只能采用间歇式供应润滑脂的方式。常用旋脂润滑只能采用间歇式供应润滑脂的方式。常用旋 盖式油脂杯作为润滑装置。盖式油脂杯作为润滑装置。 4.3 润滑方法润滑方法 流体动压润滑流体动压润滑两个作相对运动物体的摩擦表面，用借助于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 膜产生的动压力来平衡外载荷。膜产生的动压力来平衡外载荷。 流体静压润滑流体静压润滑是将液压泵等外界设备提供的压力流体送入是将液压泵等外界设备提供的压力

24、流体送入 摩擦表面之间，以静压力来平衡外载荷摩擦表面之间，以静压力来平衡外载荷。 v U x y F 油压油压p分布曲线分布曲线 v 流体静压润滑系统流体静压润滑系统示意图 4.5 流体润滑原理及方法流体润滑原理及方法 静密封静密封密封结合面间没有相对运动的密封密封结合面间没有相对运动的密封 动密封动密封密封元件间彼此有相对运动的密封密封元件间彼此有相对运动的密封 对于动密封而言，根据轴的运动形式可分为两种基本类型，即旋转轴密封和对于动密封而言，根据轴的运动形式可分为两种基本类型，即旋转轴密封和 往复轴密封。也可根据密封元件之间是否接触而分为接触密封和非接触密封。往复轴密封。也可根据密封元件之

25、间是否接触而分为接触密封和非接触密封。 1直接接触密封直接接触密封 2垫片、垫圈密封垫片、垫圈密封 4.6 密封装置密封装置 一、一、 静密封静密封 3自紧式密封自紧式密封 (a)安装状态 (b)工作状态 图4.18 O型橡胶密封圈工作原理 图图4.19 各种自紧式密封各种自紧式密封 一、一、 静密封静密封 4.6 密封装置密封装置 1 、 毡圈密封毡圈密封 毡圈为标准件，密封结构简单，对轴毡圈为标准件，密封结构简单，对轴 的偏心或窜动不敏感，但摩擦、磨损较严的偏心或窜动不敏感，但摩擦、磨损较严 重，只用于低速、脂润滑的场合。重，只用于低速、脂润滑的场合。 2 、油封密封油封密封 油封是依靠有

26、弹性的唇部进行密封的标准密封件。油封密封，油封是依靠有弹性的唇部进行密封的标准密封件。油封密封， 因结构简单、价格便宜、检修方便，是目前应用最广泛的一种接触式因结构简单、价格便宜、检修方便，是目前应用最广泛的一种接触式 旋转轴的密封方式。旋转轴的密封方式。 用于油封密封的旋转轴唇形密封圈用于油封密封的旋转轴唇形密封圈（GB/T 138711992）有有6种种 基本型式（见图基本型式（见图4.21）, ,钢制骨架使密封圈刚性增大，可以直接装在钢制骨架使密封圈刚性增大，可以直接装在 安装孔内使用。安装时应使唇部朝向需密封的介质。安装孔内使用。安装时应使唇部朝向需密封的介质。 二、二、 接触式旋转轴

27、密封接触式旋转轴密封 4.6 密封装置密封装置 油封组合使用油封组合使用 无骨架唇形密封圈无骨架唇形密封圈 二、二、 接触式旋转轴密封接触式旋转轴密封 4.6 密封装置密封装置 三、三、 机械密封机械密封 机械密封机械密封通常由以下四个部分组成：通常由以下四个部分组成：1）由动、静环组成的摩擦副；）由动、静环组成的摩擦副；2）由弹）由弹 性元件为主要零件的补偿缓冲件；性元件为主要零件的补偿缓冲件；3）辅助密封圈；）辅助密封圈；4）带动动环和轴一起回）带动动环和轴一起回 转的构件。转的构件。 图图4.24 机械密封结构机械密封结构 1一弹簧座；一弹簧座；2一弹簧；一弹簧；3一旋转环一旋转环(动环动环)；4一压盖；一压盖；5一静环密封圈；一静环密封圈；6一防转销一防转销 ；7一静止环一静止环(静环静环)；8一动环密封圈；一动环密封圈；9一轴一轴(或轴套或轴套)；10-紧定螺钉紧定螺钉 4.6 密封装置密封装置 1、间隙密封、间隙密封 间隙密封的密封机理为在固定件