第2章 机械零部件的摩擦、磨损与润滑

1、第第2章章 机械零部件的摩擦、磨损与润滑机械零部件的摩擦、磨损与润滑 2.1 摩擦摩擦 2.2 磨损磨损 2.3 润滑润滑 2.4 流体润滑原理简介流体润滑原理简介 q 摩擦摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象； q 磨损磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移； q 润滑润滑是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。是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关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以摩

2、擦学是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。及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。 世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有 1/3-1/2 消耗于摩擦。如果能够尽消耗于摩擦。如果能够尽 力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，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，如果的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果 能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省 制造零件及其所需材

3、料的费用。制造零件及其所需材料的费用。 概述概述 2.1 摩摩 擦擦 2. 摩擦的分类摩擦的分类 内内 摩摩 擦擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。 外外 摩摩 擦擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。 静静 摩摩 擦擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动动 摩摩 擦擦：在相对运动进行中的摩擦。：在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动：物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。

4、：物体表面间的运动形式是相对滚动。 q “机械说机械说”产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用；产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用； q “分子说分子说”产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用；产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用； 1. 摩擦的机理摩擦的机理 q “机械分子说机械分子说”两种作用均有。两种作用均有。 2.1.1 摩擦的种类及其基本性质摩擦的种类及其基本性质 1785年，法国的年，法国的库仑库仑用机械啮合概念解释干摩擦。用机械啮合概念解释干摩擦。 1935年，英国的年，英国的鲍登鲍登等人开始用材料粘附概念研究干摩擦。等人开始用材料粘附概念研究干摩擦。 1950年，

5、年，鲍登提出了粘附理论。鲍登提出了粘附理论。 3. 4种滑动摩擦状态种滑动摩擦状态 干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触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。时的摩擦。 干摩擦干摩擦 边界摩擦（边界润滑）边界摩擦（边界润滑）运动副表面运动副表面 被吸附在表面的边界膜隔开被吸附在表面的边界膜隔开 边界摩擦边界摩擦 边界膜边界膜 物理吸附膜物理吸附膜润滑油中的极性分子与金润滑油中的极性分子与金 属表面相互吸附而形成属表面相互吸附而形成 化学吸附膜化学吸附膜润滑油中的分子靠分子键润滑油中的分子靠分子键 与金属表面形成化学吸附与金属表面形成化学吸附 化学反应膜化学反应

6、膜润滑油中的化学添加剂与金属润滑油中的化学添加剂与金属 进行化学反应而形成的膜进行化学反应而形成的膜 边界膜极薄，只有几个分子厚边界膜极薄，只有几个分子厚 流体摩擦（流体润滑）流体摩擦（流体润滑） 流体膜厚度流体膜厚度大到足以将两大到足以将两 表面的粗糙峰完全隔开，就形表面的粗糙峰完全隔开，就形 成了流体润滑。因为成了流体润滑。因为摩擦完全摩擦完全 发生在流体内部分子之间，金发生在流体内部分子之间，金 属表面无磨损属表面无磨损，这是理想的润，这是理想的润 滑状态。滑状态。 根据根据流体膜流体膜形成原理，流体润滑可分为：形成原理，流体润滑可分为： 流体静压润滑流体静压润滑人为的在两运动副表面间输

7、入具有一定人为的在两运动副表面间输入具有一定 压力的润滑油，强迫形成润滑油膜。压力的润滑油，强迫形成润滑油膜。 问题：问题：流体润滑状态是否流体润滑状态是否 有边界膜存在有边界膜存在? 流体动压润滑流体动压润滑依靠依靠几何效应几何效应、速度效应速度效应、粘度效应粘度效应及及供油供油 量自动量自动形成油膜的润滑。该润滑不能在两平行表间形成。形成油膜的润滑。该润滑不能在两平行表间形成。 工程实际中，多数摩擦处于工程实际中，多数摩擦处于边界摩擦边界摩擦和和混合摩擦混合摩擦状态。这状态。这 两种状态能有效降低摩擦，减轻磨损，所以设计时应尽量使两种状态能有效降低摩擦，减轻磨损，所以设计时应尽量使 运动副

8、能维持这两种摩擦状态。运动副能维持这两种摩擦状态。 混合摩擦（混合润滑）混合摩擦（混合润滑） 混合摩擦混合摩擦介于介于边界摩擦边界摩擦和和液体摩擦液体摩擦之间。两运动副表面之间。两运动副表面 间存在比边界润滑状态要厚的润滑油膜，但该油膜又不足以间存在比边界润滑状态要厚的润滑油膜，但该油膜又不足以 完全将两表面完全隔开，从而仍有某些粗糙峰接触。完全将两表面完全隔开，从而仍有某些粗糙峰接触。 随着科学技术的发展，引发出许多新的概念，提出了随着科学技术的发展，引发出许多新的概念，提出了超润超润 滑的概念滑的概念等。等。超润滑超润滑是实现是实现摩擦系数为零摩擦系数为零的摩擦状态，但在实的摩擦状态，但在

9、实 际研究认为摩擦系数在际研究认为摩擦系数在0.001量级（或更低）的摩擦状态即可认量级（或更低）的摩擦状态即可认 为属于为属于超润滑超润滑。这方面的研究是目前。这方面的研究是目前微纳米摩擦学微纳米摩擦学研究的一研究的一 个重要方面。个重要方面。 磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或 迁移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机迁移。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。器提前报废。 对磨损的研究开展较晚，对磨损的研究开展较晚，20世纪世纪50年代提出粘着理论后，年代提出粘着理论后，60

10、年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以 迅速开展。迅速开展。 2.2 磨磨 损损 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 机械磨损大致可分机械磨损大致可分三个阶段三个阶段，如下图所示：，如下图所示： 磨合阶段磨合阶段新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率 较高。较高。 稳定磨损阶段稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。 剧剧 烈磨损阶段烈磨损阶段属于零件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。属于零

11、件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。 在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损 期，推迟剧烈磨损的到来。为此就必须对形成磨损的机理有所了期，推迟剧烈磨损的到来。为此就必须对形成磨损的机理有所了 解。解。 F磨粒磨损磨粒磨损也简称磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或也简称磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或 硬的轮廓峰尖所引起的磨损。硬的轮廓峰尖所引起的磨损。 关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为：关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为： 磨 损2 F冲蚀磨损冲蚀磨损流体中所夹带的流体中所夹带的硬质物质硬质物

12、质或或颗粒颗粒，在流体冲击力作，在流体冲击力作 用下而在摩擦表面引起的磨损。用下而在摩擦表面引起的磨损。 F微动磨损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是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同 形成的形成的复合磨损复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的 相对运动。相对运动。 F粘附磨损粘附磨损也称也称胶合胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点，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处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊冷焊”后，在相对运动时，材料后，在相对运动时，材料 从一个表面迁移到另一个表面，便形

13、成粘附磨损。从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。 F疲劳磨损疲劳磨损也称点蚀，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，擦力作用下，反复变形反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。所产生的材料疲劳所引起的磨损。 F腐蚀磨损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。腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。 运动粘度运动粘度 粘度分类粘度分类 动力粘度动力粘度 条件粘度条件粘度 牛顿流体与动力粘度牛顿流体与动力粘度 X Y o

14、h U 1）粘度）粘度 粘度的物理意义：粘度的物理意义： 反映流体粘滞性大小反映流体粘滞性大小 衡量流体抵抗剪切变形的能力衡量流体抵抗剪切变形的能力 标志着流体内摩擦阻力的大小标志着流体内摩擦阻力的大小 第一层油与上板同速流动第一层油与上板同速流动 最下层油与底板一样静止不动最下层油与底板一样静止不动 由于油的粘滞性，沿由于油的粘滞性，沿Y方向油层方向油层 以不同速度以不同速度u沿沿X 方向移动，于是方向移动，于是 润滑油在油层厚度润滑油在油层厚度h内形成层流动。内形成层流动。 2.3.1 润滑剂润滑剂 1.润滑油润滑油：动植物油、矿物油、合成油。动植物油、矿物油、合成油。 2.3 润润 滑滑

15、 h U X Y o 沿沿Y方向的速度变化率方向的速度变化率 （速度梯度）表示为：（速度梯度）表示为： y u 牛顿在牛顿在1687年指出：年指出： 层流流体各油层间的剪应力层流流体各油层间的剪应力 与其速度梯度成正比。即：与其速度梯度成正比。即： y u 公式中的公式中的“”表示为油层的速度表示为油层的速度 u 随随 y 的增大而减小。的增大而减小。 y u h U 流体单位面积上的剪切阻力流体单位面积上的剪切阻力 比例常数，即流体的 比例常数，即流体的动力粘度动力粘度 动力粘度又称动力粘度又称绝对粘度绝对粘度，主要主要 用于流体动力学计算中。用于流体动力学计算中。 其单位为其单位为:sPa

16、 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律: 牛顿流体牛顿流体符合牛顿内摩擦定律的流体被称为牛顿流体。符合牛顿内摩擦定律的流体被称为牛顿流体。 2 /mkg SPa 运动粘度运动粘度测得的测得的动力粘度动力粘度与相同温度下该流体的与相同温度下该流体的密度密度的的 比值，即：比值，即： 条件粘度条件粘度测得的动力粘度与相同温度下该流体的密度的测得的动力粘度与相同温度下该流体的密度的 比值。用比值。用E表示。表示。 润滑油的润滑油的粘粘温温效应：粘度随温度升高而降低，随温度降效应：粘度随温度升高而降低，随温度降 低而升高。粘度随温低而升高。粘度随温 度变化的程度用度变化的程度用粘度指数粘度指数衡量，衡量， 粘

17、度指数粘度指数越高，粘度随温度的变化越小，说明越高，粘度随温度的变化越小，说明粘粘温温 性能越好。性能越好。 润滑油的润滑油的粘粘压压效应：粘度随压力升高而提高。压力越高效应：粘度随压力升高而提高。压力越高 粘粘压效应压效应越明显。越明显。 2）油性油性（润滑性）（润滑性）指润滑油中的极性分子吸附于摩擦表面指润滑油中的极性分子吸附于摩擦表面 的性质的性质 。油膜与金属表面。油膜与金属表面 的吸附能力越强，润滑性越好。的吸附能力越强，润滑性越好。 3）极压性极压性 化学合成油中的化学合成油中的极性分子极性分子生成抗磨损、耐高压生成抗磨损、耐高压 化学反应边界膜化学反应边界膜的性能。的性能。 4）

18、闪点闪点油在标准仪器中加热所蒸发出的油汽，一遇火焰即油在标准仪器中加热所蒸发出的油汽，一遇火焰即 能发出闪光时的最低温度，称为油的闪点能发出闪光时的最低温度，称为油的闪点 5）凝点凝点在规定条件下，使液体不能再自由流动的最高温度在规定条件下，使液体不能再自由流动的最高温度 6）氧化稳定性氧化稳定性 2.润滑脂润滑脂：润滑油润滑油+ +稠化剂稠化剂 3. 固体润滑剂固体润滑剂：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。 润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。滴点，润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。滴点， 决定工作温度。决定工作温度。 提高油性、极压性提

19、高油性、极压性 延长使用寿命延长使用寿命 改善物理性能改善物理性能 添加剂的作用添加剂的作用 2.3.2 添加剂添加剂 为了提高油的品质和性能，常为了提高油的品质和性能，常 在润滑油或润滑脂中加入一些分量在润滑油或润滑脂中加入一些分量 虽小，但对润滑剂性能改善有巨大虽小，但对润滑剂性能改善有巨大 作用的物质，这些物质叫作用的物质，这些物质叫添加剂添加剂。 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：润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有： 滴油润滑滴油润滑、浸油润滑、浸油润滑、飞溅润滑飞溅润滑、喷油润滑、喷油润滑、油雾润滑等油雾润滑等 用于低速用于低速 用于高速用于高

20、速 油脂润滑油脂润滑常用于运转常用于运转速度较低速度较低的场合，将润滑脂涂抹于需的场合，将润滑脂涂抹于需 润滑的零件上。润滑脂还可以用于简单的密封。润滑的零件上。润滑脂还可以用于简单的密封。 2.3.3 润滑方法润滑方法 浸油与飞溅润滑浸油与飞溅润滑喷油润滑喷油润滑 油性添加剂油性添加剂 极压添加剂极压添加剂 分散净化剂分散净化剂 消泡添加剂消泡添加剂 抗氧化添加剂抗氧化添加剂 降凝剂降凝剂 增粘剂增粘剂 添加剂的种类添加剂的种类 手工润滑 滴油润滑 润滑方 法 d) 油垫润滑 喷雾润滑 润滑方 法 油气润滑 油浴润滑 润滑方 法 油环润滑 压力供油润滑 润滑方 法 根据摩擦面间油膜形成原理流体润滑可分为根据摩擦面间油膜形成原理流体润滑可分为 流体动力润滑流体动力润滑 弹性流体动力润滑弹性流体动力润滑 流体静力润滑流体静力润滑 2.4.1 流体动力润滑流体动力润滑 适应场所适应场所：低副零部件：低副零部件 润滑所属类型：润滑所属类型：流体润滑流体润滑 几何条