机械设计04 摩擦磨损润滑

1、 摩擦磨损润滑摩擦磨损润滑和和密封失效密封失效是现代机械系统的主是现代机械系统的主要失效原因。要失效原因。 消极影响：消极影响：消耗能源；消耗能源； 破坏精度（包括磨损和爬行）；破坏精度（包括磨损和爬行）； 增大噪声增大噪声 积极作用：积极作用：驱动驱动(摩擦轮、无级变速）摩擦轮、无级变速） 缓冲，如宇航员座椅；缓冲，如宇航员座椅； 自锁，如钉子等自锁，如钉子等第四章 摩擦、磨损及润滑概述4.1 摩擦摩擦分类：摩擦分类：外摩擦外摩擦（存在于两物体表面之间）（存在于两物体表面之间） 内摩擦内摩擦（流体内部产生的粘剪力）（流体内部产生的粘剪力）按照两表面的润滑状况，摩擦分为：按照两表面的润滑状况，

2、摩擦分为： 1）干摩擦干摩擦-无润滑状态无润滑状态 2）边界摩擦边界摩擦边界润滑状态边界润滑状态 3）流体摩擦流体摩擦流体润滑状态流体润滑状态 4）混合摩擦混合摩擦混合润滑状态混合润滑状态 5）薄膜摩擦薄膜摩擦薄膜润滑状态薄膜润滑状态 一、干摩擦一、干摩擦fnFfF不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样产生的摩不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样产生的摩擦称为干摩擦擦称为干摩擦 (如真空中如真空中)。古典摩擦理论的摩擦力计算公式：古典摩擦理论的摩擦力计算公式： 现在观点认为：现在观点认为： 摩擦力的组成可表示为：摩擦力的组成可表示为：frnFFFAF 分 子机 械二、边界摩擦

3、二、边界摩擦 两表面加入润滑油后，两表面加入润滑油后，在金属表面会形成一在金属表面会形成一层边界膜，它可能是层边界膜，它可能是物理吸附膜，也可能物理吸附膜，也可能是化学反应膜。不满是化学反应膜。不满足流体动压形成条件，足流体动压形成条件，或虽有动压力，但压或虽有动压力，但压力较低，油膜较薄时，力较低，油膜较薄时，在载荷的作用下，边在载荷的作用下，边界膜互相接触，横向界膜互相接触，横向剪切力比较弱，这种剪切力比较弱，这种摩擦状态称为边界摩摩擦状态称为边界摩擦。擦。三、混合摩擦三、混合摩擦 当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，就会出现流体摩擦、边界摩擦和坏时，

4、就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态干摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。称为混合摩擦。四、流体摩擦四、流体摩擦 当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，摩擦表面不会产生金属间的直接隔开时，摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子层间的粘剪阻力就是摩擦摩擦，流体分子层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体摩擦。力，这种摩擦称为流体摩擦。4.2 磨损磨损磨损：磨损：运动副表面材料不断损失运动副表面材料不断损失磨损率磨损率: 单位时间内材料的磨损体积或重量单位时间内材料的磨损体积或重量一、一、磨损过程（三阶段）磨损过程

5、（三阶段）:1)跑合磨损阶段跑合磨损阶段 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、磨损分类：根据磨损机理可分为二、磨损分类：根据磨损机理可分为1）粘着磨损：）粘着磨损： 形成：形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，表边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，表 面尖峰接触。面尖峰接触。 现象：现象：形成材料转移。形成材料转移。 影响因素：材料硬度，表面粗糙度，载荷、速影响因素：材料硬度，表面粗糙度，载荷、速 度、温度，不同材料配副。度、温度，不同材料配副。2）磨粒磨损）磨粒磨损/磨削磨削 形成：形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。

6、现象：现象：表面划伤或犁沟现象。表面划伤或犁沟现象。 影响因素：影响因素：环境，表面硬度、粗糙度。环境，表面硬度、粗糙度。 3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）疲劳磨损（也称疲劳点蚀） 形成：形成：接触应力反复作用。轴承、齿轮。接触应力反复作用。轴承、齿轮。 现象：现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。表层金属剥落，形成点蚀凹坑。 影响因素：影响因素：表面硬度、粗糙度，润滑油粘表面硬度、粗糙度，润滑油粘 度。度。4）冲蚀磨损）冲蚀磨损 形成：形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面一定速度的硬质微粒反复作用，表面受受 法向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水法向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水 轮机叶片。轮机叶片。

7、 现象：现象：表面疲劳，材料损失。表面疲劳，材料损失。 影响因素：影响因素：材料硬度。材料硬度。5）腐蚀磨损）腐蚀磨损-电化学作用电化学作用 形成：形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生空气中的酸、润滑油中的无机酸产生 化学作用或电化学作用。化学作用或电化学作用。 现象：现象：表面腐蚀并磨损。表面腐蚀并磨损。 影响因素：影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。环境、润滑油的腐蚀性。 6）微动磨损）微动磨损 形成：形成：小振幅、大频率、点或线接触。小振幅、大频率、点或线接触。 现象：现象：磨损面积小。磨损面积小。 影响因素：影响因素：载荷。载荷。4.3 润滑剂和添加剂润滑剂和添加剂 润滑剂：润滑油、润滑

8、脂和固体润滑剂润滑剂：润滑油、润滑脂和固体润滑剂一、润滑油的粘度一、润滑油的粘度FA润滑油的粘度反映了润滑润滑油的粘度反映了润滑油在外力作用下抵抗剪切油在外力作用下抵抗剪切变形的能力，也是内摩擦变形的能力，也是内摩擦力大小的标志。力大小的标志。式中 A-流体剪切面积 流体剪切应力/ddy 剪切应力剪切应力与流体沿与流体沿y方向速度的梯度成正比，即方向速度的梯度成正比，即定义为流体的动力粘度定义为流体的动力粘度 上式称为上式称为牛顿流体粘性定律牛顿流体粘性定律,凡符合此定律凡符合此定律的流体称为牛顿流体的流体称为牛顿流体,否则称为非牛顿体。否则称为非牛顿体。 除此以外，还有运动粘度和相对粘度（恩

9、除此以外，还有运动粘度和相对粘度（恩氏粘度）氏粘度）1）动力粘度）动力粘度 图示图示,长、宽、高各为长、宽、高各为1m的流体，如果使立方的流体，如果使立方 体顶体顶面流体层相对底面流体层产生面流体层相对底面流体层产生1m/s的运动速度，所的运动速度，所需要的外力需要的外力F为为1N时，则流体的粘度时，则流体的粘度为为1Ns/m，叫做叫做“帕秒帕秒”，常用，常用Pas表示。有时也用表示。有时也用“（dyn s/cm2）泊）泊P”、“厘泊厘泊cP”表示。表示。 换算关系：换算关系： 1Pa S=10P=1000cP2）运动粘度）运动粘度 流体的动力粘度与同温度下的密度流体的动力粘度与同温度下的密度

10、的比值的比值,称为运动粘度称为运动粘度:单位是单位是cm/s,叫做叫做“斯斯”,常用常用St表示表示换算关系：换算关系：1m2/s=104St=106cSt 矿物油矿物油=0.850.9 oEt3) 相对粘度相对粘度恩氏粘度恩氏粘度是相对粘度的一种是相对粘度的一种,它是用它是用200ml的粘性流体的粘性流体,在在给定的温度给定的温度t下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间,与同体积的蒸馏水在与同体积的蒸馏水在20时流经同样的毛细管所需时间时流经同样的毛细管所需时间的比值来衡量流体的粘性。的比值来衡量流体的粘性。二、润滑油的特性二、润滑油的特性 润滑油的粘度

11、随温度的变化润滑油的粘度随温度的变化存在指数关系存在指数关系: 2、润滑油的粘压特性、润滑油的粘压特性 粘度和压力的关系近似表示粘度和压力的关系近似表示为为:00/mttt1、粘温特性、粘温特性0ape3、油性：、油性：反映在摩擦表面的吸附性能反映在摩擦表面的吸附性能 （边界润滑和粗糙表面尤其重要）（边界润滑和粗糙表面尤其重要）4、闪点：、闪点：瞬时燃烧和碳化的温度；瞬时燃烧和碳化的温度；5、凝点：、凝点：冷却，由液体转变为不能流动的临界冷却，由液体转变为不能流动的临界 温度；温度； (低温启动性能低温启动性能)6、极压性（、极压性（EP）：）：在重压下表面膜破裂的最大在重压下表面膜破裂的最大

12、 接触载荷，用接触载荷，用PB表示，表示，(极限载荷）极限载荷）7、酸值：、酸值：限制润滑剂变质后对表面的腐蚀限制润滑剂变质后对表面的腐蚀三、润滑脂及其主要性能三、润滑脂及其主要性能 组成：组成：基础油基础油+稠化剂稠化剂+添加剂添加剂+澎润土澎润土 润滑脂的性能指标主要有：润滑脂的性能指标主要有：针入度、滴点、针入度、滴点、析析 油量、机械杂质、灰分、水分等油量、机械杂质、灰分、水分等1）针入度）针入度软硬程度软硬程度 H(mm)/0.1阻力大小、流动性强弱阻力大小、流动性强弱 标准锥体，标准锥体，150g，25 ，5sh2）滴点）滴点固体固体流体的温度转折点，表示耐热性流体的温度转折点，表

13、示耐热性3）防水性能；）防水性能；4）静音性能；）静音性能；5）种类）种类A)钙基脂：抗水，适于轻中重载荷；钙基脂：抗水，适于轻中重载荷；B)钠基脂：高温，但不抗水；钠基脂：高温，但不抗水；C)锂基脂：多用途，最好；锂基脂：多用途，最好；D)铝基脂：高度耐水性，航运机械铝基脂：高度耐水性，航运机械 E)其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、 稠化剂等）稠化剂等）四、固体润滑剂四、固体润滑剂用途：用途：真空、辐射、重载等恶劣环境；真空、辐射、重载等恶劣环境；种类：种类：MoS2，PTFE，石墨，氟化石墨，石墨，氟化石墨， WS2、纳米材料、纳米材料应用方法：应用方法：涂镀，沉积，粘贴，嵌入，添涂镀，沉积，粘贴，嵌入，添 加剂加剂五、添加剂五、添加剂作用越来越大，在润滑脂、合成油中不加添加作用越来越大，在润滑脂、合成油中不加添加剂，则润滑很差或没有润滑作用剂，则润滑很差或没有润滑作用种类繁多：种类繁多：）油性添加剂，极性分子结构；）油性添加剂，极性分子结构；）抗磨极压（）抗磨极压（EP）添加剂）添加剂）抗氧化腐蚀添加剂；）抗氧化腐蚀添加剂；）洁净分散剂，汽车中）洁净分散