摩擦学(简单)

1、摩擦学原理及应用TRIBOLOGY 河南农业大学机电工程学院 王万章 副教授W摩擦学（Tribology)： 关于摩擦、磨损和润滑的科学统称为摩擦学。主要研究相对运动、相互作用表面的科学和应用技术。包括Content IncludedFrication Wear Lubrication第一讲 摩擦学概述调查数据全世界工业能源的1/3被摩擦损耗掉失效零件的80%是由于磨损造成的20世纪80年代，我国在冶金、煤炭、农机等五个行业的调查表明：由于磨粒磨损缩小好的备件用钢材达到100万吨以上，如考虑停机等费用造成的损失每年达到几亿元。对于全世界，设汽车的保有量为2亿，年产量5000万辆。如果每辆车通过

2、摩擦学设计节约1%的能源、1%的材料，则每年可节省燃料5亿吨、节省材料7500万吨。研究摩擦学的意义节约能源、节约材料、保护环境摩擦学发展的重要历史阶段史前人类的钻木取火祖先们在春秋时代（公元前770221年）对摩擦、磨损现象有了一定的了解，并且已经知道采用动物油脂进行润滑诗经中相关的记载西晋时代张华所著博物志最早记载了人类使用矿物油做润滑剂（距今约1800年）15世纪，意大利的列奥纳多达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究 18世纪起摩擦学研究蓬勃兴起，到20 世纪60年代摩擦学成为一门独立的交叉学科 H.P.Jost 报告 1965.11应用及研究的领域不断扩大：机械、冶金、生物、地质、音乐、体

3、育等 一.摩擦主要类型（按摩擦的性质分 Dry Boundary Fluid Mixed Nascent）判断摩擦状态的依据v表3-1根据膜厚判断v图3-2根据摩擦特性系数pn/一.摩擦其它分类：按摩擦副运动形式 运动状态Rolling Sliding Static Dynamic 按摩擦副运动工况Speed Vacuum Temperature高速 时间短梯度大，局部高温真空 无对流，氧化，吸附高温 润滑问题，钨，硼，钒，硅合金二.磨损v定义：相互接触表面相对运动中表面物质发成为磨损生的不断损失现象。v磨损的过程：图3-3磨损的类型：(自学为主）vAbrasive wear 开式齿轮表面,

4、犁铧vAdhesive wear 齿面胶合；vFatigue wear 齿面点蚀vCorrosive wearvFretting wearv改善摩擦副耐磨性能的措施 选择减磨材料、合理选择润滑剂和添加剂、控制易损件的工作条件目的润滑剂分类气体：空气及其它气体介质。液体：水、矿物油及液态金属等。半固体：润滑脂固体：石墨、二硫化钼等主要性能指标润滑油、润滑脂1、对于不完全液体润滑-降低摩擦及减少磨损；2、对于液体动力润滑-工作介质并具有冷却作用。三.润滑粘度流体抵抗变形的能力，标志着流体内摩擦阻力的大小。平行板间液体的层流流动模型牛顿定律yv剪切应力动力粘度速度梯度2.运动粘度：主要用于测量流体粘

5、度。m2/s1.动力粘度：主要用于流体动力计算中。Pas2/11msNsPa3.两种粘度之间的换算关系：/矿物有的密度 kg/m34.润滑油粘度特性粘温特性：温度越高、粘度越低，反之亦然。粘压特性：压力越高、粘度越高，反之亦然。式（3-7）一般在5MPa之下影响不大。图3-7 全损耗系统用油的粘-温曲线5.其它性能指标：油性、极压性、氧化稳定性、闪点、凝固点等。摩擦学原理的主要应用方面n机器设计制造n润滑设计n材料选择（耐磨，减磨，摩阻）n加工工艺设计n机器技术状态监测n润滑油样分析 Lubricate analysis n磨粒分析 Wear particlen铁谱分析 Ferrography

6、n机器维修保养工艺n机器零件修复和表面工程设计n堆焊building up welding 刷镀 brush plating 喷涂thermal spraying 化学镀 chemical platingn机器零件失效分析农机化工程硕士研究生课程安排n课堂教学q汽车摩擦学专题q表面工程摩擦学专题q设备诊断维修摩擦学专题q土壤机械摩擦学专题n磨损试验n专题讨论n课程考试针入度（稠度）标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。针入度越大，润滑脂越稀；反之亦然。滴点在规定的加热条件下，润滑脂由标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度称为润滑脂的滴点。滴点标志着润滑脂耐高温的能力。一般润滑脂的工作温度应低于滴

7、点20-30C。 为改善润滑油或润滑脂的性能，以适应某些特殊的需要，在润滑油或润滑脂中加入一些物质，称为添加剂。自学教材p70p71相关内容3-2 滑动轴承的结构与材料一.滑动轴承的典型结构整体式（图15-16）剖分式（图15-17）二.轴瓦的结构与材料1.轴瓦的结构*轴瓦的形式和构造-整体铸造、对开式*油孔及油槽（p476，图15-27、15-28）*轴瓦的定位-保证轴瓦与轴承座之间无轴向、周向的相对移动 （图15-28）2.轴瓦的材料*选用原则*常用的轴瓦材料（p75，表3-3）油孔与油槽的位置n不要开在轴承的承载区内，否则将急剧降低轴承的承载能力（图15-30）n油槽的剖面形状应避免边缘

8、有锐边或棱角，保证润滑油能顺畅地流入润滑表面之间。油槽的尺寸可查相关的手册。轴向油沟的影响周向油沟的影响2.轴承材料的选用原则*良好的减摩性、耐磨性和抗咬粘性*良好的摩擦顺应性、嵌入性和磨合性*足够的强度和抗腐蚀能力*良好的导热性、工艺性和经济性等3-3 不完全液体润滑滑动轴承 设计计算一.失效形式*磨粒磨损与粘着磨损为主、多种失效形式并存的情况二.设计准则*边界膜不遭破坏，维持粗糙表面微腔内有液体润滑存在三.径向滑动轴承的计算四.推力滑动轴承的设计计算（自学）三.不完全液体润滑径向滑动轴承设计算典型问题1.已知条件：轴颈的直径d（mm）； 轴转速n（r/min）； 轴承的径向外载荷F（N）。

9、2.设计的目的：确定轴承的材料与宽度B1）验算轴承的平均压力p-防止磨损MPapBdFp式（3-13）2）验算轴承的pV值-限制温升smMPapvpv/式（3-14）3）验算滑动速度V-防止磨损 smvv/式（3-15）见表3-3 vpvp、3-4液体动力润滑径向滑动轴承的 设计计算一.径向滑动轴承形成液体动力润滑的过程（图3-12） 汽车中的典型应用发动机主轴承和连杆轴承二.流体膜压力分布的微分方程-雷诺方程1.假设条件：yv0yp0 V微元体受力分析静止件移动件oxzUhy1）忽略重力、磁力、惯性力的影响；2）流体在界面上无滑动，即贴于界面的油层速度与界面速度相同；3）沿油膜厚度方向上，不

10、计油膜压力的变化；4）润滑油沿膜厚方向没有流动；5）流体为牛顿流体；6）润滑油流动为层流； 7）润滑油不可压缩。 2.一维雷诺方程微元体的受力平衡+流量连续+假设条件及必要的边界条件，可得到如下的流体膜压力分布方程，即：一维雷诺方程。)(603hhhVxp式（12-8）最大压力处对应的油膜厚度。移动件静止件静止件移动件3.形成液体动力润滑的条件 p731）润滑油要有一定的粘度，且其它条件不变时，粘度越高，承 载能力越高。2）两相对运动表面要有相当的相对滑动速度。3）相对滑动表面形成收敛的油楔。4）有充足的供油。三.径向滑动轴承的几何参数1.直径间隙dD 2.半径间隙rR3.相对间隙rd4.偏心

11、距e5.偏心率e6.最小油膜厚度)1 ()1 (minreh7.偏位角8.任意位置的油膜厚度h)cos1 ()cos1 (rh空气润滑油油楔油膜压力四.液体动力润滑径向滑动轴承的工作能力计算1.轴承承载力计算2.摩擦力及摩擦功耗的计算3.轴承的最小油膜厚度4.轴承的热平衡计算5.工作能力计算的一般步骤 图3-18数值计算机算方法见p81-821.轴承的承载力计算总承载量计算的无量纲参数-索氏数定义：式（3-25）),(0dBS图3-1520BdSF其中：为润滑油在轴承平均工作温度下的动力粘度，Ns/m2为轴颈的转速，rad/sB为轴承的宽度，m；d为轴颈的直径，m。BdFS202.轴承的摩擦力

12、及摩擦功耗计算定义：轴承的摩擦特性系数图3-16 FFvFvFP摩擦力：摩擦功耗：3.轴承中的最小油膜厚度计算 轴承中的最小油膜厚度，不能无限制地减小。它受到轴颈与轴承内表面的粗糙度、轴的刚性及轴承与轴颈的几何形状误差等的影响。minmin)1 (hrh式（3-35）)(21minzzRRSh式（3-34）表3-5安全系数2S4.轴承热平衡计算根据能量守恒：每秒产生的热量 带走热量H21HH 达到热平衡时的润滑油温度差式(12-28)为保证轴承的正常工作，一般要求等效温度不超过75。vBdcqpvcBdvqpdBcqBdpvtspvspvspv210)(10)(10666流量系数，图3-17等

13、效温度：2inoutettt)2(31outinettt入口油温tin一般为3045C高速重载条件：式（3-33）式（3-32）中等载荷和一切非稳定载荷下：假设et00SvqFtet否结束vq流体动压润滑径向轴承工作性能计算的一般流程eett是 hhmin是五.轴承参数的选择n相对间隙n宽径比 表3-6、表3-7n润滑油动力粘度 表3-8式（3-36）3410)0 . 16 . 0(v小节：滑动轴承设计的主要内容一.合理选择轴承的型式和结构二.合理选择轴瓦的结构与材料三.确定轴承的结构参数（d、B/d、）四.选择润滑剂的类型及供应方式五.轴承的工作能力计算 （承载力、热平衡、最小油膜厚度）汽车中的摩擦学n发动机中的摩擦学问题汽车中的摩擦学n车辆底盘中的摩擦学问题轮胎与地面1.轮胎与地面的摩擦湿滑路面的轮胎与路面摩擦属于低模量弹性流体动力润滑问题。2.轮胎的磨损物理-化学过程，橡胶氧化裂纹扩展导致胎面的磨损。制动器与离合器1.摩擦制动2.防抱死（ABS）系统轮毂轴承 汽车专用轴承的设计，世界上已经生产出第五代轮毂轴承。我国具有生产第三代轴承的能力，但是大部分仍采用的是第一代轴承。汽车中的摩擦学n汽车润滑材料 发动机油