摩擦磨损原理 0.绪论

1、摩擦磨损原理摩擦磨损原理 摩擦学摩擦学(Tribology)是一门年轻而又古老的是一门年轻而又古老的学科。学科。研究相互接触、相对运动表面的科学研究相互接触、相对运动表面的科学及相关技术，包括研究摩擦、磨损与润滑。及相关技术，包括研究摩擦、磨损与润滑。 二层含义二层含义:v关于相对运动中相互作用表面的科学、技关于相对运动中相互作用表面的科学、技术及有关的实践。术及有关的实践。v包括摩擦、磨损和润滑在内的一门跨学科包括摩擦、磨损和润滑在内的一门跨学科的科学。的科学。1785年，法国库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释年，法国库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出

2、分子吸引理论和静干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。电力学理论。1935年，英国的鲍登等人开始用材料粘着概念年，英国的鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦，研究干摩擦，1950年，鲍登提出了粘着理论。年，鲍登提出了粘着理论。关于润滑的研究，英国的雷诺于关于润滑的研究，英国的雷诺于1886年继前人观察到的年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪世纪50年代普年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破。始有所突破。对磨损的研究较晚，对

3、磨损的研究较晚，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。至此，综合研究摩擦、润滑和磨损相互关系得以迅速开展。至此，综合研究摩擦、润滑和磨损相互关系的条件已初步具备，并逐渐形成摩擦学这一新的发展中的学的条件已初步具备，并逐渐形成摩擦学这一新的发展中的学科。科。 在机器系统中，机器构件的运动是最基本和最在机器系统中，机器构件的运动是最基本和最重要的功能。机器构件之间的相对运动和接触作用重要的功能。机器构件之间的相对运动和接触作用(约束约束)是通过运动副来实现的，

4、同时也在运动副中是通过运动副来实现的，同时也在运动副中两表面之间产生摩擦、磨损和润滑等物理现象，称两表面之间产生摩擦、磨损和润滑等物理现象，称作摩擦副。作摩擦副。 运动副主要分为低副运动副主要分为低副(理论上为面接触，如滑动理论上为面接触，如滑动轴承、导轨、制动器、密封等轴承、导轨、制动器、密封等)和高副和高副(理论上是线、理论上是线、点接触，如齿轮、凸轮等点接触，如齿轮、凸轮等)。机器中任何一个摩擦副。机器中任何一个摩擦副故障故障(称为摩擦学失效称为摩擦学失效)，都将使机器全部或相关部，都将使机器全部或相关部分产生超出设计允许的运动甚至造成功能的失效。分产生超出设计允许的运动甚至造成功能的失

5、效。而这种故障在概率上又远远超过由构件整体失效导而这种故障在概率上又远远超过由构件整体失效导致的功能丧失。致的功能丧失。 轴承因磨损而间隙变得过大，轴颈就偏离设计规定的位置，轴承因磨损而间隙变得过大，轴颈就偏离设计规定的位置，机器将失去预定的运动精度；当轴上作用有不稳定的载荷时，机器将失去预定的运动精度；当轴上作用有不稳定的载荷时，间隙过大直接导致轴颈与轴承表面的撞击和机器的振动；轴及间隙过大直接导致轴颈与轴承表面的撞击和机器的振动；轴及轴上零件的变位，会导致许多不同类型的非法运动；摩擦形成轴上零件的变位，会导致许多不同类型的非法运动；摩擦形成的热膨胀使间隙变小或润滑不良，轴颈就可能与轴承咬死

6、而完的热膨胀使间隙变小或润滑不良，轴颈就可能与轴承咬死而完全不能旋转。全不能旋转。 齿轮齿面或凸轮表齿轮齿面或凸轮表面因磨损几何形状发生面因磨损几何形状发生变化，结果将破坏齿轮变化，结果将破坏齿轮传动的平稳性和设计所传动的平稳性和设计所规定的从动件的运动规规定的从动件的运动规律，磨损还造成齿轮轮律，磨损还造成齿轮轮齿强度的降低和断齿。齿强度的降低和断齿。 工作物料对工作部件产生的磨损，也是摩擦工作物料对工作部件产生的磨损，也是摩擦学研究去解决的重要课题。例如：搅拌机叶片、学研究去解决的重要课题。例如：搅拌机叶片、水轮机叶片、球磨机磨球、破碎机工作件等水轮机叶片、球磨机磨球、破碎机工作件等 机器

7、除了要消耗很大一部分的能量来克服摩机器除了要消耗很大一部分的能量来克服摩擦阻力外，相应的零部件擦阻力外，相应的零部件(易损件易损件)就需要定期更就需要定期更换。再加上制造、运输、存储、维修维护的费用换。再加上制造、运输、存储、维修维护的费用和维修时的停机损失，构成了机器运行成本中的和维修时的停机损失，构成了机器运行成本中的一个很大的份额。一个很大的份额。v摩擦消耗了世界上一次性能源的摩擦消耗了世界上一次性能源的1/3以上以上 .v磨损是材料与机械设备失效的主要形式之一，约磨损是材料与机械设备失效的主要形式之一，约有有70%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起

8、的的.v根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有关方面的花费大约占国民经济年生产总值磨损有关方面的花费大约占国民经济年生产总值的的2%3%. 研究摩擦学具有重要的经济价值。研究摩擦学具有重要的经济价值。v在装备和机械的设计中，重视和积极应用摩擦学前在装备和机械的设计中，重视和积极应用摩擦学前沿科技知识，积极进行摩擦学设计，对于提高产品沿科技知识，积极进行摩擦学设计，对于提高产品的性能、可靠性，降低运行费用，从而提高产品在的性能、可靠性，降低运行费用，从而提高产品在市场上的竞争力，有更为深远的意义。市场上的竞争力，有更为深远的意义。 摩擦学是涉及

9、数学、力学、物理学、化学、摩擦学是涉及数学、力学、物理学、化学、冶金学、机械工程、以及材料科学、石油化工、冶金学、机械工程、以及材料科学、石油化工、甚至计算机科学等多种学科领域的一门综合性的甚至计算机科学等多种学科领域的一门综合性的边缘学科。边缘学科。1. 摩擦学机理的研究；摩擦学机理的研究；2. 各种典型机械运动副在不同工况不同介质作用各种典型机械运动副在不同工况不同介质作用下的摩擦学特性和失效机理的研究；下的摩擦学特性和失效机理的研究；3. 各种材料和表面处理工艺的摩擦学特性研究；各种材料和表面处理工艺的摩擦学特性研究；4. 润滑剂、工艺润滑冷却剂和固体润滑材料的研润滑剂、工艺润滑冷却剂和

10、固体润滑材料的研究；究；5. 摩擦学数据中心和数据库建立；摩擦学数据中心和数据库建立；6. 摩擦学测试设备和测试技术的应用及研究；摩擦学测试设备和测试技术的应用及研究；物体物体+相对运动相对运动工况和环境工况和环境摩擦摩擦摩擦机理摩擦机理磨损机理磨损机理磨损磨损增增加加摩摩擦擦减减小小摩摩擦擦测试设备与测试设备与测试技术测试技术摩擦与磨损摩擦与磨损监控及预报监控及预报边界润滑边界润滑弹性流体润滑弹性流体润滑流体动力润滑流体动力润滑流体静压润滑流体静压润滑流体混合润滑流体混合润滑润滑剂及添加剂润滑剂及添加剂润滑方式及装置润滑方式及装置固体润滑材料固体润滑材料 润润滑滑理理论论 润润滑滑摩摩阻阻材

11、材料料粘着磨损粘着磨损疲劳磨损疲劳磨损腐蚀磨损腐蚀磨损磨料磨损磨料磨损表表面面质质量量摩摩擦擦副副材材料料选选配配减减摩摩材材料料表表面面处处理理耐耐磨磨材材料料密密封封滤滤清清摩擦学研究及其应用方框图摩擦学研究及其应用方框图数据中心数据中心和数据库和数据库试验设备及试验设备及试验方法试验方法标准化标准化实验数据与实实验数据与实验效果验证验效果验证材料、热处理及表面处理工艺材料、热处理及表面处理工艺润滑剂、润滑方法及其设备润滑剂、润滑方法及其设备结构、配合公差、表面粗糙度结构、配合公差、表面粗糙度典型机械运动副的摩擦学特性典型机械运动副的摩擦学特性及其失效机理及其失效机理工工程程设设计计摩擦学

12、研究及其应用方框图摩擦学研究及其应用方框图1. 微微/纳摩擦学纳摩擦学v纳米微粒作为填料用一改善高分子复合材料和涂层纳米微粒作为填料用一改善高分子复合材料和涂层的摩擦性能取得明显进展；的摩擦性能取得明显进展；v作为提高油品抗磨减摩性能的新一代的油品添加剂作为提高油品抗磨减摩性能的新一代的油品添加剂取得明显效果；取得明显效果；v用分子动力学模拟的方法建立了可用于模拟超底飞用分子动力学模拟的方法建立了可用于模拟超底飞行高度的磁头行高度的磁头/磁盘界面的准动态粘附模型。磁盘界面的准动态粘附模型。2. 极端情况下的摩擦学极端情况下的摩擦学v主要是研究发生高温、高压、超高速、超高真空等主要是研究发生高温

13、、高压、超高速、超高真空等极端工况下和强辐射等特殊环境中的各种摩擦学问极端工况下和强辐射等特殊环境中的各种摩擦学问题。题。3. 生物摩擦学和人体摩擦学（非机械工程领域）生物摩擦学和人体摩擦学（非机械工程领域）v研究有关生物体自身以及替代物（人工制品）的摩研究有关生物体自身以及替代物（人工制品）的摩擦学问题以及仿生材料的摩擦学行为；擦学问题以及仿生材料的摩擦学行为；v人体摩擦学则是研究关节心血管系统牙眼皮肤当天人体摩擦学则是研究关节心血管系统牙眼皮肤当天然淤人造组织的摩擦学行为，他对人类的健康和生然淤人造组织的摩擦学行为，他对人类的健康和生命质量有直接关系。命质量有直接关系。50年代按照苏联模式

14、成立研究机构。先后在北京、上海、年代按照苏联模式成立研究机构。先后在北京、上海、武汉、长春、广州成立研究所。开始从理论和实践两方面积武汉、长春、广州成立研究所。开始从理论和实践两方面积极创造条件，研制实验装置和学习摩擦学基础知识。极创造条件，研制实验装置和学习摩擦学基础知识。1962年十月十五日至二十日在兰州由中国科学院技术科学年十月十五日至二十日在兰州由中国科学院技术科学部和中国机械工程学会联合举办了部和中国机械工程学会联合举办了“第一次全国摩擦、磨损第一次全国摩擦、磨损和润滑研究工作报告会议和润滑研究工作报告会议”。中国机械工程学会于中国机械工程学会于1979年年3月月3月月1825日在广州召开了日在广州召开了第二次全国摩擦磨损与润滑学术会议，成立全国摩擦学会。第二次全国摩擦磨损与润滑学术会议，成立全国摩擦学会。1976年广州机床研究所创办年广州机床研究所创办润滑与密封润滑与密封。1981年兰州化学物理研究所创办年兰州化学物理研究所创办摩擦学学报摩擦学学报。1988年清华大学建立摩擦学国家重点实验室。年清华大学建立摩擦学国家重点实验室。1 温诗铸，黄平温诗铸，黄平 .