b2第2章摩擦、磨损和润滑

1、2.7 2.7 摩擦、磨损和润滑摩擦、磨损和润滑 摩擦磨损润滑和密封失效是现代机械系统的主要摩擦磨损润滑和密封失效是现代机械系统的主要失效原因。失效原因。 消极影响：消耗能源；消极影响：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：驱动积极作用：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2.7.1 摩擦摩擦 摩擦分类：外摩擦（存在于两物体表面之间）摩擦分类：外摩擦（存在于两物体表面之间） 内摩擦（流体内部产生的粘剪力）内摩擦（流体内部产生的粘剪力） 按照两表面的润滑状

2、况，摩擦分为：按照两表面的润滑状况，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 一、干摩擦一、干摩擦 不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样不加润滑剂时，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产生的摩擦称为干摩擦 (如真空中如真空中)。 特点：特点： 最大；摩擦功耗大；磨损严重。最大；摩擦功耗大；磨损严重。fnFfF 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分子机械古典摩

3、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：f二、边界摩擦二、边界摩擦两表面加入润滑剂后，在金属两表面加入润滑剂后，在金属表面会形成一层边界膜，它可表面会形成一层边界膜，它可能是物理吸附膜，也可能是化能是物理吸附膜，也可能是化学反应膜。但油膜较薄，在载学反应膜。但油膜较薄，在载荷的作用下，两金属表面微观荷的作用下，两金属表面微观的凸峰互相接触，横向剪切力的凸峰互相接触，横向剪切力比较弱，这种摩擦状态称为边比较弱，这种摩擦状态称为边界摩擦。界摩擦。油性分子吸附在表面油性分子吸附在表面三、流体摩擦三、流体摩擦f 当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，当两摩擦表面被流体（液体或气体）

4、完全隔开时，摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子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力，这种摩擦称为流体层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体摩擦。属于内摩擦。摩擦。属于内摩擦。 特点：特点： 最小，最小， =0.0010.01，金属表面无磨损。，金属表面无磨损。f 实现流体摩擦有下列三种方法实现流体摩擦有下列三种方法: 1)流体动压润滑流体动压润滑 楔形空间，足够速度，粘性流体楔形空间，足够速度，粘性流体 2）弹性流体动压润滑）弹性流体动压润滑考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度的影响的动压润滑称为弹性

5、流体动力润滑的影响的动压润滑称为弹性流体动力润滑,简称为弹简称为弹流润滑流润滑.两表面的距离两表面的距离 称为称为平均油膜厚度。接触平均油膜厚度。接触区的出口处油膜变薄区的出口处油膜变薄,这种现象称为这种现象称为“颈颈缩缩”,此处两表面距离此处两表面距离 称为最小油膜厚度。称为最小油膜厚度。0hminh3) 流体静压润滑流体静压润滑 用油泵将润滑油经过节流用油泵将润滑油经过节流器以所需要压力注入被润器以所需要压力注入被润滑表面的油室滑表面的油室,再由油室再由油室的封油边流回油箱。的封油边流回油箱。四、混合摩擦四、混合摩擦当动压润滑条件不完全具备，且有的边界膜遭当动压润滑条件不完全具备，且有的边

6、界膜遭破坏时，就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩破坏时，就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。擦。此外还有一种薄膜摩擦此外还有一种薄膜摩擦 它介于干摩擦和边界摩擦之间，薄膜厚它介于干摩擦和边界摩擦之间，薄膜厚度仅几纳米，在现代精密机械系统度仅几纳米，在现代精密机械系统(Ra很小很小)或或MEMS中普遍存在，称为薄膜摩擦。中普遍存在，称为薄膜摩擦。2.7.2 磨损磨损 磨损：运动副表面材料不断损失磨损：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质量单位时间内材料的磨损体积或质量 一、磨损过程（三阶

7、段）一、磨损过程（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：2）磨粒磨损）磨粒磨损/磨削磨削形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，表面尖峰接触。表面尖峰接触。现象：形成材料转移。现象：形成材料转移。影响因素：材料硬度，表面结构的粗糙度，载荷、影响因素：材料硬度，表面结构的粗糙度，载荷、速度、温度，不同材料配副。速度、温度，不同材料配副。形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。形成：表面微峰或外界硬质

8、颗粒进入摩擦面。现象：表面划伤或犁沟现象。现象：表面划伤或犁沟现象。影响因素：环境，表面硬度、表面结构的粗糙度。影响因素：环境，表面硬度、表面结构的粗糙度。3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）4）冲蚀磨损）冲蚀磨损形成：接触应力反复作用。如轴承、齿轮中。形成：接触应力反复作用。如轴承、齿轮中。现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。影响因素：表面硬度、表面结构的粗糙度，润滑影响因素：表面硬度、表面结构的粗糙度，润滑 油粘度。油粘度。形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机

9、叶片。向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片。现象：表面疲劳，材料损失。现象：表面疲劳，材料损失。影响因素：材料硬度影响因素：材料硬度5）腐蚀磨损（电化学作用）腐蚀磨损（电化学作用）形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生化学作形成：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。用或电化学作用。现象：表面腐蚀并磨损。现象：表面腐蚀并磨损。影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。此外还有微动磨损此外还有微动磨损形成：小振幅、大频率、点或线接触。形成：小振幅、大频率、点或线接触。现象：磨损面积小。现象：磨损面积小。影响因素：载荷。影响因素：载荷。2.7.3 润滑剂和

10、添加剂润滑剂和添加剂润滑剂：润滑油、润滑脂和固体润滑剂润滑剂：润滑油、润滑脂和固体润滑剂一、润滑油一、润滑油1.1.分类：有机油（动植物油分类：有机油（动植物油) )、矿物油（石油产品）和化学合成油、矿物油（石油产品）和化学合成油2.2.润滑油的理化性能指标润滑油的理化性能指标1）润滑油的粘度）润滑油的粘度粘度的物理意义粘度的物理意义润滑油的粘度反映了润滑油在润滑油的粘度反映了润滑油在外力作用下抵抗剪切变形的能外力作用下抵抗剪切变形的能力，也是内摩擦力大小的标志力，也是内摩擦力大小的标志。FA式中 A-流体剪切面积 流体剪切应力 剪切应力剪切应力与流体沿与流体沿y方向速度的梯度方向速度的梯度

11、成正比，成正比，即即/ddy 定义为流体的动力粘度定义为流体的动力粘度 上式称为牛顿流体粘性定律上式称为牛顿流体粘性定律,凡符合此定律的凡符合此定律的流体称为牛顿流体流体称为牛顿流体,否则称为非牛顿流体否则称为非牛顿流体。粘度的表示方法粘度的表示方法 动力粘度动力粘度 、运动粘度、运动粘度 和相对粘度（如恩氏粘度和相对粘度（如恩氏粘度 ）式中式中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，如果使立方体顶面流体的流体，如果使立方体顶面流体层相对底面流体层产生层相对底面流体层产生1m/s的运动速度，所需要的外力的运动速度，所需要的外力F为为1N时，则流体的粘度时，则流体的粘度

12、为为1Ns/m，叫做，叫做“帕秒帕秒”，常，常用用Pas表示。有时也用物理单位表示。有时也用物理单位dyn s/cm2 ,叫做叫做“泊泊”用用P P表示；表示；“泊泊”的百分之一叫做的百分之一叫做“厘泊厘泊”用用cPcP表示。表示。换算关系：换算关系：1Pa S=10P=1000cP 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的比值的比值,称为运称为运动粘度动粘度:其单位是其单位是m/sm/s，其物理，其物理 单位是单位是cm/s,cm/s,叫做叫做“斯斯”, ,常用常用StSt表示，表示，“斯斯”的百分之一叫做的百分之一叫做“厘斯厘斯”，用，用cStcSt表

13、示表示换算关系：换算关系：1m2/s=104St=106cSt 矿物油矿物油=（850900）kg/m3恩氏粘度是相对粘度的一种恩氏粘度是相对粘度的一种,它是用它是用200ml的粘性流体的粘性流体,在给定的温度在给定的温度t下流经一定直径和长度的毛细管所需的下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间时间,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时流经同样的毛细管所需时间的比值来衡量流体的粘性。恩氏粘度用需时间的比值来衡量流体的粘性。恩氏粘度用 表示表示oEt 相对粘度相对粘度oEt粘温特性粘温特性润滑油的粘温、粘压特性润滑油的粘温、粘压特性 润滑油的粘度随温度的变润滑油的粘度随

14、温度的变化存在指数关系化存在指数关系:00/mttt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粘度和压力的关系近似表示为似表示为:0ape2）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）3）闪点）闪点瞬时燃烧和碳化的温度；瞬时燃烧和碳化的温度； 燃点燃点长时间连续燃烧的温度（高温性能）；长时间连续燃烧的温度（高温性能）；4）凝点）凝点润滑油冷却到不能流动时的临界温度；润滑油冷却到不能流动时的临界温度； (低温启动性能低温启动性能)5）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

15、接触载荷，用接触载荷，用PB表示，表示，(极限载荷）极限载荷）6）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二、润滑脂二、润滑脂1 1 润滑脂的组成与分类润滑脂的组成与分类1)1)组成：基础油组成：基础油+ +稠化剂稠化剂+ +添加剂添加剂+ +膨润土膨润土2 2）分类：）分类： A) 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)B)钠基脂：高温，但不抗水；钠基脂：高温，但不抗水；C)C)锂基脂：多用途，最好；锂基脂：多用途，最好；D)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)E)其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、稠化剂

16、等其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、稠化剂等2 2 润滑脂的性能指标：主要有针入度、滴点、析油量、机械润滑脂的性能指标：主要有针入度、滴点、析油量、机械杂质、灰分、水分等杂质、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，表示耐热性3）防水性能；）防水性能；4）静音性能；）静音性能；三、固体润滑剂三、固体润滑剂1.用途：真空、辐射、重载等恶劣环境；用途：真空、辐射、重载等恶劣环境；2.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3.应用方法：涂镀，沉积，粘贴，嵌入，添加剂应用方法：涂镀，沉积，粘贴，嵌入，添加剂四、气体润滑剂四、气体润滑剂1.种类：空气、氧气、氩气等种类：空气、氧气、氩气等2.用途：高速轴承及不能用润滑油的场合。用途：高速轴承及不能