第4章摩擦、磨损及润滑

1、 一般认为，人类一次能源大约一般认为，人类一次能源大约1/31/3是消耗于摩擦损失，约有是消耗于摩擦损失，约有70%70%的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的。 中国机械工程学会摩擦学分会中国机械工程学会摩擦学分会调查显示：我国每年制造汽车消耗调查显示：我国每年制造汽车消耗的钢材与制造汽车配件消耗的相比大致相等。的钢材与制造汽车配件消耗的相比大致相等。 根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有关方面的根据美国、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的花费大约占国民经济年生产总值的2%2%7%7%。 研究有关摩

2、擦、磨损与润滑的科学与技术统称为研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术统称为摩擦学摩擦学(Tribology)(Tribology)。 把在机械设计中正确运用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性把在机械设计中正确运用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能的过程称为能的过程称为摩擦学设计摩擦学设计。q 摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；q 磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；q 润滑是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘

3、学科。间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。 第四章 摩擦、磨损及润滑概述4-1 4-1 摩擦摩擦膜厚比膜厚比 1 3 13 .21min21min表面轮廓算术平均偏差、表面间最小油膜厚度；膜厚比aaaaRRhRRh摩擦摩擦滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦干摩擦干摩擦边界摩擦边界摩擦流体摩擦流体摩擦混合摩擦混合摩擦静摩擦静摩擦动摩擦动摩擦金属表面间的滑动摩擦金属表面间的滑动摩擦大致估计两滑动表大致估计两滑动表面所处的摩擦（润面所处的摩擦（润滑）状态。滑）状态。1.1.干摩擦干摩擦 两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯净金属接触时的摩擦，称为干摩擦。纯净金属接触

4、时的摩擦，称为干摩擦。在机在机械设计中，通常把不出现显著润滑的摩擦，械设计中，通常把不出现显著润滑的摩擦，当作干摩擦处理。当作干摩擦处理。 摩擦理论：摩擦理论： 库仑公式库仑公式 nfFfF新理论：分子新理论：分子机械理论机械理论 能量理论、粘着理论能量理论、粘着理论简单粘着理论：简单粘着理论： BsynBrfFAFsyBnfFFf=界面剪切强度极限界面剪切强度极限/ 两种金属基体中较软的压缩屈服极限两种金属基体中较软的压缩屈服极限2.2.边界摩擦边界摩擦 两摩擦表面各附有一层极薄的边界膜，两表面仍两摩擦表面各附有一层极薄的边界膜，两表面仍是凸峰接触的摩擦状态称为边界摩擦。是凸峰接触的摩擦状态

5、称为边界摩擦。 摩擦性质取决于边界膜和零件表面的吸附性能。摩擦性质取决于边界膜和零件表面的吸附性能。物理吸附膜物理吸附膜常温、轻载、低速常温、轻载、低速 化学吸附膜化学吸附膜 中等载荷、速度和温度中等载荷、速度和温度 化学反应膜化学反应膜 重载、高速和高温重载、高速和高温 3.3.流体摩擦流体摩擦 两摩擦表面完全被流体层隔开、表面凸峰不两摩擦表面完全被流体层隔开、表面凸峰不直接接触的摩擦。直接接触的摩擦。此种润滑状态亦称流体润滑，此种润滑状态亦称流体润滑，摩擦是在流体内部的分子之间进行，故摩擦系数摩擦是在流体内部的分子之间进行，故摩擦系数极小。极小。 摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力。摩擦

6、性质取决于流体内部分子间粘性阻力。4.4.混合摩擦混合摩擦 两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的状态称为混合摩擦。摩擦的状态称为混合摩擦。 膜厚比膜厚比 1 3膜厚比膜厚比 5 全液体摩擦全液体摩擦 膜厚比膜厚比 3 4流体摩擦流体摩擦 摩擦状况摩擦状况摩擦因数摩擦因数干摩擦干摩擦相同金属：相同金属： 黄铜黄铜-黄铜；青铜黄铜；青铜-青铜青铜异种金属：异种金属：铜铅合金铜铅合金-钢钢巴氏合金巴氏合金-钢钢非金属：非金属：橡胶橡胶-其他材料其他材料 聚四氟乙烯聚四氟乙烯-其他材料其他材料0.81.5 0.150.3 0.150.3 0.61.9 0.

7、040.12固体润滑固体润滑石墨石墨-二硫化钼润滑二硫化钼润滑铅膜润滑铅膜润滑0.060.20 0.080.20边界润滑边界润滑矿物油湿润表面矿物油湿润表面加油性添加剂的油润滑：加油性添加剂的油润滑：钢钢-钢；尼龙钢；尼龙-钢钢 尼龙尼龙-尼龙尼龙 0.150.300.050.10 0.100.20流体润滑流体润滑液体动力润滑液体动力润滑液体静力润滑液体静力润滑0.080.20 0.001(与设计参数有关与设计参数有关)滚动摩擦滚动摩擦滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子

8、轴承则和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子轴承则稍大。稍大。不同摩擦状况下的摩擦因数不同摩擦状况下的摩擦因数4-2 4-2 摩损摩损一、典型的磨损过程一、典型的磨损过程 1 1、磨合磨损过程、磨合磨损过程 2 2、稳定磨损阶段、稳定磨损阶段 3 3、急剧磨损阶段、急剧磨损阶段 在一定载荷作用下形成在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时度不会继续改变，所占时间比率较小间比率较小经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持

9、相对稳定，磨损较缓擦条件保持相对稳定，磨损较缓, ,该段时间长短反映零件的寿命。该段时间长短反映零件的寿命。经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大动载振动润滑状态改变温升磨损速度急剧上升直至零件失效 二、磨损的分类（按照磨损机理分）二、磨损的分类（按照磨损机理分） 粘附磨损粘附磨损：也称胶合，也称胶合，“冷焊冷焊”后，表面材料的脱离及迁移；后，表面材料的脱离及迁移；磨粒磨损磨粒磨损：摩擦面间的游离颗粒，起到微切削作用；摩擦面间的游离颗粒，起到微切削作用；疲劳磨损疲劳磨损：疲劳点蚀；疲劳点蚀；流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损（冲蚀磨损）流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损（冲蚀磨损）：高压流体冲击引高压流体

10、冲击引起的机械磨损；起的机械磨损；机械化学磨损（机械化学磨损（腐蚀磨损）：腐蚀磨损）：摩擦表面材料在化学或电化学作用摩擦表面材料在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；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；微动磨损微动磨损( (微动损伤微动损伤) )：由粘附磨损、磨粒磨损、机械化学磨损和疲由粘附磨损、磨粒磨损、机械化学磨损和疲劳磨损共同形成的复合磨损形式。劳磨损共同形成的复合磨损形式。4-3 4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法润滑剂、添加剂和润滑方法一、润滑剂一、润滑剂 在摩擦面间加入润滑剂的主要作用是改善摩擦、减轻磨损，同在摩擦面间加入润滑剂

11、的主要作用是改善摩擦、减轻磨损，同时润滑剂还能起减振、防锈等作用，液体润滑剂还能带走摩擦热、时润滑剂还能起减振、防锈等作用，液体润滑剂还能带走摩擦热、污物等。污物等。 润滑剂有：润滑剂有： 液体润滑剂液体润滑剂 气体润滑剂气体润滑剂 润滑脂润滑脂 固体润滑剂固体润滑剂 1）液体润滑剂（润滑油）液体润滑剂（润滑油）主要有三大类：主要有三大类：（1）矿物油。主要是石油产品。来源充足，稳定性好、成本低，）矿物油。主要是石油产品。来源充足，稳定性好、成本低，应用最应用最广广。 （2）动、植物油。其油性好，最适于边界润滑使用，但稳定性差，应）动、植物油。其油性好，最适于边界润滑使用，但稳定性差，应用较少

12、。用较少。（3）合成油。如磷酸酯（低温润滑剂）、硅酸盐酯（高温润滑剂）、氟）合成油。如磷酸酯（低温润滑剂）、硅酸盐酯（高温润滑剂）、氟化物（耐氧化润滑剂）等，近年来应用面不断拓广。化物（耐氧化润滑剂）等，近年来应用面不断拓广。2）气体润滑剂）气体润滑剂 最常用的是空气。适于高温和低温环境下的高速场合，承载能力低。最常用的是空气。适于高温和低温环境下的高速场合，承载能力低。3）润滑脂）润滑脂 为使润滑剂易于保持在摩擦表面，用稠化剂将润滑油稠化成膏状，即为使润滑剂易于保持在摩擦表面，用稠化剂将润滑油稠化成膏状，即润滑脂。润滑脂。4）固体润滑剂）固体润滑剂 固体润滑剂有无机化合物（石墨、二硫化钼、硼

13、砂等）与有机化合物固体润滑剂有无机化合物（石墨、二硫化钼、硼砂等）与有机化合物（金属皂、动物脂等）。固体润滑剂适用于高温、大载荷以及不宜采用液（金属皂、动物脂等）。固体润滑剂适用于高温、大载荷以及不宜采用液体润滑剂和润滑脂的场合，如宇航设备及卫生要求较高的机械设备中。体润滑剂和润滑脂的场合，如宇航设备及卫生要求较高的机械设备中。 性能指标：性能指标： 1）粘度）粘度 2）油性）油性 3）凝点）凝点 4）闪点和燃点）闪点和燃点 5）极压性能）极压性能 6）氧化稳定性）氧化稳定性 1 1、润滑油、润滑油 有机油、矿物油、合成油有机油、矿物油、合成油润滑油的性能指标润滑油的性能指标1 1：粘度粘度1

14、.粘度：表征润滑油流动时的内部阻力。粘度：表征润滑油流动时的内部阻力。动力粘度：动力粘度：牛顿在牛顿在1687年研究粘性液体流动的摩擦定理中，定义了年研究粘性液体流动的摩擦定理中，定义了动力粘度动力粘度：yv力粘度。比例常数，即流体的动速度梯度；流体垂直于运动方向的力；流体单位面积上的切应_yv动力粘度动力粘度的量纲的量纲 Ns/m2 或或Pas 。不便测量，主要用于流体动力学计算。不便测量，主要用于流体动力学计算。运动粘度：运动粘度： 动力粘度动力粘度与同温度下该液体密度与同温度下该液体密度之比值：之比值： 运动粘度运动粘度的量纲的量纲 m m2 2 / s . / s .在在C.G.SC.

15、G.S制中用制中用 StSt（斯）（斯）,1 St=1 ,1 St=1 cmcm2 2/s/s； 常用的为常用的为cSt(cSt(厘斯厘斯) )，1cSt=1 mm1cSt=1 mm2 2/s/s。lGB/T314-1994规定规定采用润滑油在采用润滑油在40时的运动粘度中心值时的运动粘度中心值作为润滑作为润滑油的牌号。润滑油实际运动粘度在相应中心粘度值的油的牌号。润滑油实际运动粘度在相应中心粘度值的10%偏差以内。偏差以内。l教材教材P53表表4-1条件粘度：条件粘度： 用一定的粘度计进行计量的润滑油的粘度，主要是商业用。如恩用一定的粘度计进行计量的润滑油的粘度，主要是商业用。如恩氏度（氏度

16、（o oE Et t）中国用中国用, ,赛氏秒（赛氏秒（SUSSUS）美国用，雷氏秒（美国用，雷氏秒（R R）英国用。英国用。sm /2粘度牌号粘度牌号运动粘度中心值运动粘度中心值40C运动粘度范围运动粘度范围40C2357101522324668100150220320460680100015002.23.24.66.8101522324668100150220320460680100015001.982.422.883.524.145.066.127.489.0011.013.516.519.824.228.835.241.450.661.274.890.01101351651982422

17、88352414506612748900110013501650工业用润滑油粘度牌号分类表单位：单位：cSt 润滑油的润滑油的粘压特性粘压特性 当应力很高（大于当应力很高（大于20MPa20MPa）时）时, ,润滑油的粘度将明润滑油的粘度将明显增大。一般，只在高副元件中才有这种现象，如重显增大。一般，只在高副元件中才有这种现象，如重载齿轮传动中，啮合处的局部压力可能高达载齿轮传动中，啮合处的局部压力可能高达4000MPa4000MPa，此时润滑油的粘度极大，变得像腊状的固体。此时润滑油的粘度极大，变得像腊状的固体。 润滑油的润滑油的粘温特性粘温特性 (P54(P54图图4-7)4-7) 随着温

18、度的升高，粘度将变小。其影响程度由粘随着温度的升高，粘度将变小。其影响程度由粘度指数（度指数（VIVI）表示，）表示，VIVI越大，则粘度随温度的变化越越大，则粘度随温度的变化越小，即粘温性能越好。小，即粘温性能越好。润滑油的性能指标润滑油的性能指标2 2：油性、极压性、闪点、凝点、稳定性油性、极压性、闪点、凝点、稳定性 2.2.润滑性（油性）润滑性（油性） 润滑油润滑油能在金属摩擦表面形成吸附膜的能在金属摩擦表面形成吸附膜的性能性能称为油性。油性愈好、愈有利于边界润滑，动、植物油和称为油性。油性愈好、愈有利于边界润滑，动、植物油和脂肪酸的油性较好。目前尚无一个定量的指标评价润滑剂的油脂肪酸的

19、油性较好。目前尚无一个定量的指标评价润滑剂的油性。性。 3.3.极压性极压性 润滑油中含有极压添加剂而形成化学反应膜的能润滑油中含有极压添加剂而形成化学反应膜的能力。力。 4.4.闪点闪点 润滑油蒸气遇火焰发出闪光的最低温度称为闪点。润滑油蒸气遇火焰发出闪光的最低温度称为闪点。是衡量油的易燃性的尺度。是衡量油的易燃性的尺度。 5.5.凝点凝点 润滑油冷却到不能流动的温度称为凝点。低温工作润滑油冷却到不能流动的温度称为凝点。低温工作的场合应选凝点低的润滑油来润滑。的场合应选凝点低的润滑油来润滑。 6.6.氧化稳定性氧化稳定性 润滑油被暴露在高温空气中时抗氧化的能润滑油被暴露在高温空气中时抗氧化的

20、能力。力。2.2.润滑脂润滑脂 1 1）锥入度（针入度、稠度）锥入度（针入度、稠度） 润滑脂稠度指标。锥入度愈润滑脂稠度指标。锥入度愈小，稠度愈大、流动性愈小，承载能力强，密封好，但摩擦阻小，稠度愈大、流动性愈小，承载能力强，密封好，但摩擦阻力也大。力也大。2 2）滴点）滴点 润滑脂受热开始滴下的温度称为滴点，润滑脂的润滑脂受热开始滴下的温度称为滴点，润滑脂的工作温度最少要低于滴点工作温度最少要低于滴点2020C C。二、添加剂二、添加剂 为了提高油的品质和性能，常在润滑油或润滑脂中加入一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虽小但对润滑剂性能改善其巨大作用的物质，这些物质些

21、分量虽小但对润滑剂性能改善其巨大作用的物质，这些物质叫叫添加剂添加剂。提高油性、极压性提高油性、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 润滑剂用得最多的是润滑剂用得最多的是润滑油和润滑脂润滑油和润滑脂。 选择滑动轴承的选择滑动轴承的润滑油润滑油时，主要是考虑时，主要是考虑粘性粘性和和油性油性两项两项性能指标。性能指标。 对液体摩擦轴承，粘性起主要作用，对非液体摩擦轴承，对液体摩擦轴承，粘性起主要作用，对非

22、液体摩擦轴承，油性起主要作用。油性起主要作用。 原则上讲，当转速高、压强小时可选粘度低的油，反之原则上讲，当转速高、压强小时可选粘度低的油，反之应选粘度高的油。应选粘度高的油。 在高温环境下工作时其粘度相应地选得高一些。在高温环境下工作时其粘度相应地选得高一些。 l润滑剂的选择润滑剂的选择 对于要求不高，难以经常供油或摆动工作的非液体摩擦对于要求不高，难以经常供油或摆动工作的非液体摩擦轴承，可采用润滑脂进行润滑，常用的润滑脂有：轴承，可采用润滑脂进行润滑，常用的润滑脂有：钙基润滑脂钙基润滑脂 有良好的抗水性，但耐热能力差，工作温度有良好的抗水性，但耐热能力差，工作温度不宜超过不宜超过55C65

23、C；钠基润滑脂钠基润滑脂 有较高的耐热性，工作温度可达有较高的耐热性，工作温度可达120C，但抗水性差；但抗水性差；锂基润滑脂锂基润滑脂 既能抗水，又能在较高温度下工作，适用于既能抗水，又能在较高温度下工作，适用于-20C120C，但价格较前二者贵。，但价格较前二者贵。l机械零件的润滑状态机械零件的润滑状态 边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，都必须在一定边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，都必须在一定的润滑条件下才能实现，摩擦状态与润滑状态成对应的润滑条件下才能实现，摩擦状态与润滑状态成对应关系。关系。 边界润滑：边界润滑： 1 边界膜（吸附膜、反应膜）边界膜（吸附膜、反应膜） 流体润滑：流体润滑： 3

24、 摩擦副始终被一层具有一定压力和一定厚度的流摩擦副始终被一层具有一定压力和一定厚度的流体膜完全隔开、相互运动的阻力只是流体内部的摩擦体膜完全隔开、相互运动的阻力只是流体内部的摩擦力时，这种润滑状态称为流体润滑。力时，这种润滑状态称为流体润滑。 混合润滑：混合润滑： 1 3 兼有边界润滑和液体润滑的状态称为混合润滑，兼有边界润滑和液体润滑的状态称为混合润滑，其摩擦因数也介于两者之间。（其摩擦因数也介于两者之间。（最常见最常见）三、润滑方法三、润滑方法1 1、油润滑、油润滑 （1 1）滴油润滑）滴油润滑（2 2）油环润滑）油环润滑（3 3）飞溅润滑）飞溅润滑（4 4）压力循环润滑）压力循环润滑润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有： 用于低速用于低速 用于高速用于高速浸油与飞溅润滑喷油润滑滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等 油脂润滑常用于运转速度较低的场合，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。常用的润滑装置2 2、脂润滑、脂润滑 l分散供油装置分散供油装置油壶油壶 油枪油枪 a) a) 简单的少数点位集中供油简单的少数点位集中供油 b) b) 设备中心、车间及工厂级集中供油设备中心、车间及工厂级集中供油 泵站泵站+(+(稳压稳