《摩擦损耗与润滑》课件

摩擦损耗与润滑摩擦和润滑是机械设计和工程中的重要概念。本课件将探讨摩擦和润滑的基本原理、应用和重要性。课程概述内容概述本课程深入讲解摩擦、润滑相关概念和理论。涵盖摩擦类型、摩擦系数、摩擦力影响因素。介绍润滑原理、润滑剂类型、润滑系统设计。学习目标理解摩擦、润滑的基本概念和重要性。掌握分析和解决摩擦学问题的方法。了解润滑技术在机械设计和工业生产中的应用。摩擦概念及分类摩擦的定义摩擦是指两个表面相互接触并发生相对运动时所产生的阻力。滑动摩擦滑动摩擦发生在两个表面互相滑动时，例如木块在桌面上滑动。滚动摩擦滚动摩擦发生在一个物体在另一个物体表面滚动时，例如轮子在道路上滚动。静摩擦静摩擦是指当两个表面互相接触但没有相对运动时产生的阻力。摩擦产生的原因1表面粗糙度接触表面并非完全光滑2分子间作用力接触表面分子间相互吸引3形变接触表面发生弹性或塑性形变摩擦力的产生主要由表面粗糙度、分子间作用力和接触表面形变共同作用引起。摩擦系数的测量摩擦系数是衡量材料之间摩擦力的重要指标。测量摩擦系数通常采用倾斜平面法和摩擦试验机法。倾斜平面法通过测量物体在斜面上开始滑动时的角度来确定摩擦系数，该方法操作简单但精度较低。摩擦试验机法则是通过测量施加在物体上的力和摩擦力的大小来计算摩擦系数，该方法精度较高，适用于各种材料的摩擦系数测量。粗糙表面摩擦粗糙表面摩擦是指两个物体表面存在微观凸起和凹陷时产生的摩擦。这些凸起和凹陷相互接触、相互作用，形成微观接触点。接触点之间的相互作用力主要包括正压力、剪切力、粘着力和弹性力。这些力的综合作用导致了粗糙表面的摩擦力。摩擦力的影响因素接触面材料接触面材料的性质对摩擦力有很大影响。例如，金属表面之间的摩擦力通常大于塑料表面之间的摩擦力。接触面的粗糙度接触面越粗糙，摩擦力越大。因为粗糙的表面会产生更多的接触点，从而增加摩擦力。法向力的大小法向力是指垂直于接触面的力，法向力越大，摩擦力也越大。运动速度对于某些材料，运动速度会影响摩擦力。例如，在低速下，摩擦力通常会随着速度的增加而增加，但在高速下，摩擦力可能会减少。固体摩擦模型阿蒙顿-库仑模型假设接触面由许多微小的凸起组成，这些凸起相互接触，并产生摩擦力。摩擦力与正压力成正比，与接触面积无关，称为库仑摩擦定律。弹性接触模型考虑接触面的弹性变形，并假设接触面是由许多微小的弹性体组成，这些弹性体相互接触，并产生摩擦力。摩擦力与正压力、接触面积和材料弹性模量有关。塑性接触模型考虑接触面的塑性变形，并假设接触面是由许多微小的塑性体组成，这些塑性体相互接触，并产生摩擦力。摩擦力与正压力、接触面积和材料屈服强度有关。分子间作用力模型考虑接触面分子间的作用力，并假设摩擦力是由接触面分子间的吸引力和排斥力产生的。该模型适用于原子尺度的摩擦研究。固体摩擦的基本规律库仑定律摩擦力与正压力成正比，与接触面的材料和表面状况有关。运动方向摩擦力总是与物体相对运动方向相反，或者阻碍物体相对运动趋势。接触面积摩擦力与接触面积无关，只取决于正压力。滑动速度摩擦力在一定范围内与滑动速度无关。滚动摩擦11.接触面积滚动摩擦发生在两个表面接触并滚动时，接触面积相对较小。22.滚动阻力滚动阻力主要由变形和摩擦力组成，一般比滑动摩擦力小得多。33.滚珠轴承滚珠轴承利用滚动摩擦原理，减少摩擦力，提高机械效率。44.应用滚动摩擦广泛应用于车辆、机械设备等，提高运行效率，减少能耗。液体润滑的分类流体动力润滑润滑剂依靠相对运动表面产生的压力形成油膜。边界润滑润滑剂与摩擦表面直接接触，形成一层薄膜。混合润滑流体动力润滑和边界润滑同时存在。液膜润滑的工作机理1接触面分离润滑油在运动部件之间形成一层油膜，将相互接触的表面隔开，减少摩擦力。2流体动力润滑润滑油在运动部件间形成油膜，油膜的形成主要依靠部件相对运动产生的压力。3流体静压润滑润滑油在外部压力作用下形成油膜，例如，油封或轴承内部的油压，用于支撑部件的重量或承受外力。边界润滑的特点薄膜润滑边界润滑膜很薄，厚度在几纳米到几十纳米之间，相当于几个分子层。润滑油分子直接与摩擦副表面接触，形成一层薄的润滑膜。高摩擦系数边界润滑的摩擦系数较高，通常在0.1到0.3之间。由于润滑膜非常薄，金属表面之间的直接接触难以避免，导致摩擦系数较高。流体润滑的理论基础流体润滑是指两个相对运动的表面被一层连续的润滑油膜完全隔开。流体润滑是润滑方式中最理想的一种，其摩擦系数低，磨损小，可显著延长机械寿命。雷诺方程描述润滑油膜压力分布和速度分布粘性理论解释油膜流动和摩擦力产生的原理瑞利润滑理论流体润滑润滑油形成油膜，隔开摩擦表面，减少摩擦和磨损。雷诺方程描述了油膜的压力分布、厚度和速度。轴承设计根据雷诺方程，设计轴承的形状和尺寸，确保油膜的稳定性。流体润滑参数的确定流体润滑参数的确定对于保证润滑效果至关重要。这些参数包括油膜厚度、油压、油温、油粘度等。0.01-0.1mm油膜厚度保证足够的油膜厚度，以防止金属表面直接接触。1-10bar油压油压决定油膜的承载能力，保证足够的油压才能将负载传递给润滑油。40-80℃油温温度过高会导致油膜变薄、粘度下降，而温度过低又会影响油的流动性。10-100cSt油粘度油粘度是润滑油最重要的性质之一，它直接影响着油膜的形成和稳定性。摩擦学对机械设计的影响11.提高机械效率降低摩擦损耗，提高能量利用率，节约能源消耗。22.延长机械寿命减少磨损，延长机械使用寿命，降低维修成本。33.优化结构设计根据摩擦学原理，优化机械结构，提高可靠性和安全性。润滑剂的种类矿物油从原油中提炼，是最常见的润滑剂类型，具有良好的润滑性能和经济性。合成油通过化学合成制造，具有更高的抗氧化性、耐高温性和低温流动性，适用于特殊工况。半合成油由矿物油和合成油混合而成，兼具两种油的优点，性价比高，应用范围广。固体润滑剂如石墨、二硫化钼等，主要用于高温、高压或干摩擦条件下，可降低摩擦系数，延长设备寿命。润滑剂的性能与选择粘度润滑剂的粘度是其最重要的性能指标之一，它决定了润滑剂在不同温度下的流动性，从而影响到润滑系统的性能。抗磨损性能润滑剂的抗磨损性能是指其抵抗摩擦表面磨损的能力，良好的抗磨损性能可以延长机械设备的使用寿命。抗氧化性能润滑剂的抗氧化性能是指其抵抗氧化反应的能力，良好的抗氧化性能可以延长润滑剂的使用寿命，防止润滑剂变质。其他性能除了以上性能外，润滑剂还应具有良好的抗腐蚀性能、抗乳化性能、抗泡沫性能等，以满足不同的应用需求。润滑系统的设计1确定润滑类型选择最佳润滑类型，例如液膜润滑、边界润滑或混合润滑2润滑油选择根据应用条件选择合适的润滑油，考虑粘度、添加剂等3润滑系统设计选择合适的润滑油泵、管道、滤清器，确保润滑油高效循环4润滑系统监测监测润滑油状态和压力，及时发现问题并进行维护润滑系统设计需要考虑多种因素，包括润滑类型、润滑油选择、系统布局、监测方式等。合理的润滑系统设计可以有效降低摩擦磨损，提高设备使用寿命和工作效率。润滑技术在工业中的应用机械设备润滑油可有效减少摩擦，降低磨损，延长设备寿命。汽车、飞机、船舶等机械设备广泛使用润滑油，提高效率，降低维护成本。金属加工润滑剂在金属切削、冲压、拉伸等加工过程中起着重要作用，减少摩擦，降低加工温度，提高加工精度，改善表面质量。能源行业润滑油用于发电机、风力涡轮机等能源设备，减少摩擦损失，提高能量转换效率，降低能耗，减少污染排放。其他应用润滑技术还应用于食品加工、医疗器械、航空航天等领域，确保设备正常运转，提高产品质量，保障安全生产。减摩节能的重要性降低能耗减少摩擦损耗，可以降低机械运行过程中的能量消耗，节约能源。环保效益减少能源消耗，降低二氧化碳排放，有助于保护环境。延长寿命减少摩擦导致的零件磨损，可以延长机械设备的使用寿命。提高效率降低机械运行阻力，提高工作效率，提升生产效率。摩擦损耗的测量方法方法描述摩擦力测量法直接测量摩擦力的大小，通常使用摩擦力传感器。功耗测量法测量摩擦过程中的能量消耗，通过计算功耗来推算摩擦损耗。热量测量法测量摩擦产生的热量，通常使用热电偶或热敏电阻等温度传感器。磨损测量法测量摩擦过程中的磨损量，通常使用显微镜或扫描电子显微镜等。摩擦学研究的发展方向纳米摩擦学研究纳米尺度下的摩擦现象，探索材料表面微观结构和摩擦行为之间的关系，开发新型低摩擦纳米材料和润滑剂。生物摩擦学研究生物体内的摩擦现象，例如关节润滑、皮肤摩擦等，应用于人工关节设计和生物材料研发。摩擦材料开发新型摩擦材料，提高材料的摩擦系数和耐磨性，应用于各种机械设备，例如汽车刹车片、离合器片。常见的摩擦学问题与解决常见的摩擦学问题包括磨损、疲劳、卡死等。磨损是材料表面由于摩擦而产生的材料损失，会导致零件尺寸变化、精度下降、性能降低。疲劳是材料在重复应力作用下，由于微观裂纹的扩展而导致的破坏，会导致零件断裂。卡死是摩擦副表面之间的粘合力大于分离力，导致零件无法正常运动，造成机械故障。解决摩擦学问题的方法有很多，主要包括：选择合适的材料、表面处理、润滑、设计优化等。选择合适的材料可以提高材料的耐磨性、抗疲劳性和抗卡死性。