《摩擦磨损和润滑》课件

摩擦磨损和润滑探讨摩擦和磨损的基本原理以及如何通过润滑来减少机械设备的损坏。了解如何选择合适的润滑剂并正确进行润滑维护。课程目标深入了解摩擦和润滑通过本课程,学生将全面掌握摩擦和润滑的基本概念及其在工程领域的应用。提升设计和维护能力学习如何根据摩擦和磨损特性进行合理的设备设计和维护,从而提高设备的使用寿命和可靠性。培养解决问题的能力通过分析各种摩擦和磨损问题,学生将掌握有效的问题解决方法,为今后的工程实践做好准备。摩擦的基本概念力的相互作用当两个物体表面接触并相对滑动时,会产生摩擦力。这种力是由于表面粗糙度和表面元素之间的相互作用而产生的。能量消耗摩擦会导致能量的损失,这种能量转化为热量,造成表面温度的升高。因此需要合理设计摩擦过程,最大限度降低能量损失。表面磨损摩擦会造成表面材料的逐渐脱落和磨损,影响零件的使用寿命。因此需要选用合适的材料和采取有效的润滑措施,减少磨损。摩擦系数摩擦系数摩擦力与法向力之比表示接触面之间的摩擦强度静摩擦系数静止物体开始滑动时的摩擦系数比动摩擦系数大动摩擦系数物体滑动时的摩擦系数与滑动速度、温度、润滑等有关摩擦系数是表示接触面之间摩擦性质的重要参数,反映了两个物体之间的摩擦强度。静摩擦系数和动摩擦系数是最常见的两种摩擦系数,前者比后者大。摩擦系数受多种因素影响,在工程设计中需要认真测量和选择合适的数值。干摩擦和湿摩擦干摩擦干摩擦是指两个固体表面在无任何润滑剂的情况下相互接触并滑动而产生的摩擦。这种摩擦受表面粗糙度、硬度、应力等因素影响较大。湿摩擦湿摩擦是指在两个固体表面之间有润滑剂存在时产生的摩擦。润滑剂可以是液体、固体或者半固体。湿摩擦通常比干摩擦摩擦系数小。摩擦力的测量1摩擦力测量仪利用力传感器测量物体之间的摩擦力大小。可以测量水平和垂直方向的摩擦力。2测量步骤1.固定被测物体，施加一定的法向力2.缓慢施加水平方向的拉力，直到物体开始滑动3.记录最大摩擦力值3动摩擦力测量利用同样的原理，在物体持续滑动时测量动摩擦力。这可以得到摩擦力随速度变化的规律。固体表面的接触在机械设备中,固体表面之间的接触是不可避免的。这种接触会引发一系列物理化学现象,如接触应力、接触面积、表面粗糙度等,从而影响摩擦和磨损的发生。正确理解固体表面的接触特性对于设计高效可靠的机械系统至关重要。接触面积的大小取决于表面粗糙度、接触应力和物理变形等因素。随着表面粗糙度降低、接触应力增加,实际接触面积会逐渐增加。同时,材料的变形特性也会影响接触情况,如金属相比塑料具有更大的变形能力。表面粗糙度0.1微米工件表面的微米级粗糙度1微米通常加工工件的目标表面粗糙度10微米较为粗糙的表面粗糙度表面粗糙度是衡量工件表面光洁度的重要指标之一。它反映了表面微观几何形貌的不平整程度。精密加工要求表面粗糙度较低,通常在0.1-1微米范围内。而较粗糙的表面粗糙度可达10微米。合理控制表面粗糙度对提高产品使用性能和寿命具有重要意义。接触区域的应力分布1接触面应力集中接触区域会产生应力集中,导致材料损害。2应力分布模型可建立弹性接触理论的应力分布模型。3应力分布影响因素材料属性、表面粗糙度和接触几何等影响应力分布。正确分析接触区域的应力分布对于评估材料的疲劳寿命和防止过大的接触损伤非常重要。通过建立应力分布模型,并考虑影响因素,可以优化接触设计,提高机械零部件的可靠性。摩擦热的产生1剪切应力产生当两个表面相对滑动时,接触区域内部会产生剪切应力,从而产生摩擦热。2热量累积摩擦热通过热传导在接触区域内部累积,造成接触区域温度升高。3表面粗糙度影响表面粗糙度越大,接触面积越小,单位面积上的摩擦热越集中,温度升高越快。4润滑作用适当的润滑可以降低摩擦系数,减少摩擦热的产生。摩擦热的影响温度升高摩擦过程中产生的热量会导致工件表面温度升高,这可能会引起材料的热变形、化学变化和性能下降。机械性能降低高温会降低材料的强度、硬度和韧性,加速金属的疲劳损坏和磨损。润滑油性能下降摩擦热会导致润滑油的粘度下降,从而降低其润滑性能,增加磨损。磨损的基本概念定义磨损是指当两个表面在相互作用下发生材料的逐步去除或形状的变化的过程。特点磨损通常是一个极其缓慢的连续过程,会导致机械部件逐步失去其功能。影响严重的磨损会导致机械设备的性能下降、可靠性降低、使用寿命缩短。磨损机理表面接触两个表面在接触时会出现局部的高点和低点,这些高点会产生集中应力,引发表面材料的塑性变形和脱落。表面粘附在高压和温度下,表面的微小凸起会发生粘附,产生分子级的焊接,进而引发磨损颗粒的脱落。表面疲劳反复的接触和剥离会造成表面微观结构的疲劳损坏,从而产生裂纹和剥落。磨损类型1粘着性磨损由于相互接触面间的粘着和剪切导致的材料转移和失去。常见于金属与金属之间的接触。2腐蚀性磨损在化学反应或电化学反应的作用下,表面材料被逐渐溶解和去除。常见于金属与腐蚀介质的接触。3磨粒磨损由于硬质颗粒夹在接触面间而造成的磨损。这种磨损常见于机械设备中。4疲劳性磨损由于反复的应力变化导致表面层剥落的磨损。常见于滚动接触面。影响磨损的因素表面性质材料表面的硬度、粗糙度、化学成分等是影响磨损的关键因素。更加光滑、坚硬的表面通常具有更高的耐磨性。载荷大小施加在接触表面上的压力或荷载越大,就会导致更严重的磨损。合理控制载荷是降低磨损的关键。润滑条件良好的润滑可以有效降低摩擦力,从而减少磨损。选择合适的润滑剂并保持适当的润滑状态非常重要。工作环境温度、湿度、腐蚀性等环境因素也会影响材料表面的磨损行为,需要根据实际情况进行针对性的设计。磨损量的测量1直接测量通过衡量表面的高度变化或体积损失来计算磨损量。2间接测量通过测量磨损颗粒的数量和大小来估算磨损量。3光学测量利用激光干涉仪或扫描电子显微镜等光学技术测量表面粗糙度。磨损量测量是摩擦学研究的关键内容之一。常用的方法包括直接测量表面高度变化、间接测量磨损颗粒以及利用光学技术检测表面粗糙度变化。这些测量方法各有优缺点,需要结合具体情况选择合适的方式。润滑的基本概念润滑的目的减少摩擦和磨损,保护机械零件,延长使用寿命。润滑剂类型包括液体、固体、半固体和气体等多种形式。润滑系统通过合理设计,确保润滑剂有效传输到接触面。润滑剂的种类液体润滑剂包括矿物油、合成油和天然油等,是最常用的润滑剂种类。具有良好的润滑性能和防腐性。固体润滑剂如石墨、二硫化钼等,可在缺乏液体润滑剂时提供润滑。特点是耐高温、耐腐蚀。半固体润滑剂如黄油、凡士林等,介于液体和固体之间,具有良好的防渗性和抗水性。常用于高负荷低速工况。气体润滑剂如空气、氮气等,可提供无油润滑。适用于高速高精度领域,但承载能力有限。液体润滑剂矿物油矿物油是最常见的液体润滑剂,具有良好的润滑性能和耐温性。广泛应用于机械设备、汽车等领域。合成油合成油依据合成工艺的不同可以设计出更优异的性能,如优异的抗氧化性、低温流动性等。应用于高端设备。动植物油动植物油具有良好的润滑性和环保特性,但耐温性不如矿物油和合成油。常用于一些特殊场合。固体润滑剂石墨石墨是最常用的固体润滑剂之一,具有优异的耐高温性能和抗氧化性。它可以在固体和流体润滑系统中使用。二硫化钼二硫化钼是一种性能出色的固体润滑剂,可以在高温、高负荷和真空环境下发挥作用。其润滑机理是形成稳定的润滑膜。聚四氟乙烯聚四氟乙烯具有极低的摩擦系数和出色的耐化学性,广泛应用于密封件、轴承和滑动表面的固体润滑。半固体润滑剂性能卓越半固体润滑剂具有优异的耐磨性、耐高温性和抗氧化性,能有效防止金属表面的直接接触。广泛应用半固体润滑剂常用于各类机械设备的轴承、滑动副、齿轮等部位,能大幅提高设备使用寿命。易于应用半固体润滑剂通常呈膏状或凝胶状,涂抹或注入时操作简便,无需专业设备。气体润滑剂特点气体润滑剂具有优异的抗高温和高速性能,通常用于涡轮机、气动工具等设备。优势气体润滑可以避免液体泄漏,减少污染。同时还能提高设备运转效率,降低能耗。应用常见气体润滑剂包括压缩空气、惰性气体如氮气,以及特种气体如氢气、氦气等。局限性气体润滑通常带来高额的能源成本,适用范围相对有限。需要特殊设计的密封系统。润滑膜的形成1溶解渗透润滑剂通过渗透到接触表面的孔隙中,形成防护润滑膜。2化学吸附润滑剂分子通过化学键合作用附着在接触表面上,形成稳定的润滑膜。3机械缠结润滑剂分子与表面微观结构机械卡合,形成物理性润滑膜。润滑膜的特性膜厚润滑膜的厚度会影响润滑性能,过厚会增加功耗,过薄则无法完全隔开接触面。通常在微米级别。黏度润滑膜的黏度决定了其流动性,过高会增加阻力,过低则无法维持稳定的润滑膜。需要适当调节。膜结构润滑膜可以是连续均匀的,也可以是非均匀的。结构对于润滑性能和耐久性有重要影响。温度特性润滑膜在不同温度下的性能表现会有所不同,需要考虑工作环境温度对膜特性的影响。润滑设计原则优化摩擦选择合适的润滑方式,降低摩擦系数,从而减少能量损失和磨损。控制温升有效传热可以防止润滑剂过度升温,保护零件免受热损伤。延长寿命良好的润滑设计可以最大限度延长零件的使用寿命,降低维修成本。降低成本合理的润滑管理可以有效减少润滑剂的消耗,从而节约运营成本。摩擦学在工程领域的应用1机械设备设计摩擦学可以帮助设计更加可靠、高效和节能的机械设备,如轴承、齿轮等。2材料选择了解不同材料的摩擦和磨损特性有助于选择更加合适的材料。3润滑系统优化合理的润滑设计可以显著降低机械系统的能耗和维护成本。4表面处理技术通过表面粗糙度、硬度等的控制可以改善摩擦和磨损性能。摩擦学研究的发展趋势智能化测量技术随着传感器和控制技术的进步，摩擦学研究正朝着更加智能化、自动化的方向发展。新型测量设备能够精准捕捉摩擦过程的细节。多尺度理论模型通过计算机模拟和理论分析相结合，研究人员能够从微观角度深入探究摩擦机理。多尺度模型有助于预测和控制复杂摩擦过程。环保可持续发展未来摩擦学研究将更加注