第四章-摩擦磨损及润滑概述

§4-1摩擦§4-2磨损§4-3润滑剂、添加剂和润滑方法§4-4流体润滑原理简介第4章摩擦、磨损及润滑概述摩擦学(Tribology)----研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损与润滑学科。●摩擦--相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；●磨损--由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；●润滑--减轻摩擦和磨损所应采取的措施。世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦过程中。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的。减少摩擦节省能源；减少磨损降低设备维修次数和费用，节省制造零件及其所需材料的费用。一、摩擦的分类内摩擦：发生在物质的内部、阻碍分子之间相对运动的现象。外摩擦：在相对运动的两物体表面间发生的阻碍相对滑动的现象。静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。滑动摩擦：物体表面间的运动是相对滑动的摩擦。滚动摩擦：物体表面间的运动是相对滚动的摩擦。§4-1摩擦潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制1、干摩擦两零件表面直接接触后，因为微观局部压力高而形成许多冷焊点，运动时被剪切。不允许出现干摩擦！2、边界摩擦二、滑动摩擦状态干摩擦→功耗↑磨损↑温度↑→烧毁轴瓦运动副表面有一层很薄吸附膜，不足以将两金属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互摩擦。f≈0.1~0.3v有一层压力油膜将两金属表面隔开，不直接接触，流体分子之间的摩擦。是理想的摩擦状态。3、流体摩擦f≈0.001~0.01vvv潘存云教授研制潘存云教授研制4、混合摩擦v混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。fηn/po边界摩擦混合摩擦液体摩擦摩擦特性曲线称无量纲参数ηn/p为轴承特性数。η-动力粘度边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。机器的寿命磨损曲线磨合阶段磨损量时间剧烈磨损阶段稳定磨损阶段§4-2磨损磨损过程大致如图所示：▲磨合阶段----摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化。▲稳定磨损阶段----零件在平稳而缓慢的速度下磨损。▲剧烈磨损阶段----在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭到破坏，运动副间隙增大引起动载荷和振动。零件即将进入报废阶段。影响：降低机器的效率和可靠性，甚至促使机器提前报废。设计或使用机器时，力求缩短磨合期、延长稳定磨损期、推迟剧烈磨损的到来。1、磨粒磨损：简称磨损，外部进入摩擦面间的游离硬颗粒（如空气中的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的轮廓峰尖在软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒。潘存云教授研制磨损的分类：按磨损机理分:2、粘附磨损（胶合）当摩擦表面的轮廓峰在相互作的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。严重的粘附磨损会造成运动副咬死。潘存云教授研制3、疲劳磨损（点蚀）由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的机械磨损。点蚀过程：产生初始疲劳裂纹→扩展→微粒脱落，形成点蚀坑。潘存云教授研制潘存云教授研制4、冲蚀磨损流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒冲击零件表面所引起的机械磨损。利用高压空气输送型砂或高压水输送碎石时，管道内壁所产生的机械磨损是实例之一。。5、腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的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。6、微动磨损摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同形成的复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。应用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面等。按磨损表面外观可分为：点蚀磨损胶合磨损擦伤磨损一、润滑剂作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。分类液体润滑剂----润滑油半固体润滑剂----润滑脂固体润滑剂1、润滑油矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好，应用最广。种类气体润滑剂----空气有机油----动、植物油矿物油----石油产品化学合成油§4-3润滑剂、添加剂和润滑方法A粘度是选择润滑油的主要依据。它是表征液体流动的内摩擦特性。液体层与层之间摩擦切应力：τ=ηdudy--流体中任意点处的切应力与该处的速度梯度成正比。η----液体的动力粘度，简称粘度量纲：力·时间/长度2单位：N·s/m2(Pa·s)称为泊。或厘泊：1P=1dyn·s/cm2oxyydyduB粘度----重要指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀；粘度的种类动力粘度运动粘度条件粘度1)动力粘度-----牛顿液体流动定律1泊=100厘泊v工程中常用运动粘度：ν=ηρ单位：m2/s称为斯St：cm2/s或厘斯cSt：1St=100cSt2)运动粘度潘存云教授研制表4-1常用常用润滑油的主要性质名称全损耗系统用油GB443-89汽轮机油GB11120-89代号40℃的粘度mm2/sL-AN76.12~7.48-10110凝点≤C闪点(开式)≥C用于高速低负荷机械、精密机床、纺织纱锭的润滑和冷却。普通机床的液压油。用于一般滑动轴承、齿轮、蜗轮的润滑用于重型机床导轨、矿山机械的润滑。用于汽轮机、发电机等高速高负荷轴承和各种小型液体润滑轴承L-AN10090~1100210L-AN109.0~11.0-10125L-AN1513.5~16.5-10165L-AN3228.8~32.2-10170L-AN4641.4~50.6-10180L-AN6861.2~74.8-10190L-TSA3228.8~35.2-7180L-TSA4641.4~50.6主要用途3)条件粘度指在一定条件下，利用某种规格的粘度计，通过测定润滑油穿过规定孔道的时间来进行度量的粘度。常用的有：恩氏度（˚Et）----中国惯用赛氏通用秒（SUS）----美国惯用雷氏秒----英国惯用运动粘度与条件粘度有一定的换算关系。润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如：牌号为L-AN10的油在40℃时的运动粘度大约为10cSt。潘存云教授研制润滑油的特性：1）粘----温相关性温度t↑压力p↑→η↓但p10MPa时可忽略。→η↑粘--温图0.080.070.060.050.040.030.020.0130405060708090℃ηL-TSA15L-TSA32L-TSA46L-TSA68选用原则：1)载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；2)载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油。粘度值的大小影响摩擦副的运动阻力，对润滑油膜的形成及承载能力具有决定性的作用。2）润滑性（油性）润滑油中的分子与金属表面吸附形成一层边界油膜。润滑性愈好，吸附能力愈强。低速重载或润滑不充分的场合，润滑性具有特别重要的意义。3）极压性润滑油中加入含硫、氯、磷的有机极性化合物之后，油中的极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜，它在重载、高速、高温条件下，可改善边界润滑性能。4）闪点润滑油在标准容器中加热所蒸发的油气，遇火焰即能发出闪光时的最低温度，衡量油易燃性的指标。对于在高温下工作的机器，这是一个重要指标。通常应使工作温度比油的闪点低30~40℃。5）凝点润滑油在规定的条件下，不再自由流动时所达到的最高温度。它是润滑油在低温下工作的一个重要指标，直接影响到机器在低温下的起动性能和磨损情况。6）氧化稳定性润滑油通常是不活泼的，但当它们暴露在高温气体中时，也会发生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物，它不但腐蚀金属，而且加剧零件的磨损。2、润滑脂润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。除润滑油外应用最广的一类。优点：密封简单、不需要经常添加、不易流失；对速度和温度不敏感，适用范围广。缺点：摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合。润滑脂的种类：钠基润滑脂锂基润滑脂铝基润滑脂钙基润滑脂分类1)钙基润滑脂这种润滑脂具有良好的抗水性，但耐热能力差，工作温度不宜超过55~65℃。2)钠基润滑脂这种润滑脂具有较高的耐热性，但抗水性较差，工作温度可达120℃。由于它能与少量水乳化，保护金属免遭腐蚀，比钙基脂有更好的防锈能力。----工程上应用最广3)锂基润滑脂这种润滑脂既能抗水，又耐高温，较好的机械安定性，是一种多用途的润滑脂。工作温度不宜超过145℃。4)铝基润滑脂这种润滑脂具有良好的抗水性，对金属表面有高的吸附能力，故可起到良好的防锈作用。润滑脂的主要质量指标是：1）锥入度它标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱，是润滑脂的一项主要指标。牌号0123456789锥入度(25℃,150克)355~385310~340265~295220~250175~205130~16085~11560~8035~5510~303、固体润滑剂聚氟乙烯树脂用于润滑油不能胜任工作的场合：高温、低速重载。石墨二硫化钼（MoS2）---性能稳定、t350℃才开始氧化，可在水中工作。-----摩擦系数低，使用温度范围广(-60~300℃)，但遇水性能下降。-----摩擦系数低，只有石墨的一半。使用方式：1）调和在润滑油中；2）涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜；3）混入金属或塑料粉末中烧结成型。其应用日渐广泛2)滴点它决定润滑脂工作温度，至少应低于滴点20℃。油性添加剂种类为了改善润滑剂品质和性能而添加的物质。二、添加剂非极压油软化温度t/℃摩擦系数f含脂肪酸和极压添加剂的油含脂肪酸的油含极压添加剂的油作用：提高油性、极压性、延长使用寿命、改善性能。极压添加剂分散净化剂消泡添加剂抗氧化添加剂降凝剂增粘剂潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制润滑油润滑在工程中的应用最普遍，其供油方式有：三、润滑方法润滑方式人工给油；油杯滴油；浸油润滑、飞溅给油；用油泵强制润滑和冷却。低速传动高速传动甩油环喷油润滑油泵冷却器滴油润滑浸油润滑飞溅润滑潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制针阀油杯旋盖式油杯脂用潘存云教授研制压注式油杯油芯油杯四、润滑装置1、油杯潘存云教授研制潘存云教授研制2、油环潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、流体动力润滑FFFF先分析平行板的情况。板B静止，板A以速度向左运动，板间充满润滑油，无载荷时，液体各层的速度呈三角形分布，近油量与处油量相等，板A不会下沉。但若板A有载荷时，油向两边挤出，板A逐渐下沉，直到与B板接触。vF§4-4流体润滑原理简介流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。动压油膜----因运动而产生的压力油膜。vvvh1aah2ccvv两平形板之间不能形成压力油膜！如两板不平行板。板间间隙呈沿运动方向由大到小呈收敛楔形分布，且板A有载荷，当板A运动时，两端速度若程虚线分布，则必然进油多而出油少。由于液体实际上是不可压缩的，必将在板内挤压而形成压力，迫使进油端的速度往内凹，而出油端的速度往外鼓。进油端间隙大而速度曲线内凹，出油端间隙小而速度曲线外凸，进出油量相等，同时间隙内形成的压力与外载荷平衡，板A不会下沉。这说明了在间隙内形成了压力油膜。这种因运动而产生的压力油膜称为动压油膜。各截面的速度图不一样，从凹三角形过渡到凸三角形，中间必有一个位置呈三角形分布。Fpmax潘存云教授研制F形成动压油膜的必要条件：1.两工件之间的间隙必须有楔形间隙；2.两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体；3.两工件表面必须有相对滑动速度。其运动方向必须保证润滑油从大截面流进、从小截面出来。∑Fy=F∑Fx≠0∑Fy=F∑Fx=0应用实例--向心滑动轴承动压油膜的形成过程：静止→爬升→将轴起抬转速继续升高→质心左移→稳定运转达到工作转速e----偏心距e二、弹性流体动力润滑弹性流体动力润滑理论----研究在点、线接触条件下，两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质。求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题▲在油膜压力下，摩擦表面的变形的弹性方程；▲表述润滑剂粘度与压力间关系的粘压方程；▲