第四章 摩擦、磨损及润滑概述

机械设计mechaincaldesign§4-0概述引言摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对于机器来讲，摩擦会使效率降低，温度升高，表面磨损。过大的磨损会使机器丧失应有的精度，进而产生振动和噪音，缩短使用寿命。世界上使用的能源大约有1/3～1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废。润滑是减小摩擦、减少磨损、提高机械效率的最常用最有效方法。研究摩擦、磨损与润滑的科学与技术构成了摩擦学。当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向力的影响而发生相对运动或相对运动的趋势时，在接触表面上会产生抵抗运动的阻力，这种自然现象叫做摩擦。机械设计mechaincaldesign摩擦学的发展摩擦、磨损、润滑是一种古老的技术，但一直未成为一门独立的学科。1964年英国以乔斯特为首的一个小组，受英国科研与教育部的委托，调查了润滑方面的科研与教育状况及工业在这方面的需求。于1966年提出了一项调查报告。这项报告提到，通过充分运用摩擦学的原理与知识，就可以使英国工业每年节约510,000,000英镑，相当于英国国民生产总值的1%。这项报告引起了英国政府和工业部门的重视，同年英国开始将摩擦、磨损、润滑及有关的科学技术归并为一门新学科--摩擦学（Tribology）。国家节约备注英国510,000,000英镑国民生产总值1%美国1,600,000,000美圆占能耗11%日本273,000,000美圆----西德1,000,000,000马克----机械设计mechaincaldesign§4-1摩擦“机械说”--摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用；“分子说”--摩擦原因是表面材料分子间的吸附力作用；一、摩擦的机理“机械－分子说”两种作用均有。二、摩擦的分类内摩擦外摩擦1、按摩擦机理不同分为：内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。外摩擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。机械设计mechaincaldesign静摩擦动摩擦2、按运动的状态不同分为：滑动摩擦滚动摩擦3、按运动的形式不同分为：干摩擦边界摩擦流体摩擦混合摩擦4、滑动摩擦按润滑状态不同分为：min2212min12qqqqhRRhRR膜厚比：最小公称油膜厚度、两表面形貌轮廓的均方根机械设计mechaincaldesign1.干摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜，表面金属直接接触时的摩擦。2.边界摩擦λ≤1三、滑动摩擦状态→功耗↑磨损↑温度↑运动副表面有一层厚度1μm的薄油膜，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搓削。摩擦性质取决于边界膜和表面吸附性能，比干摩擦的磨损轻，f≈0.1~0.3机械设计mechaincaldesign3.流体摩擦3≤λ其摩擦系数最小，f≈0.001~0.008，摩擦和磨损极轻，是理想的摩擦状态。是指摩擦表面完全被流体膜隔开，彼此不直接接触摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为边界摩擦。4.混合摩擦λ≤1～3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。机械设计mechaincaldesign吸附膜反应膜边界膜分为：物理吸附膜化学吸附膜边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下：润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引，形成定向排列的分子栅，称为物理吸附膜。润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性。润滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜，称为化学吸附膜。在润滑剂中添加入硫、磷、氯等元素，它们与表面金属发生化学反应生成的边界膜，称为反应膜。机械设计mechaincaldesign反应膜在高温下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反应膜，这种能力称为极压性。能生成反应膜的润滑油称为极压油。注：温度对边界膜的影响很大。温度越高，边界膜越容易破坏。机械设计mechaincaldesign磨损—由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。§4-2磨损后果—降低机器的效率和可靠性，甚至促使机器提前报废。磨损率：单位时间（或单位行程、转角等）材料的损失量。耐磨性：是指材料抵抗脱落的能力，与磨损率成倒数关系。一、典型宏观磨损过程磨损量时间O磨合稳定磨损剧烈磨损一个机械零件的磨损过程大体可分为三个阶段：1）磨合阶段磨合（跑合）：是指新零件在运转初期的磨损。包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程。机械设计mechaincaldesign新摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观凸峰降低，接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。新摩擦表面的微观形貌2）稳定磨损阶段这个阶段属于零件的正常工作阶段，磨损率稳定且较低。这一阶段的长短直接影响机器的寿命。3）剧烈磨损阶段零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，效率降低，冲击振动加大，温度升高，导致磨损加剧，最终导致零件报废。注：设计机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。机械设计mechaincaldesign磨粒磨损二、磨损的分类：疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型按磨损机理分按磨损表面外观可分为点蚀磨损胶合磨损擦伤磨损机械设计mechaincaldesign三、磨损的机理：磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：磨粒磨损—也简称磨损，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，这样的微粒切削过程就叫磨粒磨损。机械设计mechaincaldesign磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：粘附磨损—也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用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。机械设计mechaincaldesign磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：疲劳磨损—也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的接触应力作用下，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。是高副（点、线接触）机械零件的常件磨损形式。机械设计mechaincaldesign磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：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。机械设计mechaincaldesign磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：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即为腐蚀磨损。机械设计mechaincaldesign磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：微动磨损—是指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。机械设计mechaincaldesign四、减小磨损的主要方法（1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法；（2）合理选择摩擦副材料；（3）进行表面处理；（4）注意控制摩擦副的工作条件等。机械设计mechaincaldesign§4-3润滑剂、添加剂和润滑方法润滑：在两个摩擦表面之间加入润滑剂，以减小摩擦和磨损。此外，润滑还可起到散热降温，防锈、防尘，缓冲吸振等作用。一、润滑剂凡是能减小摩擦阻力，减小磨损的物质都可作为润滑剂。：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。1、润滑剂的分类1）液体润滑剂：润滑油2）润滑脂：俗称黄油。由润滑油+稠化剂混合而成。3)固体润滑剂4）气体润滑剂：如空气、氮气、二氧化碳等。注：润滑油和润滑脂在实际中应用最广。机械设计mechaincaldesign2、润滑油矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应用最广。种类：有机油----动、植物油矿物油----石油产品化学合成油二、润滑油的主要性能指标⑴粘度：是表示油液内部相对运动时产生内摩擦阻力大小的性能指标。（粘度是选择润滑油的主要依据）。粘度的种类动力粘度运动粘度条件粘度机械设计mechaincaldesign1)动力粘度两个平行的平板之间充满润滑油，B板静止，A板以速度运动，各油层的速度呈直线分布。相邻油层之间有相对运动，会产生内摩擦阻力。υduyudyOxyυAB研究表明：油液内摩擦切应力与速度梯度成正比。dydu即dydu式中：即为润滑油的动力粘度。其国际单位(SI)为：（帕·秒）。sPa绝对单位制（C.G.S）泊：1P(泊)=1dyn·s/cm21P（泊）=100CP（厘泊）机械设计mechaincaldesign2)运动粘度运动粘度：动力粘度与同温度下该流体的密度之比。单位：m2/sC.G.S单位：斯1St=1cm2/s厘斯：1cSt=1mm2/s注：我国润滑油的牌号就是用40℃下运动粘度的中心值表示的。即运动粘度如：牌号为L-AN10的油在40℃时的运动粘度大约为10cSt。（表4-1）机械设计mechaincaldesign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（R）----英国惯用运动粘度与条件粘度之间的换算关系：cStEEVEtttt64.80.82.335.1时，当cStEEVEtttt0.46.72.3时，当cStEVEttt14.72.16时，当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。机械设计mechaincaldesign4)润滑油的特性（1）温度润滑油的粘度随着温度的升高而降低（2）压力ppe0润滑油的粘度随着压力的增高而增大。一般润滑情况下，影响不大。粘度指数：粘度指数高，表明粘度随温度变化小。式中：为一个大气压下的粘度；为粘压指数；为压强。0p选用原则：a载荷大、温度高，宜选用粘度大的油；b载荷小、转速高，宜选用粘度小的油；机械设计mechaincaldesign⑵润滑性（油性）润滑性是指润滑油中的分子与金属表面吸附形成一边界油膜，以减小摩擦和磨损。润滑性愈好，吸附能力愈强。对于那些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。⑶极压性润滑性能是润滑油中加入含硫、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的性能，它在重载、高速、高温条件下，可改善边界润滑性能。⑷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。是衡量油易燃性的指标。对于在高温下工作的机器，这是一个重要参数。一般要求工作温度比油的闪点低30~40℃。机械设计mechaincaldesign⑸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启动性能和磨损情况。⑹氧化稳定性从化学意义上讲，润滑油是不活泼的。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。这是一种胶状沉积物，不但腐蚀金属，而且加剧零件的磨损。机械设计mechaincaldesign三、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。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----工程上应用最广机械设计mechaincaldesign