摩擦学原理第5章

第5章润滑1第五章润滑理论与润滑设计主讲：高诚辉第5章润滑2内容目录一、润滑状态与流体性质二、流体润滑理论基础三、流体润滑计算的数值解法四、典型机械零件的润滑设计五、边界润滑第5章润滑3一、润滑状态与流体性质1.润滑状态及其特征2.润滑油的密度3.流体的粘度4.非牛顿流体5.粘度的测量与换算第5章润滑41.润滑状态及其特征润滑状态润滑的目的是在摩擦表面之间形成具有法向承载能力而剪切强度低的润滑膜，用它来减少摩擦阻力和降低材料磨损。润滑膜可以是由液体或气体组成的流体膜或者固体膜。根据润滑膜的形成原理和特征，润滑状态可以分为：(1)流体动压润滑；(2)流体静压润滑；(3)弹性流体动压润滑；(4)薄膜润滑；(5)边界润滑(6)干摩擦等六种基本类型状态。第5章润滑5各种润滑状态的基本特征润滑状态典型膜厚润滑膜形成方式应用流体动压润滑1~100μm由摩擦表面的相对运动所产生的动压效应形成流体润滑膜中高速度下的面接触摩擦副，如滑动轴承流体静压润滑1~100μm通过外界压力将流体送到摩擦表面之间，强制地形成润滑膜各种速度下的面接触摩擦副，如滑动轴承、导轨等弹性流体动压润滑0.1~1μm与流体动压润滑相同中高速度下的点线接触摩擦副，如齿轮、滚动轴承等薄膜润滑10~100nm与流体动压润滑相同低速度下的点线接触高精度摩擦副，如精密滚动轴承等边界润滑1~50nm润滑油中的成份与金属表面产生物理或化学作用而形成润滑膜低速度或者重载荷条件下的摩擦副干摩擦1~10nm无润滑或自润滑的摩擦副第5章润滑6膜厚与粗糙度各种润滑状态所形成的润滑膜厚度不同，但是单纯由润滑膜的厚度还不能准确地判断润滑状态，尚须与表面粗糙度进行对比图5—1列出润滑膜厚度与粗糙度的数量级。。只有当润滑膜厚度足以超过两表面的粗糙峰高度时，才有可能完全避免峰点接触而实现全膜流体润滑对于实际机械中的摩擦副，通常总是几种润滑状态同时存在，统称为混合润滑状态。。第5章润滑7润滑状态与摩擦系数根据润滑膜厚度鉴别润滑状态的办法虽然是可靠的，但由于测量上的困难，往往不便采用。另外，也可以用摩擦系数值作为判断各种润滑状态的依据。图1—2为摩擦系数的典型数值。第5章润滑8润滑状态与轴承特性数随着工况参数的改变可能导致润滑状态的转化。图1—3是典型的Streibeck曲线，它示出滑动轴承的润滑状态转化过程以及摩擦系数随无量纲轴承特性数的变化。这里，η为润滑油粘度；U为滑动速度；p为轴承单位面积载荷。第5章润滑9应当指出：研究各种润滑状态的特性及其变化规律所涉及的学科各不相同，处理问题的方法也不一样。对于流体润滑状态，包括流体动压润滑和流体静压润滑，主要是应用流体力学和传热学、振动力学等来计算润滑膜的承载能力及其它物理特性。在弹性流体动压润滑中，由于载荷集中作用，还要根据弹性力学分析接触表面的变形以及润滑剂的流变学性能。对于边界润滑状态，则是从物理化学的角度研究润滑膜的形成与破裂机理。而在混合润滑和干摩擦状态中，主要的问题是限制磨损，它将涉及到材料科学、弹塑性力学、传热学、化学和物理学等内容。第5章润滑102.润滑油的密度密度是润滑剂最常用的物理指标之一。在润滑分析中，通常认为润滑油是不可压缩的，并且忽略热膨胀的影响，因而将密度视为常量。事实上，润滑油的密度也是压力和温度的函数，在某些条件下，例如弹性流体动压润滑状态，必须考虑润滑油的密度变化，进行变密度的润滑计算。润滑油所受压力增加时，其体积减小因而密度增加，研以密度随压力的变化可用压缩系数C来表示，即这里，V是已知质量M的体积．由此可得ρp=ρ0[1+C(p-p0)]式中，ρ0和ρp分别为在压力p0和p下的密度。1)-1-(51)/(1dpdVVdpVMdMVdpdC第5章润滑112.润滑油的密度（2）对于润滑油可取C的表达式为C＝(7.25－lgη)×10－10（m2／N)式中粘度的单位为mPa·s。为了计算方便，也常采用如下的密度与压力关系式式中p的单位用GPa。温度对密度的影响是由热膨胀造成体积增加，进而使密度减小设润滑油的热膨胀系数为αt，则。ρt=ρ0[1－αt(t-t0)](5-1-3)式中ρt为温度t时的密度，而ρ0为温度t0时的密度，αt的单位为℃－1。2)-1-(5)1.7p10.6p(10p第5章润滑123.流体的粘度粘度是润滑剂重要的物理性质。在一定工况条件下，其是决定润滑膜厚度的主要因素。虽然润滑剂的粘度不直接影响边界润滑膜厚度，但对于边界润滑下的粗糙表面，由于在接触峰点之间形成的油包也承受一部分载荷，而润滑剂的粘度与油包的承载能力密切相关。粘度还影响摩擦力，高粘度的润滑剂不仅引起很大的摩擦损失和发热，而且难以对流散热，使摩擦温度的升高，可能导致润滑膜破裂和表面磨损。所以，对于任何实际工况条件，都存在合理的粘度值范围。润滑剂的粘度和密度是随温度、压力等工况参数而变化的。在以液体作润滑剂的流体动压润滑中，主要的问题是粘度性质及其与温度的关系。气体润滑时，润滑剂的可压缩性即密度随压力的变化将具有重要作用。而对于弹性流体动压润滑状态，温度和压力对粘度的影响以及润滑剂的压缩性都将成为不可忽视的问题。第5章润滑13(1)动力粘度与运动粘度流体流动时，由于流体与固体表面的附着力和流体内部分子间的作用，不断产生剪切变形。而流体的粘滞性就是流体抵抗剪切变形的能力。①动力粘度牛顿认为流体的流动是许多极薄的流体层之间的相对滑动。如图所示，在厚度为h的流体表面上有一块面积为一的平板，在力F的作用下以速度U运动。此时，由于粘性流体的内摩擦力将运动依次传递到各层流体，由于流体的粘滞性，在相互滑动的各层之间将产生切应力，即流体的内摩擦力，由它们将运动传递到各相邻的流体层，使流动较快的层减速，而流动较慢的层加速，形成按一定规律变化的流速分布。当A,B表面平行时，各层流速u将按直线分布。粘度是流体粘滞性的度量，用以描述流动时的内摩擦。第5章润滑14①动力粘度牛顿提出了粘滞切应力与切应变率成正比的假设，称为牛顿粘性定律，即(5-1-4)其中，τ为剪应力，即单位面积上的摩擦力，τ＝F／一；为剪应变率，即剪应变随时间的变化率。可知：剪应变率等于流动速度沿流体厚度方向的变化梯度。这样，牛顿粘性定律可写成式中的比例常数η定义为流体的动力粘度。动力粘度是切应力与速度梯度之比。dzdudtdxdzddzdxdtddtd5)-1-(5dzdu第5章润滑15②运动粘度在国际单位制(SI)中，动力粘度的单位可采用Ns／m2或写作Pa·s。各种不同流体的动力粘度数值范图很宽。空气的动力粘度为0.02mPa·s，而水的粘度为1mPa·s，润滑油的粘度范围为2～400mPa·s，熔化的沥青可达700mPa·s。凡是服从牛顿粘性定律的流体统称为牛顿流体，实践证明：在一般工况条件下的大多数润滑油，特别是矿物油均属于牛顿流体性质。工程中常常将流体的动力粘度η与其密度ρ的比值作为流体的粘度，运动粘度，通常用符号υ表示即。υ＝η/ρ（5-1-6）运动粘度的单位在国际单位制中用m2/s。通常润滑油的密度ρ＝0.7～1.2g/cm3，矿物油密度的典型值为0.85g/cm3，因此运动粘度与动力粘度的近似换算式可采用。η＝0.85υ（5-1-7）第5章润滑16（2）粘度与温度的关系按照分子学的观点，凡是流体都是由大量的处于无规则运动状态的分子所组成，流体的粘度是分子间的引力作用和动量的综合表现，分子间的引力随着分子间的距离增大而急剧减小，而分子的动量取决于运动速度。当温度升高时，流体分子运动的平均速度增大，而分子间的距离也增加。这样就使得分子的动量增加，而分子间的作用力减小。因此，液体的粘度随温度的升高而急剧下降，从而严重影响它们的润滑作用。为了确定摩擦副在实际工况条件下的润滑性能，必须根据润滑剂在工作温度下的粘度进行分析。这样，热分析和温度计算成为润滑理论的主要问题之一。而气体的粘度随温度的升高而略有增加。粘度随温度的变化是润滑剂的一个十分重要的特性。通常润滑油的粘度越高，其对温度的变化就越敏感。第5章润滑17①粘温方程为了对摩擦副在实际工况条件下的润滑性能进行分析，必须知道润滑剂在工作温度下的粘度以及随温度的变化规律。对于润滑剂的粘度温度特性已作了大量的研究，并提出了许多关系式。各种公式都存在着应用上的局限性。ReynoldsVogel式中η0为温度为T0时的粘度；η为温度为T时的粘度；β为温粘系数，可近似取0.03/℃；b为常数。Reynolds粘温方程在数值计算中使用起来较方便，而Vogel粘温方程描述粘温关系更为准确。8)-1-(5)(00TTe9)-1-(5)(0Tbe第5章润滑18②美国材料试验学会粘温图为了便于工程应用，常需绘制粘温关系线图。美国材料试验学会(美国材料试验协会)线图得到普遍采用，它是一种经验方法。基于Walther提出的关系式，当υ的单位用mm2/s时，得d＝10，a＝0.6，则Walther关系式可以近似地写成loglog(υ十0.6)＝A－BlogT(5-1-10)在美国材料试验学会坐标纸上，采用双对数的纵坐标和单对数的横坐标，式(5-1-10)为一直线。因此，美国材料试验学会线图的优点是只需测定两个温度下的粘度值以决定待定常数一和B，然后根据直线即可确定其它温度下的粘度。对于通常的矿物油，采用美国材料试验学会线图十分有效，还可将直线的斜率用作评定润滑油粘温特性的指标。cTbda/1第5章润滑19③粘度指数VI确定粘度指数的方法是将待测的油与两种标准油进行对照选择标准油时，两种标准油的VI值分别规定为100和0，还应使它们在210°F(99℃)时的运动粘度与待测油的相等，再根据它们在100°F(38℃)时的运动粘度按下式计算待测油的VI值，如图，即其中L，H和U分别为0VI,100VI标准油和待测油在100°F时的运动粘度值。大多数工业用润滑油的VI值介于0～100之间。粘度指数高的润滑油表示它的粘度随温度的变化小，因而粘温性能好。粘度指数原用来评定矿物油的粘温特性，而应用于合成油和多级油时，其VI值通常要超过100，要重新修订。11)-1-(5100HLULVI采用粘度指数(VI值)来表示各种润滑油粘度随温度的变化程度，也是一种应用普遍的经验方法。第5章润滑20（3）粘度与压力的关系当液体或气体所受的压力增加时，分子之间的距离减小而分子间的引力增大，因而粘度增加通常，当矿物油所受压力超过0.02GPa时，粘度随压力的变化就十分显著，随着压力的增加粘度的变化率也增加当压力增到几个GPa。。粘度与压力的关系常用的是Barus公式(1893年)，它用于液体具有适当的精度，而且便于数学运算，即式中，η为压力p时的粘度；η0为大气压下的粘度；而α定义为液体的粘压系数。实践证明：当压力很高时，Barus公式计算的粘度值过大，可用其他粘压公式计算。12)-1-(50pe第5章润滑214.非牛顿流体在通常的使用条件下，润滑油可以视为牛顿流体。对于牛顿流体，切应力与切应变率的关系是通过原点的直线，如图中的C。直线的斜率表示粘度数值，因此，牛顿流体的粘度只随温度和压力而改变，而与剪应变率无关。凡是不同于上述特性的流体统称为非牛顿流体。如图中的A，B和D所示，非牛顿性可以表现为塑性,伪塑性和膨胀性等型式。对于伪塑性和膨胀性流体，通常用指数关系式近似地描述其非线性性质，即(5-1-13)式中φ和n为常数,对于牛顿流体,n＝1而φ定义为动力粘度。n第5章润滑224.非牛顿流体图中A代表的塑性体亦称Bingham体，它显示出一种屈服应力τs，当切应力超过τs时才产生流动，其流变关系式为(5-1-14)润滑脂的非牛顿性质类似于Bingham体，但切应力与切应变率呈非线性关系。润滑脂的流变特性可用下列公式近似地表达。为了改善使用性能，现代润滑油通常含有由多种高分子材料组成的添加剂，以及合成润滑剂的大量使用，它们都呈现出强烈的非牛顿性质，使得润滑剂的流变行为成为润