摩擦磨损润滑宋宝玉版QJJ.ppt

摩擦磨损润滑,消极影响：消耗能源，变成热量； 破坏精度，包括磨损和爬行； 增大噪声，引起振动。 积极作用：驱动，摩擦轮、无级变速； 缓冲，如宇航员座椅； 自锁，如钉子等。,2.7 摩擦、磨损和润滑,摩擦、磨损和润滑失效，是现代机械系统的主要失效原因。,概述：,名义接触面积(An) ： An=ab。 轮廓接触面积(Ap) ：名义接触面积的5%15%； 实际接触面积(Ar) ：名义接触面积的0.01%0.1%；,接触面积与接触模型,摩擦和磨损均发生在接触面内，实际接触面积(Ar) 的大小与分布，对摩擦和磨损的发生与结果都有影响。,摩擦形式：外摩擦（存在于两物体表面之间） 内摩擦（流体内部产生的粘剪力）,按照两表面的润滑状况，摩擦分为： 干摩擦无润滑状态 边界摩擦边界润滑状态 流体摩擦流体润滑状态 混合摩擦混合润滑状态,2.7.1 摩擦,1. 摩擦分类,1) 干摩擦,经典摩擦定律：,不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样产生的摩擦称为干摩擦 (如真空中)。 特点：摩擦系数大；摩擦功耗大；磨损严重。,摩擦力等于摩擦系数与正压力的乘积：,分子-机械作用理论 ：,摩擦力就是分子作用阻力和机械作用的总和，即：,2) 边界摩擦（边界润滑）,油性分子吸附在表面,两表面加入润滑剂后，在金属表面会形成一层边界膜； 物理吸附膜或化学反应膜； 油膜较薄，在载荷的作用下，两金属表面微观的凸峰互相接触，横向剪切力比较弱。,当液体与固体表面接触时，由于分子或原子相互吸引的作用力而产生的吸附。,物理吸附膜,被吸附的分子一般是可极化的，其氧、氢的正、负离子与金属的表面负、正离子相吸附。,硬脂酸分子吸附在表面,润滑剂中的硫、磷、氯等元素与金属表面进行化学反应，形成一种新的化合物膜层。,化学反应膜,化学反应膜具有高的熔点及低的剪切强度，并且比物理吸附膜稳定得多。 这种反应是不可逆的。,硫与鉄生成化学反应膜,当两摩擦表面被流体完全隔开时，摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦； 流体分子层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体摩擦。属于内摩擦； 特点： f=0.0010.01，金属表面无磨损。,3) 流体摩擦（流体润滑）, 流体动压润滑,形成流体动压的必要条件:,流体必须流经收敛间隙； 流体必须有足够的速度； 流体必须是粘性流体。,考虑接触区弹性变形和压力对润滑油粘度的影响，简称弹流润滑。,弹性流体动压润滑,两表面的距离h0, 称为平均油膜厚度； 接触区的出口处油膜变薄，称为“颈缩”； “颈缩”处两表面距离hmin 称为最小油膜厚度。, 流体静压润滑,用油泵将润滑油经过节流器以所需要压力注入被润滑表面的油室； 再由油室的封油边流回油箱。,4) 混合摩擦（混合润滑）,当动压润滑条件不完全具备，且有时边界膜遭破坏，就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存在的现象。,5) 摩擦系数的典型数值 可以用摩擦系数值作为判断各种摩擦状态的依据。,2.各种摩擦状态的研究方法 干摩擦：主要的是限制磨损，它涉及材料科学、弹塑性力学、传热学、物理化学等内容； 边界摩擦：从物理化学的角度研究润滑膜的形成与破坏机理； 弹性流体动力润滑：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； 流体摩擦：主要是应用粘性流体力学和传热学等计算润滑膜的承载能力及其它力学特性。,磨损：运动副表面材料不断损失；,磨损过程（三阶段）:,跑合磨损阶段 稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段,2.7.2 磨损,1.磨损现象,磨损的度量：,磨损量：表示磨损的大小,被磨损的高度h 被磨损的体积V 被磨损的重量G 被磨损的质量m,磨损率: 单位时间内材料的磨损体积或质量。,1)粘着磨损：,形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，表面尖峰接触； 现象：形成材料转移； 影响因素：材料硬度，表面结构的粗糙度，载荷、速度、温度，不同材料配副。,2.金属材料磨损,胶合准则,式中：p为赫兹应力；v为相对滑动速度。,胶合：是最严重的粘着磨损形式，被磨损表面凹凸不平，有时出现摩擦副“抱死”、“咬死”等现象； 发生：在高速重载和润滑不良的场合，如齿轮蜗杆传动、滚动轴承和滑动轴承等摩擦副； pv准则：常用在非流体润滑的滑动轴承等零件的设计中，作为选择抗胶合材料的依据。,2)磨粒磨损/磨削,形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面； 现象：表面划伤或犁沟现象； 影响因素：环境，表面硬度、粗糙度。,二体磨粒磨损,一个磨粒相对一个固体表面运动而产生的磨损； 当磨粒运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与表面接触处的应力较低，固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。,三体磨粒磨损,外界磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用； 如：球磨机衬板与钢球、轧碎机滚筒等零件的表面破坏都是这一类磨损。,各类机械的磨粒磨损,建筑机械、农业机械、矿山机械和经常在野外、沙漠等环境下工作的机械的主要磨损形式就是磨粒磨损； 颚式破碎机的动颚、矿石和肘板间的磨损； 掘土机的铲齿、犁耙的磨损； 球磨机的衬板与钢球等； 机床导轨面由于切屑的存在引起的磨损。,3)疲劳磨损（也称疲劳点蚀）,形成：接触应力反复作用。如轴承、齿轮中； 现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑； 影响因素：表面硬度、表面结构的粗糙度，润滑 油粘度。,裂纹起源与扩展,裂纹起源：疲劳微裂纹一般在有固有缺陷的地方最先出现。如：切削痕、碰伤痕、气孔、夹杂物、金属相和晶界之间形成； 高副：通常齿轮副、滚动轴承、凸轮副等零件比较容易出现表面疲劳磨损； 扩展性磨损：交变接触压应力较大，材料选择和润滑不合理，会产生扩展性的表面疲劳磨损，导致零部件迅速失效。,疲劳磨损机理,粘度裂纹萌生在表层，但很快扩展到表面，此后，润滑油的粘度对于裂纹扩展有重要影响。润滑油的粘度影响油膜厚度； 油压机理。,4)腐蚀磨损,氧化磨损,现象与机理：当金属摩擦副受到空气中的氧气或润滑剂中所含氧气的作用时，表面形成很薄的氧化膜。氧化膜被磨掉以后，又很快地形成新的氧化膜，所以氧化磨损是化学氧化和机械磨损两种作用交替进行的过程； 磨损表面特征：在金属的摩擦表面沿滑动方向呈匀细磨痕。,特殊介质腐蚀磨损,化工设备中：摩擦副在摩擦过程中，由于金属表面与酸、碱、盐等介质发生化学反应或电化学反应而形成腐蚀磨损，例如化工设备中零件表面的磨损； 润滑油中：含有腐蚀性化学成分，滑动轴承材料会发生腐蚀磨损，首先在轴承表面上生成黑点，再逐渐扩展成海绵状空洞，并在摩擦过程中呈小块剥落。,5)冲蚀磨损,形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片； 现象：表面疲劳，材料损失； 影响因素：材料硬度,微粒对表面的切削作用,3.塑料的磨损,1) 粘着磨损 塑料表面的材料损失 在实际接触区内，在界面上紧靠塑料的一侧发生塑料微凸体断裂，小片塑料从本体材料上被撕裂下来，粘附在对磨面上； 形成转移膜，或形成自由磨屑。,2) 磨粒磨损 塑料与金属对磨时，因为塑料柔软，外来的异物或摩擦过程中产生的微粒会嵌入塑料表层，使塑料表面变成复合材料，耐磨性有一定程度的提高，但金属表面的磨损却比对纯塑料时大； 例如，塑料-金属摩擦副，在润滑油中均匀地混有三氧化二铝粒子，试验结果发现，塑料的耐磨性提高了，但金属的磨损增大了。,3)切削磨损： 对于塑料，对磨面上粗糙、锋利而坚硬的突起物，起到一个微型切削工具的作用，把塑料的某些部位切割、刨削、刮削下来。,实验案例： 纯聚四氟乙烯与铸铁的干摩擦试验，在滑动件（铸铁）行程的两末端处，有被刨削、刮削下来的白色聚四氟乙烯切屑。,4.橡胶的磨损,1)磨粒磨损 当橡胶在一粗糙表面上滑动时，在试样的表面上常常出现与运动方向垂直的一簇平行的隆痕，称这些隆痕为磨损花纹。 图示为天然橡胶的磨损花纹，若沿着运动方向对橡胶作纵向剖面，可见隆痕呈锯齿形，并且锯齿的尖锋方向与摩擦的方向相反。,弹性体的疲劳磨损是指：假如对偶件表面是钝的，而不是尖锐的凸体，则弹性体的表面发生周期性变形，最后由于疲劳而发生破坏。,2)疲劳磨损,由于弹性体的挠性能使它们在滑动中适应刚性对偶件表面的粗糙度，所以存在周期性载荷。 磨损形式表现为轻微磨粒磨损和表面层的撕碎。,3)卷筒形式的磨损试验,图a), 橡胶上有一凸体，压块的法向载荷为N，水平速度为v； 图b)，压块与橡胶间有摩擦力，凸体切向受到力作用发生撕扯； 图c)，在接触区发生材料的逐渐撕裂，凸体变成一个卷筒状的磨屑； 图d)，磨屑形成滚动摩擦条件，同时卷筒状的橡胶碎片脱落下来。,润滑剂：润滑油、润滑脂和固体润滑剂,1.润滑油 1)分类： 有机油（动植物油）， 矿物油（石油产品）， 化学合成油。,2.7.3 润滑剂和添加剂,2)润滑油的粘度,粘度的物理意义 润滑油的粘度反映了润滑油在外力作用下抵抗剪切变形的能力，也是内摩擦力大小的标志。,三种粘度表示法： - 动力粘度 - 运动粘度 - 相对粘度（如恩氏粘度Et）,动力粘度,换算关系：1Pa S=10P=1000cP,长、宽、高各为1m的流体，顶面对底面产生1m/s的速度，所需要的外力F为1N时，则流体的粘度为1Ns/m，叫做“帕秒”，常用Pas表示。有时也用“泊”P表示；“泊”的百分之一叫做“厘泊”用cP表示。,运动粘度,流体的动力粘度与同温度下的密度的比值,其单位是m/s， 常用单位是cm/s，叫做“斯”，用St表示， “斯”的百分之一叫做“厘斯”，用cSt表示。,换算关系：1m2/s=104St=106cSt,相对粘度（恩氏粘度0Et ）,200ml的粘性流体，在给定的温度下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间t； 同体积的蒸馏水在20时流经同样的毛细管所需时间t0； 二者的比值称为恩氏粘度，用0Et 表示。,粘温特性,润滑油的粘度随温度的变化存在指数关系：,润滑油的粘压特性,粘度和压力的关系近似表示为：,2.润滑脂,1)润滑脂的组成与分类 组成：基础油+稠化剂+添加剂,钙基脂：抗水，适于轻中重载荷； 钠基脂：高温，但不抗水； 锂基脂：多用途，最好； 铝基脂：高度耐水性，航运机械； 其它特种润滑脂。,分类：,2)润滑脂的性能指标： 主要有针入度、滴点、机械杂质、灰分、水分等,针入度 软硬程度 h(mm)/0.1 阻力大小、流动性强弱,标准锥体：150g，25 ，5s,滴点 固体流体的温度转折点，表示耐热性。,3.固体润滑剂 用途：真空、辐射、重载等恶劣环境； 种类：MoS2，PTFE，石墨，纳米材料；,固体润滑剂的使用方法：,作为固体润滑粉末使用：将固体润滑粉末添加到润滑油或润滑脂中，可提高承载能力