机械设计摩擦磨损和润滑ppt课件.ppt

机械设计摩擦 磨损和润滑基本知识 2 机械零件设计中常见的摩擦和磨损 自锁条件 最大有效圆周力 1螺纹连接 2带传动 3 3齿轮传动 4 蜗杆传动的效率 4蜗杆传动 5滚动轴承 5 本章主要内容 1 摩擦 6 摩擦学的发展历史 摩擦学Tribology最早出现在1966年 来源于古希腊语tribos摩擦学是分析和解决装备中磨损 可靠性和维修的一门科学 国际摩擦学理事会 InternationalTribologyCouncil 各国摩擦学学术团体联合组成的国际性学术组织 缩写ITC 1973年成立 现有35个会员国 中国机械工程学会代表中国参加 总部设在英国伦敦 7 摩擦学的发展历史 人们了解摩擦学的相关知识要早于历史记录时间钻木取火碾谷物的石辊使用的轴承古代的战车 8 摩擦学的发展历史 达芬奇 最早提出了摩擦因数的概念 认为摩擦因数是摩擦力与正压力之比 9 阿孟顿的研究 图中D为一螺旋弹簧 C是一弹簧片 用来施加压力 从弹簧D的伸长 可以计算出作水平运动所需的力 欧拉 L Euler 1707 1783 在1750年用数学形式表示阿孟顿的实验结果 即 F f N 这个公式人们通常称之为库仑摩擦定律 因为对摩擦现象进行系统实验研究的是库仑 10 库仑的研究 1781年 法国科学院悬奖竞赛 题目中有一个是关于摩擦定律和绳索的牢固性问题 库仑当时是皇家工程部的高级军官 以其论文 简单机械的理论 赢得了该奖 库仑采用的滑动摩擦实验装置 实验桌长约250厘米 上面嵌有两块平行木板AB与A B 各长360厘米 宽20厘米 相隔7 5厘米 在嵌板的左端BB 安装有直径30厘米的滑轮h 滑轮上挂着载有砝码的盘子P P下面挖了一个深120厘米的洞穴 为的是避免在测动摩擦时砝码盘降落下来碰到地板 嵌板右端AA 上装有带杠杆的轴 用来收卷绳索 每次实验 都事先用杠杆将重物拉回原处 重物有300公斤重 无法靠手来挪动位置 库仑研究滚动摩擦的装置 11 采用数学模型对摩擦进行研究 1737年 贝利多 B F deBelidor 用一个一个半球接成的模型 如图 当作摩擦面 验证了凸凹说 可以说 这是用模型对摩擦进行研究的最早尝试 英国物理学家德萨居利斯 J T Desaguliers 提出的粘合说 他在1724年向英国皇家学会作的报告中明确地把摩擦面之间的阻力归因于粘合力的产生 他介绍了他曾经用两个铅球 分别重1英磅和2英磅 做的实验 两个铅球都切去直径约1 4英寸的球缺 用手再将两个切面对接 边捻边用力压 使两个铅球的断面互相贴紧 粘合在一起 12 德萨居利斯在1734年出版的 实验物理学教程 一书中 把产生摩擦力的原因归为摩擦表面的分子力的作用 并由此推断 摩擦表面愈是光滑 摩擦力应该愈大 这一观念导致了润滑减小摩擦的研究 对机械设计起着重要的指导作用 13 19世纪的研究 英国的工程师雷尼 GeorgeRennie 他对各种材料之间的滑动摩擦进行了大量研究 图示是他用过的实验装置 他在1829年指出 需要建立一个更普遍的理论 把各种表面的弯曲和断面考虑在内 他最先解释了润滑剂的作用 解释润滑剂填充了表面之间的不规则性 同时使之更为光滑 他还注意到当压力超过某一数值时 摩擦系数迅速增大 这表明 库仑摩擦定律的成立是有条件的 也说明 在摩擦过程中应该考虑凸凹受到破坏这一情况 也就是说 摩擦和磨损是同时发生的现象 14 原子力显微镜和扫描隧道显微镜 由德国人G Binnig 1947 和瑞士人H Roher 1933 1981年发明 根据量子力学原理中的隧道效应而设计 两人因此获得1986年诺贝尔奖 15 扫描隧道显微镜 scanningtunnelingmicroscope STM 工作原理 当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时 此处电子云重叠 外加一电压 2mV 2V 针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出 形成隧道电流 电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系 当探针沿物质表面按给定高度扫描时 因样品表面原子凹凸不平 使探针与物质表面间的距离不断发生改变 从而引起电流不断发生改变 将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态 扫描隧道显微镜的分辨率很高 横向为0 1 0 2nm 纵向可达0 001nm 它的优点是三态 固态 液态和气态 物质均可进行观察 而普通电镜只能观察制作好的固体标本 16 摩擦 磨损 润滑和密封失效是现代机械系统的主要失效原因 消极影响 消耗能源 破坏精度 包括磨损和爬行 增大噪声积极作用 驱动 摩擦轮 无级变速 缓冲 如宇航员座椅 自锁 如钉子等 17 一 摩擦 内摩擦流体内部产生的粘剪力 摩擦 外摩擦存在于两物体表面之间 18 按照两表面的润滑状况 摩擦分为 1 干摩擦 无润滑状态2 边界摩擦 边界润滑状态3 流体摩擦 流体润滑状态4 混合摩擦 混合润滑状态 19 1干摩擦不加润滑剂时 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 最大 摩擦功耗大 磨损严重 古典摩擦理论 现在的观点 20 2边界摩擦两表面加入润滑剂后 在金属表面会形成一层边界膜 物理吸附膜或者化学反应膜 特点 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 油性分子吸附在表面 21 3流体摩擦当两摩擦表面被流体 液体或气体 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最小 f 0 001 0 01 金属表面无磨损 22 实现流体摩擦必须具备一定的条件 分述如下 1 流体动压润滑所需条件 楔形空间 足够速度 粘性流体 23 应用实例 硬盘驱动器 24 airbearing 25 26 2 弹性流体动压润滑考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度的影响的动压润滑称为弹性流体动力润滑 简称为弹流润滑 两表面的距离称为平均油膜厚度 接触区的出口处油膜变薄 这种现象称为 颈缩 此处两表面距离称为最小油膜厚度 27 3 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 28 4混合摩擦当动压润滑条件不完全具备 且有的边界膜遭破坏时 就会出现流体摩擦 边界摩擦和干摩擦同时存在的现象 这种摩擦状态称为混合摩擦 29 薄膜摩擦它介于干摩擦和边界摩擦之间 薄膜厚度仅几纳米 在现代精密机械系统 Ra很小 或MEMS中普遍存在 称为薄膜摩擦 30 二 磨损 磨损 运动副表面材料不断损失磨损率 单位时间内材料的磨损体积或质量1磨损过程 三阶段 31 2磨损分类 根据磨损机理可分为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 32 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 表面结构的粗糙度 33 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 34 4 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 35 5 腐蚀磨损 电化学作用 形成 空气中的酸 润滑油中的无机酸产生化学作用或电化学作用 现象 表面腐蚀并磨损 影响因素 环境 润滑油的腐蚀性 此外还有微动磨损形成 小振幅 大频率 点或线接触 现象 磨损面积小 影响因素 载荷 36 CycleDiagram 37 三 润滑剂 润滑油 润滑剂 润滑脂 固体添加剂 有机油 动植物油 矿物油 石油产品 化学合成油 钙基脂 钠基脂 锂基脂 铝基脂 其它润滑脂 油性添加剂 抗磨剂 防锈剂 降凝剂 纳米添加剂 等 38 1润滑油 分类 有机油 动植物油 矿物油 石油产品 和化学合成油润滑油的理化性能指标1 润滑油的粘度 粘度的物理意义 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 39 剪切应力 与流体沿y方向速度的梯度dv dy成正比 即 定义为流体的动力粘度 上式称为牛顿流体粘性定律 凡符合此定律的流体称为牛顿流体 否则称为非牛顿流体 粘度的表示方法 动力粘度 运动粘度和相对粘度 40 动力粘度 长 宽 高各为1m的流体 如果使立方体顶面流体层相对底面流体层产生1m s的运动速度 所需要的外力F为1N时 则流体的粘度 为1N s m 叫做 帕秒 常用Pa s表示 运动粘度 流体的动力粘度与同温度下的密度 的比值 称为运动粘度 41 相对粘度 E 恩氏粘度是相对粘度的一种 它是用200ml的粘性流体 在给定的温度t下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间 与同体积的蒸馏水在20 时流经同样的毛细管所需时间的比值来衡量流体的粘性 润滑油的粘温 粘压特性 润滑油的粘度随温度的变化存在指数关系 粘度和压力的关系近似表示为 42 2 油性 反映在摩擦表面的吸附性能 边界润滑和粗糙表面尤其重要 3 闪点 瞬时燃烧和碳化的温度 燃点 长时间连续燃烧的温度 高温性能 4 凝点 润滑油冷却到不能流动时的临界温度 低温启动性能 5 极压性 EP 在重压下表面膜破裂的最大接触载荷 用PB表示 极限载荷 6 酸值 限制润滑剂变质后对表面的腐蚀 43 2润滑脂 润滑脂的组成与分类1 组成 基础油 稠化剂 添加剂 膨润土2 分类 A 钙基脂 抗水 适于轻中重载荷 B 钠基脂 高温 但不抗水 C 锂基脂 多用途 最好 D 铝基脂 高度耐水性 航运机械E 其它特种润滑脂 特种合成油 添加剂 稠化剂等 44 润滑脂的性能指标 主要有针入度 滴点 析油量 机械杂质 灰分 水分等 1 针入度软硬程度h mm 0 1阻力大小 流动性强弱 2 滴点 固体 流体的温度转折点 表示耐热性3 防水性能 4 静音性能 45 3 固体润滑剂 用途 真空 辐射 重载等恶劣环境 种类 MoS