第4章 摩擦、磨损及润滑概述z-09.ppt

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 4 0概述 摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象 磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移 润滑是减轻摩擦和磨损所应采取的措施 关于摩擦 磨损与润滑的学科构成了摩擦学 Tribology 4 0概述 本章将概略介绍机械设计中有关摩擦学方面的一些基本知识 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦 磨损和润滑 以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科 随着科学技术的发展 摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观 由静态进入动态 由定性进入定量 成为系统综合研究的领域 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 另外 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 如果能控制和减少磨损 则既减少设备维修次数和费用 又能节省制造零件及其所需材料的费用 4 0概述 4 1摩擦 4 1摩擦 二 摩擦的分类 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 在相对运动或有相对运动趋势的物体表面间发生的相互阻碍现象 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 物体表面间的运动形式是相对滑动 滚动摩擦 物体表面间的运动形式是相对滚动 机械说 产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用 分子说 产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用 一 摩擦的机理 机械 分子说 两种作用均有 1785年 法国的库仑用机械啮合概念解释干摩擦 提出摩擦理论 后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论 1935年 英国的鲍登等人开始用材料粘附概念研究干摩擦 1945年 鲍登提出了粘附理论 4 1摩擦 三 滑动摩擦 干摩擦 是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦 边界摩擦 边界润滑 是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开 摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦 详细介绍 详细介绍 4 1摩擦 混合摩擦 混合润滑 是指摩擦表面间处于边界摩擦与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要小得多 流体摩擦 流体润滑 是指摩擦表面被流体膜隔开 摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦 流体摩擦时的摩擦系数最小 且不会有磨损产生 是理想的摩擦状态 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 随着科学技术的发展 关于摩擦学的研究已逐渐深入到微观研究领域 形成了微 纳米摩擦学理论 引发出许多新的概念 比如提出了超润滑的概念等 从理论上讲 超润滑是实现摩擦系数为零的摩擦状态 但在实际研究中 一般认为摩擦系数在0 001量级 或更低 的摩擦状态即可认为属于超润滑 关于这方面的研究也是目前微 纳米摩擦学研究的一个重要方面 同学们应对此给予关注 磨损 指运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移 磨损会影响机器的效率 降低工作的可靠性 甚至促使机器提前报废 4 2磨损 在设计或使用机器时 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 为此就必须对形成磨损的机理有所了解 一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段 即 磨合阶段新的零件在开始使用时一般处于这一阶段 磨损率较高 稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段 磨损率稳定且较低 剧烈磨损阶段属于零件即将报废的阶段 磨损率急剧升高 摩擦2 对磨损的研究开展较晚 20世纪50年代提出粘附理论后 60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上 磨损研究才得以迅速开展 4 2磨损 详细介绍 磨粒磨损是指外部进入摩擦面间的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损 冲蚀磨损 包括流体磨粒磨损 流体侵蚀磨损 指流动的液体或气体中所夹带的硬质物体 硬质颗粒或流体的冲蚀作用在摩擦表面引起的磨损 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 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 疲劳磨损也称点蚀 是指由于摩擦表面材料微体积在交变应力作用下重复变形时疲劳破坏而引起的机械磨损 零件表面出现月牙形浅坑 4 2磨损 关于磨损分类的见解颇不一致 如根据磨损机理来分可大体分为 腐蚀磨损也称机械化学磨损 指由机械作用及材料与环境的化学或电化学作用共同引起的磨损 更多介绍 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 一 润滑剂 润滑油 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 润滑剂的种类 气体润滑剂 液体润滑剂 润滑油 半固体润滑剂 润滑脂 固体润滑剂等 种类 有机油 动植物油 矿物油 化学合成油 其中矿物油应用最多 性能指标 粘度它是润滑油的重要性能指标 粘度值越高 油越稠 反之越稀 润滑油的粘度随着温度的升高而降低 随着压力的升高而增大 但压力不太高时 如小于等于20MPa 变化极微 可略而不计 粘度的种类很多 有动力粘度 常简称为粘度 运动粘度 条件粘度 E等 润滑性 油性 指润滑油中极性分子与金属表面吸附形成边界油膜的性能 它反映了形成边界油膜的能力 极压性指润滑油中加入含硫 氯 磷的有机极性化合物后 油中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 闪点指油在标准仪器中加热所蒸发出的油气 一遇火焰即能发出闪光时的最低温度 它是衡量油易燃性的一种指标 油的工作温度应比其闪点低30 40 凝点润滑油失去流动性的温度 氧化稳定性矿物油暴露在高温中会发生氧化并生成硫 氯 磷的酸性化合物 这是一些胶状沉积物 会腐蚀金属 加剧磨损 具体说明 润滑的目的 降低摩擦 减轻磨损 同时防锈 冷却 缓冲 吸振等 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 润滑剂 粘度表征液体流动的内摩擦性能 如图所示 有两块平板A及B 两板之间充满着液体 设板B静止不动 板A以速度 沿x轴运动 由于液体与金属表面的吸附作用 因此板B表层的液体与板B一致而静止不动 板A表层的液体随板A以同样的速度 一起运功 两板之间液体的速度分布如图a所示 其可看成两板间的液体逐层发生了错动 如图b所示 因此层与层间存在着液体内部的摩擦切应力 根据实验结果得到以下关系式 动力粘度 此式称为粘性定律 牛顿液体流动定律 式中 u是油层中任一点的速度 du dy是该点的速度梯度 是比例常数 即流体的动力粘度 常简称为粘度 其量纲为力 时间 长度2 在国际单位制中 它的单位是N s m2 即Pa s 其厘米克秒制单位是P poise 单位名称为泊 1P 0 1Pa s 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 运动粘度 等于动力粘度 与同温度下该液体密度 的比值即在国际单位制中 的单位是m2 s 实用上这个单位嫌大 故常采用它的厘米克秒制单位St stoke 单位名称为斯 或cSt 厘斯 1St 1cm2 s 100cSt 10 4m2 s国标规定采用润滑油在40 时的运动粘度 单位为cSt或mm2 s 中心值作为其牌号 如牌号为L AN10的润滑油 其在40 时的运动粘度中心值为10cSt 运动粘度 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 是指在一定条件下 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计量的粘度 条件粘度单位我国常用恩氏度 Et 美国用赛氏通用秒SUS 英国用雷氏秒R运动粘度与条件粘度的换算见课本P51 条件粘度 E 润滑脂 固体润滑剂 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 润滑油 稠化剂 如钙 钠 铝 锂等金属皂 种类 石墨 使用温度 350 大于350 开始氧化 可在水中工作 二硫化钼 MoS2 使用温度 60 t 300 遇水性能下降 聚四氟乙烯 摩擦系数低 只有石墨的 半 种类 钙基润滑脂 耐水 不耐高温 t 65 钠基润滑脂 不耐水 耐高温 t 120 锂基润滑脂 既耐水 又耐高温 价格高 维持 使用寿命 时间长 铝基润滑脂 耐水 吸附能力高 可防锈 性能指标 锥 针 入度指一个质量1 5N的标准锥体 于25 恒温下 由润滑脂表面经5s后刺入的深度 它反映了润滑脂稠度的大小 锥 针 入度愈小润滑脂愈稠 润滑脂的牌号就是该润滑脂锥 针 入度的等级 滴点指在规定的加热条件下 润滑脂从标准测量杯孔口滴下第一滴时的温度 决定工作温度 润滑脂的工作温度至少应低于滴点20 常用润滑油和润滑脂的牌号 性能及适用场合将在以后章节中介绍 添加剂 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 为了提高油的品质和性能 常在润滑油或润滑脂中加入一些分量虽小但对润滑剂性能改善起巨大作用的物质 这些物质叫添加剂 二 添加剂 润滑方法 油润滑在工程中应用最普遍 常用的供油方式有 滴油润滑 油环润滑 飞溅润滑 喷油润滑 压力循环润滑等 脂润滑只能间歇供应润滑脂 其常用于运转速度较低的场合 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 三 润滑方法 油环润滑 间歇式连续式 连续式包括 4 3润滑剂 添加剂和润滑方法 a 针阀式油杯b 油芯油杯c 旋盖式油脂杯这三种油杯均已列入国家标准 选用时可查阅有关手册 常用的润滑装置 流体动力润滑形成的必要条件 楔形空间 相对运动 保证流体由大口进入 连续不断地供油 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 优点 摩擦力小 磨损小 可缓和冲击和振动 流体润滑根据摩擦面间形成油膜的原理不同分为 4 4流体润滑原理简介 一 流体动力润滑 4 4流体润滑原理简介 流体动力润滑通常研究的是低副接触受润零件间的润滑问题 动画 流体动力润滑 弹性流体动力润滑 流体静力润滑 4 4流体润滑原理简介 二 弹性流体动力润滑 弹性流体动力润滑理论是研究在相互滚动或伴有滑动的滚动条件下 两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质 这时的计算必须把在油膜压力