摩擦磨损与润滑.ppt

机械设计 第四章摩擦 磨损及润滑 2020年2月15日 第四章摩擦 磨损及润滑 4 1摩擦 4 磨损 4 润滑 我们在初中物理中就已经接触并初步了解了摩擦这个概念 即在正压力作用下 相互接触的物体表面间有相对运动 或其趋势 时 在接触表面上就会产生抵抗运动的阻力 这一自然现象被称为摩擦 阻力叫作摩擦力 有摩擦现象存在 就会产生磨损 摩擦 磨损既有利也有弊 据统计 由摩擦而造成的能量损耗占世界工业能量消耗的1 3 有80 的零件失效是由磨损而引起的 本章的内容主要是讲述在机器中构成运动副的机械零件的接触表面上所发生的情况 了解摩擦 磨损的分类 机理 如何利用摩擦 磨损以及如何运用润滑的方法来减小摩擦 减轻磨损 摩擦学由此而诞生 摩擦 不利方面 消耗能量 转化为热能 引起温升 有利方面 可用于传递运动或制动 磨损 不利方面 尺寸变化 精度丧失 甚至报废 有利方面 可用于新机器的跑合成形 使成为一种加工手段 如研磨 磨削加工 控制摩擦 磨损不利方面的有效手段 研究相互接触表面之间摩擦 磨损 润滑机理的一门学科 润滑 摩擦学 式中 膜厚比Rq 接触表面轮廓的均方根偏差Rq 1 20 1 25 RaRa 算术平均偏差 一般认为 1边界润滑状态13流体润滑状态 膜厚比和润滑状态 hmin 两滑动粗糙表面之间的最小公称油膜厚度 单位为 m 4 1摩擦 仅有相对滑动趋势的摩擦 相对滑动进行中的摩擦 一 干摩擦 最差状态 特点 f很大 磨损严重 应力求避免 机理 1 机械摩擦啮合理论 Ff f Fn 式中 Ff 摩擦力 f 摩擦系数 Fn 法向载荷 公式表明 1 Ff与Fn成正比 2 动摩擦系数的大小与相对滑动速度无关 3 摩擦力的大小与名义接触面积的大小无关 定义 两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦 2 粘附理论 A 简单粘附理论 1945年由鲍登等人提出 认为接触面积并非公称接触面积A0 而是由一些表面轮廓峰相接触所形成的接触斑点的微面积的总和 真实接触面积Ar 由于Ar很小 轮廓峰接触区压力很高 产生塑性变形 发生粘附现象 形成冷焊结点 相对运动时 冷焊结点被割开 说明 计算公式 讨论 1 为什么大多数金属表面的f值相差不大 2 为什么真空中两洁净表面的f值较大 简单的黏附理论认为真实的接触面积Ar决定于软金属的压缩屈服极限和法向载荷Fn 由于大多数金属的 B Sy的比值较接近 所以其摩擦系数相差很小 这在常规环境下 因为在界面上覆盖有一层氧化膜或污染膜 对于静态接触 大体是正确的 但对于处于真空中的洁净金属发生摩擦时不适用 真空中的f值比常规环境下的大得多 因此鲍登等人于1964年又提出了更切合实际的修正黏附理论 B 修正粘附理论 在Fn产生的 y和Ff产生的 的联合作用下 使结点产生塑性流动 Ar增加 结点增长 摩擦系数f增大 计算公式 说明 式中 Bj为界面的剪切强度极限 Sy为较软基体材料的压缩屈服极限 应用 爬行现象 定义 当相对运动速度较小时 两表面的摩擦力在静 动摩擦力之间反复变化的现象称为爬行 原因 粘附理论 即凸峰粘着 弹性变形 剪断反复变化 后果 造成机器运动不规则 冲击 振动 措施 提高表面质量 改善润滑条件 问题 爬行现象是怎样产生的 爬行曲线 二 边界摩擦 边界润滑 最低要求 定义 当金属表面间存在一层极厚的的边界油膜时的摩擦 特点 较小 磨损较小 寿命有所提高 机理 边界膜可分三种 见下页 1 物理吸附膜 润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固的吸附在金属表面上 应用场合 常温 70 轻载 低速 2 化学吸附膜 润滑剂中分子受化学键的作用而贴附在金属表面上 应用场合 中等载 中速 中温度 120 3 化学反应膜 s p cl等与金属化学反应在油与金属界面处形成薄膜 应用场合 重载 高速 高温 150 200 提高边界油膜强度的主要措施 1 合理选配材料 2 降低粗糙度 3 合理采用添加剂 三 流体摩擦 流体润滑 最理想的状态 定义 两表面完全分开 形成液体与液体之间的摩擦 特点 很小 一般f 0 001 0 008 四 混合摩擦 混合润滑 最常见的状态 定义 介于边界摩擦和液体摩擦之间 特点 f较小 介于边界摩擦和液体摩擦之间一般f 0 001 0 01 问题 滑动摩擦一般分为哪四种状态 哪种最理想 一 磨损过程 分三个阶段 4 磨损 设计或使用机器的原则 力求缩短磨合期 延长稳定磨损期 推迟剧烈磨损到来 跑合磨损 磨合 阶段 稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段 说明 2 表面疲劳磨损 原因 的反复作用 现象 金属表面产生麻点 麻坑 又叫点蚀 措施 提高 H 提高表面质量 提高硬度 提高润滑油的黏度 加入极压添加剂 二 磨损机理 或分类 主要四种基本类型 1 粘附磨损 原因 轮廓峰塑变成冷焊结点而粘着 现象 轻微磨损 涂抹 划伤 撕脱 咬死 措施 限制温度 压强 选择合适的润滑剂 添加剂 摩擦副的材料 提高表面质量 跑合 3 磨粒磨损 原因 灰尘 杂质等硬颗粒 现象 较软表面的沟纹 4 其它类型 腐蚀磨损 微动磨损 流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损 措施 提高表面质量与硬度 提高润滑油的清洁度 小结 磨损的类型随工作条件的改变而转化 实际上大多数的磨损是上述磨损型式的复合型式 如微动磨损就是典型的复合磨损 粘附磨损与疲劳磨损而产生的颗粒会引起磨粒磨损 一 概述 A 润滑的作用 1 降低摩擦 磨损 2 防锈 3 冷却 4 缓冲吸振 5 密封 4 润滑 B 润滑剂的种类 主要有四大类 1 液体润滑剂 各种润滑油 植物油 动物油 矿物油 合成油 2 半固体润滑剂 各种润滑脂 3 固体润滑剂 石墨 二硫化钼 4 气体润滑剂 各种气体 空气 CO2 C 润滑剂的主要指标 1 润滑油的粘度 1 分类 主要分为三类 动力粘度 是指润滑油流动时其油层内摩擦阻力的大小的一个主要指标 动力粘度 牛顿的粘性定律 式中 油层之间的剪应力 油层沿y方向的速度梯度v 油层速度 表示v随y增大而减小 动力粘度国际单位 pa s 帕 秒 物理单位 p 泊 cp 厘泊 1pa s 10p 1000cp 运动粘度 物理单位 st 斯 cst 厘斯 润滑油的牌号 旧标准 GB443 64规定 以50oC或100oC的运动粘度的中心值划分等级 确定牌号 新标准 GB3141 82规定 以40oC的运动粘度中心值分级 例 32号润滑油的含义如何 条件粘度 恩氏度oEt 式中 粘度系数 pa 1 p 压强 pa o 大气压下油的粘度 pa s e 自然对数的底 e 2 718 p 压力p下的粘度 pa s 2 粘度的影响因素 主要有二个 温度的影响 随温度增加而减小 粘度指数VI越大 粘度随温度变化小 粘温效应 压力的影响 当p 20Mpa时 随压力增加而增大压粘效应 粘度指数VI 衡量润滑油受温度变化时对粘度影响程度的参数VI越大 粘度随温度的变化越小 油的粘温特性越好 VI 35低粘度指数35110很高粘度指数 1 温度温度 粘温曲线 一般润滑条件下 P的影响可以不计 P 10MPa时 随P P 2 压力 油性 润滑油的极性分子与金属表面吸附形成的边界油膜的吸附能力 在低速 重载的情况下 一般都是边界润滑 油性就有特别重要的意义 凝点 润滑油冷却到不能流动时的温度称凝点 在低温下工作的机械应用凝点低的润滑油 2 润滑油的油性及极压性 闪点和燃点 蒸发的油气 一遇火焰即能闪光时的最低温度 称为油的闪点 闪光时间长达5S时油温称为燃点 高温工作时应选闪点较高的润滑油 极压性能 是指加入含硫 磷 氯的有机极性化合物 极压添加剂 后 油中极性分子在金属表面生成抗腐 耐高压化学反应边界膜的性能 在重载 高速 高温条件下极压性很重要 氧化稳定性 防止高温下润滑油氧化生成酸性物质从而影响润滑油的性能并腐蚀金属 注意 润滑油牌号数值越大 润滑油粘度越高 3 其他指标 油 凝点 闪点 脂 滴点 针入度 润滑脂的主要性能指标 1 针入度 表示润滑脂稀周度的指标 是润滑脂的一项主要指标 润滑脂牌号即为其针入度的等级 牌号越小 针入度等级越高 2 滴点 反映润滑脂的耐高温性能 润滑脂的工作温度应低于滴点20 30 3 安全性 反映润滑脂在贮存和使用过程中维持润滑性能的能力 包括抗水性 抗氧化性和机械安定性 D 添加剂 极压 油性 分散 消泡 降凝剂 等 E 润滑剂 F 润滑方法 P56 57 二 流体润滑简介 1 流体动力润滑 针对低副运动表面 定义 依靠摩擦副的两运动表面作相对运动时 把油带入两表面间 形成具有足够压力的油膜 从而将两表面分开 如图所示两运动平板 假设 流体不可压缩 流体沿 向作层流运动 1 a图 两平行板内部由于各垂直截面处的流量皆相等 润滑油虽能维持连续流动 但油膜对外载荷并无承载能力 分析 建立条件 两表面形成收敛油楔 润滑油有一定的黏度 且供油充分 两表面有一定的相对运动速度且使润滑油从大口进小口出 2 b图 两形成收敛的楔形的板内部由于进入油量大于流出的油量 油必将由进口a和出口c两处的截面被挤出 内部就产生了一定的压力 这种有一定粘性的流体流入楔形收敛间隙而产生压力的效应叫流体动力润滑的楔效应 v1 v2 收敛油楔 2 弹性流体动力润滑 针对高副运动表面 必须考虑以下两个方面 弹性体的弹性变形 高压下油的粘度变化 油膜形状特点 高压接触区 膜厚相同为ho 油膜出口处有缩颈 产生hmin 压力有突变 油压分布特点 高压接触区 压力分布同赫兹应力 缩颈处产生很大的压力高峰 1 根据摩擦面存在润滑剂的情况 滑动摩擦可分为 及 其中 是最理想的摩擦状态 P46 2 边界摩擦中按边界膜形成机理 边界膜分 和 P49 3 一个零件的摩擦过程大致可分为三个阶段 即 及 在设计或使用机器时 应该力求 延长 推迟 的结束 P50 分析讨论 4 10号机械油在40 C时的平均运动粘度为10 5m2 s 其动力粘度为9 10 3pa s 900kg m3 P53 5 润滑油的油性是形成 的性能 润滑油的极压性是形成 的性能 6 温度升高 油的粘度 P54 压力较高时 压力增加 油的粘度 P55 分析讨论 7 粘度指数VI越大 粘度受温度变化 P54 8 工作温度高时 宜选粘度高的润滑油 速度大时 宜选粘度 的 9 粘着磨损是由于 接触疲劳磨损是由于 10 提高耐磨性的主要措施 11 机器发生磨损失效是处于