机械设计第四章课件

,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,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。,4-0概述,一组重要的调查数据世界1/2总能源被一种或多种形式的摩擦所消耗；失效零件的80%是由于磨损造成的；20世纪80年代，我国在冶金、煤炭、农机等五个行业的调查表明：由于磨粒磨损所消耗的备件用钢达到100万吨以上，如考虑停机等费用造成的损失每年达到数亿元。,4-0概述,摩擦学发展的重要历史阶段1、史前人类的钻木取火2、春秋时代（公元前770221年）对摩擦、磨损现象有了一定的了解，并且已经知道采用动物油脂进行润滑（诗经）3、西晋时代张华所著博物志最早记载了人类使用矿物油做润滑剂4、15世纪，意大利的列奥纳多达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的途径5、18世纪起摩擦学研究蓬勃兴起，到20世纪60年代摩擦学成为一门独立的交叉学科6、应用及研究的领域不断扩大：机械、冶金、生物、地质、音乐、体育等,摩擦学研究相对运动表面间的摩擦、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。,4-0概述,一、摩擦定义摩擦类型摩擦状态的判定：膜厚比图4-1P46,摩擦,内摩擦（分子间）,外摩擦（接触面间）,静摩擦（滑动趋势）,动摩擦（滑动进行中）,滑动摩擦,滚动摩擦,干摩擦（未经人为润滑f=0.4-0.8）,边界摩擦（表面吸附能力决定摩擦性质1，f=0.1-0.4）,流体摩擦（流体内部分子间粘性决定摩性质13,f=0.001-0.01）,混合摩擦,4-1摩擦,二.磨损定义：由于摩擦而造成物体表面材料的损失或转移；影响：影响机器效率、降低可靠性，甚至促使机器提前报废。用途：精加工中的磨削及抛光，机器的“磨合”过程等,磨损过程大致有：,磨合阶段包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程它是磨损的不稳定阶段，在整个寿命周期内时间很短。,稳定磨损阶段零件在平稳而缓慢的速度下磨损它标志着磨擦条件相对稳定。,剧烈磨损阶段在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭到破坏，运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动。零件即将进入报废阶段,4-2磨损,机器的寿命,磨损曲线,剧烈磨损阶段,稳定磨损阶段,设计机器时要求：缩短磨合期延长稳定期推迟剧烈磨损期的到来,4-2磨损,磨粒磨损,磨损的分类,疲劳磨损,粘附磨损,冲蚀磨损,腐蚀磨损,微动磨损,磨损类型,按磨损机理分,按磨损表面外观可分为,点蚀磨损,胶合磨损,擦伤磨损,两种不同的称谓,4-2磨损,磨损的机理,磨粒磨损也简称磨损，外部进入摩擦面间的游离硬颗粒（如空气中的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的轮廓峰尖在软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微粒切削过程就叫磨粒磨损。,潘存云教授研制,4-2磨损,磨损的机理：,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。严重的粘附磨损会造成运动副咬死。,潘存云教授研制,4-2磨损,磨损的机理：,疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的机械磨损。点蚀过程：产生初始疲劳裂纹扩展微粒脱落，形成点蚀坑。,4-2磨损,磨损的机理：,冲蚀磨损流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒冲击零件表面所引起的机械磨损。利用高压空气输送型砂或高压水输送碎石时,道内壁所产生的机械磨损是实例之一。,4-2磨损,磨损的机理：,腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。,4-2磨损,磨损的机理：,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。,应用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面等。,4-2磨损,改善摩擦副耐磨性的措施：1、合理选择摩擦副材料采用异种金属、多相金属、脆性材料利于提高抗粘着磨损的能力；采用硬度高韧性好的材料利于抵抗磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦化学磨损；提高表面光洁度，可以提高耐疲劳磨损能力。2、合理选择润滑剂及添加剂适当选用高粘度的润滑油、在润滑油中使用极压添加剂或采用固体润滑剂，可以提高耐疲劳磨损的能力；在润滑剂中加入油性或极压添加剂可以有效地减少粘着磨损的发生。3、注意控制摩擦副的工作条件设计时尽量控制最大许用压强，因为一定硬度的金属，所受的压强大则磨损量大；另外还需限制摩擦表面的温升，以免温度过高使油膜破坏，发生粘着，加速化学磨损。4、润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法,4-2磨损,目的,润滑剂分类,气体：空气及其它气体介质（气体轴承）。,液体：水、润滑油（矿物油、动植物油、合成油和各种乳剂）等。,半固体：润滑脂,固体：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等,主要性能指标,润滑油、润滑脂,1、不完全液体润滑-降低摩擦、减少磨损、防锈；2、液体动力润滑-工作介质、冷却、缓冲、吸振。,三.润滑,粘度（动力粘度、运动粘度、条件粘度）、润滑性（油性）、极压性、闪点、凝点、氧化稳定性,锥入度（又称为针入度或者稠度）滴点,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,1.润滑油,用作润滑剂的油类可概括为三类：,有机油，通常是动植物油；,矿物油，主要是石油产品；,化学合成油,其中因矿物油来源充足，成本低廉，适用范围广，而且稳定好，故应用最多。,润滑油的性能指标：,（1）粘度,动力粘度,运动粘度,条件粘度,润滑油的粘度可定性的定义为它的流动阻力，它是润滑油最重要的性能之一。,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,粘度,流体抵抗变形的能力，标志着流体内摩擦阻力的大小。,平行板间液体的层流流动模型,动力粘度量纲：力时间/长度2单位：1Pas（帕秒）1dyns/cm2(泊),切应力,速度梯度,牛顿液体粘性定律在流体中任意点处的切应力与该处流体速度梯度成正比,流体流动速度,“-”号表示速度随着流体膜厚度方向的坐标y增大而减小,动力粘度,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,粘度的定义：流体抵抗变形的能力，标志着流体内摩擦阻力的大小。,工程中常用动力粘度与同温度下该液体的密度(单位kg/m3)的比值表示粘度，称为运动粘度(单位m2/s),C.G.S制中运动粘度的单位St（斯），1St=1cm2/s。百分之一St称为cSt（厘斯）,运动粘度,矿物油密度=850900kg/m3,GB/T314-1994规定我国工业润滑油分为18个等级，采用润滑油在40时的运动粘度中心值作为润滑油的牌号，润滑油实际运动粘度在相应中心粘度值的10%偏差以内。,有一轻型滑动轴承，要求采用粘度为4050cSt（40）的润滑油，请选定适当的润滑油牌号。P53表4-146号,粘度,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,条件粘度,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度量的粘度。,常用的有：,恩氏度（Et）中国惯用,赛氏通用秒（SUS）美国惯用,雷氏秒英国惯用,运动粘度与条件粘度之间的换算关系：,润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如牌号为L-AN10的油在40时的运动粘度大约为10cSt。,（4-5）,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,2.运动粘度：主要用于测量流体粘度。m2/s,1.动力粘度：主要用于流体动力计算中。Pas,3.两种粘度之间的换算关系：,矿物油的密度kg/m3,4.润滑油粘度特性,粘温特性：温度越高、粘度越低，反之亦然。,粘压特性：压力越高、粘度越高，反之亦然。式（4-6）一般在5MPa之下影响不大。,图4-7全损耗系统用油的粘-温曲线P54,5.其它性能指标：油性、极压性、氧化稳定性、闪点、凝点等。,载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；,载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油。,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,（2）润滑性（油性）,润滑性是指润滑油中的分子与金属表面吸附形成一边界油膜，以减小摩擦和磨损。润滑性愈好，吸附能力愈强。对于那些低速重载或润滑不充分的场合，润滑性具有特别重要的意义。,（3）极压性,润滑性能是润滑油中加入含硫、氯、磷的有机极性化合物之后，油中的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，它在重载、高速、高温条件下，可改善边界润滑性能。,（4）闪点,润滑油在标准容器中加热所蒸发的油气，遇火焰即能发出闪光时的最低温度，是衡量油易燃性的指标。对于在高温下工作的机器，这是一个重要参数。一般要求工作温度比油的闪点低3040。,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,（5）凝点,润滑油在规定的条件下，不再自由流动时所达到的最高温度。它是润滑油在低温下工作的一个重要指标，直接影响到机器在低温下的启动性能和磨损情况。,（6）氧化稳定性,从化学意义上讲，润滑油是不活泼的。但当它们暴露在高温气体中时，也会发生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。这是一种胶状沉积物，不但腐蚀金属，而且加剧零件的磨损。,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,2.润滑脂,润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。,优点：密封简单，不需要经常添加，不易流失，对速度和温度不敏感，适用范围广。,缺点：摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合。,润滑脂的种类：,钠基润滑脂,锂基润滑脂,铝基润滑脂,钙基润滑脂,分类,工程上应用最广,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,(1)钙基润滑脂,抗水性好，耐热能力差，工作温度低于5565。,(2)钠基润滑脂,耐热性好，工作温度可达120，抗水性差。可与少量水乳化，从而保护金属免遭腐蚀，比钙基脂有更好的防锈能力。,(3)锂基润滑脂,既能抗水，又耐高温，而且有较好的机械安定型，是一种多用途的润滑值。工作温度不宜超过145。,(4)铝基润滑脂,抗水性好，吸附能力强，可起到良好的防锈作用。,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,针入度（稠度）,标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。针入度越大，润滑脂越稀；反之亦然。,滴点,在规定的加热条件下，润滑脂由标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度称为润滑脂的滴点。滴点标志着润滑脂耐高温的能力。一般润滑脂的工作温度应低于滴点20-30C。,为改善润滑油或润滑脂的性能，以适应某些特殊的需要，在润滑油或润滑脂中加入一些物质，称为添加剂。,教材p56相关内容,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,油性添加剂,种类,添加剂为了改善润滑剂品质和性能而添加的物质。,二、添加剂,作用提高油性、极压性、延长使用寿命、改善性能。,极压添加剂,分散净化剂,消泡添加剂,抗氧化添加剂,降凝剂,增粘剂,若润滑油中同时加入油性添加剂和极压添加剂，则低温时可以靠油性添加剂的油性来获得减摩性，高温时则靠极压添加剂的化学反应膜来得到良好的减摩性,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,3.固体润滑剂,聚氟乙烯树脂,用于润滑油不能胜任工作的场合：高温、低速重载。,石墨,二流化钼（MoS2）,性能稳定，t350才开始氧化，可在水中工作。,摩擦系数低，使用温度范围广(-60300)，但遇水性能下降。,摩擦系数低，只有石墨的一半。,使用方式：,1.调和在润滑油中；,2.涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜；,3.混入金属或塑料粉末中烧结成型。,其应用日渐广泛,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,润滑油润滑在工程中的应用最普遍，其供油方式有：,三、润滑方法,润滑方式,滴油润滑,油环滴油,浸油润滑、飞溅给油,压力循环润滑,(间歇式连续式),4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,针阀油杯,旋盖式油杯脂用,潘存云教授研制,压注式油杯,油芯油杯,四、润滑装置,1.油杯,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,2.油环,自学教材P58-60流体润滑原理简介,4-3润滑剂、添加剂和润滑方法,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（要有一定的粘度）。,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。,英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破。,4-4流体润滑原理简介,一、流体动力润滑,（动画）,二、弹性流体动力润滑,弹性流体动力润滑理论是研究在点、线接触条件下，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下，摩擦表面的变形的弹性方程、表述润滑剂粘度与压力间关系的粘压方程与流体动力润滑的主要方程结合起来，以求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题。,（详细说明）,流体静力润滑是指借助外部供入的压力油形成的流体膜来承受外载荷的润滑方式。,三、流体静力润滑,（详细说明）,采用流体静力润滑可在两个静止且平行的摩擦表面间形成流体膜，其承载能力不依赖于流体粘度，故能用粘度极低的润滑剂，且既可使摩擦副有较高的承载能力，又可使摩擦力矩降低。,4-4