摩擦学设计方法

,摩擦与磨损,润滑,第11章摩擦学设计方法,摩擦状态,工程背景,据估计，全世界在工业方面约有30的能量消耗于摩擦过程中。磨损会使零件的表面形状和尺寸遭到缓慢而连续的破坏，使机器的效率和可靠性逐渐降低，从而丧失原有的工作性能，最终导致零件的突然破坏。磨损是摩擦的必然结果，在失效的机械零件中，大约有80是由于各种形式的磨损造成的。为了控制摩擦、减缓磨损、提高机械效率、保证机器工作的可靠性，最有效的手段是在相对运动的接触表面之间加入润滑剂，即润滑。,第11章摩擦学设计方法,设计者思维,作为工程师，就需要利用摩擦学的知识与技术，使所设计的零部件有良好的摩擦学性能，以延长其工作寿命。需要考虑的是机械零部件在哪些部位容易产生摩擦？摩擦状态分为哪几类？摩擦一定会产生磨损吗？磨损分为哪几类？有效降低磨损的方法有哪些？如何通过选择材料来降低磨损？如何确定和选用润滑方式？要如何来选择润滑油？,第11章摩擦学设计方法,简单实例,图11-1所示的是自行车链传动，在长期的使用过程中，链条的销轴和套筒之间存在较大的压力并相互转动，由于摩擦使链条铰链磨损，从而造成链条节距增大，易发生跳齿、脱链等现象。链条节距增大，还使链条的总长度增长，从而使链的松边垂度增大，导致链与链轮的啮合情况恶化，引起振动和噪声，最后导致链条失效。摩擦磨损是开式链传动常见的失效形式。,(a)自行车链传动,(b)链条,图11-1自行车链条的磨损,第11章摩擦学设计方法,11.1摩擦状态,当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象称为摩擦，这时所产生的阻力称为摩擦力。,摩擦状态与分类,内摩擦,外摩擦,发生在物质内部，阻碍分子间相对运动,在物体接触表面上产生的阻碍其相对运动,第11章摩擦学设计方法,根据摩擦副的运动状态,静摩擦,动摩擦,根据摩擦副的运动形式,滑动摩擦,滚动摩擦,第11章摩擦学设计方法,据摩擦副的表面摩擦状态,干摩擦,边界摩擦,流体摩擦,混合摩擦,第11章摩擦学设计方法,干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜而直接接触的纯净表面之间的摩擦。,在机械设计中，通常将两个接触表面没有人为引入润滑剂的摩擦当做干摩擦。在干摩擦下，机械零件的摩擦磨损严重，所消耗的功转化为大量的热，当散热条件差时甚至会烧坏金属表面。机器中不允许有干摩擦。,第11章摩擦学设计方法,边界摩擦又称为边界润滑，是指当运动副的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。,润滑油中的脂肪酸是一种极性化合物，其分子的一端带有强电荷的极性团，对金属表面有垂直取向的特性，能牢固地吸附在金属表面上。,第11章摩擦学设计方法,单分子膜吸附在金属表面上的模型如图11-3(a)所示，图中为极性原子团。这些单分子膜整齐地排列，很像一把刷子。边界摩擦类似两把刷子间的摩擦，其模型如图11-3(b)所示。边界膜按其形成的机理，分为吸附膜和反应膜。,第11章摩擦学设计方法,图11-4化学反应膜,化学反应膜是当润滑剂中含有以原子形式存在的硫、氯、磷时，在较高的温度（通常是150200）下，这些元素与金属发生化学反应而生成硫、氯、磷的化合物（如硫化铁）在油与金属界面处形成的薄膜。,第11章摩擦学设计方法,当摩擦表面之间处于边界摩擦与流体摩擦的混合状态时称为混合摩擦。混合摩擦也称为混合润滑。混合润滑及流体润滑可以用膜厚比来大致估计。,式中，hmin为两个表面之间的最小公称油膜厚度（m）；Rq1、Rq2为两表面的轮廓均方根偏差（m）。Rq=（1.201.25）Ra，Ra为表面轮廓的表面粗糙度值（m）。,第11章摩擦学设计方法,当膜厚比1时，为边界摩擦（润滑）状态；当=13时，为混合摩擦（润滑）状态；当3时，为流体摩擦（润滑）状态。混合摩擦时，如果流体润滑膜的厚度增大，则表面轮廓峰直接接触的数量就会减小，润滑膜的承载比例也随之增加。,第11章摩擦学设计方法,当运动副的摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间黏性阻力时的摩擦称为流体摩擦，或称为流体润滑。,当摩擦面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓峰完全隔开（即34）时，即形成了完全的流体摩擦。,第11章摩擦学设计方法,虽然各种润滑状态所形成的润滑膜厚度不同，但是单纯由润滑膜的厚度还不能准确地判断润滑状态，尚需要与表面粗糙度进行对比。只有当润滑膜厚度足以超过两个表面的粗糙峰高度时，才有可能完全避免峰点接触而实现全膜流体润滑。对于实际机械中的摩擦副，通常几种润滑状态会同时存在，统称为混合润滑状态。,第11章摩擦学设计方法,根据润滑膜厚度鉴别润滑状态的办法虽然是可靠的，但由于测量上的困难，往往不便采用。另外，也可以用摩擦系数值作为判断各种润滑状态的依据。图11-5所示的是摩擦系数的典型值。,图11-5摩擦系数的典型值,第11章摩擦学设计方法,11.2摩擦与磨损,摩擦系数定义为摩擦力与法向力的比值，即,摩擦系数一般与摩擦副材质有关，通常从试验中得到。,第11章摩擦学设计方法,静摩擦系数,动摩擦系数,摩擦系数,仅有相对滑动趋势时的摩擦称为静摩擦,相对滑动进行中的摩擦称为动摩擦,第11章摩擦学设计方法,一般静摩擦系数指的是最大静摩擦系数fm，即当切向力T达到最大时，使物体产生运动前的瞬间切向力Tmax与法向力N之比，即,当物体发生运动后，摩擦系数会从最大静摩擦系数降低到动摩擦系数。虽然动摩擦系数一般也与工况条件有关，但为了简单起见通常假设它是一个常数。,第11章摩擦学设计方法,运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移，即形成磨损,磨损量可用体积、重量或厚度来衡量，通常把单位时间内材料的磨损量称为磨损率，用表示。磨损率是研究磨损的重要参数。耐磨性是指磨损过程中材料抵抗脱落的能力，通常用磨损率的倒数表示。,第11章摩擦学设计方法,另外也应当指出，磨损不都是有害的，工程上也有不少利用磨损作用的场合，如精加工中的磨削及抛光，又如发动机的“磨合”过程等都是在利用磨损。,第11章摩擦学设计方法,磨损的分类,根据磨损结果着重对磨损表面外观的描述,点蚀磨损、胶合磨损、擦伤磨损等,根据磨损机理来分类,黏附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、流体磨粒磨损、流体侵蚀磨损、机械化学磨损和微动磨损等,第11章摩擦学设计方法,1黏附磨损,由于零件表面接触时，实际上只有少数凸起的峰顶在接触，它们因受压力而产生弹塑性变形，导致摩擦表面的吸附膜和脏污膜破坏，同时因摩擦而产生高温，造成基体金属的“焊接”现象，使接触峰顶牢固地黏附在一起。当摩擦表面发生相对滑动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成了黏附磨损。,第11章摩擦学设计方法,为了减小黏附磨损，可采取以下措施,（1）合理选择配对材料。相同的金属互溶性强，比不同的金属黏附倾向大；多相金属比单相金属黏附倾向小；脆性材料比塑性材料的抗黏附能力强；进行表面处理（如表面热处理、电镀、喷涂等）可防止黏附磨损的发生。（2）限制摩擦表面的温度，采取合适的散热措施，防止油膜破裂及金属发生熔焊。（3）采用含油性和极压添加剂的润滑油。（4）控制表面压强。,第11章摩擦学设计方法,2磨粒磨损,外部进入摩擦面之间的游离硬颗粒（如空气中的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的轮廓峰尖在较软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹的两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微切削过程称为磨粒磨损。,第11章摩擦学设计方法,为了提高磨粒磨损的耐磨性，必须减小微观切削作用，如降低磨粒对表面的作用力并使载荷均匀分布、提高材料表面硬度、降低表面粗糙度、增加润滑膜厚度，以及采用防尘或过滤装置来保证摩擦表面清洁等。,第11章摩擦学设计方法,3疲劳磨损,疲劳磨损是指由于摩擦表面材料微体积在重复变形时疲劳破坏而引起的机械磨损。,例如，当做滚动或滚滑运动的高副受到反复作用的接触应力（如滚动轴承运转或齿轮传动）时，如果该应力超过材料相应的接触疲劳极限，就会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，就造成许多微粒从零件工作表面上脱落下来，致使表面上出现许多月牙形浅坑，从而形成疲劳磨损或疲劳点蚀。,第11章摩擦学设计方法,为了提高零件表面的疲劳寿命，除应合理选择摩擦副材料外，还应注意以下几点。,（1）合理选择零件接触面的表面粗糙度。一般情况下，表面粗糙度越小，疲劳寿命越长。（2）合理选择润滑油的黏度。黏度低的润滑油易渗入裂缝，加速裂缝扩展；黏度高的润滑油有利于接触应力均匀分布，提高抗疲劳磨损的能力。在润滑油中加入极压添加剂，可提高接触表面的抗疲劳性能。（3）合理选择零件接触面的硬度。以轴承钢为例，当硬度为62HRC时，抗疲劳磨损的能力最高，增加或降低表面硬度，寿命均有较大的降低。,第11章摩擦学设计方法,4流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损（冲蚀磨损）,流体磨粒磨损是指由流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒作用引起的机械磨损。当利用高压空气输送型砂或用高压水输送碎矿石时，管道内壁所产生的机械磨损是其实例之一。,流体侵蚀磨损是指由液流或气流形成的气泡在破裂产生的冲蚀作用下引起的磨损。燃气涡轮机的叶片、火箭发动机的尾喷管等常出现这类破坏。,第11章摩擦学设计方法,5机械化学磨损（腐蚀磨损）,机械化学磨损是指由机械作用及材料与环境的化学作用或电化学作用共同引起的磨损。例如，摩擦副受到空气中的酸或润滑油、燃油中残存的少量无机酸（如硫酸）及水分的化学作用或电化学作用，在相对运动中造成表面材料的损失所形成的磨损。氧化磨损是最常见的机械化学磨损之一。,第11章摩擦学设计方法,6微动磨损（微动损伤）,这是一种由黏附磨损、磨粒磨损、机械化学磨损和疲劳磨损共同形成的复合磨损形式。,它发生在宏观上相对静止，微观上存在微幅相对滑动的两个紧密接触的表面上，如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。,第11章摩擦学设计方法,磨损的过程,在一定的摩擦条件下，一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，即磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。图11-6所示的是常见的磨损过程曲线，它表示磨损量q随时间t的变化关系。,图11-6磨损过程曲线,第11章摩擦学设计方法,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。,稳定磨损阶段内，摩擦条件相对稳定，零件在平稳而缓慢的速度下磨损，磨损过程曲线的斜率近似为一常数，斜率越小，磨损率越小。,第11章摩擦学设计方法,剧烈磨损阶段经过稳定磨损阶段后，零件的表面遭到破坏，运动副中的间隙增大，引起额外的动载荷，润滑状态恶化，磨损速度急剧增加，从而产生振动、冲击和噪声，致使零件迅速报废。这时必须停机，更换零件。,11.3润滑,润滑就是将润滑剂导入两个摩擦表面，将两个摩擦表面部分或全部隔开。这样，不仅可以改善摩擦表面的摩擦状态，减小摩擦，减小磨损，保护零件不遭锈蚀，而且在采用循环润滑时还能起到散热降温的作用。,第11章摩擦学设计方法,此外，由于液体的不可压缩性，润滑油膜还具有缓冲、吸振的能力。使用膏状的润滑脂，既可防止内部的润滑剂外泄，又可阻止外部杂质侵入，避免加剧零件的磨损，起到密封的作用。,第11章摩擦学设计方法,润滑剂的分类,第11章摩擦学设计方法,液体润滑剂,半固体润滑剂,固体润滑剂,气体润滑剂,1润滑油,用做润滑剂的油类主要包括以下三类。,一是有机油，通常是动植物油,二是矿物油，主要是石油产品,三是化学合成油,第11章摩擦学设计方法,2气体润滑剂,最常用的是空气，此外氢气、水蒸气及液态金属蒸气等均可作为气体润滑剂。其特点是黏度低、功耗少、温升小，其黏度随温度变化小。适于高温和低温环境下的高速场合，但承载能力低。,第11章摩擦学设计方法,3润滑脂（半固体润滑剂）,这是除润滑油外应用最多的一类润滑剂。它是在润滑油中加入稠化剂（如钙、锂、钠的金属皂）而制成的膏状混合物，又称为黄油或干油。,第11章摩擦学设计方法,按用途的不同，润滑脂可分为以下几类：,（1）抗磨润滑脂，主要用于改善摩擦副的摩擦状态，以减缓磨损；（2）防护润滑脂，用于防止零件和金属制品的腐蚀；（3）密封润滑脂，主要用于密封真空系统、管道配件、螺纹连接等。,第11章摩擦学设计方法,根据调制润滑脂所用皂基的不同，润滑脂主要有以下几类：,（1）钙基润滑脂，具有良好的抗水性，但耐热能力差，工作温度不宜超过5556；（2）钠基润滑脂，具有较高的耐热性，工作温度可达120，但抗水性差，由于它能与少量水乳化，从而保护金属免遭腐蚀，比钙基润滑脂有更好的防锈能力；,第11章摩擦学设计方法,（3）锂基润滑脂，既能抗水、耐高温（工作温度不宜高于145），而且有较好的机械稳定性，是一种多用途的润滑脂；（4）铝基润滑脂，具有良好的抗水性，对金属表面有高的吸附能力，可起到很好的防锈作用。,第11章摩擦学设计方法,4固体润滑剂,固体润滑剂是利用固体粉末或薄膜将摩擦表面隔开，以达到减小摩擦和磨损的目的，主要用于怕污染、不易维护和特殊工况（如载荷极大、速度极低、低温、高温、抗辐射、太空或真空等）中。,第11章摩擦学设计方法,使用固体润滑剂时，通常是将润滑剂粉末与黏合剂调成混合物，用擦涂或粘接的方法在摩擦表面上形成一层约0.110mm的光滑薄膜。也可将固体粉末分散于油或脂中使用。软金属固体润滑剂可用真空沉积、化学喷涂、电镀等方法获得软金属膜，膜厚约0.251mm，主要用于真空和高温场合。,第11章摩擦学设计方法,5添加剂,普通润滑油、润滑脂在一些十分恶劣的工作条件下（如高温、低温、重载、真空等）会很快劣化变质，失去润滑能力。为了提高油的品质和使用性能，常加入某些分量虽少（从百分之几到百万分之几）但对润滑剂性能改善起巨大作用的物质，这些物质称为添加剂。,第11章摩擦学设计方法,添加剂的作用：,（1）提高润滑剂的油性、极压性和在极端工作条件下更有效的工作能力；（2）推迟润滑剂的老化变质，延长其正常使用寿命；（3）改善润滑剂的物理性能，如降低凝点、消除泡沫、提高黏度、改进其黏温特性等。,第11章摩擦学设计方法,添加剂的种类很多，大致可以分为两类：,（1）影响润滑剂物理性能的添加剂，如降凝剂、增黏剂、消泡添加剂等；（2）影响润滑剂化学性能的添加剂，如极压添加剂、抗氧化添加剂、油性添加剂和抗腐蚀添加剂等。,第11章摩擦学设计方法,为了有效地提高边界膜的强度，简单而行之有效的方法是在润滑油中添加一定量的油性添加剂或极压添加剂。若在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。,第11章摩擦学设计方法,图11-7添加剂的作用,第11章摩擦学设计方法,如图11-7所示，非极性润滑油（如纯矿物油）的摩擦系数最大；含有油性添加剂（如脂肪酸）的润滑油，温度低时摩擦系数小，当温度超过脂肪酸金属皂膜的软化温度后，摩擦系数将迅速上升；含有极压添加剂的润滑油，在软化温度附近，摩擦系数迅速下降；,润滑剂的特征参数,润滑剂的性能主要用以下几个特征参数来衡量。,1黏度,黏度即液体抵抗变形的能力，它标志着液体流动时内摩擦阻力的大小。黏度越大，内摩擦阻力越大，流动性越差。它是润滑油最重要的物理性能参数之一，常用的表示方法有三种。,第11章摩擦学设计方法,（1）动力黏度,如图11-8所示，在两个平行的平板间充满具有一定黏度的润滑油，若平板A以速度移动，另一平板B静止不动，则由于油分子与平板表面的吸附作用，将使贴近板A的油层以同样的速度u=随板A移动，而贴近板B的油层则静止不动（u=0），于是形成各油层间的相对滑移，在各层的界面上就存在相应的切应力。,图11-8平行平板间液体的层流流动,第11章摩擦学设计方法,牛顿在1687年提出了黏性液体的摩擦定律（简称黏性定律）：在流体中任意点处的切应力均与该处流体的速度梯度成正比，即,摩擦学中把凡是服从这一黏性定律的流体都称为牛顿液体。,第11章摩擦学设计方法,（2）运动黏度,流体的黏度是用各种不同的仪器测量的，通常不是直接测量流体的动力黏度，而是测量动力黏度与同温度下该液体密度（单位为kg/m3）的比值，并称这个比值为运动黏度（单位为m2/s），即,对于矿物油，密度=850900kg/m3。,第11章摩擦学设计方法,（3）条件黏度（相对黏度）,条件黏度是在一定条件下，利用某种规格的黏度计，通过测定润滑油穿过规定孔道的时间来进行计量的黏度。我国常用恩氏度作为条件黏度的单位，即200cm3试验油在规定温度（一般为20、50、100）下流过恩氏黏度计的小孔所需的时间与同体积蒸馏水在20流过同一小孔所需的时间的比值，以符号Et表示，其中脚注t表示测定时的温度。,第11章摩擦学设计方法,各种流体的黏度，特别是润滑油的黏度，随温度而变化的情况十分明显。由于油的成分及纯净程度不同，很难用一个解析式来表达各种润滑油的黏温关系。图11-10所示的是几种常用润滑油的黏温曲线。润滑油黏度受温度影响的程度可用黏度指数（VI）表示。黏度指数值越大，表明黏度随温度的变化越小，即黏温性能越好。,第11章摩擦学设计方法,注：斜线上的10、15、100表示牌号LAN后的数字。图11-10几种牌号的润滑油黏温曲线,第11章摩擦学设计方法,2润滑性（油性）,润滑性（油性）是指润滑油中的极性分子与金属表面吸附而形成边界油膜以减小摩擦和磨损的性能。润滑性越好，油膜与金属表面的吸附能力越强。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。,第11章摩擦学设计方法,3极压性,极压性是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。在重载、高速、高温条件下，极压性可改善边界润滑性能。,第11章摩擦学设计方法,4闪点,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，称为油的闪点。它是衡量油的易燃性的指标。对于高温下工作的机器，这是润滑油的一个十分重要的指标。通常应使工作温度比油的闪点低3040。,第11章摩擦学设计方法,5凝点,凝点是指润滑油在规定条件下，不能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。通常，工作环境的最低温度应比润滑油的凝点高57。,第11章摩擦学设计方法,6氧化稳定性,从化学意义上讲，矿物油是很不活泼的，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。这是一些胶状沉积物，不仅会腐蚀金属，而且会加剧零件的磨损。,第11章摩擦学设计方法,7锥（针）入度（或稠度）,润滑脂在外力作用下抵抗变形的能力称为锥（针）入度（或稠度），是润滑脂的一项主要指标，即用指一个重量为1.5N的标准锥体，在25恒温下，由润滑脂表面经5s后刺入的深度（以0.1mm计）。,第11章摩擦学设计方法,8滴点,在规定的加热条件下，润滑脂从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。润滑脂的滴点决定了它的工作温度。选择润滑脂时，工作温度至少应低于滴点20。,第11章摩擦学设计方法,流体动力润滑原理,根据摩擦面之间油膜形成的原理,流体动力润滑,流体静力润滑,利用摩擦面之间的相对运动而自动形成承载油膜的润滑,滑动轴承的轴颈与轴承表面的相对运动,从外部将加压的油送入摩擦面之间，强迫形成承载油膜的润滑,精密车床导轨的悬浮,第11章摩擦学设计方法,当两个共轭曲面体做相对滚动或滚滑运动时（滚动轴承中的滚动体与套圈相接触，一对齿轮的两个轮齿相啮合等），若条件合适，也能在接触处形成承载油膜。这时不但接触处的弹性变形和油膜厚度都同样不容忽视，而且它们还彼此影响，互为因果，因而把这种润滑称为弹性流体动力润滑（简称弹流润滑）。,第11章摩擦学设计方法,当润滑剂不足以把两个摩擦表面完全隔开时，仍然可以起到一定的减摩和耐磨作用，这时的润滑是混合润滑或边界润滑状态。,第11章摩擦学设计方法,1流体动力润滑,两个做相对运动物体的摩擦表面，用借助于相对速度而产生的黏性流体膜将两个摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷，称为流体动力润滑。,流体动力润滑的主要优点是，摩擦力