第4章 摩擦磨损及润滑概述

1、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 第第4章章 摩擦、磨损及润滑概述摩擦、磨损及润滑概述 4-0 概 述 摩擦学摩擦学(Tribology)研究相对运动的作用表面间的摩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。的一门边缘学科。 摩擦摩擦相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象 磨损磨损由于摩擦而造成物体表面材料的损失或转移由于摩擦而造成物体表面材料的损失或转移 润滑润滑减轻摩擦和磨损所应采取的措施

2、减轻摩擦和磨损所应采取的措施 世界上使用的世界上使用的能源大约有能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦消耗于摩擦。 机械产品的易损零件大部分是由于机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废磨损超过限度而报废 和更换的和更换的。 减少摩擦减少摩擦 节省能源；节省能源； 减少磨损减少磨损 降低设备维修次数和费用，节省制造降低设备维修次数和费用，节省制造 零零 件及其所需材料的费用。件及其所需材料的费用。 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。 “ “机械说机械说” ” 摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用摩擦原因是表

3、面微凸体的相互阻碍作用 “ “分子说分子说” ” 摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用 一、摩擦的机理一、摩擦的机理 “ “机械分子说机械分子说”两种作用均有两种作用均有 4-1 摩擦摩擦 二二、摩擦的分类摩擦的分类 内内 摩摩 擦擦在物质的内部发生的阻碍分子之间相对在物质的内部发生的阻碍分子之间相对 运动的现象。运动的现象。 外外 摩摩 擦擦在相对运动的物体表面间发生的相互阻在相对运动的物体表面间发生的相互阻 碍作用现象。碍作用现象。 静静 摩摩 擦擦仅有相对运动趋势时的摩擦。仅有相对运动趋势时的摩擦。 动动 摩摩 擦擦在相对运动进行中的摩擦。在相对运动进行中

4、的摩擦。 滑动摩擦滑动摩擦物体表面间的运动形式是相对滑动。物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦滚动摩擦物体表面间的运动形式是相对滚动。物体表面间的运动形式是相对滚动。 潘存云教授研制 潘存云教授研制 1. 干摩擦干摩擦 两零件表面直接接触后，因为微观局部两零件表面直接接触后，因为微观局部 压力高而形成许多冷焊点，运动时被剪切。压力高而形成许多冷焊点，运动时被剪切。 不允许出现干摩擦！不允许出现干摩擦！ 2. 边界摩擦边界摩擦 三、三、 滑动摩擦状态滑动摩擦状态 功耗功耗 磨损磨损 温度温度 烧毁轴瓦烧毁轴瓦 运动副表面有一层厚度运动副表面有一层厚度1 m的薄的薄 油膜，不足以将两金属表面

5、完全分开，油膜，不足以将两金属表面完全分开， 其表面部分微观高峰部分仍将相互搓削。其表面部分微观高峰部分仍将相互搓削。 比干摩擦的磨损轻比干摩擦的磨损轻，f 0.1 0.3 v v v 潘存云教授研制 v 有一层压力油膜将两金属表面隔开，有一层压力油膜将两金属表面隔开， 彼此不直接接触。彼此不直接接触。是理想的摩擦状态。 3. 液体摩擦液体摩擦 摩擦和磨损极轻摩擦和磨损极轻，f 0.001 0.01 潘存云教授研制 4. 混合摩擦混合摩擦 v 混合摩擦是指摩擦表面间处于边界混合摩擦是指摩擦表面间处于边界 摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩 擦能有效降低摩擦阻力，其

6、摩擦系数擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数 比边界摩擦时要小得多。比边界摩擦时要小得多。 潘存云教授研制 在一般机器中，处于后三种情在一般机器中，处于后三种情 况的混合状态。况的混合状态。 f n/p o 边界摩擦边界摩擦 混合摩擦混合摩擦 液体摩擦液体摩擦 摩擦特性曲线摩擦特性曲线 称无量纲参数称无量纲参数n/p为轴承为轴承特特 性数性数。 -动力粘度，动力粘度，p-压强压强 ，n-每每 秒转数秒转数 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常 统称为统称为不完全液体摩擦。不完全液体摩擦。 摩擦学研究的最新进展：摩擦学研究的最新进展： 微纳米摩擦学理论

7、微纳米摩擦学理论 可实现：可实现： f 0.001 超润滑摩擦状态。超润滑摩擦状态。 机器的寿命机器的寿命 磨损磨损由于摩擦而导致由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移零件表面材料的逐渐丧失或迁移。 磨损曲线磨损曲线 磨合阶段磨合阶段 磨损量磨损量 时间时间 剧烈磨剧烈磨 损阶段损阶段 稳定磨损阶段稳定磨损阶段 4-2 磨损磨损 磨损过程大致如图所示：磨损过程大致如图所示： 磨合阶段磨合阶段包括摩擦表包括摩擦表 面轮廓峰的形状变化和表面面轮廓峰的形状变化和表面 材料被加工硬化两个过程材料被加工硬化两个过程 后果后果降低机器的效率和可靠性降低机器的效率和可靠性，甚至促使机器提前报废。，甚至促

8、使机器提前报废。 它是磨损的不稳定阶段，在它是磨损的不稳定阶段，在 整个寿命周期内时间很短。整个寿命周期内时间很短。 机器的寿命机器的寿命 磨损曲线磨损曲线 磨合阶段磨合阶段 磨损量磨损量 时间时间 剧烈磨剧烈磨 损阶段损阶段 稳定磨损阶段稳定磨损阶段 稳定磨损阶段稳定磨损阶段零件在平稳而缓慢的速度下磨损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。它标志着磨擦条件相对稳定。 剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段在经在经 过稳定磨损阶段后，零件过稳定磨损阶段后，零件 表面遭到破坏，运动副间表面遭到破坏，运动副间 隙增大引起而外的动载荷隙增大引起而外的动载荷 和振动。零件即将进入报和振动。零件即将

9、进入报 废阶段废阶段 设计机器时，要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧烈设计机器时，要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧烈 磨损期的到来。磨损期的到来。 磨粒磨损磨粒磨损 磨损的分类磨损的分类 疲劳磨损疲劳磨损 粘附磨损粘附磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 磨损磨损 类型类型 按磨损机理分按磨损机理分 按磨损表面按磨损表面 外观可分为外观可分为 点蚀磨损点蚀磨损 胶合磨损胶合磨损 擦伤磨损擦伤磨损 磨粒磨损磨粒磨损也简称磨损，也简称磨损，外部进入摩擦面间的游离硬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）或硬的颗粒（如空气中的尘土或磨损造成的金属微

10、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。叫磨粒磨损。 潘存云教授研制 1 1、磨粒磨损、磨粒磨损 粘附磨损粘附磨损也称胶合，当也称胶合，当 摩擦表面的轮廓峰在相互作摩擦表面的轮廓峰在相互作 用的各点处由于瞬时的温升用的各点处由于瞬时的温升 和压力发生和压力发生“冷焊冷焊”后，在后，在 相对运动时，材料从一个表相对运动时，

11、材料从一个表 面迁移到另一个表面，便形面迁移到另一个表面，便形 成粘附磨损。成粘附磨损。严重的粘附磨严重的粘附磨 损会造成运动副咬死。损会造成运动副咬死。 潘存云教授研制 2 2、粘附磨损、粘附磨损 疲劳磨损疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在也称点蚀，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。起的机械磨损。 点蚀过程：点蚀过程： 产生初始疲劳裂纹产生初始疲劳裂纹扩展扩展 微粒脱落，形成点蚀坑。微粒脱落，形成点蚀坑。 潘存云教授研制 3 3、疲劳磨损、疲劳磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损流动的液体或

12、气体中所夹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，管道输送型砂或高压水输送碎石时，管道 内壁所产生的机械磨损是实例之一。内壁所产生的机械磨损是实例之一。 近年来，由于燃气涡轮机的叶片、火箭发动机的尾喷管这样近年来，由于燃气涡轮机的叶片、火箭发动机的尾喷管这样 一些部位的破坏，才引起人们对这种磨损形式的特别注意一些部位的破坏，才引起人们对这种磨损形式的特别注意 潘存云教授研制 4、冲蚀磨损、冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学当摩

13、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。即为腐蚀磨损。 5 5、腐蚀磨损、腐蚀磨损 微动磨损微动磨损是指摩擦副在微幅运动时，由上述各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。解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。 应用实例应用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、：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。旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面等。

14、 6 6、微动磨损、微动磨损 一、一、 润滑剂润滑剂 作用：作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。 分类分类 液体液体润滑剂润滑剂润滑油润滑油 半固体半固体润滑剂润滑剂润滑脂润滑脂 固体固体润滑剂润滑剂 1. 润滑油润滑油 矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应用最广。矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应用最广。 种类：种类： 气体气体润滑剂润滑剂空气空气 有机油有机油动、植物油动、植物油 矿物油矿物油石油产品，石油产品， 化学合成油化学合成油 4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法润滑剂、添加剂和润滑方法 潘存云教授研制 润滑油的特

15、性：润滑油的特性： (1)粘粘温相关性温相关性 温度温度 t 压力压力p 但但p 350 才开始氧化，可在水中工作才开始氧化，可在水中工作 摩擦系数低，使用温度范围广摩擦系数低，使用温度范围广 (- -60300 )，但遇水性能下降。，但遇水性能下降。 摩擦系数低，只有石墨的一半。摩擦系数低，只有石墨的一半。 使用方式使用方式 1.1.调和在润滑油中；调和在润滑油中； 2.2.涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜；涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜； 3.3.混入金属或塑料粉末中烧结成型。混入金属或塑料粉末中烧结成型。 油性添加剂油性添加剂 种类种类 添加剂添加剂为了改善润滑剂品质和性能而添加的物质为了

16、改善润滑剂品质和性能而添加的物质 二、添加剂二、添加剂 非极压油非极压油 软化温度软化温度t t/ / 摩擦系数摩擦系数 f 含脂肪酸和极压添加剂的油含脂肪酸和极压添加剂的油 含脂肪含脂肪 酸的油酸的油 含极压添含极压添 加剂的油加剂的油 作用作用提高油性、极压性、延长使用寿命、改善性能提高油性、极压性、延长使用寿命、改善性能 极压添加剂极压添加剂 分散净化剂分散净化剂 消泡添加剂消泡添加剂 抗氧化添加剂抗氧化添加剂 降凝剂降凝剂 增粘剂增粘剂 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 润滑油润滑在工程中的应用最普遍，其供油方式有：润滑油润滑在工程中的应用最普遍，其供油方式有： 三、润滑

17、方法三、润滑方法 润滑方式润滑方式 人工给油人工给油 油杯滴油油杯滴油 浸油润滑、飞溅给油浸油润滑、飞溅给油 用油泵强制润滑和冷却用油泵强制润滑和冷却 低速传动低速传动 高速传动高速传动 甩油环甩油环 喷油润滑喷油润滑 油泵油泵 冷冷 却却 器器 滴油润滑滴油润滑 浸油润滑浸油润滑 飞溅润滑飞溅润滑 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 针阀针阀 式油式油 杯杯 旋盖式油杯旋盖式油杯 脂用 潘存云教授研制 压注式油杯压注式油杯 弹簧盖油杯弹簧盖油杯 四、润滑装置四、润滑装置 1. 油杯油杯 潘存云教授研制 潘存云教授研制 2. 油环油环 潘存云教授研制 潘存云教授研制 一、流体动力润

18、滑一、流体动力润滑 先分析平行板的情况。板先分析平行板的情况。板B静止，板静止，板A 以速度向左运动，板间充满润滑油，无以速度向左运动，板间充满润滑油，无 载荷时，载荷时， 液体各层的速度呈三角形分液体各层的速度呈三角形分 布，近油量与处油量相等，板布，近油量与处油量相等，板A不会下不会下 沉。但若板沉。但若板A有载荷时，油向两边挤出，有载荷时，油向两边挤出， 板板A逐渐下沉，直到与逐渐下沉，直到与B板接触。板接触。 v 4-4流体润滑原理简介 流体动力润滑是指两个作流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面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借助于相对

19、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。隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。 潘存云教授研制 潘存云教授研制 F F F F F 动压油膜动压油膜因运动 而产生的压力油膜。 v vv h1 a a h2 c c vv 两平形板之间不能两平形板之间不能 形成压力油膜！形成压力油膜！ 如两板不平行板。板间间隙呈沿运动方向由大如两板不平行板。板间间隙呈沿运动方向由大 到小呈收敛楔形分布，且板到小呈收敛楔形分布，且板A有载荷，有载荷， 当板当板A 运动时，两端速度呈虚线分布，则必然进油多运动时，两端速度呈虚线分布，则必然进油多 而出油少。由于液体实际上是不可压缩

20、的，必而出油少。由于液体实际上是不可压缩的，必 将在板内挤压而形成压力，迫使进油端的速度将在板内挤压而形成压力，迫使进油端的速度 往内凹，而出油端的速度往外鼓。进油端间隙往内凹，而出油端的速度往外鼓。进油端间隙 大而速度曲线内凹，出油端间隙小而速度曲线大而速度曲线内凹，出油端间隙小而速度曲线 外凸，进出油量相等，同时间隙内形成的压力外凸，进出油量相等，同时间隙内形成的压力 与外载荷平衡，板与外载荷平衡，板A不会下沉。这说明了在间不会下沉。这说明了在间 隙内形成了压力油膜。这种因运动而产生的压隙内形成了压力油膜。这种因运动而产生的压 力油膜称为动压油膜。各截面的速度图不一样，力油膜称为动压油膜。

21、各截面的速度图不一样， 从凹三角形过渡到凸三角形，中间必有一个位从凹三角形过渡到凸三角形，中间必有一个位 置呈三角形分布。置呈三角形分布。 F pmax 潘存云教授研制 F 形成动压油膜的必要条件：形成动压油膜的必要条件： 1.两工件之间的间隙必须有两工件之间的间隙必须有楔形间隙楔形间隙； 2.两工件表面之间必须两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体连续充满润滑油或其它液体； 3.两工件表面必须有两工件表面必须有相对滑动速度相对滑动速度。其运动方向必。其运动方向必 须保证润滑油从大截面流进，从小截面流出来。须保证润滑油从大截面流进，从小截面流出来。 Fy =F Fx 0 Fy =F Fx = 0 应用实例应用实例向心滑动轴承动压油膜的形成过程：