第四章摩擦磨损与润滑概述

1、第四章 摩擦、磨损与润滑概述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 q 摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；q 磨损是由于摩擦或其他原因而造成的物体表面材料的损失或转移；磨损是由于摩擦或其他原因而造成的物体表面材料的损失或转移；q 润滑是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。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关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology(Tribology) )。摩擦学 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和

2、润滑，以及三者间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相互关系的理论与应用的一门边缘学科( (涉及流体力学、固体力学、流变学、涉及流体力学、固体力学、流变学、数学、材料学、物理、化学、机制工艺学等多门学科）。数学、材料学、物理、化学、机制工艺学等多门学科）。 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。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世界上使用的能源大约有 1/3

3、1/2 1/31/2 消耗于摩擦。如果能够尽力减少消耗于摩擦。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。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 擦摩 擦1二、摩擦的分类二、摩擦的分类内内 摩摩 擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。擦：在物质的内部发生的阻碍分子

4、之间相对运动的现象。外外 摩摩 擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。静静 摩摩 擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。动动 摩摩 擦：在相对运动进行中的摩擦。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。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。滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。q “机械说机械说”产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用；产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用；q “分子说分子说”产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力

5、作用；产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用；一、摩擦的机理一、摩擦的机理q “机械分子说机械分子说”两种作用均有。两种作用均有。 17851785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。来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。19351935年，英国的鲍登等人开年，英国的鲍登等人开始用材料粘附概念研究干摩擦，始用材料粘附概念研究干摩擦，19501950年，鲍登提出了粘附理论。年，鲍登提出了粘附理论。4-1 摩 擦三、三、 种滑动摩擦状态种滑动摩擦状态. . 干摩擦是指表面间无任何

6、润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。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。. . 边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。摩 擦34-1 摩 擦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。混合摩擦能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。有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部

7、分子间粘流体摩擦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。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 （或称非液体摩擦）。（或称非液体摩擦）。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。成了微纳米摩擦

8、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认为摩擦系数在0.0010.001量级（或更低）的摩擦状态即可认为属于超润滑。关于量级（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。予关注。 F 流体摩擦动画流体摩擦动画 4-1 摩 擦对于要求低摩擦的摩擦副，液体摩擦是比较理想的的状态，对于要求低摩擦的摩擦

9、副，液体摩擦是比较理想的的状态，维持边界摩擦或混合摩擦是最低要求：如用于水力和火力发维持边界摩擦或混合摩擦是最低要求：如用于水力和火力发电机组的动压滑动轴承，用于内燃机曲轴的边界摩擦或混合电机组的动压滑动轴承，用于内燃机曲轴的边界摩擦或混合摩擦滑动轴承摩擦滑动轴承。 对于要求高摩擦的摩擦副，则希望处于干摩擦状态或边界对于要求高摩擦的摩擦副，则希望处于干摩擦状态或边界摩擦状态：如皮带传动、摩擦轮传动、摩擦离合器等。摩擦状态：如皮带传动、摩擦轮传动、摩擦离合器等。123n2n1磨损是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。磨损会磨损是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。

10、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。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。磨 损1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。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：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。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。 磨合磨合(跑合）跑合）-指机器使用初期，为改善

11、机器零件的指机器使用初期，为改善机器零件的适应性、表面形貌和摩适应性、表面形貌和摩 擦相容性擦相容性的过程。的过程。 磨损率磨损率单位时间内材料的单位时间内材料的磨损量。磨损量。磨损量可以用体积、重量或厚度来衡量。磨损量可以用体积、重量或厚度来衡量。 稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。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。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，对磨损的研究开展较晚，2020世纪世纪5050年代提出粘着理论后，年代提出粘着理论后，6060年代在相继年

12、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。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 磨 损2F磨粒磨损也简称磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰磨粒磨损也简称磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的材料脱落的现象。尖所引起的材料脱落的现象。F 4-2 磨 损 关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为：关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为： 滚动轴承外套圈受载部位产生磨滚动轴承外套圈受载部位产生磨粒磨损粒磨损蜗轮轮齿产生磨粒磨损后轮齿变薄蜗轮轮齿产生磨粒磨损后轮齿变薄4-2 磨磨 损损F 疲劳磨

13、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，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，反复变形所产生的疲劳点蚀，有小块金属剥落的现象。反复变形所产生的疲劳点蚀，有小块金属剥落的现象。 滚动轴承套圈和滚动体上产生点蚀滚动轴承套圈和滚动体上产生点蚀 齿轮齿面上产生点蚀齿轮齿面上产生点蚀4-2 磨磨 损损粘附磨损也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各接点处由于瞬时粘附磨损也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各接点处由于瞬时的温升和压力发生的温升和压力发生“冷焊冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便

14、形成粘附磨损。一个表面，便形成粘附磨损。蜗杆传动产生胶合后，蜗轮的青蜗杆传动产生胶合后，蜗轮的青铜材料融化后粘附到蜗杆上铜材料融化后粘附到蜗杆上齿轮齿面上产生胶合（沿滑动方向齿轮齿面上产生胶合（沿滑动方向有条状的沟纹，齿面发亮）有条状的沟纹，齿面发亮）4-2 磨磨 损损F 冲蚀磨损流体中所夹带的硬质物质或颗粒，在流体冲击力作用下而在冲蚀磨损流体中所夹带的硬质物质或颗粒，在流体冲击力作用下而在摩擦表面引起的磨损。如用高压空气输送砂子、水泥泥浆或碎矿石时，摩擦表面引起的磨损。如用高压空气输送砂子、水泥泥浆或碎矿石时，管道内壁产生的机械磨损即为冲蚀磨损。管道内壁产生的机械磨损即为冲蚀磨损。F 腐蚀磨

15、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。氧化磨损（生锈）是最摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。氧化磨损（生锈）是最常见的常见的腐蚀磨损之一。腐蚀磨损之一。F 微动磨损是指摩擦副在微幅运动时，由上述各种磨损机理共同形成的复微动磨损是指摩擦副在微幅运动时，由上述各种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。它发生合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。它发生在名义上相对静止，实际上存在循环的微幅相对滑动的两个紧密接触的表在

16、名义上相对静止，实际上存在循环的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。）面、铆钉的工作面等。）F 润滑剂、添加剂和润滑方法F 一、润滑剂一、润滑剂q 润滑油润滑油粘度的种类有很多，如：动力粘度、运动粘度、条件粘度等。粘度的种类有很多，如：动力粘度、运动粘度、条件粘度等。1 1、 粘度：粘度：流体抵抗变形的能力，衡量流体内摩擦阻力大小的指标流体抵抗变形的能力，衡量流体内摩擦阻力大小的指标，粘度粘度 摩擦力摩擦力发热发热 GB/T314-1994GB/T314

17、-1994规定采用润滑油在规定采用润滑油在4040CC时的运动粘度中心值作为润滑油时的运动粘度中心值作为润滑油的牌号，如：牌号为的牌号，如：牌号为L-AN10L-AN10的油在的油在4040时的运动粘度大约为时的运动粘度大约为10 cSt10 cSt。具体说明具体说明 4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法工程中常用运动粘度，单位是：工程中常用运动粘度，单位是：St(St(斯斯) )或或 cStcSt( (厘斯厘斯) )，量纲为，量纲为(m(m2 2/s)/s)；：动植物油、矿物油、合成油。动植物油、矿物油、合成油。温度对粘度的影响：温度对粘度的影响：温度温度 -粘度粘度 粘粘-温特性温特性压力对粘

18、度的影响：压力对粘度的影响：压力压力20MPa20MPa时对粘度的影响可忽略不计时对粘度的影响可忽略不计压力压力 -粘度粘度 粘粘-压特性压特性选择原则选择原则高温时，粘度应高一些；低温时，粘度可低一些。高温时，粘度应高一些；低温时，粘度可低一些。转速高、压力小时，油的粘度应低一些；反之，粘度应高一些。转速高、压力小时，油的粘度应低一些；反之，粘度应高一些。4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法3、极压性：极压性：润滑油中的活性分子与摩擦表面形成抗磨、耐高压的化学润滑油中的活性分子与摩擦表面形成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能。它在高速、重载、高温条件下，可改善边界润滑反应边界膜的性能。它在高速、

19、重载、高温条件下，可改善边界润滑性能。性能。4、闪点：闪点：当油在标准仪器中加热所蒸发出的油汽，以遇火焰即能发出闪当油在标准仪器中加热所蒸发出的油汽，以遇火焰即能发出闪光时的最低温度。它是衡量油的易燃性的一种尺度，高温下工作的机器，光时的最低温度。它是衡量油的易燃性的一种尺度，高温下工作的机器，应该选用闪点高的润滑油。应该选用闪点高的润滑油。5 5、凝点：凝点：这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这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。它是油在低温下工作的一个重要指标，低温下工作的机器，应温度。它是油在低温下工作的一个重要指标，低温下工作的机器，应该选用凝

20、点低的润滑油。该选用凝点低的润滑油。2、润滑性（油性）润滑性（油性）：是指润滑油中极性分子与金属表面吸附形成一层边界是指润滑油中极性分子与金属表面吸附形成一层边界油膜，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。越强。润滑剂、添加剂和润滑方法一、润滑剂一、润滑剂q 润滑脂润滑脂q 固体润滑剂固体润滑剂润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。滴点，决定工作温度。滴点，决定工作温度。4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法：润滑油润滑油+ +稠化剂（钙、锂、钠与各

21、种脂肪或脂肪酸反应生成的稠化剂（钙、锂、钠与各种脂肪或脂肪酸反应生成的纤维状产物纤维状产物称为金属皂）称为金属皂） ：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。 q 润滑油润滑油 特点：无流动性，可在滑动表面形成一层薄膜，特点：无流动性，可在滑动表面形成一层薄膜， 承载能力大，但性能不稳定，摩擦功耗大承载能力大，但性能不稳定，摩擦功耗大 。 适用场合适用场合 ：要求不高、难以经常供油，或者低速重载、：要求不高、难以经常供油，或者低速重载、 温度变化不大温度变化不大 以及作摆动运动的以及作摆动运动的 轴承中。轴承中。添加剂提高油性、极压性提高油性、极压性 延长使用寿命延长使用寿

22、命 改善物理性能改善物理性能添加剂的作用添加剂的作用油性添加剂油性添加剂 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 增粘剂增粘剂添加剂的种类添加剂的种类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其巨大作用的物质，这些物质叫添加剂。但对润滑剂性能改善其巨大作用的物质，这些物质叫添加剂。二、添加剂 含油性添加剂含油性添加剂( (脂肪酸脂肪酸) )的油在低温时减摩性好的油在低温时减摩性好(f (f小小) )，

23、含极压添加剂，含极压添加剂(S,P,CL(S,P,CL的的化合物化合物) )的油在高温时减摩性好的油在高温时减摩性好(f (f小小) )，同时含，同时含油性和极压添加剂的油在低温油性和极压添加剂的油在低温和高温时减摩性都好。和高温时减摩性都好。润滑方法润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有：润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有：滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等 用于低速用于低速 用于高速用于高速 油脂润滑常用于运转速度较低的场合，将润滑脂涂抹于需润滑的零件油脂润滑常用于运转速度较低的场合，将润滑脂涂抹于需润滑的零件上。润滑脂还可以用于简单的密封。上。润滑脂还可以用于简单的密封。4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法三、润滑方法三、润滑方法浸油与飞溅润滑浸油与飞溅润滑喷油润滑喷油润滑流体动力润滑形成的必要条件：流体动力润滑形成的必要条件： q 楔形空间；楔形空间； q 相对运动（保证流体由大口进入）；相对运动（保证流体由大口进入）； q 连续不断地供油。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