第4章摩擦、磨损及润滑理论

1、二、摩擦三、磨损四、润滑剂、添加剂和润滑方法 五、流体润滑原理简介 一、概述第第4章章 摩擦、磨损及润滑概述摩擦、磨损及润滑概述一、概 述 摩擦学摩擦学研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损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。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

2、了摩擦学(Tribology)。世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有 1/31/2 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磨损超过限度而报废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。和更换的。减少摩擦减少摩擦 节省节省能源；能源；减少减少磨损磨损 降低设备维修次数和费用，节降低设备维修次数和费用，节省制造零省制造零件件及其所需材料的费用。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。 ( (二二) )摩擦摩擦的分类的分类内内 摩摩 擦擦在物质的内部发生的

3、阻碍分子之间相在物质的内部发生的阻碍分子之间相对对 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在相对运动的物体表面间发生的相互阻阻 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。 “ “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面微凸体的相互阻碍作用 “ “分子说分子说” ”

4、 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( (一一) )摩擦摩擦的机理的机理 “ “机械分子说机械分子说”两种作用均有两种作用均有 二、摩二、摩擦擦潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制1. 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. 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 m1 m

5、的薄的薄油膜，不足以将两金属表面完全分开，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 f 0.1 0.1 0.30.3v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. 3. 液体摩擦液体摩擦摩擦和磨损极轻摩擦和磨损极轻，f f 0.001 0.01 0.001 0.01 vvv潘存云教授研制潘存云教授研制4. 4. 混合摩擦混合摩擦 v 混合摩擦是指摩擦表面间处于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。混边界

6、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。系数比边界摩擦时要小得多。在一般机器中，处于后三种情况的混合状态。 f f n/p n/p o 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/pn/p为轴承为轴承特性数。特性数。 -动力粘度，p-压强 ，n-每秒转数 边界摩擦和混合摩擦边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。统称为不完全液体摩擦。摩擦学研究的最新进展：摩擦学研究的最新进展：微纳米摩擦学理论微纳米摩擦学理论可实

7、现：可实现： f f 0.001 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零件表面材料的逐渐丧失或迁移。由于摩擦而导致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 三、磨三、磨损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稳定磨损阶段稳定磨损阶段零件在零件在平稳而缓慢的速度下磨损平稳而缓慢的速度下磨损它标志着磨擦条件相对稳定。剧

8、烈磨损阶段剧烈磨损阶段在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭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即将进入报废阶段后果后果降低机器的效率和可靠性，甚至促使机器提前报废。降低机器的效率和可靠性，甚至促使机器提前报废。 设计机器时，要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧设计机器时，要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧烈磨损期的到来。烈磨损期的到来。它是磨损的不稳定阶段，在整个寿命周期内时间很短。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

9、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 两种不同的称谓 磨损的机理磨损的机理 磨粒磨损磨粒磨损 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 磨损类型：磨损类型： 磨粒磨损磨粒磨损也简称磨损，外部进入摩擦面间的游离硬也简称磨损，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轮廓峰尖在软材料表面上犁刨出很多沟纹时

10、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 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒磨损 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 磨损类型：磨损类型： 粘附磨损粘附磨损也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作也称胶合，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用的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊冷焊”后，在后，在相对运动时，材料从一个

11、表面迁移到另一个表面，便形相对运动时，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。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 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒磨损 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 磨损类型：磨损类型： 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

12、扩展扩展 微粒脱落，形成点蚀微粒脱落，形成点蚀坑。坑。 潘存云教授研制 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒磨损 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 磨损类型：磨损类型： 冲蚀磨损冲蚀磨损流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬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质颗粒冲击零件表面所引起的机械磨损。利械磨损。利 用高压空气输送型砂或高压水输用高压空气输送型砂或高压水输送碎石时，送碎石时， 管道内壁所产生的机械磨损是实管道内壁所产生的机械磨损是实例之一。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

13、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潘存云教授研制 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒磨损 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 磨损类型：磨损类型： 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。 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒磨损 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 磨损类型：磨损类型： 微动磨损微动磨

14、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。微幅运动机理共同形成的复合磨损。微幅运动可理可理 解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。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、旋合螺纹的工：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。作面、铆钉的工作面等。（一）、（一）、 润滑剂润滑剂 作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。分类分类液体润滑剂液体润滑剂润滑油润滑油半固体润滑剂半固体润滑剂润滑

15、脂润滑脂固体润滑剂固体润滑剂1. 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：气体润滑剂气体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 四、润滑剂四、润滑剂、添加剂和润滑方法、添加剂和润滑方法 潘存云教授研制A A在轴承中，润滑油最重要的物理参数是粘度，它是选择润滑油的主要依据。粘度表征液体流动的内摩擦特性。A、B两板之间充满了液体，B板静止，A板水平移动速度为v。由于液体与金属表面的吸附作用，A板表面的液体速度为v，而B板表面的液体速度为0。两板之

16、间的速度呈线性分布。液体层与层之间摩擦的切应力：液体层与层之间摩擦的切应力：= =d du ud dy y流体中任意点处的切应力与该处的速度梯度成正比。流体中任意点处的切应力与该处的速度梯度成正比。 液体的动力粘度，简称粘度液体的动力粘度，简称粘度量纲：力时间/长度2单位为单位为 Pa sPa s， 称为泊称为泊 。或厘泊：或厘泊：1P=1 dyn s /cm1P=1 dyn s /cm2 2 实验结果：实验结果： o ox xy yy ydydydudu分析位置y处薄层的受力 B B粘度粘度液体重要指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀；液体重要指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀； 粘度的种类粘

17、度的种类动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度条件粘度条件粘度(1) (1) 动力粘度动力粘度牛顿液体流动定律牛顿液体流动定律 1 1泊泊=100=100厘泊厘泊工程中常用运动粘度工程中常用运动粘度 = = 单位：单位： m m2 2 / / s s 在在C.G.SC.G.S制中称为斯制中称为斯StSt：cmcm2 2 /s /s 或厘斯或厘斯cStcSt：1St=100 cSt1St=100 cSt(2) (2) 运动粘度运动粘度 潘存云教授研制表表4-1常用润滑油的主要性质常用润滑油的主要性质名名 称称全损耗全损耗系统用油系统用油GB 443-89汽轮机油汽轮机油GB 11120-89代代 号号

18、40 的粘度的粘度/(mm2/s)L- -AN7 6.127.48 - -10 110凝点凝点 闪点闪点(开式开式) 用于高速低负荷机械、用于高速低负荷机械、精密机床、纺织纱锭的精密机床、纺织纱锭的润滑和冷却润滑和冷却普通机床的液压油。普通机床的液压油。用于一般滑动轴承、用于一般滑动轴承、齿轮、蜗轮的润滑齿轮、蜗轮的润滑用于重型机床导轨、用于重型机床导轨、矿山机械的润滑矿山机械的润滑用于汽轮机、发电机等用于汽轮机、发电机等高速高负荷轴承和各种高速高负荷轴承和各种小型液体润滑轴承小型液体润滑轴承L-AN100 90110 0 210L- -AN10 9.011.0 - -10 125L- -AN

19、15 13.516.5 - -10 165L- -AN32 28.832.2 - -10 170L- -AN46 41.450.6 - -10 180L- -AN68 61.274.8 - -10 190L-TSA32 28.835.2- -7 180L-TSA46 41.450.6主要用途主要用途(3) (3) 条件粘度条件粘度 指在一定条件下，利用某种规格的粘度计，通过指在一定条件下，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。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：常用的有： 恩氏度（恩氏度（ E Et t） 中国惯用中国惯用 赛氏通用秒（赛氏

20、通用秒（SUSSUS） 美国惯用美国惯用 雷氏秒雷氏秒 英国惯用英国惯用 运动粘度与条件粘度之间的换算关系：运动粘度与条件粘度之间的换算关系： cStt64.8t0.8t时，2.3t35.1当EEVEcStt0.4t6.7t时，2.3t当EEVEcStt14.7t时，2.16当EVtE 润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如牌润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如牌号为号为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。潘存云教授研制润滑油的特性：润滑油的特性： (1)(1)粘粘温相关性温相关性 温度温度 t t 压力压力p p

21、 但但p p 10 MPa 350 t 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 )(-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。其应用日渐广泛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。为了改善润滑剂品质和性能而添

22、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 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（三）润滑方法方法 润滑方式润滑方式 人工给油

23、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式针阀式油杯油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. 1. 油杯油杯 潘存云教授研制潘存云教授研制2. 2. 油环油环 潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、流体动力润滑一、流体动力润滑 F FF FF FF F先分析平行板的情况。板

24、B静止，板A以速度向左运动，板间充满润滑油，无载荷时， 液体各层的速度呈三角形分布，近油量与处油量相等，板A不会下沉。但若板A有载荷时，油向两边挤出，板A逐渐下沉，直到与B板接触。 v v F F五、流体润滑原理简介（自学） 流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，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。隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。动压油膜动压油膜因运动而产生的压力油膜。 v v v vv vh h1 1a aa ah h2 2c cc c

25、v vv v两平形板之间不能形成压力油膜！两平形板之间不能形成压力油膜！ 如两板不平行板。板间间隙呈沿运动方向由大到小呈收敛楔形分布，且板A有载荷， 当板A运动时，两端速度若程虚线分布，则必然进油多而出油少。由于液体实际上是不可压缩的，必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与外载荷平衡，板A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力油膜称为动压油膜。各截面的速度图不一样，从凹三角形过渡到凸三角形，中间必有一个位置呈三角形分布。F Fp pmaxmax

26、潘存云教授研制F F形成动压油膜的必要条件：形成动压油膜的必要条件：1.1.两工件之间的间隙必须有楔形间隙；两工件之间的间隙必须有楔形间隙；2.2.两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体；两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体；3.3.两工件表面必须有相对滑动速度。其运动方向必两工件表面必须有相对滑动速度。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。 F Fy y = =F F F Fx x 0 0 F Fy y = =F F F Fx x = 0= 0应用实例应用实例向心滑动轴承动压油膜的形成过程：向心滑动轴承动压油膜的形成过程：

27、静止静止 爬升爬升将轴起抬将轴起抬转速继续升高质心左移质心左移稳定运转稳定运转达到工作转速e e 偏心距。偏心距。e二、弹性流体动力润滑二、弹性流体动力润滑 弹性流体动力润滑理论弹性流体动力润滑理论研究在点、线接触条件研究在点、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。下，两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质。求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题 在油膜压力下，摩擦表面的变形的弹性方程在油膜压力下，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表述润滑剂粘度与压力间关系的粘压方程流体动力润滑的主要方程流体动力润滑的主要方程流体动力润滑理论的前提流体动力润滑理论的前提适应于低副中两零件之间的润滑问题。适应于低副中两零件之间的润滑问题。 润滑剂粘度不随压力变化润滑剂粘度不随压力变化零件摩擦表面为刚体零件摩擦表面为刚体潘存云教授研制潘存云教授研制 依靠依靠润滑剂的粘附作用，两圆柱体相互滚动时将润滑剂的粘附作用，两圆柱体相互滚动时将润滑剂带入间隙。由于接触压力较高使接触面发生局润滑剂带入间隙。由于接触压力较高使接触面发生局部变形，