机械设计第二章摩擦磨损润滑

机械设计

万小利博士、教授2006.02第二章摩擦、磨损及润滑基础知识第一节概述摩擦学:专门研究作相对运动和相互作用两表面间的摩擦、磨损和润滑问题。是有关摩擦、磨损和润滑科学的总称。有用摩擦：利用摩擦传递动力或吸收能量起缓冲阻尼作用。应采用耐磨材料副。有害摩擦：造成能量损耗、效率降低、温度升高、表面磨损。应采用减摩材料和减摩措施。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。

润滑是改善表面摩擦状态、减缓磨损最有效的方法。1、表面形貌

在工程中使用的金属表面，都不是理想的光滑表面，尽管宏观上看上去大都很光滑，但微观上看，实际表面凹凸不平。一、表面性质金属表面性质主要包括两方面的内容：表面形貌和表面组成。第二节表面性质及表面接触表面形貌指金属表面几何特征的详细图形表面形貌中的三个主要参量(表征)：表面粗糙度

指细密空间的不规则性跳动，反映的是金属表面微观几何形状误差。它体现了表面加工方法的固有特性。表面波度指较大空间内周期性出现的不规则性波动。往往是因为机床刀具或工件振动的结果。形状误差实际表面形状偏离名义表面形状的偏差。在表面形貌分析中，通常是不考虑的。表面粗糙度对材料表面性质影响最大，通常用轮廓算术平均偏差Ra值的大小来度量金属表面的粗糙程度。

2、表面组成

金属表面在切削加工过程中表层组织结构将发生变化，使表面由若干层次构成，典型的金属表面结构如图所示。金属表面的组成指表层结构和其物理化学机械性质。表面吸附膜——决定金属表面的润滑特性（边界润滑）（边界膜）表面氧化膜——决定金属表面的摩擦磨损特性变形层和贝氏层——决定金属表面强度研究两金属表面的摩擦磨损过程时，首先是了解它们之间的接触状况。一般经过机械加工的金属表面，都有一定的粗糙度。二、表面接触因此，两摩擦表面在相互接触时，实际只是个别的微凸体之间接触。二、表面接触实际表面的接触情况：a)许多微凸体接触，实际接触面积较小。b)受载后，参与接触的微凸体数目增加。金属表面的实际接触面积非常小，通常只是名义面积的1%到0.01%，视载荷的大小和表面的粗糙程度而定。表面接触的一些结论：表面微凸体大小、高度不等，接触时一部分弹性变形，一部分塑性变形，这两部分的比例与载荷的大小和表面特性有关。由于实际接触面积非常小，所以接触面积上的应力非常大，因此，大多数摩擦表面都存在着大量的塑性变形微凸体。实际接触面积随着法向载荷的增大而增大，它的增大主要体现在接触点的数量增加，而各个接触点因弹性和塑性变形而使接触面积的增加是次要的。第三三节节摩摩擦擦在外外力力作作用用下下，，相相互互接接触触的的两两个个物物体体作作相相对对运运动动或或有有相相对对运运动动的的趋趋势势时时，，其其接接触触表表面面上上就就会会产产生生抵抵抗抗滑滑动动的的阻阻力力，，这这一一现现象象叫叫做做摩擦擦，这这时时所所产产生生的的阻阻力力叫叫做做摩擦擦力力。摩擦擦可可分分为为两大大类类：一一类类是是发发生生在在物物质质内内部部，，阻阻碍碍分分子子间间相相对对运运动动的的内摩摩擦擦；另另一一类类是是在在物物体体接接触触表表面面上上产产生生的的阻阻碍碍其其相相对对运运动动的的外摩摩擦擦。外摩擦静摩擦动摩擦动摩擦滑动摩擦滚动摩擦表面摩擦状态干摩擦液体摩擦（液体润滑）边界摩擦（边界润滑）混合摩擦（混合润滑）（润滑状态）一、、干干摩摩擦擦是指指表表面面间间无任任何何润润滑滑剂剂或保护护膜膜的纯纯金金属属接接触触时时的的摩摩擦擦。。在机机械械设设计计中中，，通通常常将将两两接接触触表表面面没没有有人人为为引引入入润润滑滑剂剂的的摩摩擦擦当当作作干干摩摩擦擦。。干摩摩擦擦时时，，摩摩擦擦阻阻力力最最大大，，金金属属间间的的摩摩擦擦系系数数f=0.15~1.5。古典典摩摩擦擦理理论论（阿阿蒙蒙顿顿，，库库仑仑））摩擦擦力力F与正正压压力力FN成正正比比F=fFN古典典摩摩擦擦理理论论有有一一定定的的局局限限性性，，例例如如，，法法向向力力很很大大的的时时候候，，实实际际接接触触面面积积接接近近名名义义接接触触面面积积，，摩摩擦擦力力和和法法向向力力就就不不再再成成线线性性关关系系。。摩擦擦力力F与表表面面名名义义接接触触面面积积的的大大小小无无关关F静>F动，且且F动与v无关关机械械啮啮合合理理论论库库仑仑理理论论分子子作作用用理理论论能能量量理理论论粘着着摩摩擦擦理理论论犁犁沟沟理理论论分子子——机机械械理理论论等…………干摩摩擦擦理理论论（（表表面面接接触触数数学学模模型型））：：鉴于于古古典典摩摩擦擦理理论论的的局局限限性性，，人人们们进进一一步步研研究究有有关关摩摩擦擦的的机机理理，，并并形形成成了了很很多多干干摩摩擦擦理理论论：：1、、机机械械啮啮合合理理论论认为为摩摩擦擦起起源源于于表表面面粗粗糙糙度度，，摩摩擦擦力力是是表表面面微微凸凸体体机机械械啮啮合合力力的的总总和和。。滑滑动动摩摩擦擦中中能能量量损损耗耗于于微微凸凸体体的的相相互互啮啮合合、、碰碰撞撞以以及及弹弹性性变变形形。。2、分分子作作用理理论认为分分子间间电荷荷力所所产生生的能能量损损耗是是摩擦擦的起起因，，摩擦擦力是是由摩摩擦表表面分分子间间的相相互吸吸引力力形成成的。。4、分分子——机械械理论论（摩摩擦二二项式式定律律）认为滑滑动摩摩擦是是克服服表面面微凸凸体的的机械械啮合合和分分子吸吸引力力的过过程，，因而而摩擦擦力就就是接接触面面积上上的分分子和和机械械作用用所产产生的的阻力力总和和。其摩擦擦系数数的表表达式式为：：式中：：为与表表面分分子特特性有有关的的参数数;.为与表表面机机械特特性有有关的的参数数;Ar为实际际接触触面积积;FN为法向向载荷荷分子——机械械理论论考虑虑的因因数较较多，，比较较符合合实验验的结结果。。能非非常好好地适适用于于边界界润滑滑及某某些干干摩擦擦状态态。3、粘粘着摩摩擦理理论粘着理理论认认为：：摩擦表表面处处于塑塑性接接触的的状态态；滑动摩摩擦是是粘着着与滑滑动交交替发发生的的跃动动过程程；摩擦力力是粘粘着效效应和和犁沟沟效应应产生生阻力力的总总和。。表面承承载接接触———小小接触触面积积———高应应力———塑塑性变变形———冷冷焊粘着——相相对运运动———剪剪断——摩摩擦磨磨损表面承承载接接触———较硬表表面微微凸体体———相对对运动动———在较较软表表面上上犁出出犁沟在简单单粘着着理论论中摩摩擦系系数f的表达达式则则为：：简单粘粘着理理论由于在在分析析实际际接触触面积积时只只考虑虑受压压屈服服极限限，而而在计计算摩摩擦力力时又又只考考虑剪剪切强强度极极限，，没有考考虑由由法向向载荷荷产生生的压压应力力及由由切向向力产产生的的切应应力的的联合合作用用，因因此得得出的的滑动动摩擦擦系数数与实实测结结果有有很大大的出出入，，为此此，Bowden等等人于于1964年又又提出出了一一种更更切合合实际际的修修正粘粘着理理论。。可参参考有有关资资料。二、边边界摩摩擦（（边界界润滑滑）指两摩摩擦表表面被被吸附附在表表面的的边界界膜隔隔开，，其摩摩擦性性质与与液体体的黏黏度无无关，，只与与边界界膜和和表面面的吸吸附性性质有有关。。虽然边边界润润滑不不能完完全避避免金金属间间的直直接接接触，，但可可以大大大地地减小小摩擦擦力，，一般般摩擦擦系数数f=0.1左右。。边界润润滑动动画单层分分子边边界膜膜模型型单层分分子边边界膜膜摩擦擦边界膜膜按形形成的的机理理，分分为吸附膜膜（物理理吸附附膜和和化学学吸附附膜））和反应膜膜。润滑剂剂中脂脂肪酸酸的极极性分分子牢牢固地地吸附附在金金属表表面上上，就就形成成物理吸吸附膜膜。润滑剂剂中分分子受受化学学键力力作用用而吸吸附在在金属属表面面上，，就形形成化学吸吸附膜膜。反应膜膜是当润润滑剂剂中含含有以以原子子形式式存在在的硫硫、氯氯、磷磷时，，它们们与金金属表表面进进行化化学反反应而而生成成的薄薄膜。。这种种反应应膜与与金属属表面面接合合牢固固，强强度高高，熔熔点高高，比比前两两种膜膜都更更稳定定，可可在十十分苛苛刻的的条件件下保保护金金属表表面不不发生生粘着着。三、液液体摩摩擦（（液体体润滑滑）当摩擦擦表面面间的的润滑滑膜厚厚度大大到足足以将将两个个表面面完全全隔开开，即即形成成了完完全的的液体体摩擦擦。这这时，，润滑滑剂中中的分分子已已大都都不受受金属属表面面吸附附作用用的支支配而而自由由移动动，摩摩擦只只发生生在液液体内内部的的分子子之间间，所所以摩摩擦系系数极极小，，大约约f=0.0010.008，而且且不会会有粘粘着磨磨损产产生，，是理理想的的摩擦擦状态态。液体摩摩擦动动画四、混混合摩摩擦（（混合合润滑滑）当摩擦擦表面面间处处于边边界摩摩擦和和液体体摩擦擦的混混合状状态时时称为为混合合摩擦擦。在在一定定条件件下，，混合合摩擦擦能有有效地地降低低摩擦擦阻力力，其其摩擦擦系数数要比比边界界摩擦擦时小小得多多，大大约f=0.010.08，但因因仍有有金属属的直直接接接触，，所以以不可可避免免地仍仍有磨磨损存存在。。混合摩摩擦动动画第四节节磨磨损损磨损是是表面面物质质在摩摩擦过过程中中不断断损失失的现现象，，是伴伴随摩摩擦而而产生生的必必然结结果。。磨损损会消消耗材材料，，降低低运转转精度度，影影响寿寿命和和可靠靠性。。但磨损损并非非都是是有害害的，，如机机械的的跑合合、利利用磨磨损原原理进进行的的加工工（研研磨、、抛光光）等等。一般磨磨损的的过程程一、一一般磨磨损的的过程程机械零零件的的一般般磨损损过程程大致致分为为三个个阶段段跑合阶阶段新的摩摩擦副副表面面较粗粗糙，，在10%50%的额额定载载荷下下进行行试运运转，，使摩摩擦表表面的的微凸凸体被被磨平平，实实际接接触面面积逐逐步增增大，，压强强减小小，磨磨损速速度在在跑合合开始始阶段段很快快，然然后减减慢。。跑合合阶段段对新新的机机械是是十分分必要要的。。稳定磨磨损阶阶段经过跑跑合，，摩擦擦表面面逐步步被磨磨平，，微观观几何何形状状发生生改变变，建建立了了弹性性接触触的条条件，，进入入稳定定磨损损阶段段，零零件的的磨损损速度度减慢慢，它它表征征零件件正常常工作作寿命命的长长短。。急剧磨磨损阶阶段经过长长时间间的稳稳定磨磨损阶阶段，，积累累了较较大的的磨损损量，，零件件开始始失去去原来来的运运动轨轨迹，，磨损损速度度急剧剧增加加，间间隙加加大，，精度度降低低，效效率减减小，，出现现异常常的噪噪声和和振动动，最最后导导致零零件失失效。。从磨损损过程程的变变化来来看，，为了了提高高零件件的使使用寿寿命，，在设设计或或使用用机械械时，，应力力求缩缩短跑跑合期期，延延长稳稳定磨磨损期期，推推迟急急剧磨磨损期期的到到来。。若设设计不不当或或工作作条件件恶化化，则则不能能建立立稳定定磨损损阶段段，在在短暂暂的跑跑合后后，就就立即即进入入急剧剧磨损损阶段段，使使零件件很快快损坏坏，要力求求避免免。一般磨磨损过过程图图二、磨磨损的的分类类机械零零件的的磨损损，按按磨损损机理理主要要分为为四种种：1、粘粘着磨磨损机理理：：材材料转转移。。发生场场合：：重重载和和高速速高温温下油油膜或或边界界膜破破裂，金金属直直接接接触，，硬度度不足足。程度度：：轻轻微磨磨损、、涂抹抹、擦擦伤、、胶合合。2、磨磨粒粒磨损损机理理：：机机械刻刻划作作用。。发生场场合：：有有较硬硬杂质质产生生的场场合，，如密密封不不良、、硬表面面粗糙糙度大大、润润滑油油过滤滤不严严等。。3.表表面面疲劳劳磨损损（点点蚀））机理理：：表表面接接触疲疲劳或或硬化化层剥剥落。。发生场场合：：交交变载载荷和和油楔楔作用用下。。4.腐腐蚀蚀磨损损机理理：：氧氧化化、气气蚀、、化学学腐蚀蚀等。。发生场场合：：有有腐蚀蚀性的的氛围围下相相对运运动。。微动磨磨损机理：：微微量量相对对滑动动发生场场合：：微量量振动动接触触表面面三、减减轻磨磨损的的途径径⑴正确确选择择摩擦擦副的的材料料⑵采用用合适适的润润滑方方式和和润滑滑剂(静压压液体体润滑滑与动动压液液体润润滑、、添加加剂)⑶采用用表面面耐磨磨处理理（提高高表面面硬度度、表表面喷喷丸））⑷在结结构设设计中中要考考虑耐耐磨问问题⑸正确确使用用和维维护（润滑滑油过过滤、、密封封防尘尘、定定期保保养））第五节节润润滑滑剂润滑：向承载载的两两摩擦擦表面面间引引入润润滑剂剂，形成润滑膜膜。减小摩摩擦，，减轻轻磨损损传递动动力缓冲吸吸振、、减震震散热密封清除污污染防锈润滑的的作用用：一、润润滑剂剂的分分类润滑剂剂的种种类：：固体（石墨墨、二二硫化化钼、、尼龙龙等））半固体体（各种种润滑滑脂））液体（各种种润滑滑油、、水、、液态态金属属等））气体（空气气、氦氦气、、氮气气等））二、润润滑剂剂的主主要质质量指指标在机械械设计计中，，最常常用的的润滑滑剂是是润滑滑油和和润滑滑脂。。黏度指润滑滑油抵抵抗剪剪切变变形的的能力力，它它标志志着油油液内内部产产生相相对运运动时时内摩摩擦阻阻力的的大小小。牛顿定定律：两层流流液体体之间间的切切应力力与其其速度度梯度度成正比比。：动力粘粘度（（单位位Pa••S））（Ns/m2）1、润润滑油油的主主要质质量指指标τ——油油层间间剪切切应力力，N/m2——速度梯梯度，，s-1黏度的的度量量如动力力黏度度、运运动动黏度度υν、恩氏黏黏度˚Et等。在国际单单位制制中，动动力黏黏度的的单位位是Ns/m2（即，Pas单位名称为为帕秒）在厘米克秒制制中，动力黏黏度的单位位是dyns/cm2（即P，，单位名称称为泊）其物理意义义是：流体体中相距1cm、面面积各为1cm2的两流层，，彼此以1cm/s的速度相相对运动时时，其阻力力为1dyn。泊泊的百百分之一为为厘泊（cP）动力黏度运动黏度n在国际单位制制中，运动黏黏度的单位位是m2/s在厘米克秒制制中，运动黏黏度的单位位是cm2/s（即，St斯）斯的百分之之一为厘斯斯cSt。动力黏度与运动黏度度ν的关系是：：ν——运动动粘度，m2·s-1μ——动力力粘度，Pa·sρ——密度度，kg··m-3运动黏度没没有明确的的物理意义义，但在理理论分析和和计算中常常碰到动力力黏度与密度的比值，此此时用运动动黏度ν来代替/比较方便。。恩氏黏度˚˚Et也叫相对黏黏度，即200cm3的试验油在在规定的温温度下（一一般为20℃、50℃、100℃）流过恩恩氏黏度计计的小孔所所需要的时时间（s））与同体积积的蒸馏水水在20℃时流过同一一小孔所需需的时间（（s）的比比值。以符符号˚Et表示。影响润滑油油黏度的因因素：主要因素———温度和和压力温度升高，，黏度减小。压力升高，，黏度增大。黏度—温度度曲线压力不太高高时（如小小于20MPa），黏度变化极微，，可略而不不计。温度对黏度度的影响很很大，在表明润滑滑油的黏度度时，一定定要注明温温度，否则则没有意义义。影响润滑油油黏度的因因素：油性油性是指润润滑油中极极性分子湿湿润或吸附附于摩擦表表面形成边边界油膜，，以减小摩摩擦和磨损损的性能。。它是影响响边界润滑滑性能好坏坏的重要指指标，吸附附能力越强强，油性越越好。闪点和燃点点润滑油蒸气气在遇到火火焰时能发发出闪光（（闪烁）时时的最低温温度称为闪闪点。闪烁烁持续5秒秒以上的最最低温度称称为燃点。。它是衡量量润滑油易易燃性的一一个重要指指标，对于于高温下工工作的机械械，应选择择比工作温温度高30℃40℃闪点的润滑滑油。凝点润滑油冷却却到完全失失去流动性性时的温度度称为凝点点。它是润润滑油低温温工作特性性的一个重重要指标，，低温工作作时应选择择凝点低的的润滑油。。2、润滑脂脂的主要质质量指标润滑脂是润润滑油与稠稠化剂的混混合物，常常用的稠化化剂是金属属皂，如钙钙基皂、钠钠基皂（不抗水）和锂基皂皂。润滑脂脂的主要质质量指标有有：锥入度（反映稠度）用一个质量量为25N的标准锥体体，在25℃恒温下，从从润滑脂表表面自由下下沉，经过过5秒后所所到达的深深度即为锥锥入度（以以0.1mm计）。它是是表征润滑滑脂稀稠程程度的指标标，锥入度度越大，润润滑脂就越越稀。滴点（反映耐热性性）在规定的加加热条件下下，润滑脂脂从标准量量杯的孔口口滴下第一一滴时的温温度。它是是表征润滑滑脂耐高温温的能力。。润滑脂的的工作温度度至少应低低于滴点20℃。三、润滑剂剂的选用润滑油润滑及散热热效果好，，大多数情情况下使用用油润滑润滑脂易保持在润润滑部位，，润滑系统统简单，密密封性能好，适用于于不易加油油或低速重重载的场合合；气体黏度极低，，摩擦系数数小，适用用于高速轻轻载的场合，如磨床床高速磨头头；水常用于橡胶胶、塑料等等零件中，，本身就有有自润滑功能；固体摩擦系数高高，散热性性差，适用用于特殊的的场合，如高温、高高压，极低低温、真空空、强辐射射、不容易给油或不不允许有污污染的场合合。1、润滑剂剂种类的选选择2、润滑滑剂牌号的的选择工作载荷润滑油的粘粘度越大，，油膜承载载能力就越越高！故载荷荷大，应选选用粘度大大，油性好好的润滑油。受冲击击振动或往往复运动的的零件，因因不易形成液体油膜膜，要选择择粘度大的的润滑油或或针入度小的润滑脂脂，或者用用固体润滑滑剂。润滑剂的种种类确定好好以后，牌牌号的选用用可以从以以下几个方方面考虑：：工作速度低速不易形形成动压油油膜，宜选选用粘度大大的润滑油，，或润滑脂脂，高速时时，为了减减少功率损失，宜选选用粘度小小的润滑油油或针入度度大的润滑脂。工作温度低温时，应应选用粘度度小凝点低低的润滑油油，高温时，宜选选用粘度大大、闪点高高、抗氧化化性好的润润滑。工作温度变变化大的场场合，应选选用粘温特特性好的润润滑油。表面面粗粗糙糙度度和和间间隙隙表面面粗粗糙糙度度大大和和间间隙隙大大，，要要求求用用粘粘度度大的的润润滑滑油油或或针针入入度度小小的的润润滑滑脂脂。。表表面面粗粗糙糙度度小小和和间间隙小小，，要要求求用用粘粘度度小小的的润润滑滑油油或或针针入入度度大大的的润润滑滑脂脂。。结构构特特点点及及环环境境条条件件当被被润润滑滑零零件件为为垂垂直直润润滑滑面面的的开开式齿齿轮轮、、链链条条等等，，应应采采用用高高黏黏度度的的润润滑滑油油或或锥锥入入度度小小的的润滑滑脂脂，，以以保保持持较较好好的的附附着着性性。。在在多多尘尘、、潮潮湿湿环环境境下下，，宜采采用用抗抗水水性性好好的的钙钙基基、、锂锂基基润润滑滑脂脂。。在在强强酸酸碱碱化化学学介介质环环境境或或真真空空、、辐辐射射等等特特殊殊条条件件下下，，常常用用固固体体润润滑滑剂剂。。四、、润润滑滑油油和和润润滑滑脂脂中中的的中中添添加加剂剂普通通润润滑滑油油和和润润滑滑脂脂在在一一些些十十分分恶恶劣劣的的工工作作条条件件下下（（如如高高温温、、低低温温、、重重载载、、真真空空等等））会会很很快快劣劣化化变变质质，，失失去去工工作作能能力力。。为为了了提提高高它它们们的的品品质质和和使使用用性性能能，，常常加加入入某某些些分分量量很很小小（（从从百百分分之之几几到到百百万万分分之之几几））但但对对其其使使用用性性能能的的改改善善起起巨巨大大作作用用的的物物质质，，这这些些物物质质称称为为添加加剂剂。添添加加剂剂的的种种类类很很多多，，起起到到的的作作用用也也各各不不相相同同。。抗氧氧化化添添加加剂剂（如如二二烷烷基基代代磷磷酸酸盐盐等等））可可抑抑制制润润滑滑油油氧化化变变质质；；降凝凝添添加加剂剂（如如烷烷基基萘萘等等））可可降降低低油油的的凝凝点点；；油性性添添加加剂剂（如如硬硬脂脂酸酸铝铝、、磷磷酸酸三三乙乙酯酯等等））可可提提高高油性性；；极压压添添加加剂剂（又又称称EP添加加剂剂，，如如二二苯苯化化二二硫硫、、二二锌锌二二硫化化磷磷酸酸锌锌等等））可可以以在在金金属属表表面面形形成成一一层层保护护膜膜，，以以减减轻轻磨磨损损；；清净净分分散散添添加加剂剂（如如烷烷基基酚酚盐盐、、丁丁二二酰酰亚亚胺胺等等））可使使油油中中的的胶胶状状物物分分散散和和悬悬浮浮，，以以防防止止堵堵塞油油路路和和减减少少因因沉沉积积而而造造成成的的剧剧烈烈磨磨损损。。第六六节节润润滑滑状状态态（a））液液体体润润滑滑（b））边边界界润润滑滑（c））混混合合润润滑滑（d））干干摩摩擦擦（a）液体润滑（b）边界润滑（c）混合润滑（d）干摩擦一、、液