《机械设计》-第二章摩擦、磨损及润滑基础知识

第一节概述所有机械的运转都是依赖其零部件的相对运动来实现。有相对运动就必然产生摩擦和磨损，其结果是造成机器的能耗增大、效率降低、配合间隙增大、运动精度降低、零件的寿命缩短。适当的润滑是改善表面摩擦状态、减缓磨损最有效的方法。摩擦学(Tribology)是有关摩擦、磨损和润滑科学的总称。摩擦是造成能量损失的主要原因，据估计，目前全世界上的能源大约有1/3一1/2是消耗在各种形式的摩擦过程中。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。据美国1977年的估计，磨损造成的损失相当于国民经济总产值的12%，大约为2000亿美元。在机械设计中，正确解决摩擦、磨损和润滑问题非常重要。下一页返回第一节概述摩擦学是以力学、流变学、表面物理和表面化学等学科为主要理论基础，综合材料科学、工程热物理等学科，以数值计算和表面技术为手段的边缘学科，这一学科已为各国普遍接受，为机械设计引入了新的概念和新的方法。随着机械向着高速、重载、大功率、真空、辐射、自动化的方向发展，工作条件更加苛刻，对精度、寿命、节能、环保和可靠性的要求越来越高，因此，减小摩擦和磨损，加强润滑的问题就越加重要。上一页返回第二节表面性质及表面接触一、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。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，但从微观上看，实际表面为三维的空间曲面，如图2一1所示，表面形貌就是金属表面几何特征的详细图形。表面形貌中的3个主要参量(图2-2);(1)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。(2)表面波度。指较大空间内周期性出现的不规则性波动。往往是由机床刀具或工件振动造成的。(3)形状误差。指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，通常不考虑。下一页返回第二节表面性质及表面接触从摩擦学观点讲，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。在取样的长度L内，被测表面实际轮廓上各点至轮廓中线距离绝对值的平均值即为轮廓算术平均偏差Ra(图2一3)。2.表面组成除了表面形貌影响金属表面接触时的摩擦学性质外，表面组成也是一个很重要的影响因素。金属表面的组成指表层结构和其物理化学机械性质。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2-4所示。上一页下一页返回第二节表面性质及表面接触金属基体之上是变形层，它是材料的加工强化层，总厚度为数十微米，由轻变形层逐渐向外过渡到重变形层。重变形层之上是贝氏层，它是由于切削加工中表层熔化、流动，随后骤冷而形成的非晶或微晶质层，再往外是氧化层，它是由于表面与大气接触经化学作用而形成的，它的组织结构与氧化的程度有关。最外层是环境中气体或液体极性分子与表面形成的吸附膜或污染膜。由此可知:金属表层的组织结构随着材料及加工工艺条件而变化，表层的物理化学机械性质不同于基体性质。研究这种性质，对研究金属表面接触时的摩擦学很重要。表面性质也能影响润滑的性能，吸附效应对于边界润滑和干摩擦状态都十分重要。表面氧化膜对摩擦磨损的影响与氧化膜的强度有关，通常薄的氧化膜强度高，可以防止粘着的发生。上一页下一页返回第二节表面性质及表面接触二、表面接触当研究两金属表面的摩擦磨损过程时，首先遇到的问题是它们之间的接触状况。如上所述，一般经过机械加工的金属表面，不可能绝对光滑，都有一定的粗糙度和波度。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在接触，如图2一5所示。金属表面的微凸体形状、大小和分布极不规律，使得表面接触现象十分复杂。因此，对于金属表面的摩擦磨损问题，至今也没有一个理想可靠的计算方法。现有的计算方法多是以一些条件性的假设为前提推导出来的，近似程度也不是很理想。尽管如此，下面一些结论还是肯定的:(1)金属表面的实际接触面积非常小，通常只是名义面积(图2-5中aXb)的1%~0.01%，视载荷的大小和表面的粗糙程度而定。上一页下一页返回第二节表面性质及表面接触(2)表面微凸体大小、高度不等，接触时一部分处于弹性变形状态，一部分处于塑性变形状态，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，大多数接触表面都存在着大量的塑性变形微凸体。(3)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，而各接触点因弹性和塑性变形而使接触面积的增加则是次要的。上一页返回第三节摩擦在外力作用下，相互接触的两个物体做相对运动或有相对运动的趋势时，其接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一现象叫做摩擦，这时所产生的阻力叫做摩擦力。摩擦具有双重性。虽然摩擦消耗能量，产生磨损，但也可以利用摩擦来做有益的工作，如带传动、摩擦轮传动和摩擦制动器等。摩擦可分为两大类:一类是发生在物质内部，阻碍分子间相对运动的内摩擦;另一类是在物体接触表面上产生的阻碍其相对运动的外摩擦。对于外摩擦，根据摩擦副的运动状态，可将其分为静摩擦和动摩擦;根据摩擦副的运动形式，可将其分为滑动摩擦和滚动摩擦;根据摩擦副的表面摩擦状态(或称润滑状态)，又可将其分为干摩擦、边界摩擦(边界润滑)、液体摩擦(液体润滑)和混合摩擦(混合润滑)。下一页返回第三节摩擦一、干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。在工程实际中，真正的干摩擦是不存在的，因为任何零件的表面不仅会因为氧化而形成氧化膜，而且多少也会被含有润滑剂分子的气体所湿润或受到“油污”。在机械设计中，通常将两接触表面没有人为引入润滑剂的摩擦当作干摩擦。干摩擦时，摩擦阻力最大，金属间的摩擦系数f约为0.15~1.5。干摩擦常用库仑定律(也叫古典摩擦理论)来表达摩擦力F、法向力FN和摩擦系数f之间的关系。该定律认为:摩擦力的大小与法向力成正比，而与接触面积无关;摩擦力的方向总是与接触表面相对运动速度的方向相反;摩擦力的大小与接触面间的相对滑动速度无关;静摩擦力大于动摩擦力。用公式表达为上一页下一页返回第三节摩擦鉴于古典摩擦理论的局限性，人们进一步研究有关摩擦的机理，并先后形成了以下几种干摩擦理论:1.机械啮合理论机械啮合理论认为摩擦起源于表面粗糙度，摩擦力是表面微凸体机械啮合力的总和。滑动摩擦中能量损耗于微凸体的相互啮合、碰撞以及弹性变形。它能够解释在一般条件下，随着表面粗糙度的增大，摩擦系数也增大的原因，但它不能解释超精加工表面的摩擦系数反而剧增的现象。因此，机械啮合作用并非产生摩擦力的唯一因素。2.分子作用理论分子作用理论认为分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的起因，摩擦力是由摩擦表面分子间的相互吸弓l力组成的。根据分子作用理论可以解释为什么当接触表面光滑时，摩擦力反而会很大。显然这一结论不能解释除重载荷之外的工作条件下的摩擦现象。上一页下一页返回第三节摩擦3.粘着摩擦理论粘着摩擦理论是以粘着理论为中心的摩擦理论。最初的简单粘着理论认为:①摩擦表面处于塑性接触的状态;②滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程;③摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。在简单粘着理论中，摩擦系数厂的表达式则为4.分子一机械理论(摩擦二项式定律)分子一机械理论(摩擦二项式定律)认为滑动摩擦是克服表面微凸体的机械啮合和分子吸弓}力的过程，因而摩擦力就是接触面积上的分子和机械作用所产生的阻力总和。其摩擦系数的表达式为上一页下一页返回第三节摩擦二、边界摩擦(边界润滑)边界摩擦是指两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质与液体的豁度无关，只与边界膜和表面的吸附性质有关。润滑油中的脂肪酸是一种极性化合物，它的极性分子能牢固地吸附在金属表面上。单分子边界膜吸附在金属表面上的模型见图2-6(a)，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，其模型见图2-6(b)。多层分子边界膜吸附在金属表面上的模型如图2-7所示。分子层离金属表面越远，吸附能力就越弱，剪切强度也就越低。远到若干层以后，就不再受约束。因此，摩擦系数将随着层数的增加而下降。边界膜极薄，润滑油中的一个分子长度平均约为0.002μm,即使有10层，其厚度也仅为0.02μm。金属表面粗糙度的微凸体一般都超过边界膜的厚度，所以，边界润滑不能避免金属间的直接接触，这时仍有较小的摩擦力产生，其摩擦系数约为0.1。上一页下一页返回第三节摩擦三、液体摩擦(液体润滑)当摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面完全隔开，即形成了完全的液体摩擦。这时，润滑剂中的分子已大都不受金属表面吸附作用的支配而自由移动，摩擦只发生在液体内部的分子之间，所以摩擦系数极小，f约为0.001~0.008，而且不会产生粘着磨损，是理想的摩擦状态。四、混合摩擦(混合润滑)当摩擦表面间处于边界摩擦和液体摩擦的混合状态时，称为混合摩擦。在一定条件下，混合摩擦能有效地降低摩擦阻力，其摩擦系数要比边界摩擦时小得多，f约为0.01~0.08，但因仍有金属的直接接触，所以不可避免地仍有磨损存在。上一页返回第四节磨损一、一般磨损的过程试验结果表明，机械零件的一般磨损过程大致分为3个阶段(图2一8)。1.跑合阶段新的摩擦副表面较粗糙，在10%一50%的额定载荷下进行试运转，使摩擦表面的微凸体被磨平，实际接触面积逐步增大，压强减小，磨损速度在跑合开始阶段很快，然后减慢。跑合阶段对新的机械是十分必要的。2.稳定磨损阶段经过跑合，摩擦表面逐步被磨平，微观几何形状发生改变，建立了弹性接触的条件，进入稳定磨损阶段，零件的磨损速度减慢，它表征零件正常工作寿命的长短。下一页返回第四节磨损3.急剧磨损阶段经过长时间的稳定磨损阶段，积累了较大的磨损量，零件开始失去原来的运动轨迹，磨损速度急剧增加，间隙加大，精度降低，效率减小，出现异常的噪声和振动，最后导致零件失效。二、磨损的分类机械零件的磨损，按磨损机理主要分为以下4种。1.粘着磨损由于两摩擦表面间产生粘着现象而使材料由一个表面转移到另一个表面而造成的磨损称为粘着磨损。这种被迁移的材料，由于相互摩擦，有时也会又附到原先的表面上，出现逆迁移，或者脱离所豁附的表面而成为游离颗粒。上一页下一页返回第四节磨损由于摩擦表面的不平，实际是微凸体之间的接触，在一定载荷和相对滑动的作用下，接触点发生塑性变形和剪切，摩擦表面温度升高，使其表面膜破裂，严重时表层金属局部会熔化而发生粘着或胶合。根据粘着程度的不同，粘着磨损可分为轻微磨损、涂抹、擦伤、胶合和咬死。(1)轻微磨损。结点抗剪切强度很低，在材料的表层界面上发生剪切破坏，材料的转移极为轻微。(2)涂抹。剪切发生在软金属表层，被剪切的软金属表层以涂抹的方式转移到较硬的金属表面上。(3)擦伤。剪切发生在软金属表层以下较浅的部分，破坏方式为沿滑动方向产生细小的划痕，有时硬金属表面也有可能擦伤。上一页下一页返回第四节磨损(4)胶合。剪切发生在摩擦表面的双方或一方基体较深处。这是由于表面局部温度较高，压力很大，油膜破裂，从而使金属发生熔焊，而结点的抗剪切强度比基体的高，相对滑动时，表面就“撕裂”和“脱落”并迅速转移。这是一种危害很大的磨损。在高速、重载的机器中，由于摩擦表面发热量大，温度升高，润滑油的豁度降低，破坏了正常的润滑而发生的胶合称为热胶合。在低速、重载的情况下，由于摩擦表面不易形成润滑油膜而发生的胶合称为冷胶合。胶合是重载摩擦副中常见的失效形式。(5)咬死。由于摩擦副表面瞬时温度很高，粘着区域较大，黏结点的抗剪切强度也比较高，黏结点不能从基体上剪切掉，以致造成相对运动中止的现象，称为咬死。咬死是胶合磨损最严重的表现形式。上一页下一页返回第四节磨损2.磨粒磨损两接触表面受外界硬质颗粒的作用或粗糙硬表面把软表面擦伤而引起的表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。磨粒磨损属于磨粒的机械作用，这种机械作用在很大程度上与磨粒的硬度、大小和形状以及载荷的作用下磨粒与被磨损面的机械性能有关。实验表明，当金属表面的硬度比磨粒的硬度大30%以上时，磨粒磨损量就非常小。3.表面疲劳磨损两摩擦表面受交变接触应力的作用而形成疲劳裂纹或剥落出微片和颗粒而逐步破坏的磨损称为表面疲劳磨损。其特征是在开始破坏阶段表面上出现一个个小小的麻坑，故又称这种磨损为点蚀。齿轮和滚动轴承的主要磨损形式就是表面疲劳磨损。上一页下一页返回第四节磨损4.腐蚀磨损摩擦表面在磨损过程中物体表面和周围介质发生化学和电化学作用，造成表面材料的损失称为腐蚀磨损。腐蚀磨损是一种机械化学磨损，单纯的腐蚀不属于磨损范畴，只有当腐蚀和摩擦过程相结合时，才能形成腐蚀磨损。常见的腐蚀磨损有两类:一类是氧化磨损，另一类是腐蚀介质磨损。氧化磨损是最常见的一种腐蚀磨损。除了金、铂等少数金属外，绝大多数金属均能与大气中的氧很快形成一层氧化膜，这层氧化膜一旦被磨去，露出的金属表面又会很快生成新的氧化膜。脆性氧化膜易磨损，如氧化铁膜，磨损很快;韧性氧化膜不易磨损，如氧化铝膜。上一页下一页返回第四节磨损三、减少磨损的措施减少磨损可通过采取以下措施来实现:1.根据摩擦副磨损的类型，正确选用摩擦副的材料在以粘着磨损为主的情况下，摩擦副的选材要考虑以下几点:(1)塑性材料比脆性材料更易产生粘着磨损。(2)互溶性大的材料所组成的摩擦副(即相同金属或晶格类型、晶格间距、电子密度、电子化学性能相近的金属)粘着倾向大，互溶性小的材料所组成的摩擦副粘着倾向小。(3)金属与非金属所组成的摩擦副比同时用金属所组成的摩擦副粘着倾向小。上一页下一页返回第四节磨损2.选用合适的润滑剂和润滑方法减少摩擦磨损最有效的办法就是在摩擦副区采用液体润滑。一般来说，润滑状态对磨损有很大的影响，边界润滑的磨损值大于液体动压润滑，而液体动压润滑的磨损值又大于液体静压润滑。在润滑油和润滑脂中有针对性地加入某些添加剂，可成倍地提高抗磨损的能力。3.表面处理采用表面耐磨处理，提高机械零件的加工精度和表面质量，可以改善零件表面的耐磨性。如表面热处理、表面化学处理、表面电镀、表面喷涂、气相沉积和离子注入等。上一页下一页返回第四节磨损4.在结构设计中考虑耐磨问题在结构设计时，应考虑有利于在摩擦表面上形成和保持润滑油膜或保护膜、零件受力的合理分布、摩擦热的散逸、磨损物的排出和防止外界磨粒的侵入等问题。在零件的使用过程中还可以采用转移法，让磨损主要发生在摩擦副中价格低廉并易于更换的零件上，以保护与之配对的重要零件。如支承内燃机曲轴的轴承，采用软金属为衬面的轴瓦，以其本身易于磨损来保护较昂贵的曲轴。5.正确的使用和保养改善机械的工作条件，正确地使用和维护机械。机械的使用寿命与正确的使用和精心的维护关系极大。同样的设备，使用维护的不同，其大修时间或者其寿命可以相差几倍或十几倍。上一页返回第五节润滑剂一、润滑剂的分类润滑剂可分为固体(石墨、二硫化钥、尼龙等)、半固体(各种润滑脂)、液体(各种润滑油、水、液态金属等)和气体(空气、氦气、氮气等)等四类。二、润滑剂的主要质量指标在机械设计中，最常用的润滑剂是润滑油和润滑脂。1.润滑油的主要质量指标(1)黏度。黏度是指润滑油抵抗剪切变形的能力，它标志着油液内部产生相对运动时内摩擦阻力的大小。黏度越大，内摩擦阻力也越大，流动性也就越差。黏度是润滑油最重要的指标，也是选择润滑油的主要依据。下一页返回第五节润滑剂在图2一9中，流体将两平行板隔开，设上平板以速度U向右移动，下平板固定不动。黏附于上平板的流体运动速度与上平板相同，黏附于下平板的流体速度为0，中间流体做层流运动并按线性分布。由于豁性，相邻两流层间产生的内摩擦力为F内。根据牛顿豁性流体内摩擦定律，内摩擦力F内与两流层间的接触面积S及相对速度du成正比，而与两流层间的距离dz成反比，即豁度不同，流体流动时的内摩擦阻力也不同。而符合上述线性分布的流体，黏度η≠0,称为牛顿流体。常用润滑油的牌号、运动豁度、闪点和主要用途见表2一1.上一页下一页返回第五节润滑剂图2一10给出了全损耗系统用油几种常用的牌号在不同温度下的豁度一温度曲线。(2)油性。油性是指润滑油中极性分子湿润或吸附于摩擦表面形成边界油膜，以减小摩擦和磨损的性能。它是影响边界润滑性能好坏的重要指标，吸附能力越强，油性越好。(3)闪点和燃点。润滑油蒸气在遇到火焰时能发出闪光(闪烁)时的最低温度称为闪点。闪烁持续5s以上的最低温度称为燃点。它是衡量润滑油易燃性的一个重要指标，对于高温下工作的机械，应选择闪点比工作温度高30℃一40℃的润滑油。(4)凝点。润滑油冷却到完全失去流动性时的温度称为凝点。它是润滑油低温工作特性的一个重要指标，低温工作时应选择凝点低的润滑油。上一页下一页返回第五节润滑剂2.润滑脂的主要质量指标润滑脂是润滑油与稠化剂的混合物，常用的稠化剂是金属皂，如钙基皂、钠基皂和锉基皂。润滑脂的主要质量指标有:(1)锥入度。用一个质量为25N的标准锥体，在25℃恒温下，从润滑脂表面自由下沉，经过5s后所到达的深度即为锥入度(以0.1mm计)。它是表征润滑脂稀稠程度的指标，锥入度越大，润滑脂就越稀。(2)滴点。在规定的加热条件下，润滑脂从标准量杯的孔口滴下第1滴时的温度。它是表征润滑脂耐高温的能力。润滑脂的工作温度至少应低于滴点200C。润滑脂对载荷和速度的变化有较大的适应范围，受温度的影响不大，但摩擦损耗较大，机械效率较低，故不宜用于高速。常用润滑脂的牌号、性能指标和主要用途见表2一2。上一页下一页返回第五节润滑剂三、润滑剂的选用润滑剂的种类牌号繁多，使用时应根据机械的工作条件、工作温度、周围环境以及润滑部位和方式等因素来合理选择。1.润滑剂种类的选择(1)润滑油。润滑及散热效果好，大多数情况下使用油润滑。(2)润滑脂。易保持在润滑部位，润滑系统简单，密封性能好，适用于不易加油或低速重载的场合。(3)气体。黏度极低，摩擦系数小，适用于高速轻载的场合，如磨床高速磨头。(4)水。常用于橡胶、塑料等零件中，本身就有自润滑功能。(5)固体。摩擦系数高，散热性差，适用于特殊的场合，如高温、高压、极低温、真空、强辐射、不容易给油或不允许有污染的场合，如直接与食品接触的零件的润滑。上一页下一页返回第五节润滑剂2.润滑剂牌号的选择润滑剂的种类确定好以后，牌号的选用可以从以下几个方面考虑:(1)工作载荷。润滑油的豁度越大，油膜承载能力就越高。故载荷大，应选用豁度大、油性好的润滑油。受冲击振动或往复运动的零件，因不易形成液体油膜，要选择豁度大的润滑油，或锥入度小的润滑脂，或用固体润滑剂。(2)工作速度。低速不易形成动压油膜，宜选用豁度大的润滑油，或锥入度小的润滑脂。高速时，为了减少功率损失，宜选用豁度小的润滑油，或锥入度大的润滑脂。(3)工作温度。低温时，应选用豁度小凝点低的润滑油或锥入度大的润滑脂。高温时，宜选用豁度大、闪点高、抗氧化性好的润滑油或锥入度小的润滑脂。工作温度变化大的场合，应选用豁温特性好的润滑油。在极低温下工作，当采用抗凝剂也不能满足要求时，应选用固体润滑剂。上一页下一页返回第五节润滑剂(4)表面粗糙度和间隙。表面粗糙度大和间隙大，要求用豁度大的润滑油或锥入度小的润滑脂。表面粗糙度小和间隙小，要选用豁度小的润滑油或锥入度大的润滑脂。(5)结构特点及环境条件。当被润滑零件为垂直润滑面的开式齿轮、链条等时，应采用高豁度的润滑油或锥入度小的润滑脂，以保持较好的附着性。在多尘、潮湿环境下，宜采用抗水性好的钙基、锉基润滑脂。在强酸碱化学介质环境或真空、辐射等特殊条件下，常用固体润滑剂。四、润滑油和润滑脂中的添加剂普通润滑油和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，失去工作能力。为了提高它们的品质和使用性能，常加入某些分量很小(从百分之几到百万分之几)但对其使用性能的改善起巨大作用的物质，这些物质称为添加剂。上一页下一页返回第五节润滑剂添加剂的种类很多，起到的作用也各不相同:①加入抗氧化添加剂(如二烷基代磷酸盐等)可抑制润滑油氧化变质;②加入降凝添加剂(如烷基茶等)可降低油的凝点;③加入油性添加剂(如硬脂酸铝、磷酸三乙醋等)可提高油性;④加入极压添加剂(又称EP添加剂，如二苯化二硫、二锌二硫化磷酸锌等)可以在金属表面形成一层保护膜，以减轻磨损;⑤加入清净分散添加剂(如烷基酚盐、丁二酞亚胺等)可使油中的胶状物分散和悬浮，以防止堵塞油路和减少因沉积而造成的