北交大机械设计教案04摩擦、磨损及润滑概念

摩擦和润滑作为一种自然现象，不仅在机械设备中而且在人们的生活中也广泛存在着(机器的寿命、人造关节)，过去仅从力学角度研究摩擦现象，而对摩擦的结果带来的危害估计不足，据统计：

世界上约有l/3～l/2的能源，以各种形式消耗于摩擦中；

摩擦又带来两物体摩擦接触表面的磨损，磨损使机器零件失去工作能力而失效，约占总失效的30%。

实践证明润滑是减少摩擦的重要手段，随着科学技术的发展，人们把研究有关摩擦及润滑的科学技术统称为摩擦学。

摩擦学的定义是：研究相对运动中相互作用着表面的科学、技术及有关实践的知识，它与数学、物理、化学、材料、工艺、工程实践有关，它是一门发展很快的新兴边缘应用学科。

由于运用现有的摩擦学知识，去解决机器设备中的问题可以取得显著的经济效益，据英、美、日等国摩擦学应用调查，应用现有的摩擦学知识和技术每年可获得的经济效益，占国民经济总产值的2％以上(日本7％，西德5％，英2．5％，美2％)。我国到1999年总产值83190亿元，按1.2％计算可获998亿元的效益，同时摩擦学问题大量存在于机器设备中，而机器设备向高精度、高寿命、高速、大功率方向发展，要求生产的连续性，自动化程度、可靠性程度不断提高，为解决好机器设备的摩擦学问题创造了摩擦学设计，即应用摩擦理论及实践去解决好机器的设计、制造和运行维护等问题。

国外对有关摩擦学知识的教育、培训和科学研究是普遍的，我国1979年成立摩擦学会，进行摩擦学工业应用的调查研究，各大专院校开设了摩擦学课程，成立了摩擦研究机构，专门从事摩擦、磨损机理、零部件材料、加工工艺、测试技术、机器工况监控等方面的研究。

在铁路系统开展摩擦学方面的研究具有重要的意义；铁路运输部门的特点之一就是铁路运输的功率主要消耗在克服摩擦阻力上(机车动力消耗在轮轨摩擦、缸套、活塞、轴承等的摩擦上)，而维修费用的主要部分用于修理磨损的零件上，所以在铁路系统开展摩擦学方面的研究，对节约能源、降低原材料消耗、对促进铁路运输事业的发展具有重大意义。

一、摩擦的类型

摩擦的定义：在外力的作用下两个物体相互接触，当有相对运动或相对运动趋势时，接触表面上产生阻碍滑动的阻力。

摩擦包括动摩擦(运动)和静摩擦。

根据相对运动形式：动摩擦又包括滑动摩擦(滑动轴承、带)和滚动摩擦(滚动轴承、凸轮、齿轮)

滑动摩擦根据摩擦状态分为：

◆干摩擦：摩擦表面间无边界膜，无润滑剂，金属直接接触f=0.3～1.5

◆边界摩擦：摩擦表面间有边界膜f=0.1～0.5

◆混合摩擦：部分被液体隔开，部分金属直接接触f=0.01～0.1

◆液体摩擦：完全被液体隔开，靠油膜承受载荷f＝0.001～0.01二、干摩擦1.干摩擦机理

目前有机械啮合理论、粘着理论、分子机械理论和能量理论。

(l)机械啮合理论

18世纪提出的摩擦公式：F＝f×Fn，公式简单，应用性强，除液体摩擦外均运用此式。但上式只能运用于粗糙面的摩擦，不能解释光滑表面的摩擦。

(2)分子--机械理论

该理论认为：两物体之间的摩擦是由两种因素构成，即摩擦面实际接触区内的粘着作用和表面不平度凸峰的犁刨作用。

其数学表达式：

F＝Fa十Fm＝f×Fn

Fa＝fa×Fn--摩擦力的粘着分量

Fm＝fm×Fn--摩擦力的机械分量2.影响摩擦系数的因素

(1)配偶材料的性质相同的金属或互溶性大的金属组成摩擦副，易发生粘着现象，故fa↑，f↑;

(2)相接触的物体表面间受到污染或氧化而形成表面膜，一则可降低两材料分子间的吸引力，使Fa↓，二则这种表面膜的剪切强度低，降低Fm。

(3)温度周围介质温度对f的影响一般情况下不考虑，设计时注意高温度使油膜破裂，材料回火，熔软粘着。

(4)相对滑动速度V＜30m／s时，对f影响不大，V＞30m／s时，V↑，t↑，fm↓，f↑。三、边界摩擦

摩擦过程就带来了表面材料的丧失和转移，这就形成磨损。

磨损可造成零件的失效，它带来的危害：

1．影响机器的质量，例如，齿轮齿面的磨损，破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。

2．降低了机器的效率，例如柴油机缸套的磨损，导致功率不能充分发挥。

3．减少了机器的可靠性，例如断齿，钢轨磨损。

更换磨损失效的零件就造成原材料、工时、人力、物力的浪费，为此设计时必须考虑如何避免和减轻磨损。磨损过程

一般机器的磨损过程分为三个阶段,见下图

1．跑合磨损

一个零件加工后，由于表面存在不平度，在运动初期接触面积小，接触应力大，所以磨损速度快，如果设计合理，润滑良好，随着跑合的进行磨损速度趋向稳定。

跑合时注意：

(l)由轻至重缓慢加载，由低速到高速。

(2)润滑油保持清洁，防止污染。

跑合后润油滑应更换，或过滤后再用。

若压强过大，速度过高，润滑不良时，跑合时间很短，并立即进入剧烈磨损阶段，使零件很快报废。

2．稳定磨损阶段

磨损以平稳而缓慢的速度进行，标志磨损条件保持相对稳定，这是零件整个寿命范围内的工作过程。

例如：机车柴油机缸套一个架期一换。齿轮寿命，轴承寿命。

3．剧烈磨损阶段

经过稳定磨损阶段，零件表面失效或运动副间隙增大，使正常工作条件破坏，引起动载荷出现冲击振动，温升加大，磨损速度加快。

做为设计人员应尽可能缩短跑合磨损，延长稳定磨损阶段，推迟剧烈磨损阶段的到来。

磨损的分类

按照磨损机理来分：

1．粘着磨损：当摩擦表面的微凸体在相互作用的各处发生“冷焊”后，在相对滑动时，材料从一个表面转移到另一个表面，便形成粘着磨损。

影响粘着磨损的因素：

(1)同类的摩擦副材料比异类材料容易粘着；

(2)脆性材料比塑性材料抗粘着能力高；

(3)在一定范围内，零件的表面粗糙度值越小，抗粘着能力也越强。

2．磨料磨损

从外部进入摩擦面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰尖，在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹，被犁刨的材料一部分流动到沟纹的两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微切削过程叫磨料磨损，影响这种磨损的因素有以下几个方面：

(1)一般情况下，材料的硬度越高，耐磨性越好

(2)一般金属的磨损量随磨损磨粒平均尺寸的增加而增大

(3)磨损量随着磨粒硬度的增大而加大

3．疲劳磨损(也叫疲劳点蚀或点蚀)

当作流动或流一滑运动的高副，受到反复作用的接触应力时，如果该应力超过材料相应的接触疲劳强度，就会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的发展与相互连接，就造成许多微粒从零件工作表面上脱落下来，致使表面上出现许多月牙形沟，这就是疲劳磨损也叫疲劳点蚀简称点蚀。

影响疲劳磨损的因素有：

(1)零件表面的硬度越高，产生疲劳裂纹的危险性越小；

(2)当表面粗糙度值较大时，适当减少表面粗糙度时，对零件的疲劳寿命有显著的改善，但超过一定界限后，影响就不明显了；

(3)高粘度的润滑油能在接触区起到均化接触应力的作用，从而提高抗疲劳磨损的能力，如果油的粘度过低，则易于挤压疲劳裂纹，然后在封闭的裂缝中受高压，而促进疲劳裂纹的扩展，从这一点说，油的粘度高时较有利于提高疲劳寿命。

4．冲蚀磨损

当一束含有硬质微粒的液体冲击到固体表面时，就会造成冲蚀磨损。

影响因素：磨粒与固体表面的摩擦系数、磨粒的冲击速度以及磨粒的冲击速度方向同固体表面所夹的冲击角。

5．腐蚀磨损

摩擦副受到空气中的酸或润滑油燃油中有的少量无机酸(如硫酸)及水份的化学作用或电化学作用，在相对运动中造成表面材料的损失叫腐蚀磨损。

影响腐蚀磨损的主要因素：

除了零件所接触的特殊介质(如酸、碱、盐)外，还有零件表面的氧化膜性质和环境的湿度。

实际上大多数的磨损是以上五种基本磨损形成的复合形式出现的，在各种复合形式中存在一种较重要的形式--微动磨损。

微动磨损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面，这种相对滑动是在循环应力或振动条件下，由于两个接触面产生的差异而引起的，在这种情况下，相对滑动的振幅非常小，一般为微米的量级，这时由于接触面上的正压力较大，而相对滑动的振幅较小，使接触面产生氧化磨损微粒，难于从接触部位排除，即发生微动磨损。实验表明，影响微动磨损的因素主要是配偶材料的组合，同类材料相接触要比异类材料相接触时磨损情况严重的多。

一、润滑的作用及润滑剂的分类

润滑的作用是减少摩擦，以达到节约能源，降低材料消耗的目的。除此而外还具有以下作用：

采用循环润滑油时还能散热降温，润滑油膜具有缓和冲击振动的作用，采用润滑脂具有密封作用。

润滑剂的分类

●液体润滑剂：油、水、液态金属

●气体润滑剂：空气

●半固体润滑剂：润滑脂

●固体润滑剂：二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯。高速高温或低温时采用。二、润滑油及其主要指标

1、润滑油的分类

有机油：动、植物油，含有硬脂酸稳定性差，来源不足。

化学合成油：针对特定需要配制

矿物油：来源充足，稳定性好，应用广

机械

油：机床、一般机械用

高速机油：电机、纺织机械

汽油机油：发动机

汽缸

油：发动机

2、润滑油的主要质量指标

（1）粘度：流体抵抗变形的能力

动力粘度η：两平行板之间充满一定粘度的润滑油，并具有层流性质如图所示：

B板静止不动，对A板施以F力,使A板以V=1M/s速度移动,由于对油的吸附力，在各油层的界面上产生剪切应力：

上式为1687年牛顿提出的粘性定律：任意点的剪切应力与速度梯度成正比

式中η--比例常数又称为动力粘度

NS/M2

PaS

1PaS=10P(泊)=1000cP（厘泊）

1dynS/cm2=1泊=100cP

运动粘度ν：是流体η/ρ比值称为运动粘度

1mm2/s=1cSt=10-6M2/S

1St=1cm2/S=10-4M2/S

原国标GB443--64规定润滑油是按50℃时，运动粘度中心值划分油的牌号。例如：机械零件手册中标出：30#

40#

45#

。

新国标GB443--84规定润滑油是按40℃时，运动粘度中心值划分油的牌号。

滑动轴承设计中，所用换算关系：

η(PaS)=ν(M2/s)×ρ（kg/M3）=10-6ν(cSt)×ρ(kg/M3)

条件粘度：相对粘度,以E作为粘度单位

200ml润滑油在50℃或100℃时，流过恩氏粘度计的时间与200ml蒸馏水在20℃时,流过恩氏粘度计的时间之比称为条件粘度。

粘温特性：t↑

→η↓；.

粘压特性：P＜100MPa时，不考虑ρ的变化；

P＞20MPa时,考虑压力对粘度的影响。

（2）闪点标志润滑油的易燃性指标

在标准容器中加热，润滑油蒸汽迂火发出闪光的最低温度称为润滑油的闪点

例如汽油机的闪点为180--2000C

（3）凝固点

衡量其低温性能

在规定条件下，油不能自由流动时所达到最底温度

（4）油性和极压性

润滑油在金属工作表面形成边界膜的能力

（5）氧化稳定性

在高温下油氧化并生成磷、氯、硫的酸性化合物--胶状沉积物即腐蚀金属又加剧磨损

3、润滑油的选用

纺织机械、高速轻负荷机械、中小型电机

L-AN15

、

L-AN32

普通机床、减速箱、

L-AN46

大型机床

L-AN68

铸造机械

L-AN150三、润滑脂

润滑脂是润滑油与稠化剂的膏状混合物。

润滑脂的类型：

1、钙基润滑脂：ZG-2抗水性好，耐热性差，用于65℃以下场合；

2、钠基润滑脂：ZN-2耐热性好，工作温度可达标120℃抗水性差；

3、锂基润滑脂：ZL-1抗水性好，耐高温可达145℃机械安全性好，航空机械用；

4、铝基润滑脂：抗水性好，对金属表面有高的吸附能力有防锈作用；

5、钙纳基润滑脂：ZGN-1-2机车车辆用。

润滑脂的主要指标：

1、针入度：于25℃恒温下，将总重为1.5G的标准锥体置于润滑脂表面上，5S后刺人的深度称为针入度；

针入度↓承载能力↑密封性好

2、滴点：在规定的加热条件下，从标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度。

滴点标志润滑脂的耐热性能。四、添加剂

为提高润滑剂的某方面独特性能需加入添加剂