第4章 摩擦、磨損及潤滑概述z-09.ppt

第四章摩擦 磨損及潤滑概述 4 1摩擦 4 2磨損 4 3潤滑劑 添加劑和潤滑方法 4 4流體潤滑原理簡介 4 0概述 摩擦是相對運動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象 磨損是由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉移 潤滑是減輕摩擦和磨損所應采取的措施 關于摩擦 磨損與潤滑的學科構成了摩擦學 Tribology 4 0概述 本章將概略介紹機械設計中有關摩擦學方面的一些基本知識 摩擦學是研究相對運動的作用表面間的摩擦 磨損和潤滑 以及三者間相互關系的理論與應用的一門邊緣學科 隨著科學技術的發(fā)展 摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀 由靜態(tài)進入動態(tài) 由定性進入定量 成為系統(tǒng)綜合研究的領域 世界上使用的能源大約有1 3 1 2消耗于摩擦 如果能夠盡力減少無用的摩擦消耗 便可大量節(jié)省能源 另外 機械產品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的 如果能控制和減少磨損 則既減少設備維修次數(shù)和費用 又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費用 4 0概述 4 1摩擦 4 1摩擦 二 摩擦的分類 內摩擦 在物質的內部發(fā)生的阻礙分子之間相對運動的現(xiàn)象 外摩擦 在相對運動或有相對運動趨勢的物體表面間發(fā)生的相互阻礙現(xiàn)象 靜摩擦 僅有相對運動趨勢時的摩擦 動摩擦 在相對運動進行中的摩擦 滑動摩擦 物體表面間的運動形式是相對滑動 滾動摩擦 物體表面間的運動形式是相對滾動 機械說 產生摩擦的原因是表面微凸體的相互阻礙作用 分子說 產生摩擦的原因是表面材料分子間的吸力作用 一 摩擦的機理 機械 分子說 兩種作用均有 1785年 法國的庫侖用機械嚙合概念解釋干摩擦 提出摩擦理論 后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學理論 1935年 英國的鮑登等人開始用材料粘附概念研究干摩擦 1945年 鮑登提出了粘附理論 4 1摩擦 三 滑動摩擦 干摩擦 是指表面間無任何潤滑劑或保護膜的純金屬接觸時的摩擦 邊界摩擦 邊界潤滑 是指摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開 摩擦性質取決于邊界膜和表面的吸附性能時的摩擦 詳細介紹 詳細介紹 4 1摩擦 混合摩擦 混合潤滑 是指摩擦表面間處于邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態(tài) 混合摩擦能有效降低摩擦阻力 其摩擦系數(shù)比邊界摩擦要小得多 流體摩擦 流體潤滑 是指摩擦表面被流體膜隔開 摩擦性質取決于流體內部分子間粘性阻力的摩擦 流體摩擦時的摩擦系數(shù)最小 且不會有磨損產生 是理想的摩擦狀態(tài) 邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區(qū)分 常統(tǒng)稱為不完全液體摩擦 隨著科學技術的發(fā)展 關于摩擦學的研究已逐漸深入到微觀研究領域 形成了微 納米摩擦學理論 引發(fā)出許多新的概念 比如提出了超潤滑的概念等 從理論上講 超潤滑是實現(xiàn)摩擦系數(shù)為零的摩擦狀態(tài) 但在實際研究中 一般認為摩擦系數(shù)在0 001量級 或更低 的摩擦狀態(tài)即可認為屬于超潤滑 關于這方面的研究也是目前微 納米摩擦學研究的一個重要方面 同學們應對此給予關注 磨損 指運動副之間的摩擦而導致零件表面材料的逐漸喪失或遷移 磨損會影響機器的效率 降低工作的可靠性 甚至促使機器提前報廢 4 2磨損 在設計或使用機器時 應該力求縮短磨合期 延長穩(wěn)定磨損期 推遲劇烈磨損的到來 為此就必須對形成磨損的機理有所了解 一個零件的磨損過程大致可分為三個階段 即 磨合階段新的零件在開始使用時一般處于這一階段 磨損率較高 穩(wěn)定磨損階段屬于零件正常工作階段 磨損率穩(wěn)定且較低 劇烈磨損階段屬于零件即將報廢的階段 磨損率急劇升高 摩擦2 對磨損的研究開展較晚 20世紀50年代提出粘附理論后 60年代在相繼研制出各種表面分析儀器的基礎上 磨損研究才得以迅速開展 4 2磨損 詳細介紹 磨粒磨損是指外部進入摩擦面間的游離硬顆?；蛴驳妮喞寮馑鸬哪p 沖蝕磨損 包括流體磨粒磨損 流體侵蝕磨損 指流動的液體或氣體中所夾帶的硬質物體 硬質顆?；蛄黧w的沖蝕作用在摩擦表面引起的磨損 微動磨損是指摩擦副在微幅運動時 由上述各磨損機理共同形成的復合磨損 微幅運動可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對運動 粘附磨損也稱膠合 當摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點處由于瞬時的溫升和壓力發(fā)生 冷焊 后 在相對運動時 材料從一個表面遷移到另一個表面 便形成粘附磨損 疲勞磨損也稱點蝕 是指由于摩擦表面材料微體積在交變應力作用下重復變形時疲勞破壞而引起的機械磨損 零件表面出現(xiàn)月牙形淺坑 4 2磨損 關于磨損分類的見解頗不一致 如根據(jù)磨損機理來分可大體分為 腐蝕磨損也稱機械化學磨損 指由機械作用及材料與環(huán)境的化學或電化學作用共同引起的磨損 更多介紹 4 3潤滑劑 添加劑和潤滑方法 一 潤滑劑 潤滑油 4 3潤滑劑 添加劑和潤滑方法 潤滑劑的種類 氣體潤滑劑 液體潤滑劑 潤滑油 半固體潤滑劑 潤滑脂 固體潤滑劑等 種類 有機油 動植物油 礦物油 化學合成油 其中礦物油應用最多 性能指標 粘度它是潤滑油的重要性能指標 粘度值越高 油越稠 反之越稀 潤滑油的粘度隨著溫度的升高而降低 隨著壓力的升高而增大 但壓力不太高時 如小于等于20MPa 變化極微 可略而不計 粘度的種類很多 有動力粘度 常簡稱為粘度 運動粘度 條件粘度 E等 潤滑性 油性 指潤滑油中極性分子與金屬表面吸附形成邊界油膜的性能 它反映了形成邊界油膜的能力 極壓性指潤滑油中加入含硫 氯 磷的有機極性化合物后 油中極性分子在金屬表面生成抗磨 耐高壓的化學反應邊界膜的性能 閃點指油在標準儀器中加熱所蒸發(fā)出的油氣 一遇火焰即能發(fā)出閃光時的最低溫度 它是衡量油易燃性的一種指標 油的工作溫度應比其閃點低30 40 凝點潤滑油失去流動性的溫度 氧化穩(wěn)定性礦物油暴露在高溫中會發(fā)生氧化并生成硫 氯 磷的酸性化合物 這是一些膠狀沉積物 會腐蝕金屬 加劇磨損 具體說明 潤滑的目的 降低摩擦 減輕磨損 同時防銹 冷卻 緩沖 吸振等 4 3潤滑劑 添加劑和潤滑方法 潤滑劑 粘度表征液體流動的內摩擦性能 如圖所示 有兩塊平板A及B 兩板之間充滿著液體 設板B靜止不動 板A以速度 沿x軸運動 由于液體與金屬表面的吸附作用 因此板B表層的液體與板B一致而靜止不動 板A表層的液體隨板A以同樣的速度 一起運功 兩板之間液體的速度分布如圖a所示 其可看成兩板間的液體逐層發(fā)生了錯動 如圖b所示 因此層與層間存在著液體內部的摩擦切應力 根據(jù)實驗結果得到以下關系式 動力粘度 此式稱為粘性定律 牛頓液體流動定律 式中 u是油層中任一點的速度 du dy是該點的速度梯度 是比例常數(shù) 即流體的動力粘度 常簡稱為粘度 其量綱為力 時間 長度2 在國際單位制中 它的單位是N s m2 即Pa s 其厘米克秒制單位是P poise 單位名稱為泊 1P 0 1Pa s 4 3潤滑劑 添加劑和潤滑方法 運動粘度 等于動力粘度 與同溫度下該液體密度 的比值即在國際單位制中 的單位是m2 s 實用上這個單位嫌大 故常采用它的厘米克秒制單位St stoke 單位名稱為斯 或cSt 厘斯 1St 1cm2 s 100cSt 10 4m2 s國標規(guī)定采用潤滑油在40 時的運動粘度 單位為cSt或mm2 s 中心值作為其牌號 如牌號為L AN10的潤滑油 其在40 時的運動粘度中心值為10cSt 運動粘度 4 3潤滑劑 添加劑和潤滑方法 是指在一定條件下 利用某種規(guī)格的粘度計 通過測定潤滑油穿過規(guī)定孔道的時間來進行計量的粘度 條件粘度單位我國常用恩氏度 Et 美國用賽氏通用秒SUS 英國用雷氏秒R運動粘度與條件粘度的換算見課本P51 條件粘度 E 潤滑脂 固體潤滑劑 4 3潤滑劑 添加劑和潤滑方法 潤滑油 稠化劑 如鈣 鈉 鋁 鋰等金屬皂 種類 石墨 使用溫度 350 大于350 開始氧化 可在水中工作 二硫化鉬 MoS2 使用溫度 60 t 300 遇水性能下降 聚四氟乙烯 摩擦系數(shù)低 只有石墨的 半 種類 鈣基潤滑脂 耐水 不耐高溫 t 65 鈉基潤滑脂 不耐水 耐高溫 t 120 鋰基潤滑脂 既耐水 又耐高溫 價格高 維持 使用壽命 時間長 鋁基潤滑脂 耐水 吸附能力高 可防銹 性能指標 錐 針 入度指一個質量1 5N的標準錐體 于25 恒溫下 由潤滑脂表面經5s后刺入的深度 它反映了潤滑脂稠度的大小 錐 針 入度愈小潤滑脂愈稠 潤滑脂的牌號就是該潤滑脂錐 針 入度的等級 滴點指在規(guī)定的加熱條件下 潤滑脂從標準測量杯孔口滴下第一滴時的溫度 決定工作溫度 潤滑脂的工作溫度至少應低于滴點20 常用潤滑油和潤滑脂的牌號 性能及適用場合將在以后章節(jié)中介紹 添加劑 4 3潤滑劑 添加劑和潤滑方法 為了提高油的品質和性能 常在潤滑油或潤滑脂中加入一些分量雖小但對潤滑劑性能改善起巨大作用的物質 這些物質叫添加劑 二 添加劑 潤滑方法 油潤滑在工程中應用最普遍 常用的供油方式有 滴油潤滑 油環(huán)潤滑 飛濺潤滑 噴油潤滑 壓力循環(huán)潤滑等 脂潤滑只能間歇供應潤滑脂 其常用于運轉速度較低的場合 4 3潤滑劑 添加劑和潤滑方法 三 潤滑方法 油環(huán)潤滑 間歇式連續(xù)式 連續(xù)式包括 4 3潤滑劑 添加劑和潤滑方法 a 針閥式油杯b 油芯油杯c 旋蓋式油脂杯這三種油杯均已列入國家標準 選用時可查閱有關手冊 常用的潤滑裝置 流體動力潤滑形成的必要條件 楔形空間 相對運動 保證流體由大口進入 連續(xù)不斷地供油 流體動力潤滑是指兩個作相對運動物體的摩擦表面 借助于相對速度而產生的粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開 由流體膜產生的壓力來平衡外載荷 優(yōu)點 摩擦力小 磨損小 可緩和沖擊和振動 流體潤滑根據(jù)摩擦面間形成油膜的原理不同分為 4 4流體潤滑原理簡介 一 流體動力潤滑 4 4流體潤滑原理簡介 流體動力潤滑通常研究的是低副接觸受潤零件間的潤滑問題 動畫 流體動力潤滑 彈性流體動力潤滑 流體靜力潤滑 4 4流體潤滑原理簡介 二 彈性流體動力潤滑 彈性流體動力潤滑理論是研究在相互滾動或伴有滑動的滾動條件下 兩彈性物體間的流體動力潤滑膜的力學性質 這時的計算必須把在油膜壓力