摩擦、磨損、潤(rùn)滑,機(jī)械設(shè)計(jì)

1、第三章第三章 摩擦、磨損與潤(rùn)滑摩擦、磨損與潤(rùn)滑3-1 摩擦摩擦3-2 磨損磨損3-3 潤(rùn)潤(rùn) 滑滑3-4 流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本原理流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本原理摩擦現(xiàn)象是自然界中普遍存在的物理現(xiàn)象。對(duì)于機(jī)器來講，摩擦?xí)剐式档停瑴囟壬?，表面磨損。過大的磨損會(huì)使機(jī)器喪失應(yīng)有的精度，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，縮短使用壽命。 世界上使用的能源大約有 1/31/2 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。 機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報(bào)廢。潤(rùn)滑是減小摩擦、減小磨損、提高機(jī)械效率的最常用最有效方法。關(guān)于摩擦、磨損與潤(rùn)滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)。本章主要介紹有關(guān)摩擦、磨損和潤(rùn)滑的一些基礎(chǔ)

2、知識(shí)。 3-1 摩 擦引言3-13-1摩摩 擦擦一、摩擦的分類1）按運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)分為：靜 摩 擦動(dòng) 摩 擦2）按運(yùn)動(dòng)的形式分為：滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦 3）按潤(rùn)滑狀態(tài)，滑動(dòng)摩擦分為： 干摩擦邊界摩擦流體摩擦混合摩擦圖31 摩擦特性曲線摩 擦摩摩 擦擦2 2摩 擦二、滑動(dòng)摩擦的四種摩擦狀態(tài)1）干摩擦：是指表面間無任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜，表面金屬直接接觸時(shí)的摩擦。 2）邊界摩擦：是指兩摩擦面被吸附在表面的邊界膜隔開，摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面吸附性能的摩擦。 其摩擦阻力最大，磨損最嚴(yán)重。吸附膜反應(yīng)膜 邊界膜：物理吸附膜化學(xué)吸附膜邊界膜的類型如下：v兩零件表面直接接觸后，因?yàn)槲⒂^局部壓力高而形成許多兩零件表面直

3、接接觸后，因?yàn)槲⒂^局部壓力高而形成許多冷焊點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)時(shí)被剪切。冷焊點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)時(shí)被剪切。 不允許出現(xiàn)干摩擦！不允許出現(xiàn)干摩擦！功耗功耗 磨損磨損 溫度溫度 燒毀軸瓦燒毀軸瓦 v摩摩 擦擦3 3摩 擦 潤(rùn)滑劑中的極性分子與金屬表面相互吸引，形成定向排列的分子?xùn)?，稱為物理吸附膜。 潤(rùn)滑油靠物理吸附形成邊界膜的能力，稱為油性。 潤(rùn)滑劑中的活性分子靠離子鍵吸附在金屬表面上形成的吸附膜，稱為化化學(xué)學(xué)吸附膜。 在潤(rùn)滑劑中添加入硫、磷、氯等元素，它們與表面金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的邊界膜，稱為反應(yīng)膜。 圖34 吸附膜摩擦原理模型圖35 反應(yīng)膜邊界模型摩摩 擦擦4 4摩 擦 ）流體摩擦：流體摩擦：是指摩擦表面完全被流體

4、膜隔開，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦。能生成反應(yīng)膜的潤(rùn)滑油稱為極壓油。 溫度對(duì)邊界膜的影響很大。溫度越高，邊界膜越容易破壞。比干摩擦的磨損輕比干摩擦的磨損輕，f 0.1 0.3反應(yīng)膜在高溫下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反應(yīng)膜，這種能力稱為極壓性。 流體摩擦（或稱流體潤(rùn)滑）的原理在本章第四節(jié)詳細(xì)介紹。 其摩擦系數(shù)最小，且不會(huì)產(chǎn)生磨損，是理想的摩擦狀態(tài)。v摩擦和磨損極輕摩擦和磨損極輕，f 0.001 0.01 摩 擦v 4)混合摩擦:指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)?；旌夏Σ聊苡行Ы档湍Σ磷枇Γ淠Σ料禂?shù)比邊界摩擦?xí)r要小得多。在一般機(jī)器中，處于后三種情況的混合狀態(tài)。

5、 f n/p o邊界摩擦邊界摩擦混合摩擦混合摩擦液體摩擦液體摩擦摩擦特性曲線摩擦特性曲線稱無量綱參數(shù)稱無量綱參數(shù)n/p為軸承特性數(shù)。為軸承特性數(shù)。 -動(dòng)力粘度，p-壓強(qiáng) ，n-每秒轉(zhuǎn)數(shù) 邊界摩擦和混合摩擦在工程實(shí)際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為不完全液體摩擦。摩擦學(xué)研究的最新進(jìn)展：摩擦學(xué)研究的最新進(jìn)展：微納米摩擦學(xué)理論微納米摩擦學(xué)理論可實(shí)現(xiàn)：可實(shí)現(xiàn)： f 0.001 -超潤(rùn)滑摩擦狀態(tài)超潤(rùn)滑摩擦狀態(tài)。 磨損主要是運(yùn)動(dòng)副中的摩擦導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。 磨損會(huì)影響機(jī)器的效率，降低工作的可靠性，促使機(jī)器提前報(bào)廢。3-23-2磨磨 損損3-2 磨 損 磨損率:單位時(shí)間（或單位行程、轉(zhuǎn)等）材料的損失量。

6、 耐磨性：是指材料抵抗脫落的能力。與磨損率成倒數(shù)關(guān)系。 一、一、典型宏觀磨損過程 磨損量時(shí)間O磨合穩(wěn)定磨損劇烈磨損一個(gè)機(jī)械零件的磨損過程大體可分為三個(gè)階段：1 1）磨合階段）磨合階段 磨合（跑合）：是指新零件在運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨損。 磨磨 損損1 1 新的摩擦副表面比較粗糙，真實(shí)微觀接觸面積比較小，壓強(qiáng)大，因此運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨損比較快。但是，磨損以后表面的微觀凸峰降低，接觸面積增大，壓強(qiáng)減小，磨損的速度逐漸減慢。 新摩擦表面的微觀形貌2 2）穩(wěn)定磨損階段）穩(wěn)定磨損階段 這個(gè)階段屬于零件的正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。這一階段的長(zhǎng)短直接影響機(jī)器的壽命。 3 3）劇烈磨損階段）劇烈磨損階段 零件經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工

7、作磨損以后，表面精度下降，效率降低，溫度升高，沖擊振動(dòng)加大，導(dǎo)致磨損加劇，最終導(dǎo)致零件報(bào)廢。磨 損注：縮短磨合期，延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。磨磨 損損2 2二、磨損的類型二、磨損的類型 磨 損 按磨損的機(jī)理不同，機(jī)械零件的磨損大體分為四種基本類型： 1 1）粘著磨損也稱膠合）粘著磨損也稱膠合 2）疲勞磨損即疲勞點(diǎn)蝕疲勞磨損即疲勞點(diǎn)蝕 3）磨粒磨損也稱磨料磨損磨粒磨損也稱磨料磨損 4 4）腐蝕磨損）腐蝕磨損 摩擦表面的微觀凸峰粘在一起后，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，材料從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，便形成粘著磨損。 是外界的硬顆?；虼植诘挠脖砻嬖谙鄬?duì)運(yùn)動(dòng)中，對(duì)摩擦表面的擦傷所引起的磨損。 是高副（點(diǎn)、

8、線接觸）機(jī)械零件的常見磨損形式。 摩擦表面在摩擦過程中，伴隨有表面材料被腐蝕的現(xiàn)象，這種情況下產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。 磨磨 損損3 3三、減小磨損的主要方法三、減小磨損的主要方法 （1）潤(rùn)滑是減小摩擦、減小磨損的最有效的方法。 （2）合理選擇摩擦副材料. （3）進(jìn)行表面處理。 （4）注意控制摩擦副的工作條件等。磨 損 除了上述四種基本磨損類型以外，還有侵蝕磨損、微動(dòng)磨損等其他形式，由于時(shí)間關(guān)系，不多講。3-33-3潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑與添加劑與添加劑3-3 潤(rùn)滑劑與添加劑潤(rùn)滑：潤(rùn)滑：是指在兩個(gè)摩擦表面之間加入潤(rùn)滑劑，以減小摩擦和磨損。 此外，潤(rùn)滑還可起到散熱降溫，防銹、防塵，緩沖吸振等作用。 一、潤(rùn)

9、滑的分類一、潤(rùn)滑的分類 1）流體動(dòng)力潤(rùn)滑流體動(dòng)力潤(rùn)滑：靠?jī)赡Σ帘砻娴南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)建立壓力油膜稱為動(dòng)壓油動(dòng)壓油膜膜），兩表面被壓力油膜完全分開，實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑。 2）流體靜力潤(rùn)滑流體靜力潤(rùn)滑：兩摩擦表面被外部供油裝備輸入的壓力油完全分開，強(qiáng)迫形成壓力油膜，實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑。 3）彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑：是指理論上為點(diǎn)、線接觸的摩擦副，在考慮表面的彈性變形等因素的基礎(chǔ)上建立的流體動(dòng)力潤(rùn)滑。4）邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑 （即邊界摩擦和混合摩擦）。 潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑二、潤(rùn)滑劑二、潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑與添加劑：石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。凡是能減小摩擦阻力，減小磨損的物質(zhì)都可作為潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑。1. 1

10、. 潤(rùn)滑劑的分類潤(rùn)滑劑的分類1）液體潤(rùn)滑劑：動(dòng)植物油、礦物油、水、液態(tài)金屬等。2）潤(rùn)滑脂：注：潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂在實(shí)際中應(yīng)用最廣。俗稱黃油。由潤(rùn)滑油+稠化劑混合而成。 3) 固體潤(rùn)滑劑4）氣體潤(rùn)滑劑：如空氣、氮?dú)?、二氧化碳等。?rùn)滑脂的主要性能指標(biāo)是 錐入度：反映其稠度大小。 滴點(diǎn)：決定工作溫度。潤(rùn)滑油的主要性質(zhì)潤(rùn)滑油的主要性質(zhì)2 2 潤(rùn)滑油的主要性質(zhì)潤(rùn)滑油的主要性質(zhì) 1）油性油性：是潤(rùn)滑油吸附于摩擦表面形成邊界膜的能力。油性越好，吸附能力就越強(qiáng)。 2）粘度）粘度：是表示油液內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦阻力大小的性能指標(biāo)。 （粘度是選擇潤(rùn)滑油的主要依據(jù)）。下面分析粘度的物理意義： 兩個(gè)平行的平板之間充滿

11、潤(rùn)滑油，B板靜止，A板以速度 運(yùn)動(dòng)，各油層的速度呈直線分布。相鄰油層之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦阻力。duyudyOxyAB潤(rùn)滑劑與添加劑粘度粘度研究表明：油液內(nèi)摩擦切應(yīng)力 與速度梯度 成正比。dydu即dydu式中： 即為潤(rùn)滑油的動(dòng)力粘度。其國(guó)際單位為： （帕秒） sPa動(dòng)力粘度： 與同溫度下該流體的密度 之比，稱為運(yùn)動(dòng)粘度 。即，運(yùn)動(dòng)粘度 運(yùn)動(dòng)粘度 的國(guó)際單是： ，sm2此單位太大，常用smm2注：我國(guó)潤(rùn)滑油的牌號(hào)就是用40下運(yùn)動(dòng)粘度的平均值表示的。影響粘度的主要因素：a) 溫度 溫度 潤(rùn)滑油的粘度 （見圖3-9） 潤(rùn)滑劑與添加劑添加劑添加劑b) 壓力 當(dāng)壓力5MPa時(shí)，對(duì)粘度的影響不大，

12、可不予考慮。 當(dāng)壓力5MPa時(shí)，粘度隨壓力升高明顯增加，不能忽略其影響。pe0式中： 為一個(gè)大氣壓下的粘度； 為粘壓指數(shù)； 為壓強(qiáng)。0p三、添加劑三、添加劑 為了改善潤(rùn)滑劑某些方面的性能，在潤(rùn)滑劑中加入的化學(xué)合成物，稱為添加劑。 添加劑的種類很多，例如：油性添加劑、極壓添加劑、降凝劑、增粘劑等潤(rùn)滑劑與添加劑壓力壓力p 3-43-4流體動(dòng)力潤(rùn)滑流體動(dòng)力潤(rùn)滑基本原理基本原理3-4 流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本原理一、形成動(dòng)壓油膜的條件一、形成動(dòng)壓油膜的條件 先分析兩個(gè)平行平板的情況，兩板之間充滿潤(rùn)滑油。平行間隙不能形成動(dòng)壓油膜。 再分析兩板之間構(gòu)成楔形間隙的情況，如右圖所示。OxyABFmaxp油壓分布曲線

13、 楔形間隙能夠形成動(dòng)壓油膜。 流體動(dòng)力潤(rùn)滑是指借助于兩個(gè)摩擦表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)壓油膜，靠油膜的壓力將兩摩擦表面完全隔開，實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑。xp在一定假設(shè)下對(duì)其進(jìn)行受力分析，經(jīng)推導(dǎo)可得表示油膜壓力在 x 方向的變化率 與油膜厚度 h 之間關(guān)系的方程：流體動(dòng)力潤(rùn)滑原理流體動(dòng)力潤(rùn)滑原理2 2形成動(dòng)壓油膜的條件：1）兩摩擦表面之間必須能形成收斂的楔形間隙；3）兩表面之間必須有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。2）兩表面之間必須連續(xù)充滿具有一定粘度的液體；二、雷諾潤(rùn)滑方程二、雷諾潤(rùn)滑方程OxyAB306hhhxpmaxp0hhpx 從動(dòng)壓油膜中取出一個(gè)微元體，流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本原理流體動(dòng)力潤(rùn)滑原理流體動(dòng)力潤(rùn)滑原理3 3流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本原理式中 為油壓最大處的油膜厚度； 、 分別為油膜中某截面處的（坐標(biāo)為x）油壓和油膜厚度。0hhp上式即為一維雷諾潤(rùn)滑方程。利用雷諾方