機(jī)械設(shè)計(jì)摩擦磨損及潤(rùn)滑概述

§4-1摩擦§4-2磨損§4-3潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法§4-4流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介§4-0概述機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論§4-0概述摩擦學(xué)——研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的摩擦、磨損和潤(rùn)滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門(mén)邊緣學(xué)科?！?/p>

摩擦——相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象▲

磨損——由于摩擦而造成物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移▲

潤(rùn)滑——減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施關(guān)于摩擦、磨損與潤(rùn)滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)(Tribology)。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過(guò)限度而報(bào)廢和更換的。減少摩擦節(jié)省能源；減少磨損降低設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進(jìn)入微觀，由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)，由定性進(jìn)入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。二、摩擦的分類(lèi)內(nèi)摩擦——在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。外摩擦——在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。靜摩擦——僅有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)的摩擦。動(dòng)摩擦——在相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行中的摩擦?；瑒?dòng)摩擦——物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滑動(dòng)。滾動(dòng)摩擦——物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滾動(dòng)?！?/p>

“機(jī)械說(shuō)”

——摩擦原因是表面微凸體的相互阻礙作用▲

“分子說(shuō)”

——摩擦原因是表面材料分子間的吸力作用一、摩擦的機(jī)理▲

“機(jī)械－分子說(shuō)”兩種作用均有§4-1摩擦潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制1.干摩擦兩零件表面直接接觸后，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。不允許出現(xiàn)干摩擦！2.邊界摩擦三、滑動(dòng)摩擦狀態(tài)

功耗↑磨損↑溫度↑

燒毀軸瓦運(yùn)動(dòng)副表面有一層厚度<1μm的薄油膜，不足以將兩金屬表面完全分開(kāi)，其表面部分微觀高峰部分仍將相互搓削。比干摩擦的磨損輕，f≈0.1~0.3v有一層壓力油膜將兩金屬表面隔開(kāi)，彼此不直接接觸。是理想的摩擦狀態(tài)。3.液體摩擦摩擦和磨損極輕，f≈0.001~0.01vvv潘存云教授研制潘存云教授研制4.混合摩擦v

混合摩擦是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)。fηn/po邊界摩擦混合摩擦液體摩擦摩擦特性曲線稱(chēng)無(wú)量綱參數(shù)ηn/p為軸承特性數(shù)。

η-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(chēng)為不完全液體摩擦。摩擦學(xué)研究的最新進(jìn)展：微－納米摩擦學(xué)理論可實(shí)現(xiàn)：f≤0.001

——超潤(rùn)滑摩擦狀態(tài)。機(jī)器的壽命磨損—由于摩擦而導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損曲線磨合階段磨損量時(shí)間劇烈磨損階段

穩(wěn)定磨損階段§4-2磨損磨損過(guò)程大致如圖所示：▲磨合階段——包括摩擦表面輪廓峰的形狀變化和表面材料被加工硬化兩個(gè)過(guò)程▲穩(wěn)定磨損階段——零件在平穩(wěn)而緩慢的速度下磨損它標(biāo)志著磨擦條件相對(duì)穩(wěn)定?！鴦×夷p階段——在經(jīng)過(guò)穩(wěn)定磨損階段后，零件表面遭到破壞，運(yùn)動(dòng)副間隙增大引起而外的動(dòng)載荷和振動(dòng)。零件即將進(jìn)入報(bào)廢階段后果—降低機(jī)器的效率和可靠性，甚至促使機(jī)器提前報(bào)廢。

設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)，要求縮短磨合期、延長(zhǎng)穩(wěn)定期、推遲劇烈磨損期的到來(lái)。它是磨損的不穩(wěn)定階段，在整個(gè)壽命周期內(nèi)時(shí)間很短。磨粒磨損

磨損的分類(lèi)疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類(lèi)型

按磨損機(jī)理分按磨損表面外觀可分為點(diǎn)蝕磨損膠合磨損擦傷磨損兩種不同的稱(chēng)謂

磨損的機(jī)理磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損

磨損類(lèi)型：磨粒磨損——也簡(jiǎn)稱(chēng)磨損，外部進(jìn)入摩擦面間的游離硬顆粒（如空氣中的塵土或磨損造成的金屬微粒）或硬的輪廓峰尖在軟材料表面上犁刨出很多溝紋時(shí)被移去的材料，一部分流動(dòng)到溝紋兩旁，一部分則形成一連串的碎片脫落下來(lái)成為新的游離顆粒，這樣的微粒切削過(guò)程就叫磨粒磨損。潘存云教授研制

磨損的機(jī)理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損

磨損類(lèi)型：粘附磨損——也稱(chēng)膠合，當(dāng)摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點(diǎn)處由于瞬時(shí)的溫升和壓力發(fā)生“冷焊”后，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，材料從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，便形成粘附磨損。嚴(yán)重的粘附磨損會(huì)造成運(yùn)動(dòng)副咬死。潘存云教授研制

磨損的機(jī)理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損

磨損類(lèi)型：疲勞磨損——也稱(chēng)點(diǎn)蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引起的機(jī)械磨損。點(diǎn)蝕過(guò)程：

產(chǎn)生初始疲勞裂紋→擴(kuò)展→微粒脫落，形成點(diǎn)蝕坑。

潘存云教授研制

磨損的機(jī)理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損

磨損類(lèi)型：沖蝕磨損—流動(dòng)的液體或氣體中所夾帶的硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒沖擊零件表面所引起的機(jī)械磨損。利用高壓空氣輸送型砂或高壓水輸送碎石時(shí)，管道內(nèi)壁所產(chǎn)生的機(jī)械磨損是實(shí)例之一。。近年來(lái)，由于燃?xì)鉁u輪機(jī)的葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管這樣一些部位的破壞，才引起人們對(duì)這種磨損形式的特別注意潘存云教授研制

磨損的機(jī)理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損

磨損類(lèi)型：腐蝕磨損——當(dāng)摩擦表面材料在環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)作用下引起腐蝕，在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。

磨損的機(jī)理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損

磨損類(lèi)型：微動(dòng)磨損—是指摩擦副在微幅運(yùn)動(dòng)時(shí)，由上述各磨損機(jī)理共同形成的復(fù)合磨損。微幅運(yùn)動(dòng)可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用實(shí)例：軸與孔的過(guò)盈配合面、滾動(dòng)軸承套圈的配合面、旋合螺紋的工作面、鉚釘?shù)墓ぷ髅娴?。一、?rùn)滑劑作用：降低摩擦功耗、減少磨損、冷卻、吸振、防銹等。分類(lèi)液體潤(rùn)滑劑——潤(rùn)滑油半固體潤(rùn)滑劑——潤(rùn)滑脂固體潤(rùn)滑劑1.潤(rùn)滑油礦物油來(lái)源充足、成本低廉、穩(wěn)定性好、因而應(yīng)用最廣。種類(lèi)：氣體潤(rùn)滑劑——空氣有機(jī)油——?jiǎng)印⒅参镉偷V物油——石油產(chǎn)品，

化學(xué)合成油§4-3潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法潘存云教授研制A在軸承中，潤(rùn)滑油最重要的物理參數(shù)是粘度，它是選擇潤(rùn)滑油的主要依據(jù)。粘度表征液體流動(dòng)的內(nèi)摩擦特性。A、B兩板之間充滿了液體，B板靜止，A板水平移動(dòng)速度為v。由于液體與金屬表面的吸附作用，A板表面的液體速度為v，而B(niǎo)板表面的液體速度為0。兩板之間的速度呈線性分布。液體層與層之間摩擦的切應(yīng)力：τ=-η?u?y流體中任意點(diǎn)處的切應(yīng)力與該處的速度梯度成正比。η——液體的動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱(chēng)粘度量綱：力·時(shí)間/長(zhǎng)度2單位為Pa·s，稱(chēng)為泊?；蚶宀矗?P=1dyn·s/cm2實(shí)驗(yàn)結(jié)果：ydydu分析位置y處薄層的受力B粘度——液體重要指標(biāo)，粘度值越高，油越稠，反之越??；

粘度的種類(lèi)動(dòng)力粘度運(yùn)動(dòng)粘度條件粘度(1)動(dòng)力粘度——牛頓液體流動(dòng)定律1泊=100厘泊工程中常用運(yùn)動(dòng)粘度ν

=ηρ

單位：

m2

/

s在C.G.S制中稱(chēng)為斯St：cm2/s或厘斯cSt：1St=100cSt(2)運(yùn)動(dòng)粘度潘存云教授研制表4-1常用潤(rùn)滑油的主要性質(zhì)名稱(chēng)全損耗系統(tǒng)用油GB443-89汽輪機(jī)油GB11120-89代號(hào)40℃的粘度/(mm2/s)L-AN76.12~7.48-10110凝點(diǎn)≤℃閃點(diǎn)(開(kāi)式)≥℃用于高速低負(fù)荷機(jī)械、精密機(jī)床、紡織紗錠的潤(rùn)滑和冷卻普通機(jī)床的液壓油。用于一般滑動(dòng)軸承、齒輪、蝸輪的潤(rùn)滑用于重型機(jī)床導(dǎo)軌、礦山機(jī)械的潤(rùn)滑用于汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等高速高負(fù)荷軸承和各種小型液體潤(rùn)滑軸承L-AN10090~1100210L-AN109.0~11.0-10125L-AN1513.5~16.5-10165L-AN3228.8~32.2-10170L-AN4641.4~50.6-10180L-AN6861.2~74.8-10190L-TSA3228.8~35.2-7180L-TSA4641.4~50.6主要用途(3)條件粘度指在一定條件下，利用某種規(guī)格的粘度計(jì)，通過(guò)測(cè)定潤(rùn)滑油穿過(guò)規(guī)定孔道的時(shí)間來(lái)進(jìn)行度量的粘度。常用的有：恩氏度（?

Et）——中國(guó)慣用賽氏通用秒（SUS）——美國(guó)慣用雷氏秒——英國(guó)慣用運(yùn)動(dòng)粘度與條件粘度之間的換算關(guān)系：

潤(rùn)滑油的牌號(hào)與運(yùn)動(dòng)粘度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如牌號(hào)為L(zhǎng)-AN10的油在40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度大約為10cSt。潘存云教授研制潤(rùn)滑油的特性：(1)粘——溫相關(guān)性溫度t

↑壓力p

↑

η↓ 但p<10MPa時(shí)可忽略。變化很小

η↑ 粘—溫圖0.080.070.060.050.040.030.020.0130405060708090℃ηL-TSA32L-TSA32L-TSA32L-TSA32選用原則：①載荷大、溫度高的軸承，宜選用粘度大的油；②載荷小、轉(zhuǎn)速高的軸承，宜選用粘度小的油。

粘度值的大小不僅影響摩擦副的運(yùn)動(dòng)阻力，而且對(duì)潤(rùn)滑油膜的形成及承載能力具有決定性的作用。（2）潤(rùn)滑性（油性）

潤(rùn)滑性是指潤(rùn)滑油中的分子與金屬表面吸附形成一邊界油膜，以減小摩擦和磨損。潤(rùn)滑性愈好，吸附能力愈強(qiáng)。對(duì)于那些低速重載或潤(rùn)滑不充分的場(chǎng)合，潤(rùn)滑性具有特別重要的意義。（3）極壓性

潤(rùn)滑性能是潤(rùn)滑油中加入含硫、氯、磷的有機(jī)極性化合物之后，油中的極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓的化學(xué)反應(yīng)邊界膜的性能，它在重載、高速、高溫條件下，可改善邊界潤(rùn)滑性能。（4）閃點(diǎn)

潤(rùn)滑油在標(biāo)準(zhǔn)容器中加熱所蒸發(fā)的油氣，遇火焰即能發(fā)出閃光時(shí)的最低溫度，是衡量油易燃性的指標(biāo)。對(duì)于在高溫下工作的機(jī)器，這是一個(gè)重要參數(shù)。一般要求工作溫度比油的閃點(diǎn)低30~40℃

。（5）凝點(diǎn)

潤(rùn)滑油在規(guī)定的條件下，不再自由流動(dòng)時(shí)所達(dá)到的最高溫度。它是潤(rùn)滑油在低溫下工作的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響到機(jī)器在低溫下的啟動(dòng)性能和磨損情況。（6）氧化穩(wěn)定性

從化學(xué)意義上講，潤(rùn)滑油是不活潑的。但當(dāng)它們暴露在高溫氣體中時(shí)，也會(huì)發(fā)生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。這是一種膠狀沉積物，不但腐蝕金屬，而且加劇零件的磨損。2.潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑油與各種稠化劑（鈣、鈉、鋁、鋰等金屬皂）混合稠化而成。優(yōu)點(diǎn)：密封簡(jiǎn)單，不需要經(jīng)常添加，不易流失，對(duì)速度和溫度不敏感，適用范圍廣。缺點(diǎn)：摩擦損耗較大、機(jī)械效率低，不適宜高速場(chǎng)合。潤(rùn)滑脂的種類(lèi)：鈉基潤(rùn)滑脂鋰基潤(rùn)