《摩擦磨損和潤(rùn)滑》課件

摩擦磨損和潤(rùn)滑探討摩擦和磨損的基本原理以及如何通過潤(rùn)滑來減少機(jī)械設(shè)備的損壞。了解如何選擇合適的潤(rùn)滑劑并正確進(jìn)行潤(rùn)滑維護(hù)。課程目標(biāo)深入了解摩擦和潤(rùn)滑通過本課程,學(xué)生將全面掌握摩擦和潤(rùn)滑的基本概念及其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。提升設(shè)計(jì)和維護(hù)能力學(xué)習(xí)如何根據(jù)摩擦和磨損特性進(jìn)行合理的設(shè)備設(shè)計(jì)和維護(hù),從而提高設(shè)備的使用壽命和可靠性。培養(yǎng)解決問題的能力通過分析各種摩擦和磨損問題,學(xué)生將掌握有效的問題解決方法,為今后的工程實(shí)踐做好準(zhǔn)備。摩擦的基本概念力的相互作用當(dāng)兩個(gè)物體表面接觸并相對(duì)滑動(dòng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生摩擦力。這種力是由于表面粗糙度和表面元素之間的相互作用而產(chǎn)生的。能量消耗摩擦?xí)?dǎo)致能量的損失,這種能量轉(zhuǎn)化為熱量,造成表面溫度的升高。因此需要合理設(shè)計(jì)摩擦過程,最大限度降低能量損失。表面磨損摩擦?xí)斐杀砻娌牧系闹饾u脫落和磨損,影響零件的使用壽命。因此需要選用合適的材料和采取有效的潤(rùn)滑措施,減少磨損。摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)摩擦力與法向力之比表示接觸面之間的摩擦強(qiáng)度靜摩擦系數(shù)靜止物體開始滑動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)比動(dòng)摩擦系數(shù)大動(dòng)摩擦系數(shù)物體滑動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度、溫度、潤(rùn)滑等有關(guān)摩擦系數(shù)是表示接觸面之間摩擦性質(zhì)的重要參數(shù),反映了兩個(gè)物體之間的摩擦強(qiáng)度。靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)是最常見的兩種摩擦系數(shù),前者比后者大。摩擦系數(shù)受多種因素影響,在工程設(shè)計(jì)中需要認(rèn)真測(cè)量和選擇合適的數(shù)值。干摩擦和濕摩擦干摩擦干摩擦是指兩個(gè)固體表面在無任何潤(rùn)滑劑的情況下相互接觸并滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦。這種摩擦受表面粗糙度、硬度、應(yīng)力等因素影響較大。濕摩擦濕摩擦是指在兩個(gè)固體表面之間有潤(rùn)滑劑存在時(shí)產(chǎn)生的摩擦。潤(rùn)滑劑可以是液體、固體或者半固體。濕摩擦通常比干摩擦摩擦系數(shù)小。摩擦力的測(cè)量1摩擦力測(cè)量?jī)x利用力傳感器測(cè)量物體之間的摩擦力大小?？梢詼y(cè)量水平和垂直方向的摩擦力。2測(cè)量步驟1.固定被測(cè)物體，施加一定的法向力2.緩慢施加水平方向的拉力，直到物體開始滑動(dòng)3.記錄最大摩擦力值3動(dòng)摩擦力測(cè)量利用同樣的原理，在物體持續(xù)滑動(dòng)時(shí)測(cè)量動(dòng)摩擦力。這可以得到摩擦力隨速度變化的規(guī)律。固體表面的接觸在機(jī)械設(shè)備中,固體表面之間的接觸是不可避免的。這種接觸會(huì)引發(fā)一系列物理化學(xué)現(xiàn)象,如接觸應(yīng)力、接觸面積、表面粗糙度等,從而影響摩擦和磨損的發(fā)生。正確理解固體表面的接觸特性對(duì)于設(shè)計(jì)高效可靠的機(jī)械系統(tǒng)至關(guān)重要。接觸面積的大小取決于表面粗糙度、接觸應(yīng)力和物理變形等因素。隨著表面粗糙度降低、接觸應(yīng)力增加,實(shí)際接觸面積會(huì)逐漸增加。同時(shí),材料的變形特性也會(huì)影響接觸情況,如金屬相比塑料具有更大的變形能力。表面粗糙度0.1微米工件表面的微米級(jí)粗糙度1微米通常加工工件的目標(biāo)表面粗糙度10微米較為粗糙的表面粗糙度表面粗糙度是衡量工件表面光潔度的重要指標(biāo)之一。它反映了表面微觀幾何形貌的不平整程度。精密加工要求表面粗糙度較低,通常在0.1-1微米范圍內(nèi)。而較粗糙的表面粗糙度可達(dá)10微米。合理控制表面粗糙度對(duì)提高產(chǎn)品使用性能和壽命具有重要意義。接觸區(qū)域的應(yīng)力分布1接觸面應(yīng)力集中接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致材料損害。2應(yīng)力分布模型可建立彈性接觸理論的應(yīng)力分布模型。3應(yīng)力分布影響因素材料屬性、表面粗糙度和接觸幾何等影響應(yīng)力分布。正確分析接觸區(qū)域的應(yīng)力分布對(duì)于評(píng)估材料的疲勞壽命和防止過大的接觸損傷非常重要。通過建立應(yīng)力分布模型,并考慮影響因素,可以優(yōu)化接觸設(shè)計(jì),提高機(jī)械零部件的可靠性。摩擦熱的產(chǎn)生1剪切應(yīng)力產(chǎn)生當(dāng)兩個(gè)表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí),接觸區(qū)域內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力,從而產(chǎn)生摩擦熱。2熱量累積摩擦熱通過熱傳導(dǎo)在接觸區(qū)域內(nèi)部累積,造成接觸區(qū)域溫度升高。3表面粗糙度影響表面粗糙度越大,接觸面積越小,單位面積上的摩擦熱越集中,溫度升高越快。4潤(rùn)滑作用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑可以降低摩擦系數(shù),減少摩擦熱的產(chǎn)生。摩擦熱的影響溫度升高摩擦過程中產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致工件表面溫度升高,這可能會(huì)引起材料的熱變形、化學(xué)變化和性能下降。機(jī)械性能降低高溫會(huì)降低材料的強(qiáng)度、硬度和韌性,加速金屬的疲勞損壞和磨損。潤(rùn)滑油性能下降摩擦熱會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油的粘度下降,從而降低其潤(rùn)滑性能,增加磨損。磨損的基本概念定義磨損是指當(dāng)兩個(gè)表面在相互作用下發(fā)生材料的逐步去除或形狀的變化的過程。特點(diǎn)磨損通常是一個(gè)極其緩慢的連續(xù)過程,會(huì)導(dǎo)致機(jī)械部件逐步失去其功能。影響嚴(yán)重的磨損會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的性能下降、可靠性降低、使用壽命縮短。磨損機(jī)理表面接觸兩個(gè)表面在接觸時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部的高點(diǎn)和低點(diǎn),這些高點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生集中應(yīng)力,引發(fā)表面材料的塑性變形和脫落。表面粘附在高壓和溫度下,表面的微小凸起會(huì)發(fā)生粘附,產(chǎn)生分子級(jí)的焊接,進(jìn)而引發(fā)磨損顆粒的脫落。表面疲勞反復(fù)的接觸和剝離會(huì)造成表面微觀結(jié)構(gòu)的疲勞損壞,從而產(chǎn)生裂紋和剝落。磨損類型1粘著性磨損由于相互接觸面間的粘著和剪切導(dǎo)致的材料轉(zhuǎn)移和失去。常見于金屬與金屬之間的接觸。2腐蝕性磨損在化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的作用下,表面材料被逐漸溶解和去除。常見于金屬與腐蝕介質(zhì)的接觸。3磨粒磨損由于硬質(zhì)顆粒夾在接觸面間而造成的磨損。這種磨損常見于機(jī)械設(shè)備中。4疲勞性磨損由于反復(fù)的應(yīng)力變化導(dǎo)致表面層剝落的磨損。常見于滾動(dòng)接觸面。影響磨損的因素表面性質(zhì)材料表面的硬度、粗糙度、化學(xué)成分等是影響磨損的關(guān)鍵因素。更加光滑、堅(jiān)硬的表面通常具有更高的耐磨性。載荷大小施加在接觸表面上的壓力或荷載越大,就會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的磨損。合理控制載荷是降低磨損的關(guān)鍵。潤(rùn)滑條件良好的潤(rùn)滑可以有效降低摩擦力,從而減少磨損。選擇合適的潤(rùn)滑劑并保持適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑狀態(tài)非常重要。工作環(huán)境溫度、濕度、腐蝕性等環(huán)境因素也會(huì)影響材料表面的磨損行為,需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。磨損量的測(cè)量1直接測(cè)量通過衡量表面的高度變化或體積損失來計(jì)算磨損量。2間接測(cè)量通過測(cè)量磨損顆粒的數(shù)量和大小來估算磨損量。3光學(xué)測(cè)量利用激光干涉儀或掃描電子顯微鏡等光學(xué)技術(shù)測(cè)量表面粗糙度。磨損量測(cè)量是摩擦學(xué)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。常用的方法包括直接測(cè)量表面高度變化、間接測(cè)量磨損顆粒以及利用光學(xué)技術(shù)檢測(cè)表面粗糙度變化。這些測(cè)量方法各有優(yōu)缺點(diǎn),需要結(jié)合具體情況選擇合適的方式。潤(rùn)滑的基本概念潤(rùn)滑的目的減少摩擦和磨損,保護(hù)機(jī)械零件,延長(zhǎng)使用壽命。潤(rùn)滑劑類型包括液體、固體、半固體和氣體等多種形式。潤(rùn)滑系統(tǒng)通過合理設(shè)計(jì),確保潤(rùn)滑劑有效傳輸?shù)浇佑|面。潤(rùn)滑劑的種類液體潤(rùn)滑劑包括礦物油、合成油和天然油等,是最常用的潤(rùn)滑劑種類。具有良好的潤(rùn)滑性能和防腐性。固體潤(rùn)滑劑如石墨、二硫化鉬等,可在缺乏液體潤(rùn)滑劑時(shí)提供潤(rùn)滑。特點(diǎn)是耐高溫、耐腐蝕。半固體潤(rùn)滑劑如黃油、凡士林等,介于液體和固體之間,具有良好的防滲性和抗水性。常用于高負(fù)荷低速工況。氣體潤(rùn)滑劑如空氣、氮?dú)獾?可提供無油潤(rùn)滑。適用于高速高精度領(lǐng)域,但承載能力有限。液體潤(rùn)滑劑礦物油礦物油是最常見的液體潤(rùn)滑劑,具有良好的潤(rùn)滑性能和耐溫性。廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、汽車等領(lǐng)域。合成油合成油依據(jù)合成工藝的不同可以設(shè)計(jì)出更優(yōu)異的性能,如優(yōu)異的抗氧化性、低溫流動(dòng)性等。應(yīng)用于高端設(shè)備。動(dòng)植物油動(dòng)植物油具有良好的潤(rùn)滑性和環(huán)保特性,但耐溫性不如礦物油和合成油。常用于一些特殊場(chǎng)合。固體潤(rùn)滑劑石墨石墨是最常用的固體潤(rùn)滑劑之一,具有優(yōu)異的耐高溫性能和抗氧化性。它可以在固體和流體潤(rùn)滑系統(tǒng)中使用。二硫化鉬二硫化鉬是一種性能出色的固體潤(rùn)滑劑,可以在高溫、高負(fù)荷和真空環(huán)境下發(fā)揮作用。其潤(rùn)滑機(jī)理是形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜。聚四氟乙烯聚四氟乙烯具有極低的摩擦系數(shù)和出色的耐化學(xué)性,廣泛應(yīng)用于密封件、軸承和滑動(dòng)表面的固體潤(rùn)滑。半固體潤(rùn)滑劑性能卓越半固體潤(rùn)滑劑具有優(yōu)異的耐磨性、耐高溫性和抗氧化性,能有效防止金屬表面的直接接觸。廣泛應(yīng)用半固體潤(rùn)滑劑常用于各類機(jī)械設(shè)備的軸承、滑動(dòng)副、齒輪等部位,能大幅提高設(shè)備使用壽命。易于應(yīng)用半固體潤(rùn)滑劑通常呈膏狀或凝膠狀,涂抹或注入時(shí)操作簡(jiǎn)便,無需專業(yè)設(shè)備。氣體潤(rùn)滑劑特點(diǎn)氣體潤(rùn)滑劑具有優(yōu)異的抗高溫和高速性能,通常用于渦輪機(jī)、氣動(dòng)工具等設(shè)備。優(yōu)勢(shì)氣體潤(rùn)滑可以避免液體泄漏,減少污染。同時(shí)還能提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率,降低能耗。應(yīng)用常見氣體潤(rùn)滑劑包括壓縮空氣、惰性氣體如氮?dú)?以及特種氣體如氫氣、氦氣等。局限性氣體潤(rùn)滑通常帶來高額的能源成本,適用范圍相對(duì)有限。需要特殊設(shè)計(jì)的密封系統(tǒng)。潤(rùn)滑膜的形成1溶解滲透潤(rùn)滑劑通過滲透到接觸表面的孔隙中,形成防護(hù)潤(rùn)滑膜。2化學(xué)吸附潤(rùn)滑劑分子通過化學(xué)鍵合作用附著在接觸表面上,形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜。3機(jī)械纏結(jié)潤(rùn)滑劑分子與表面微觀結(jié)構(gòu)機(jī)械卡合,形成物理性潤(rùn)滑膜。潤(rùn)滑膜的特性膜厚潤(rùn)滑膜的厚度會(huì)影響潤(rùn)滑性能,過厚會(huì)增加功耗,過薄則無法完全隔開接觸面。通常在微米級(jí)別。黏度潤(rùn)滑膜的黏度決定了其流動(dòng)性,過高會(huì)增加阻力,過低則無法維持穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜。需要適當(dāng)調(diào)節(jié)。膜結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑膜可以是連續(xù)均勻的,也可以是非均勻的。結(jié)構(gòu)對(duì)于潤(rùn)滑性能和耐久性有重要影響。溫度特性潤(rùn)滑膜在不同溫度下的性能表現(xiàn)會(huì)有所不同,需要考慮工作環(huán)境溫度對(duì)膜特性的影響。潤(rùn)滑設(shè)計(jì)原則優(yōu)化摩擦選擇合適的潤(rùn)滑方式,降低摩擦系數(shù),從而減少能量損失和磨損?？刂茰厣行鳠峥梢苑乐?jié)櫥瑒┻^度升溫,保護(hù)零件免受熱損傷。延長(zhǎng)壽命良好的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)可以最大限度延長(zhǎng)零件的使用壽命,降低維修成本。降低成本合理的潤(rùn)滑管理可以有效減少潤(rùn)滑劑的消耗,從而節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。摩擦學(xué)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用1機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)摩擦學(xué)可以幫助設(shè)計(jì)更加可靠、高效和節(jié)能的機(jī)械設(shè)備,如軸承、齒輪等。2材料選擇了解不同材料的摩擦和磨損特性有助于選擇更加合適的材料。3潤(rùn)滑系統(tǒng)優(yōu)化合理的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)可以顯著降低機(jī)械系統(tǒng)的能耗和維護(hù)成本。4表面處理技術(shù)通過表面粗糙度、硬度等的控制可以改善摩擦和磨損性能。摩擦學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì)智能化測(cè)量技術(shù)隨著傳感器和控制技術(shù)的進(jìn)步，摩擦學(xué)研究正朝著更加智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。新型測(cè)量設(shè)備能夠精準(zhǔn)捕捉摩擦過程的細(xì)節(jié)。多尺度理論模型通過計(jì)算機(jī)模擬和理論分析相結(jié)合，研究人員能夠從微觀角度深入探究摩擦機(jī)理。多尺度模型有助于預(yù)測(cè)和控制復(fù)雜摩擦過程。環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展未來摩擦學(xué)研究將更加注