第三章摩擦、磨損與潤(rùn)滑

1、第三章 摩擦、 磨損與潤(rùn)滑 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)教研室 張祖立基本要求1、摩擦、磨損和潤(rùn)滑的概念、種類及性質(zhì)2、邊界潤(rùn)滑的特點(diǎn)和潤(rùn)滑機(jī)理3、流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的潤(rùn)滑機(jī)理，形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的條件4、摩擦特性曲線的意義，流體潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑的特點(diǎn)及用膜厚比判定摩擦狀態(tài)5、磨損的過(guò)程，磨損的種類及減輕摩擦磨損的途徑和措施引 言 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(lái)講，摩擦?xí)剐式档?，溫度升高，表面磨損。過(guò)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(wú)用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。 機(jī)

2、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。 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)知識(shí)。 零件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是在相互摩擦下進(jìn)行的。摩擦 有益的摩擦：摩擦傳動(dòng)、摩擦制動(dòng)和摩擦聯(lián)接等； 有害的摩擦：造成能量損耗、效率降低、溫度升高、表 面磨損。磨損 使機(jī)器的精度降低、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，縮短使用壽命。 磨損是消耗材料、降低機(jī)械壽命和使用性能的主要根源。潤(rùn)滑 減少摩擦和磨損、降低功耗、提高效率的主要措施。 第一節(jié) 摩 擦一、摩擦的類型靜摩擦 滑動(dòng)摩擦 滾動(dòng)摩擦 按摩擦副運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 按摩擦狀態(tài) 干摩擦

3、 邊界摩擦（邊界潤(rùn)滑） 流體摩擦（流體潤(rùn)滑） 混合摩擦（混合潤(rùn)滑） 液體動(dòng)力潤(rùn)滑 液體靜力潤(rùn)滑 動(dòng)摩擦 1干摩擦干摩擦 兩摩擦表面直接接觸，不加入任何潤(rùn)滑劑的摩擦。干摩擦的特點(diǎn) 摩擦系數(shù)大，發(fā)熱多，磨損嚴(yán)重，零件壽命短等。要求高摩擦的摩擦副，可在干摩擦狀態(tài)下工作；要求低摩擦的摩擦副，應(yīng)力求避免干摩擦。 2邊界摩擦（邊界潤(rùn)滑）邊界膜 潤(rùn)滑劑在摩擦表面由吸附作用或化學(xué)反應(yīng)生成一層薄膜。邊界膜的種類 物理吸附膜、化學(xué)吸附膜、化學(xué)反應(yīng)膜。邊界膜的厚度 一般在0.1m以下邊界膜的性質(zhì) 取決于摩擦表面的性質(zhì)和邊界膜的結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)性質(zhì)； 邊界膜的存在，避免了部分表面金屬的直接接觸，可大大減少摩擦磨損。邊

4、界摩擦的應(yīng)用 普通滑動(dòng)軸承、氣缸與活塞環(huán)、凸輪與導(dǎo)桿、機(jī)床導(dǎo)軌等處。要求低摩擦的摩擦副，維持邊界摩擦是其最低要求。 3流體摩擦（流體潤(rùn)滑）兩相對(duì)滑動(dòng)表面被一流體層完全隔開(kāi)，表面微觀凸峰不直接接觸，摩擦的性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間黏性阻力，由流體的壓力傳遞兩個(gè)表面間的相互作用力。流體摩擦的特點(diǎn) 摩擦系數(shù)很小，沒(méi)有磨損，使用壽命 長(zhǎng)。流體動(dòng)力潤(rùn)滑 靠摩擦表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)把流體帶到 摩擦表面間建立壓力膜。 流體靜力潤(rùn)滑 由外界將具有壓力的流體送入摩擦表面之間建立壓力膜。要求低摩擦的，流體摩擦是比較理想的摩擦狀態(tài)。 4混合摩擦（混合潤(rùn)滑）當(dāng)摩擦表面間有潤(rùn)滑油，但不能保證流體摩擦?xí)r， 有部分接觸是邊界摩擦

5、，其余部分是流體摩擦。摩擦特性曲線 當(dāng)hn/pm超過(guò)一定值時(shí)，為流體動(dòng)壓油膜，最小油膜厚度h大于金屬表面粗糙度Rz1與Rz2之和；當(dāng)hn/pm值降低到一定程度時(shí)，處于邊界摩擦或混合摩擦狀態(tài)；當(dāng)hn/pm值很低時(shí)，h0，表面凸峰的相互接觸進(jìn)一步加劇，m 急劇增加，趨于無(wú)潤(rùn)滑摩擦狀態(tài)。膜厚比l 摩擦(潤(rùn)滑)狀態(tài)可用膜厚比l來(lái)大致估計(jì) 式中：hmin兩表面間的最小公稱油膜厚度 Rq1、Rq2兩表面間的輪廓均方根偏差 Rq = (1.21.25) Ra Ra輪廓表面算術(shù)平均偏差 l 1邊界摩擦狀態(tài) 3流體摩擦狀態(tài) 二、固體表面接觸時(shí)的摩擦機(jī)理解釋摩擦本質(zhì)的理論 機(jī)械嚙合理論 粘著理論 分子機(jī)械理論 機(jī)

6、械嚙合理論 兩個(gè)表面接觸時(shí)，微觀凸峰相互嚙合，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生 的摩擦力就是嚙合點(diǎn)切向阻力的總和，表面粗糙度越大，摩擦力就越大。這一理論可以解釋較粗糙加工表面的摩擦現(xiàn)象不能解釋高精加工的表面，粗糙度值越小，接觸面積越大，摩擦力也越大。2. 粘著理論 兩物體之間的摩擦是由兩種因素構(gòu)成的： 摩擦面實(shí)際接觸區(qū)的粘著作用和表面不平度凸峰的犁溝作用。 (1)粘著作用 表觀接觸面積 A=ab 真實(shí)接觸面積 Ar = SAri Ar只有A的1%或更少載荷作用下，微面積上的應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)材料的屈服極限，引起塑性流動(dòng)；接觸點(diǎn)粘結(jié)形成冷焊結(jié)點(diǎn)，相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，冷焊結(jié)點(diǎn)被切開(kāi)。冷焊結(jié)點(diǎn)的粘結(jié)力摩擦力 （2）犁溝作用較硬

7、表面的微觀凸峰在較軟表面上犁出“犁溝”。此力很小，忽略不計(jì)。摩擦力 Fm ArtB 真實(shí)接觸面積 理想的塑性材料：載荷增大，真實(shí)接觸面積隨之增大，但應(yīng)力為材料的壓縮屈服極限sSC，故摩擦系數(shù)m粘著理論可以解釋許多摩擦現(xiàn)象，如基體材料和潤(rùn)滑條件一定時(shí)，摩擦系數(shù)是常數(shù)、摩擦力的大小與表觀接觸面積無(wú)關(guān)等。 3. 分子機(jī)械理論 摩擦過(guò)程中既有表面微觀凸峰間的機(jī)械嚙合和壓力變形產(chǎn)生的阻力，又有表面分子間相互吸引產(chǎn)生的切向阻力。 總摩擦力 是所有力之和摩擦系數(shù)式中：a與表面分子有關(guān)的參數(shù) b與表面機(jī)械特性有關(guān)的參數(shù)分子機(jī)械理論考慮的因素多，比較符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果機(jī)械分子理論通常用來(lái)解決真實(shí)接觸面積較大的摩擦問(wèn)題

8、 第二節(jié)磨 損磨損 是兩接觸表面由于摩擦的機(jī)械作用使表面物質(zhì)逐漸損耗的過(guò)程。磨損的危害 配合間隙增大，機(jī)械精度和可靠度降低，產(chǎn)生沖擊載荷統(tǒng)計(jì)資料表明，一般機(jī)械中有8090%的零件因磨損而報(bào)廢。磨損量 以體積、厚度、質(zhì)量為單位來(lái)度量磨損的材料損耗。磨損率 單位時(shí)間的磨損量 耐磨性 磨損率的倒數(shù) 一、典型的磨損過(guò)程跑合（初期）磨損階段穩(wěn)定磨損階段 劇烈磨損階段 二、磨損的基本類型1粘著磨損由于粘著作用，使摩擦表面的材料由一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面所引起的磨損。載荷愈大、溫度愈高、材料愈軟，粘著現(xiàn)象也就愈嚴(yán)重。粘著磨損是機(jī)械中最為常見(jiàn)的一種磨損。粘著磨損按破壞程度不同分為： （1）輕微磨損 剪切破壞發(fā)

9、生在界面上，表面材料的轉(zhuǎn)移極為輕微； （2）涂抹 剪切發(fā)生在軟金屬淺層，并轉(zhuǎn)移到硬金屬表面； （3）劃傷 剪切發(fā)生在軟金屬表層，硬金屬表面可能被劃傷； （4）撕脫 剪切發(fā)生在摩擦副一方或雙方基體金屬較深層； （5）咬死 嚴(yán)重粘著，摩擦表面彼此咬住，相對(duì)運(yùn)動(dòng)停止。 通常將后幾種較嚴(yán)重的粘著磨損稱為膠合 減輕粘著磨損的措施： （1）合理選擇摩擦副材料 同種類金屬比異種金屬粘著傾向大，單相金屬比多相金屬粘著力大；脆性金屬比塑性材料抗粘著能力強(qiáng)。 （2）采用表面處理如電鍍、滲碳、滲氮、表面淬火、噴鍍等，或涂一層耐磨材料。 （3）采用含有油性和極壓添加劑的潤(rùn)滑劑 （4）限制摩擦表面的溫度 采用合適的散熱

10、措施，防止油膜破裂及金屬產(chǎn)生熔焊。 （5）控制壓強(qiáng) 當(dāng)壓強(qiáng)超過(guò)材料硬度1/3以上時(shí)，易產(chǎn)生粘著。 （6）正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 使壓力均布，有利于壓力油膜的形成和防止外界雜物進(jìn)入摩擦面間。 2磨粒磨損硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔系挠操|(zhì)突出物，對(duì)較軟表面進(jìn)行“磨削或刮擦”引起摩擦表面材料脫落的現(xiàn)象。磨粒磨損與摩擦材料的硬度和磨粒的硬度有關(guān)。磨粒硬度對(duì)磨損的影響 保證摩擦表面有一定壽命的要求 Hm 1.3 Ha 減輕磨粒磨損的措施：1）合理選擇摩擦副材料2）降低表面粗糙度3）改進(jìn)密封裝置4）注意潤(rùn)滑油的清潔5）防止沙塵等外來(lái)顆粒 3接觸疲勞磨損 （疲勞點(diǎn)蝕）接觸應(yīng)力作用的摩擦副，表面材料體積在重復(fù)變形時(shí)，因疲勞

11、而剝落特征： 表面上出現(xiàn)麻坑點(diǎn)蝕是滾動(dòng)軸承、齒輪等點(diǎn)、線接觸零件的主要失效形式之一。減輕接觸疲勞磨損的措施： （1）合理選擇摩擦副材料 （2）合理選擇表面粗糙度 表面粗糙度值愈小，疲勞壽命愈高。 （3）合理選擇潤(rùn)滑油黏度 黏度低的潤(rùn)滑油易于滲入裂紋，加速裂紋擴(kuò)展；黏度高的潤(rùn)滑油有利于接觸應(yīng)力均勻分布，提高抗點(diǎn)蝕能力。 （4）合理選擇表面硬度 硬度越高，產(chǎn)生疲勞裂紋的危險(xiǎn)性越小。 4腐蝕磨損在磨損過(guò)程中與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)造成材料轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。實(shí)踐中，磨損常常是許多現(xiàn)象的綜合，磨損類型可能隨著工作（如相對(duì)滑動(dòng)速度和工作載荷）而發(fā)生變化第三節(jié) 潤(rùn)滑劑凡是能降低摩擦阻力的介質(zhì)，都可作為潤(rùn)滑劑

12、。常用的潤(rùn)滑劑有液體，氣體、半固體和固體。固體和氣體潤(rùn)滑劑多應(yīng)用在高溫、高速及要求防止污染等特殊場(chǎng)合。對(duì)于橡膠、塑料制成的零件易用水進(jìn)行潤(rùn)滑。絕大多數(shù)場(chǎng)合采用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。一、潤(rùn)滑油 1黏度黏度是指潤(rùn)滑油抵抗變形的能力，它表征流體內(nèi)摩擦阻力的大小。 牛頓粘滯定律 在層流狀態(tài)下，兩層流體間剪切應(yīng)力的大小和垂直于流動(dòng)方向的速度梯度成正比式中：t 流體單位面積上的剪切應(yīng)力； 流體沿垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的速度梯度，“-”表示u隨y的增大 而減??； h表征流體黏性的比例常數(shù)，稱為流體的動(dòng)力黏度。 黏度常用的表示方法： （1）動(dòng)力黏度h 國(guó)際單位 1Ns/m2 或 1Pas 物理單位 P（Poise）（

13、泊） P=1dyns/cm2 P的百分之一稱為cP（厘泊） 1P=100cP=0.1Pas （2）運(yùn)動(dòng)黏度n某一溫度下，潤(rùn)滑油的動(dòng)力黏度與其密度的比值稱為運(yùn)動(dòng)黏度運(yùn)動(dòng)黏度n 的表達(dá)式為 m2/s式中：h動(dòng)力黏度，as r潤(rùn)滑油密度，kg/m3 礦物油 r =850900kg/m3工程上常用的運(yùn)動(dòng)黏度單位是St(斯)和cSt（厘斯） St=100cSt=1cm2/s潤(rùn)滑油的牌號(hào) 該油在40時(shí)，運(yùn)動(dòng)黏度以cSt（mm2/s）為單位的平均值. 如L-A46號(hào)機(jī)械油在40時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為41.4 cSt50.6cSt 。影響潤(rùn)滑油黏度的因素：（1）溫度 溫度對(duì)潤(rùn)滑油黏度的影響很大，溫度升高時(shí)黏度降低。

14、（2）壓力壓力升高時(shí)潤(rùn)滑油的黏度會(huì)加大。 當(dāng)壓力在5MPa以下時(shí)，黏度隨壓力變化很小，忽略不計(jì)； 壓力在100MPa以上時(shí)，黏度隨壓力變化很大。齒輪傳動(dòng)嚙合處的局部壓力可達(dá)4 000MPa，因此，分析滾動(dòng)軸承、齒輪等高副接觸零件的潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，不能忽視高壓下潤(rùn)滑油黏度的變化。 2油性潤(rùn)滑油在金屬表面上的吸附能力油中的極性物質(zhì)吸附于金屬表面，形成一層定向排列的極性分子吸附層邊界膜邊界膜對(duì)金屬的吸附力大、不易破裂，則摩擦系數(shù)小，潤(rùn)滑效果好，表明潤(rùn)滑油的油性好。 3閃點(diǎn)潤(rùn)滑油在標(biāo)準(zhǔn)儀器內(nèi)加熱蒸發(fā)的油汽，遇到火焰發(fā)出閃光的最低溫度閃點(diǎn)是衡量潤(rùn)滑油易燃性的尺度。高溫下工作的機(jī)器，其工作溫度應(yīng)比潤(rùn)滑油的閃點(diǎn)

15、低3040 4凝點(diǎn)在規(guī)定的條件下，潤(rùn)滑油不能自由流動(dòng)時(shí)所達(dá)到的最高溫度凝點(diǎn)是衡量潤(rùn)滑油在低溫下工作的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響機(jī)器在低溫下的起動(dòng)性能和磨損情況 二、潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑脂 以潤(rùn)滑油作為基礎(chǔ)油，加入稠化劑制成的膏狀物質(zhì)。常用的稠化劑 為金屬皂，如鈣基皂、鈉基皂、鋰基皂等。鈣基潤(rùn)滑脂 抗水性良好，但耐熱能力差，工作溫度不易超過(guò)5565。鈉基潤(rùn)滑脂 耐熱性較高，工作溫度可達(dá)120，但抗水性能差。鋰基潤(rùn)滑脂 抗水性良好，耐高溫，100下可長(zhǎng)期工作，并機(jī)械安定性較好，多用途。鋁基潤(rùn)滑脂 抗水性良好，吸附能力較高，防銹，70時(shí)開(kāi)始軟化，只能用到50左右的溫度。潤(rùn)滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)：（1）錐入度（或稠度）

16、表征潤(rùn)滑脂稠度的一個(gè)指標(biāo)測(cè)定錐入度方法：在25下，重量為1.5N的標(biāo)準(zhǔn)錐體，從潤(rùn)滑脂表面自由沉下經(jīng)過(guò)5s后刺入的深度（以0.1mm計(jì)）為錐入度。潤(rùn)滑脂的牌號(hào)為該潤(rùn)滑脂錐入度的等級(jí)。（2）滴點(diǎn)表示潤(rùn)滑脂受熱后開(kāi)始滴落的溫度。潤(rùn)滑脂的工作溫度至少應(yīng)低于滴點(diǎn)20。 三、添加劑 普通潤(rùn)滑劑在十分惡劣的工作條件下（如高溫、低溫、重載、真空等）會(huì)很快劣化變質(zhì)，失去潤(rùn)滑能力。為了提高油的品質(zhì)和使用性能，常在普通潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂中加入少量物質(zhì)，使?jié)櫥偷男阅馨l(fā)生根本變化，這類物質(zhì)稱為添加劑添加劑的類型：抗氧化添加劑 如二烷基苯基、二硫代磷酸等。 可抑制潤(rùn)滑油氧化變質(zhì)。極壓添加劑 如二烷苯化硫、二鋅二硫化磷酸鋅等

17、。 可以在金屬表面上形成一層保護(hù)膜，以減輕磨損。降凝添加劑 如烷基萘等。 可降低油凝點(diǎn)。油性添加劑（硬脂酸鋁、磷酸三乙酸等） 可提高油性。使用添加劑是現(xiàn)代改善潤(rùn)滑性能的重要手段。 四、潤(rùn)滑劑的選用原則 1類型選擇一般情況選用潤(rùn)滑油，橡膠、塑料制成的零件宜用水潤(rùn)滑。潤(rùn)滑脂常用于不易用油潤(rùn)滑或重載低速場(chǎng)合。氣體潤(rùn)滑劑多用于高速輕載場(chǎng)合。固體潤(rùn)滑劑一般用于不易使用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂的特殊條件下，如高溫、高壓、極低溫、真空、強(qiáng)輻射，不允許污染及無(wú)法給油等場(chǎng)合，或作為潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂的添加劑等。 2工作條件工作載荷大時(shí)，應(yīng)選用黏度大且油性和極壓性好的潤(rùn)滑油。承受重載、間斷或沖擊載荷時(shí)要加入油性劑或極壓潤(rùn)滑劑。

18、低速時(shí)，宜選用黏度大的潤(rùn)滑油或錐入度小的潤(rùn)滑脂；高速時(shí)，宜選用黏度小的潤(rùn)滑油或錐入度大的潤(rùn)滑脂；低溫下工作時(shí)，選用黏度小、凝點(diǎn)低的潤(rùn)滑油；高溫下工作時(shí)，選用黏度大、閃點(diǎn)高及抗氧化性能好的潤(rùn)滑油；極低溫下工作時(shí)，當(dāng)采用抗凝劑也不滿足要求時(shí)，應(yīng)選用固體潤(rùn)滑劑。3結(jié)構(gòu)條件及環(huán)境特點(diǎn)垂直潤(rùn)滑面、開(kāi)式齒輪、鏈條等應(yīng)采用高黏度油或潤(rùn)滑脂或固體潤(rùn)滑劑以保持較好的附著性。多塵、潮濕環(huán)境條件下，宜采用抗水的鈣基、鋰基或鈉基潤(rùn)滑脂。在酸堿化學(xué)介質(zhì)環(huán)境及真空、輻射條件下宜采用固體潤(rùn)滑劑。第四節(jié) 流體摩擦潤(rùn)滑一、流體動(dòng)力潤(rùn)滑液體動(dòng)力潤(rùn)滑的工作原理 A、B兩板間形成楔形間隙；B板以速度V移動(dòng)，把潤(rùn)滑油從間隙的大端帶向小端；設(shè)液體是不可壓縮，板寬度無(wú)窮大，油不能沿z方向流動(dòng)；油在入口處流速呈凹形拋物線狀，在出口處流速呈凸形拋物線狀；從入口端到出口端必然有某個(gè)截面處壓力最大；承載區(qū)油膜壓力分布如圖所示，B板的速度越大，油的黏度越大，則油楔內(nèi)的壓力越高。 獲得流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本條件：（1）兩板間沿運(yùn)動(dòng)方向的間隙必須成楔形。（2）必須有足夠的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，其速度方向應(yīng)使?jié)櫥蛷男ㄐ未罂诹魅耄瑥男】诹鞒?。?）潤(rùn)滑油應(yīng)