《機(jī)械設(shè)計(jì)》課件第4章

第4章摩擦、磨損及潤滑概述

4.1摩擦4.2磨損4.3潤滑劑和潤滑方法4.4流體潤滑原理簡介習(xí)題4.1摩擦

摩擦分內(nèi)摩擦和外摩擦兩大類。發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部，阻礙分子間相對運(yùn)動(dòng)的摩擦稱為內(nèi)摩擦；相互接觸的兩個(gè)物體作相對運(yùn)動(dòng)或有相對運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí)，在接觸表面上產(chǎn)生的阻礙相對運(yùn)動(dòng)的摩擦稱為外摩擦。僅有相對運(yùn)動(dòng)趨勢的摩擦稱為靜摩擦；相對運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦稱為動(dòng)摩擦。按性質(zhì)不同，動(dòng)摩擦又可分為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦，兩者的機(jī)理和規(guī)律完全不同，本章僅討論滑動(dòng)摩擦。

根據(jù)摩擦面之間摩擦狀態(tài)的不同，滑動(dòng)摩擦又分為干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦和混合摩擦，如圖4-1所示。圖4-1滑動(dòng)摩擦的分類4.1.1干摩擦

干摩擦是指摩擦表面之間無任何潤滑劑或保護(hù)膜而直接接觸的純凈表面間的摩擦。在工程實(shí)際中，并不存在真正的干摩擦，因?yàn)槿魏瘟慵砻娌粌H會(huì)因氧化而形成氧化膜，而且或多或少會(huì)被潤滑劑所濕潤，機(jī)械設(shè)計(jì)中，通常將未經(jīng)人為潤滑的摩擦狀態(tài)當(dāng)做干摩擦處理。干摩擦的摩擦性質(zhì)取決于配對材料的性質(zhì)，其摩擦阻力大，摩擦功耗大，零件磨損嚴(yán)重，使用壽命縮短，應(yīng)盡量避免。4.1.2邊界摩擦

潤滑油中的脂肪酸是一種極性化合物，其分子的一端帶有強(qiáng)電荷的極性團(tuán)，對金屬表面有垂直取向的特性，能牢固地吸附在金屬表面上。單分子膜吸附在金屬表面上的示意圖如圖4-2(a)所示。這些單分子膜整齊地成橫向排列，很像一把刷子。邊界摩擦類似兩把刷子間的摩擦，其模型如圖4-2(b)所示。吸附在金屬表面上多層分子邊界膜的摩擦模型如圖4-2(c)所示。分子層距金屬表面越遠(yuǎn)，吸附能力越弱，剪切強(qiáng)度越低，若干層后就不再受約束。比較牢固地吸附在金屬表面上的分子膜稱為邊界膜，這種摩擦狀態(tài)稱為邊界摩擦。邊界膜按其形成機(jī)理分為吸附膜和反應(yīng)膜。圖4-2邊界膜摩擦模型吸附膜又分為物理吸附膜和化學(xué)吸附膜。潤滑油中脂肪酸的極性分子牢固地吸附在金屬表面上，形成定向排列的分子?xùn)欧Q為物理吸附膜。潤滑油中活性分子受化學(xué)鍵力作用而貼附在金屬表面上所形成的吸附膜稱為化學(xué)吸附膜。吸附膜的吸附強(qiáng)度隨溫度升高而下降，達(dá)到一定溫度后，吸附膜發(fā)生軟化、失向和脫吸現(xiàn)象，從而使?jié)櫥饔孟陆担p率和摩擦系數(shù)都將迅速增加。這種邊界膜的潤滑性能通常稱為潤滑油的油性。反應(yīng)膜是潤滑油中含有以原子形式存在的硫、氯、磷時(shí)，在較高的溫度(通常在150~200℃)下，這些元素與金屬起化學(xué)反應(yīng)而生成硫、氯、磷的化合物(如硫化鐵)在油與金屬界面處形成的薄膜。這種反應(yīng)膜具有低剪切強(qiáng)度和高熔點(diǎn)，它比前兩種吸附膜更穩(wěn)定，它的承載能力高，極壓性能好，適宜于在中等載荷、速度和溫度條件下應(yīng)用。這種邊界膜的潤滑性能通常稱為潤滑油的極壓性。

邊界膜極薄，一個(gè)分子的長度約為0.002μm，若邊界膜為10層分子的厚度，則其膜也僅為0.02μm；若表面粗糙度值為0.4，則其Ra值約為0.4μm，故邊界膜的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩摩擦表面的粗糙度之和。所以邊界摩擦?xí)r，不能完全避免金屬的直接接觸，這時(shí)仍有微小的摩擦力產(chǎn)生，其摩擦系數(shù)通常為0.1左右。

合理選擇摩擦副材料和潤滑劑，降低表面粗糙度值，在潤滑油中加入適量的油性添加劑和極壓添加劑，都能提高邊界膜的強(qiáng)度。4.1.3混合摩擦隨著摩擦面間油膜厚度的增大，表面微凸體直接接觸的面積減少，油膜承載的比例增大。研究表明，在混合摩擦?xí)r，可用膜厚比λ來估計(jì)微凸體與油膜各自分擔(dān)載荷的情況：(4-1)

式中：hmin——兩表面間的最小公稱油膜厚度，單位為μm；

Rq1、Rq2——兩表面的輪廓均方根偏差，單位為μm。

Rq=(1.20~1.25)Ra，Ra為表面輪廓的表面粗糙度值，單位為μm。當(dāng)λ<0.4時(shí)，為邊界摩擦，載荷完全由微凸體承擔(dān)；當(dāng)0.4≤λ≤3.0時(shí)，為混合摩擦；隨著λ值的增大，油膜承擔(dān)載荷的比例也增大，當(dāng)λ=1時(shí)，微凸體所承擔(dān)的載荷約為總載荷的30%，所以在一定條件下，混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系數(shù)要比邊界摩擦?xí)r小得多，但因表面間仍有微凸體直接接觸，不可避免地仍有磨損存在；當(dāng)λ>3~5后，則為流體摩擦。4.1.4流體摩擦

當(dāng)摩擦面間的油膜厚度達(dá)到足以將兩工作表面的微凸體完全分開(即λ>3~5)時(shí)，即形成了完全的流體摩擦。此時(shí)的摩擦系因?yàn)榱黧w內(nèi)粘滯阻力或流變阻力引起的內(nèi)摩擦，所以摩擦系數(shù)極小(油潤滑時(shí)約為0.001~0.008)，而且不會(huì)有磨損產(chǎn)生，是理想的摩擦狀態(tài)。4.2磨損

4.2.1磨損過程分析

摩擦導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移，即形成磨損。磨損會(huì)改變零件的尺寸和形狀，降低零件工作的可靠性，影響機(jī)器的效率，甚至導(dǎo)致機(jī)器提前報(bào)廢。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如何避免或減緩磨損，以保證機(jī)器達(dá)到預(yù)期的壽命。磨損量可用體積、重量或厚度來衡量，通常把單位時(shí)間內(nèi)材料的磨損量稱為磨損率，用ε表示。磨損率是研究磨損的重要參數(shù)。耐磨性是指磨損過程中材料抵抗脫落的能力，通常用磨損率的倒數(shù)表示。另外也應(yīng)當(dāng)指出，磨損不都是有害的，工程上也有不少利用磨損作用的場合，如精加工中的磨削及拋光，機(jī)器的“磨合”過程等都是磨損有利的一面。在一定的摩擦條件下，一個(gè)零件的磨損過程大致可分為三個(gè)階段，即跑和磨損階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段，如圖4-3所示。

跑合又稱為磨合，是指機(jī)器使用前或使用初期以改善機(jī)器零件的適應(yīng)性、表面形狀和摩擦相容性為特征的運(yùn)行過程。由于機(jī)加工后的表面總有一定的粗糙度，磨合階段初期，只有很少的微凸體接觸，摩擦副實(shí)際接觸面積較小，壓強(qiáng)較大，故磨損速度快。隨著磨合進(jìn)行，實(shí)際接觸面積增大，磨損速度逐漸減緩。磨合期應(yīng)由輕至重緩慢加載，并注意油的清潔，防止雜物進(jìn)入摩擦面之間而造成嚴(yán)重磨損和劇烈發(fā)熱。磨合是磨損的不穩(wěn)定階段，在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)其所占的比率很小。磨合階段結(jié)束，潤滑油應(yīng)全部更新。圖4-3磨損過程穩(wěn)定磨損階段內(nèi)，摩擦條件相對穩(wěn)定，零件在平穩(wěn)而緩慢的速度下磨損，磨損曲線的斜率近似為一常數(shù)，斜率越小，磨損率越小。穩(wěn)定磨損階段的工作時(shí)間即為零件的使用壽命，磨損率越小，零件的使用壽命越長。

經(jīng)過穩(wěn)定磨損階段后，零件的表面遭到破壞，運(yùn)動(dòng)副中的間隙增大，引起額外的動(dòng)載荷，潤滑狀態(tài)惡化，磨損速度急劇增大，從而產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊和噪音，致使零件迅速報(bào)廢，稱為劇烈磨損階段。此時(shí)必須停機(jī)，更換零件。

由此可見，設(shè)計(jì)或使用機(jī)器時(shí)，應(yīng)力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損期的到來。為此就必須對形成磨損的機(jī)理有所了解。4.2.2磨損的基本類型

目前關(guān)于磨損尚無統(tǒng)一的分類方法，大體可概括為兩類：一類是根據(jù)磨損結(jié)果著重對磨損表面外觀的描述，如點(diǎn)蝕磨損、膠合磨損、擦傷磨損等；另一類是根據(jù)磨損機(jī)理來分類，如粘附磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損等。現(xiàn)按后一種分類對磨損的基本類型進(jìn)行簡要說明。

1.粘附磨損

由于零件表面接觸時(shí)，實(shí)際上只有少數(shù)凸起的峰頂在接觸，因受壓力而產(chǎn)生彈塑性變形，導(dǎo)致摩擦表面的吸附膜和臟污膜破壞，同時(shí)因摩擦而產(chǎn)生高溫，造成基體金屬的“焊接”現(xiàn)象，使接觸峰頂牢固地粘著在一起。當(dāng)摩擦表面發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，材料便從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面，形成粘附磨損。這種被遷移的材料，有時(shí)也會(huì)再附著到原先的表面上去，出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)移，或脫離所粘附的表面而成為游離顆粒。載荷越大，表面溫度越高，粘附現(xiàn)象越嚴(yán)重。嚴(yán)重的粘附磨損會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副咬死。這種磨損是金屬摩擦副之間最普遍的一種磨損形式。為了減輕粘附磨損，可采取以下措施：

(1)合理選擇配對材料。相同的金屬互溶性強(qiáng)，比不同的

金屬粘著傾向大；多相金屬比單相金屬粘著傾向小；脆性材料比塑性材料的抗粘著能力強(qiáng)；進(jìn)行表面處理(如表面熱處理、電鍍、噴涂等)可防止粘附磨損的發(fā)生。

(2)限制摩擦表面的溫度，采取合適的散熱措施，防止油膜破裂及金屬發(fā)生熔焊。

(3)采用含油性和極壓添加劑的潤滑油。

(4)控制表面壓強(qiáng)。

2.磨粒磨損

外部進(jìn)入摩擦面間的游離硬質(zhì)顆粒(如塵土或磨損造成的金屬微粒)或堅(jiān)硬的輪廓峰尖，在較軟的材料表面上犁刨出很多溝紋而引起材料脫落的現(xiàn)象，這樣的微切削過程稱為磨粒磨損。磨粒磨損與摩擦副材料的硬度和磨粒的硬度有關(guān)。

3.疲勞磨損

在變接觸應(yīng)力的作用下，如果該應(yīng)力超過材料相應(yīng)的接觸疲勞極限，就會(huì)在摩擦副表面或表面以下一定深度處產(chǎn)生疲勞裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展與相互連接，就會(huì)造成金屬微粒從零件工作表面上脫落，導(dǎo)致表面出現(xiàn)麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象，即形成疲勞磨損(或稱疲勞點(diǎn)蝕)。為了提高零件表面的疲勞壽命，除應(yīng)合理選擇摩擦副材料外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)合理選擇零件接觸面的表面粗糙度。一般情況下表面粗糙度值越小，疲勞壽命越長。

(2)合理選擇潤滑油的粘度。粘度低的潤滑油易滲入裂縫，加速裂紋擴(kuò)展；粘度高的潤滑油有利于接觸應(yīng)力均勻分布，提高抗疲勞磨損的能力。在潤滑油中加入極壓添加劑，可提高接觸表面的抗疲勞性能。

(3)合理選擇零件接觸面的硬度。以軸承鋼為例，硬度為62HRC時(shí)，抗疲勞磨損的能力最高，增加或降低表面硬度，壽命均有較大的降低。

4.腐蝕磨損

在摩擦過程中，摩擦表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損，即腐蝕與磨損同時(shí)起作用的磨損稱為腐蝕磨損。摩擦表面與環(huán)境中有腐蝕性的液體、氣體或與潤滑油中殘存的少量無機(jī)酸和水分發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用，會(huì)在相對運(yùn)動(dòng)中造成表面材料損失。

除以上四種基本磨損類型外，還有一些磨損現(xiàn)象可視為是基本磨損類型的派生或復(fù)合，如微動(dòng)磨損和沖蝕磨損。微動(dòng)磨損發(fā)生在名義上相對靜止，而實(shí)際上存在著切向相對微振的兩個(gè)緊密接觸的表面上(如軸和孔的過盈配合面、螺紋聯(lián)接、花鍵聯(lián)接等)，這種相對微幅滑移是在循環(huán)變應(yīng)力或振動(dòng)條件下，由兩接觸面上產(chǎn)生的彈性變形差異而引起的。由于兩接觸表面緊密配合，磨粒不易排出，因此在結(jié)合面間產(chǎn)生了磨料作用，引起磨粒磨損。

沖蝕磨損是指由流動(dòng)的液體或氣體中所夾帶的硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒作用，或流體本身的沖蝕作用引起的機(jī)械磨損。這種磨損形式常發(fā)生在流體機(jī)械及管道輸送系統(tǒng)中，如水泵零件、水輪機(jī)葉片和船舶螺旋槳等。4.3潤滑劑和潤滑方法

4.3.1潤滑劑

在摩擦表面之間加入潤滑劑不僅可以改善摩擦狀態(tài)，減小摩擦，減輕磨損，保護(hù)零件不遭銹蝕，而且在采用循環(huán)潤滑時(shí)，還能起到散熱降溫的作用。此外，由于液體的不可壓縮性，潤滑油膜還具有緩沖、吸振的能力。使用潤滑脂，既可防止內(nèi)部潤滑劑外泄，又可阻止外部雜質(zhì)侵入，避免零件的磨損加劇，起到密封的作用。潤滑劑可分為液體潤滑劑、半固體潤滑劑、固體潤滑劑和氣體潤滑劑四種基本類型。其中以液體潤滑劑應(yīng)用最為廣泛。半固體潤滑劑主要是指各種潤滑脂，它是潤滑油和稠化劑的穩(wěn)定混合物。固體潤滑劑是任何可以形成固體膜以減小摩擦阻力的物質(zhì)，如石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。任何氣體都可以作為氣體潤滑劑，其中用得最多的是空氣，它主要用于高速輕載場合，如磨床高速磨頭的空氣軸承。

1.潤滑油

液體潤滑劑中應(yīng)用最廣泛的是潤滑油，包括有機(jī)油、礦物油和合成油。有機(jī)油主要是動(dòng)植物油，含有較多的硬脂肪酸，邊界潤滑時(shí)有很好的潤滑性能，但來源有限，價(jià)格較高，穩(wěn)定性較差，所以使用不多，常作為添加劑使用。礦物油主要是石油產(chǎn)品，來源廣泛，成本低，穩(wěn)定性好，粘度大小范圍寬，防腐蝕性強(qiáng)，故應(yīng)用最多。合成油是通過化學(xué)合成方法制成的新型潤滑油，它能滿足礦物油所不能滿足的某些特殊要求，如高溫、低溫、高速以及重載等，主要針對某種特殊需要而生產(chǎn)，適用面窄，成本高，故一般機(jī)器中很少使用。礦物油類的潤滑油按使用場合分為全損耗系統(tǒng)用油(A)，齒輪油(C)，壓縮機(jī)油(D)，內(nèi)燃機(jī)油(E)，液壓油(H)，主軸、軸承和離合器油(F)等19組，根據(jù)用途每大類又可分為若干種。每種潤滑油又按質(zhì)量、使用條件和用途分為幾個(gè)等級，每級有不同的牌號(hào)。

無論哪類、哪級潤滑油，從潤滑的角度考慮，主要根據(jù)以下幾個(gè)指標(biāo)評判它們的優(yōu)劣。

1)粘度

粘度即液體抵抗變形的能力，它標(biāo)志著液體流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦阻力的大小。粘度越大，內(nèi)摩擦阻力越大，流動(dòng)性越差。它是潤滑油最重要的物理性能指標(biāo)之一，常用的表示方法有三種。

(1)動(dòng)力粘度。如圖4-4所示，在兩個(gè)平行平板間充滿具有一定粘度的潤滑油，若平板A以速度v移動(dòng)，另一平板B靜止不動(dòng)，那么粘性流體流動(dòng)模型可看成是許多極薄的流體層之間的相對滑動(dòng)。由于油分子與平板表面的吸附作用，將使緊貼A板的油層以同樣的速度u(u=v)隨A板移動(dòng)，而緊貼B板的油層則靜止不動(dòng)(u=0)，于是形成各油層間的相對滑移，在各層的界面上就存在有相應(yīng)的剪切應(yīng)力。各油層的流速沿y方向逐次減小。牛頓在1687年提出粘性液的摩擦定律(簡稱粘性定律)：在流體中任意點(diǎn)處的切應(yīng)力均與該處流體的速度梯度成正比，即(4-2)圖4-4平行平板間液體的層流流動(dòng)式中：η——比例常數(shù)，即流體的動(dòng)力粘度；

τ——流體單位面積上的剪切阻力(單位為MPa)，即切應(yīng)力；

——流體沿垂直運(yùn)動(dòng)方向(即圖4-4中y軸方向或流體膜厚度方向)的速度梯度；“-”——u隨y的增大而減小。摩擦學(xué)中把凡是服從這一粘性定律的流體都稱為牛頓液體。

國際單位制(SI)中動(dòng)力粘度的單位是Pa·s。如圖4-5所示長、寬、高各為1m的液體，上、下面發(fā)生1m/s的相對滑動(dòng)速度需要的切向力為1N時(shí)，該液體的動(dòng)力粘度為1N·s/m2或1Pa·s(帕·秒)。絕對單位制(G.G.S)中動(dòng)力粘度的單位為dyn·s/cm2，記為P(泊)，常用它的1%作粘度單位，記為cP(厘泊)，即1P=100cP。圖4-5液體的動(dòng)力粘度示意圖

(2)運(yùn)動(dòng)粘度。流體的粘度是用各種不同的儀器測量的，通常不是直接測量流體的動(dòng)力粘度，而是測量動(dòng)力粘度η與同溫度下該液體密度ρ的比值，并稱這個(gè)比值為運(yùn)動(dòng)粘度ν(m2/s)，即(4-3)

式中：η——單位為Pa·s；

ρ——單位為kg/m3，礦物油的密度ρ=850~900kg/m3。在絕對單位制中，運(yùn)動(dòng)粘度的單位是cm2/s，記為St(斯)，其1%為mm2/s，記為cSt(厘斯)，1m2/s=104St=106cSt。國標(biāo)GB/T314—1994規(guī)定，采用40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度中心值作為潤滑油的牌號(hào)。潤滑油實(shí)際運(yùn)動(dòng)粘度在相應(yīng)中心值的±10%偏差以內(nèi)。牌號(hào)數(shù)字越大，粘度越高，則油越稠。常用全損耗系統(tǒng)用油的牌號(hào)及40℃時(shí)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)粘度值見表4-1。

(3)條件粘度(相對粘度)。條件粘度是在一定條件下，利用某種規(guī)格的粘度計(jì)，通過測定潤滑油穿過規(guī)定孔道的時(shí)間來進(jìn)行計(jì)量的粘度。我國常用恩氏度作為條件粘度的單位，即200cm3試驗(yàn)油在規(guī)定溫度(一般為20℃、50℃、100℃)下流過恩氏粘度計(jì)的小孔所需的時(shí)間與同體積蒸餾水在20℃流過同一小孔所需的時(shí)間的比值，以符號(hào)°Et表示，其中腳注t表示測定時(shí)的溫度。美國常用賽氏通用秒(符號(hào)SUS)，英國常用雷氏秒(符號(hào)R)。各種粘度在數(shù)值上的對應(yīng)關(guān)系和換算公式可查閱有關(guān)手冊和資料。

各種流體的粘度，特別是潤滑油的粘度隨溫度的變化十分明顯。由于油的成分及純度的不同，因此很難用一個(gè)解析式來表達(dá)各種潤滑油的粘-溫關(guān)系。圖4-6所示為幾種全損耗系統(tǒng)潤滑油的粘-溫曲線。潤滑油粘度受溫度影響的程度可用粘度指數(shù)(VI)表示。粘度指數(shù)值越大，表示粘度隨溫度的變化越小，即粘-溫性能越好。圖4-6幾種全損耗系統(tǒng)潤滑油的粘-溫曲線壓力對流體的影響有兩個(gè)方面。一是流體的密度隨壓力的增高而增大，不過對于所有的潤滑油而言，當(dāng)壓力在100MPa以下時(shí)，每增加20MPa的壓力，油的密度才增加1%，這種影響非常小，可不予考慮。二是壓力對流體粘度的影響，這只有在壓力超過20MPa時(shí)，粘度才隨壓力的增高而增大，高壓時(shí)則更為顯著。在一般的潤滑條件(壓力不超過20MPa)下,也同樣不予考慮，但在彈性流體動(dòng)力潤滑中，這種影響就變得十分重要，不可不加考慮。

潤滑油的粘度大小不僅直接影響摩擦副的運(yùn)動(dòng)阻力，而且對潤滑油膜的形成及承載能力有決定性作用。這是流體潤滑中一個(gè)極為重要的因素。

2)潤滑性

潤滑性(油性)是指潤滑油中極性分子與金屬表面吸附形成邊界油膜以減少摩擦和磨損的性能。油膜與金屬表面的吸附能力越強(qiáng)，潤滑性越好。在低速、重載或潤滑不充分的場合，潤滑性具有特別重要的意義。

3)極壓性

極壓性是指潤滑油中加入含硫、磷、氯的有機(jī)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(xué)反應(yīng)邊界膜的性能。在重載、高速、高溫條件下，極壓性可改善邊界潤滑性能。

4)閃點(diǎn)

油在標(biāo)準(zhǔn)儀器中加熱所蒸發(fā)的油氣，一遇火焰即能發(fā)出閃光時(shí)的最低溫度，稱為油的閃點(diǎn)。它是衡量油的易燃性的指標(biāo)。對于高溫下工作的機(jī)器，這是衡量潤滑油的一個(gè)十分重要的指標(biāo)。通常應(yīng)使工作溫度比油的閃點(diǎn)低20～30℃。

5)凝點(diǎn)

凝點(diǎn)是指潤滑油在規(guī)定條件下不能再自由流動(dòng)時(shí)的最高溫度。它是衡量潤滑油低溫性能的重要指標(biāo)，直接影響到機(jī)器在低溫下的啟動(dòng)性能和磨損情況。通常工作環(huán)境的最低溫度應(yīng)比潤滑油的凝點(diǎn)高5～7℃。

6)氧化穩(wěn)定性

從化學(xué)意義上講，礦物油是很不活潑的，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、磷、氯的酸性化合物。這些酸性化合物是一些膠狀沉積物，不但會(huì)腐蝕金屬表面，而且會(huì)加劇零件的磨損。

2.潤滑脂(半固體潤滑劑)

潤滑脂是在潤滑油中加入稠化劑(如鈣、鋰、鈉的金屬皂)而制成的膏狀混合物，又稱黃油或干油。

按用途的不同，潤滑脂可分為：①抗磨潤滑脂，主要用于改善摩擦副的摩擦狀態(tài)以減緩磨損；②防護(hù)潤滑脂，用于防止零件和金屬制品的腐蝕；③密封潤滑脂，主要用于密封真空系統(tǒng)、管道配件、螺紋聯(lián)接等。根據(jù)調(diào)制潤滑脂所用皂基的不同，潤滑脂可分為：①鈣基潤滑脂，具有良好的抗水性，但耐熱能力差，工作溫度不宜超過55～65℃；②鈉基潤滑脂，具有較高的耐熱性，工作溫度可達(dá)120℃，但抗水性差，它能與少量水乳化，從而保護(hù)金屬表面免遭腐蝕，比鈣基潤滑脂防銹能力強(qiáng)；③鋰基潤滑脂，既能抗水，又耐高溫(工作溫度不宜超過145℃)，有較好的機(jī)械穩(wěn)定性，是一種多用途的潤滑脂；④鋁基潤滑脂，具有良好的抗水性，對金屬表面有很高的吸附能力，可起到很好的防銹作用。潤滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)有以下兩個(gè)。

1)錐入度

潤滑脂在外力作用下抵抗變形的能力稱為錐入度(或稠度)，是潤滑脂的一項(xiàng)重要指標(biāo)。這是指一個(gè)重1.5N的標(biāo)準(zhǔn)錐體，在25℃恒溫下，由潤滑脂表面經(jīng)5s后刺入的深度(以0.1mm計(jì))。它標(biāo)志著潤滑脂內(nèi)阻力的大小和流動(dòng)性的強(qiáng)弱。錐入度越小，表明潤滑脂越稠，越不易從摩擦表面被擠出，承載能力越強(qiáng)，密封性越好，但摩擦阻力越大，且不易填充到較小的摩擦間隙中去。潤滑脂的牌號(hào)就是該潤滑脂的錐入度等級，按錐入度自大到小分0～9號(hào)共10個(gè)牌號(hào)。號(hào)數(shù)越大，錐入度越小，潤滑脂越稠。常用潤滑脂的牌號(hào)為0～4號(hào)。

2)滴點(diǎn)

在規(guī)定的加熱條件下，潤滑脂從標(biāo)準(zhǔn)測量杯的孔口滴下第一滴液態(tài)油時(shí)的溫度稱為潤滑脂的滴點(diǎn)。它決定了潤滑脂的工作溫度。選擇潤滑脂時(shí)，工作溫度至少應(yīng)低于滴點(diǎn)20℃。

與潤滑油相比，潤滑脂的優(yōu)點(diǎn)是密封簡單，不需經(jīng)常添加，載荷、速度及溫度的變化對其影響不大；缺點(diǎn)是摩擦損耗大，機(jī)械效率低，常用于低速、受沖擊載荷或間歇運(yùn)動(dòng)的場合。

3.添加劑

在普通的潤滑劑中加入某些分量雖少(百萬分之幾～百分之幾)但對潤滑劑性能改善起巨大作用的物質(zhì)，這些物質(zhì)稱為添加劑。使用添加劑是現(xiàn)代改善潤滑油性能的重要手段。添加劑很多，大致可分為兩類：①影響潤滑劑物理性能的添加劑，如降凝劑、增粘劑、消泡劑等；②影響潤滑劑化學(xué)性能的添加劑，如極壓抗磨劑、抗氧化劑、油性劑和抗腐蝕劑等。

在重載摩擦副中，常使用極壓抗磨劑，它能在高溫下分解出活性元素，與金屬表面起化學(xué)反應(yīng)，生成一種低剪切強(qiáng)度的金屬化合物薄膜，以增進(jìn)潤滑劑抗粘著的能力。油性劑也稱邊界潤滑添加劑，由極性很強(qiáng)的分子組成，在常溫下也能吸附在金屬表面而形成邊界膜。4.3.2潤滑方法和潤滑裝置

在選定潤滑劑之后，就需采用適當(dāng)?shù)姆椒ê脱b置將潤滑劑送到潤滑部位。潤滑方法及潤滑裝置是構(gòu)成機(jī)器結(jié)構(gòu)的重要一環(huán)，直接關(guān)系到零件在工作時(shí)所處的潤滑狀態(tài)，對提高機(jī)器工作性能及其使用壽命起著極為重要的作用。下面介紹幾種常用的潤滑方法和潤滑裝置。

1.潤滑油潤滑時(shí)的潤滑方法及潤滑裝置

(1)手工加油潤滑。每隔適當(dāng)時(shí)間利用油壺向油孔或油杯內(nèi)注油，或直接加在摩擦面上，這種潤滑方法稱為手工加油潤滑。這種潤滑方法簡單，但維護(hù)工作量較大。由于完全是手工操作，若忘記及時(shí)加油則易造成發(fā)熱磨損，還容易污染潤滑部位。另外，手工加油不能控制油量，送油不均勻，送油的連續(xù)性和油的利用率極差。所以，手工加油潤滑只可用于小型、低速或間歇運(yùn)動(dòng)的摩擦副，如開式齒輪、鏈條等。

(2)滴油潤滑。圖4-7所示的針閥油杯和油芯油杯都可做到連續(xù)滴油潤滑。針閥油杯靠手柄的臥倒或豎立以控制針閥的啟閉，通過調(diào)節(jié)螺母可調(diào)節(jié)滴油速度來改變供油量，并且停車時(shí)只需扳倒上端的手柄即可停止供油。油芯油杯利用油繩的毛細(xì)管和虹吸作用向摩擦面供油，停車時(shí)仍繼續(xù)供油，會(huì)引起浪費(fèi)和污染。這兩種裝置結(jié)構(gòu)簡單，工作較為可靠，但維護(hù)量仍較大，僅次于手工加油潤滑，宜用于數(shù)量不多而又容易靠近的摩擦副上。圖4-7滴油潤滑裝置

(3)油環(huán)潤滑。在軸頸上套一油環(huán)，油環(huán)下部浸在油池中，這種潤滑方法稱為油環(huán)潤滑，如圖4-8所示。當(dāng)軸頸旋轉(zhuǎn)時(shí)，靠摩擦力帶動(dòng)油環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，將油帶到軸頸表面進(jìn)行潤滑。為了防止油環(huán)沿軸向移動(dòng)，可在上軸瓦上制成切口。油環(huán)浸在油池中的深度約為其直徑的1/4。這種潤滑裝置只能用于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和工作穩(wěn)定的水平位置的軸承。供油量和軸的轉(zhuǎn)速、油環(huán)剖面形狀及油的粘度有關(guān)。軸頸速度過高或過低，油環(huán)帶油量都會(huì)不足，通常轉(zhuǎn)速不低于50～60r/min。油環(huán)潤滑裝置結(jié)構(gòu)簡單，供油充分，耗油量小，機(jī)器一啟動(dòng)就能自動(dòng)供油。圖4-8油環(huán)潤滑

(4)油池和飛濺潤滑。這種潤滑方法主要用于閉式減速器、內(nèi)燃機(jī)等處。如圖4-9所示，齒輪以適當(dāng)?shù)纳疃冉胗统兀ぷ鲿r(shí)，浸入油中的齒輪將油帶到摩擦表面。如果齒輪在油面以上，可裝一惰輪來帶油潤滑。油池潤滑適用于齒輪圓周速度小于12m/s或蝸桿圓周速度小于10m/s的情況。飛濺潤滑是利用旋轉(zhuǎn)零件飛濺出來的細(xì)油滴來潤滑摩擦表面的。圖4-9中齒輪減速器中支承齒輪軸的軸承，往往就是借齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)濺起的油霧來進(jìn)行潤滑的。圖4-9油池和飛濺潤滑

(5)壓力循環(huán)潤滑。這是一種完善的自動(dòng)潤滑方法，它是利用油泵以一定的壓力使?jié)櫥徒?jīng)油路系統(tǒng)進(jìn)入摩擦面。壓力循環(huán)潤滑不但潤滑可靠，同時(shí)還可起到冷卻與沖洗的作用。但這種潤滑裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，常用于重載、高速或載荷變化較大等重要的機(jī)器設(shè)備中。

2.潤滑脂潤滑時(shí)的潤滑方法及潤滑裝置

潤滑脂只能間歇性供油，旋蓋式油脂杯(如圖4-10所示)是應(yīng)用最廣泛的潤滑脂潤滑裝置。杯中裝滿潤滑脂后，旋動(dòng)上蓋即可將潤滑脂擠入摩擦表面之間。有的也使用油槍向摩擦面之間注脂。圖4-10旋蓋式油脂環(huán)4.4流體潤滑原理簡介

根據(jù)摩擦面間油膜形成的原理，可把流體潤滑分為流體動(dòng)力潤滑(利用摩擦面間的相對運(yùn)動(dòng)而自動(dòng)形成承載油膜的潤滑)及流體靜力潤滑(從外部將加壓的潤滑油送入摩擦面間，強(qiáng)制形成承載油膜的潤滑)。當(dāng)兩個(gè)受力摩擦表面作相對滾動(dòng)或滾-滑運(yùn)動(dòng)(如滾動(dòng)軸承中滾動(dòng)體與內(nèi)、外滾道之間的接觸，齒輪傳動(dòng)中兩輪齒表面之間的接觸等)時(shí)，若條件合適，也能在接觸處形成承載油膜。這時(shí)，不但接觸處的彈性變形和油膜厚度不容忽視，而且它們還彼此影響，因而把這種潤滑稱為彈性流體動(dòng)力潤滑。4.4.1流體動(dòng)力潤滑

兩個(gè)作相對運(yùn)動(dòng)物體的摩擦表面，用借助于相對速度而產(chǎn)生的粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開，由流體膜產(chǎn)生的壓力來平衡外載荷，稱為流體動(dòng)力潤滑。所用的粘性流體可以是液體(如潤滑油)，也可以是氣體(如空氣等)，相應(yīng)的流體動(dòng)力潤滑稱為液體動(dòng)力潤滑和氣體動(dòng)力潤滑。流體動(dòng)力潤滑的主要優(yōu)點(diǎn)是：摩擦力小，磨損小，并可以緩和振動(dòng)和沖擊。

1.動(dòng)壓油膜形成機(jī)理

下面以作相對運(yùn)動(dòng)的平板為例，介紹流體動(dòng)力潤滑的機(jī)理。

如圖4-4所示的A、B兩平行平板中，上板以速度v相對于下板運(yùn)動(dòng)，沿x方向各截面上各油層的流動(dòng)速度都為同樣的線性分布，在任一時(shí)刻，從平板左端流入的油量與從右端流出的油量相等，平板之間的油未受到擠壓，故油層中不會(huì)產(chǎn)生壓力升高現(xiàn)象，即不會(huì)產(chǎn)生流體動(dòng)壓力。如圖4-11所示，A、B兩板之間構(gòu)成一個(gè)楔形空間，B板不動(dòng)，A板以速度v沿x軸向楔形收斂方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)以上條件，假設(shè)：①潤滑油沿x方向作層流流動(dòng)并為牛頓液體；②潤滑油不可壓縮，粘度為常數(shù)，不隨壓力變化；③兩平板沿z方向無限寬，即潤滑油沿z方向無流動(dòng)；④忽略潤滑油的重力和慣性力；⑤沿油膜厚度方向(y方向)壓力變化忽略不計(jì)。圖4-11作相對運(yùn)動(dòng)平板間油膜的動(dòng)壓分析在潤滑油層中取一個(gè)長、寬、高分別為dx、dy、dz的微單元體進(jìn)行分析，作用在單元體左、右兩側(cè)面上的壓力分別為和pdydz，上、下兩面所受的剪切力分別為τdxdz和，根據(jù)x方向力系平衡條件，得整理后得

(4-4)根據(jù)假設(shè)①，將式(4-2)代入式(4-4)，得

(4-5)

將式(4-5)u對y兩次積分，可得

(4-6)

由邊界條件y=0時(shí)u=v，y=h時(shí)u=0，可確定積分常數(shù)c1、c2，代入式(4-6)，可得任一油層的流速為

(4-7)

式(4-7)表示油膜中油的速度沿油膜厚度h的分布規(guī)律。速度u由兩部分組成：第一部分表示速度呈線性分布(如圖4-12(b)中的虛線所示)，這是直接由平板運(yùn)動(dòng)所引起的，與壓力無關(guān)，稱為剪切流；第二部分表示速度呈二次拋物線分布(如圖4-12(b)中的曲線所示)，這是由油壓沿x方向的變化，使油膜受到擠壓而引起的，稱為壓力流。油膜中實(shí)際速度分布是剪切流與壓力流的疊加。圖4-12收斂楔形油層中速度與壓力的分布由速度分布方程式(4-7)，可求得無端泄條件下潤滑油在單位時(shí)間流經(jīng)任意截面上單位寬度面積的流量qx為

(4-8)

設(shè)油膜壓力最大處(即處)的油膜厚度為h0，代入式(4-8)可得該截面的流量為(4-9)根據(jù)流量連續(xù)條件，由假設(shè)②知，在沿x方向任何截面上qx都應(yīng)相等，即qx=常數(shù)，整理可得

(4-10)

式(4-10)就是流體動(dòng)力潤滑中著名的一維雷諾方程式，由該式可知，油膜壓力分布與潤滑油的粘度、表面相對滑動(dòng)速度及油膜厚度的變化有關(guān)。它是計(jì)算液體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的基本方程。

2.油膜承載機(jī)理在圖4-12中，油壓分布曲線表示油膜壓力沿x方向的分布，各點(diǎn)油膜壓力之和即為油膜的承載能力。在正常工作情況下，油膜承載能力應(yīng)與外載荷F相平衡。由式(4-10)可以看出，油膜承載能力的建立必須滿足以下條件：

(1)兩相對滑動(dòng)表面間要形成收斂楔形；

(2)兩平板間要有足夠大的相對滑動(dòng)速度，且在一定范圍內(nèi)，油膜承載與滑動(dòng)速度成正比關(guān)系；

(3)潤滑油要有一定的粘度，粘度越大，承載能力也越大，同時(shí)要保證充足的供油量。由圖4-12和式(4-5)可知，當(dāng)h=h0時(shí)，，油壓p=pmax；當(dāng)h>h0時(shí)，，即油膜壓力隨x的增大而增大；當(dāng)h<h0時(shí)，，即油膜壓力隨x的增大而減小。這表示收斂油楔內(nèi)各處的油壓均大于入口和出口的油壓，所以產(chǎn)生正壓力以承受外載荷。如果兩板平行，即h≡h0，則，表示壓力處處相等，因此不能產(chǎn)生高于外界的油壓，所以也就不能承受外載荷。

另外，油膜的壓力可隨外載荷的變化自行調(diào)整。當(dāng)外載荷增大時(shí)，移動(dòng)平板A下移，油膜厚度減小，從而使油壓增加，達(dá)到新的平衡；當(dāng)外載荷減小時(shí)，在油壓作用下，移動(dòng)平板A上移，油膜厚度增大，以使油壓降低與外載荷平衡。4.4.2流體靜力潤滑

流體靜力潤滑是靠液壓泵將加壓后的流體送入兩摩擦表面之間，利用流體靜壓力來平衡外載荷的。圖4-13為典型的流體靜力潤滑系統(tǒng)示意圖，由液壓泵將潤滑油加壓，通過補(bǔ)償元件送入摩擦件的油腔，潤滑劑再通過油腔周圍的封油