机械设计第二章摩擦磨损润滑

机械设计万小利博士、教授2006.02第二章摩擦、磨损及润滑基础知识第一节概述摩擦学:专门研究作相对运动和相互作用两表面间的摩擦、磨损和润滑问题。是有关摩擦、磨损和润滑科学的总称。有用摩擦：利用摩擦传递动力或吸收能量起缓冲阻尼作用。应采用耐磨材料副。有害摩擦：造成能量损耗、效率降低、温度升高、表面磨损。应采用减摩材料和减摩措施。磨损是摩擦的必然结果，在失效的机械零件中，大约有80%是由于各种形式的磨损造成的。润滑是改善表面摩擦状态、减缓磨损最有效的方法。1、表面形貌在工程中使用的金属表面，都不是理想的光滑表面，尽管宏观上看上去大都很光滑，但微观上看，实际表面凹凸不平。一、表面性质金属表面性质主要包括两方面的内容：表面形貌和表面组成。第二节表面性质及表面接触表面形貌指金属表面几何特征的详细图形表面形貌中的三个主要参量(表征)：表面粗糙度指细密空间的不规则性跳动，反映的是金属表面微观几何形状误差。它体现了表面加工方法的固有特性。表面波度指较大空间内周期性出现的不规则性波动。往往是因为机床刀具或工件振动的结果。形状误差实际表面形状偏离名义表面形状的偏差。在表面形貌分析中，通常是不考虑的。表面粗糙度表面波度表面形状实际轮廓表面粗糙度对材料表面性质影响最大，通常用轮廓算术平均偏差Ra值的大小来度量金属表面的粗糙程度。niilynxxylR10a1d)(12、表面组成金属表面在切削加工过程中表层组织结构将发生变化，使表面由若干层次构成，典型的金属表面结构如图所示。金属表面的组成指表层结构和其物理化学机械性质。表面吸附膜——决定金属表面的润滑特性（边界润滑）（边界膜）表面氧化膜——决定金属表面的摩擦磨损特性变形层和贝氏层——决定金属表面强度研究两金属表面的摩擦磨损过程时，首先是了解它们之间的接触状况。一般经过机械加工的金属表面，都有一定的粗糙度。二、表面接触因此，两摩擦表面在相互接触时，实际只是个别的微凸体之间接触。二、表面接触实际表面的接触情况：a)许多微凸体接触，实际接触面积较小。b)受载后，参与接触的微凸体数目增加。金属表面的实际接触面积非常小，通常只是名义面积的1%到0.01%，视载荷的大小和表面的粗糙程度而定。表面接触的一些结论：表面微凸体大小、高度不等，接触时一部分弹性变形，一部分塑性变形，这两部分的比例与载荷的大小和表面特性有关。由于实际接触面积非常小，所以接触面积上的应力非常大，因此，大多数摩擦表面都存在着大量的塑性变形微凸体。实际接触面积随着法向载荷的增大而增大，它的增大主要体现在接触点的数量增加，而各个接触点因弹性和塑性变形而使接触面积的增加是次要的。第三节摩擦在外力作用下，相互接触的两个物体作相对运动或有相对运动的趋势时，其接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一现象叫做摩擦，这时所产生的阻力叫做摩擦力。摩擦可分为两大类：一类是发生在物质内部，阻碍分子间相对运动的内摩擦；另一类是在物体接触表面上产生的阻碍其相对运动的外摩擦。外摩擦静摩擦动摩擦动摩擦滑动摩擦滚动摩擦表面摩擦状态干摩擦液体摩擦（液体润滑）边界摩擦（边界润滑）混合摩擦（混合润滑）（润滑状态）一、干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。在机械设计中，通常将两接触表面没有人为引入润滑剂的摩擦当作干摩擦。干摩擦时，摩擦阻力最大，金属间的摩擦系数f=0.15~1.5。古典摩擦理论（阿蒙顿，库仑）摩擦力F与正压力FN成正比F=fFN古典摩擦理论有一定的局限性，例如，法向力很大的时候，实际接触面积接近名义接触面积，摩擦力和法向力就不再成线性关系。摩擦力F与表面名义接触面积的大小无关F静F动，且F动与v无关机械啮合理论库仑理论分子作用理论能量理论粘着摩擦理论犁沟理论分子—机械理论等……干摩擦理论（表面接触数学模型）：鉴于古典摩擦理论的局限性，人们进一步研究有关摩擦的机理，并形成了很多干摩擦理论：1、机械啮合理论认为摩擦起源于表面粗糙度，摩擦力是表面微凸体机械啮合力的总和。滑动摩擦中能量损耗于微凸体的相互啮合、碰撞以及弹性变形。2、分子作用理论认为分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的起因，摩擦力是由摩擦表面分子间的相互吸引力形成的。4、分子—机械理论（摩擦二项式定律）认为滑动摩擦是克服表面微凸体的机械啮合和分子吸引力的过程，因而摩擦力就是接触面积上的分子和机械作用所产生的阻力总和。其摩擦系数的表达式为：NrFAf式中：为与表面分子特性有关的参数;.为与表面机械特性有关的参数;Ar为实际接触面积;FN为法向载荷分子—机械理论考虑的因数较多，比较符合实验的结果。能非常好地适用于边界润滑及某些干摩擦状态。3、粘着摩擦理论粘着理论认为：摩擦表面处于塑性接触的状态；滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程；摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。表面承载接触——小接触面积——高应力——塑性变形——冷焊粘着——相对运动——剪断——摩擦磨损表面承载接触——较硬表面微凸体——相对运动——在较软表面上犁出犁沟在简单粘着理论中摩擦系数f的表达式则为：较软材料受压屈服极限较软材料剪切强度极限scBscrBrNAAFFf简单粘着理论由于在分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限，而在计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限，没有考虑由法向载荷产生的压应力及由切向力产生的切应力的联合作用，因此得出的滑动摩擦系数与实测结果有很大的出入，为此，Bowden等人于1964年又提出了一种更切合实际的修正粘着理论。可参考有关资料。二、边界摩擦（边界润滑）指两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质与液体的黏度无关，只与边界膜和表面的吸附性质有关。虽然边界润滑不能完全避免金属间的直接接触，但可以大大地减小摩擦力，一般摩擦系数f=0.1左右。边界润滑动画单层分子边界膜模型单层分子边界膜摩擦边界膜按形成的机理，分为吸附膜（物理吸附膜和化学吸附膜）和反应膜。润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固地吸附在金属表面上，就形成物理吸附膜。润滑剂中分子受化学键力作用而吸附在金属表面上，就形成化学吸附膜。反应膜是当润滑剂中含有以原子形式存在的硫、氯、磷时，它们与金属表面进行化学反应而生成的薄膜。这种反应膜与金属表面接合牢固，强度高，熔点高，比前两种膜都更稳定，可在十分苛刻的条件下保护金属表面不发生粘着。三、液体摩擦（液体润滑）当摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面完全隔开，即形成了完全的液体摩擦。这时，润滑剂中的分子已大都不受金属表面吸附作用的支配而自由移动，摩擦只发生在液体内部的分子之间，所以摩擦系数极小，大约f=0.0010.008，而且不会有粘着磨损产生，是理想的摩擦状态。液体摩擦动画四、混合摩擦（混合润滑）当摩擦表面间处于边界摩擦和液体摩擦的混合状态时称为混合摩擦。在一定条件下，混合摩擦能有效地降低摩擦阻力，其摩擦系数要比边界摩擦时小得多，大约f=0.010.08，但因仍有金属的直接接触，所以不可避免地仍有磨损存在。混合摩擦动画第四节磨损磨损是表面物质在摩擦过程中不断损失的现象，是伴随摩擦而产生的必然结果。磨损会消耗材料，降低运转精度，影响寿命和可靠性。但磨损并非都是有害的，如机械的跑合、利用磨损原理进行的加工（研磨、抛光）等。一般磨损的过程一、一般磨损的过程机械零件的一般磨损过程大致分为三个阶段跑合阶段新的摩擦副表面较粗糙，在10%50%的额定载荷下进行试运转，使摩擦表面的微凸体被磨平，实际接触面积逐步增大，压强减小，磨损速度在跑合开始阶段很快，然后减慢。跑合阶段对新的机械是十分必要的。稳定磨损阶段经过跑合，摩擦表面逐步被磨平，微观几何形状发生改变，建立了弹性接触的条件，进入稳定磨损阶段，零件的磨损速度减慢，它表征零件正常工作寿命的长短。急剧磨损阶段经过长时间的稳定磨损阶段，积累了较大的磨损量，零件开始失去原来的运动轨迹，磨损速度急剧增加，间隙加大，精度降低，效率减小，出现异常的噪声和振动，最后导致零件失效。从磨损过程的变化来看，为了提高零件的使用寿命，在设计或使用机械时，应力求缩短跑合期，延长稳定磨损期，推迟急剧磨损期的到来。若设计不当或工作条件恶化，则不能建立稳定磨损阶段，在短暂的跑合后，就立即进入急剧磨损阶段，使零件很快损坏，要力求避免。一般磨损过程图二、磨损的分类机械零件的磨损，按磨损机理主要分为四种：1、粘着磨损机理：材料转移。发生场合：重载和高速高温下油膜或边界膜破裂，金属直接接触，硬度不足。程度：轻微磨损、涂抹、擦伤、胶合。2、磨粒磨损机理：机械刻划作用。发生场合：有较硬杂质产生的场合，如密封不良、硬表面粗糙度大、润滑油过滤不严等。3.表面疲劳磨损（点蚀）机理：表面接触疲劳或硬化层剥落。发生场合：交变载荷和油楔作用下。4.腐蚀磨损机理：氧化、气蚀、化学腐蚀等。发生场合：有腐蚀性的氛围下相对运动。微动磨损机理：微量相对滑动发生场合：微量振动接触表面三、减轻磨损的途径⑴正确选择摩擦副的材料⑵采用合适的润滑方式和润滑剂(静压液体润滑与动压液体润滑、添加剂)⑶采用表面耐磨处理（提高表面硬度、表面喷丸）⑷在结构设计中要考虑耐磨问题⑸正确使用和维护（润滑油过滤、密封防尘、定期保养）第五节润滑剂润滑：向承载的两摩擦表面间引入润滑剂，形成润滑膜。减小摩擦，减轻磨损传递动力缓冲吸振、减震散热密封清除污染防锈润滑的作用：一、润滑剂的分类润滑剂的种类：固体（石墨、二硫化钼、尼龙等）半固体（各种润滑脂）液体（各种润滑油、水、液态金属等）气体（空气、氦气、氮气等）二、润滑剂的主要质量指标在机械设计中，最常用的润滑剂是润滑油和润滑脂。黏度指润滑油抵抗剪切变形的能力，它标志着油液内部产生相对运动时内摩擦阻力的大小。牛顿定律：两层流液体之间的切应力与其速度梯度成正比。dzud：动力粘度（单位Pa•S）（Ns/m2）1、润滑油的主要质量指标τ——油层间剪切应力，N/m2dzdu——速度梯度，s-1黏度的度量如动力黏度、运动黏度υν、恩氏黏度˚Et等。在国际单位制中，动力黏度的单位是Ns/m2（即，Pas单位名称为帕秒）在厘米克秒制中，动力黏度的单位是dyns/cm2（即P，单位名称为泊）其物理意义是：流体中相距1cm、面积各为1cm2的两流层，彼此以1cm/s的速度相对运动时，其阻力为1dyn。泊的百分之一为厘泊（cP）动力黏度运动黏度n在国际单位制中，运动黏度的单位是m2/s在厘米克秒制中，运动黏度的单位是cm2/s（即，St斯）斯的百分之一为厘斯cSt。动力黏度与运动黏度ν的关系是：ν——运动粘度，m2·s-1μ——动力粘度，Pa·sρ——密度，kg·m-3运动黏度没有明确的物理意义，但在理论分析和计算中常碰到动力黏度与密度的比值，此时用运动黏度ν来代替/比较方便。恩氏黏度˚Et也叫相对黏度，即200cm3的试验油在规定的温度下（一般为20℃、50℃、100℃）流过恩氏黏度计的小孔所需要的时间（s）与同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需的时间（s）的比值。以符号˚Et表示。影响润滑油黏度的因素：主要因素——温度和压力温度升高，黏度减小。压力升高，黏度增大。pe0黏度—温度曲线压力不太高时（如小于20MPa），黏度变化极微，可略而不计。温度对黏度的影响很大，在表明润滑油的黏度时，一定要注明温度，否则没有意义。影响润滑油黏度的因素：油性油性是指润滑油中极性分子湿润或吸附于摩擦表面形成边界油膜，以减小摩擦和磨损的性能。它是影响边界润滑性能好坏的重要指标，吸附能力越强，油性越好。闪点和燃点润滑油蒸气在遇到火焰时能发出闪光（闪烁）时的最低温度称为闪点。闪烁持续5秒以上的最低温度称为燃点。它是衡量润滑油易燃性的一个重要指标，对于高温下工作的机械，应选择比工作温度高30℃40℃闪点的润滑油。凝点润滑油冷却到完全失去流动性时的温度称为凝点。它是润滑油低温工作特性的一个重要指标，低温工作时应选择凝点低的润滑油。2、润滑脂的主要质量指标润滑脂是润滑油与稠化剂的混合物，常用的稠化剂是金属皂，如