第一章--基本知识(修改)

1第一章摩擦、磨损和润滑的基本知识摩擦、磨损和润滑广泛地存在于人们的生产、生活中。摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。它不仅要消耗能量，而且使零件磨损，甚至失效。研究它，能够减小摩擦，控制和减少磨损，延长机器使用寿命，节约资源和能源，减少环境污染，实现社会的可持续发展。2第一节摩擦一摩擦的定义1.定义：两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动（或具有相对运动趋势）时，在接触面间产生切向的运动阻力，叫摩擦力，这种现象叫摩擦。例如，在机械运动中，发生相对运动的零件或部件（称为运动副），如：轴与轴承、齿轮啮合、活塞与油缸等在相对运动的同时都会发生摩擦，我们称这些运动副为摩擦副。32.摩擦的有利作用：1）摩擦使人能走路，车辆能行使；2）利用摩擦来传递动力和运动，如：摩擦离合器、制动器、皮带传动等；3.摩擦的有害作用：存在摩擦现象的同时也存在着摩擦力、摩擦热和磨损三个现象。41）消耗大量的能量，降低了机械效率。如机床的导轨、轴承副、齿轮副等；2）摩擦副磨损严重，影响机械的正常运转，缩短机械的寿命；3）产生大量的摩擦热，使机械温度升高，产生热变形、热疲劳、热磨损，从而影响机械的正常运转，引起设备事故。5二摩擦系统1.摩擦系统（Tribosystem）的组成它由四个基元组成：①一个接触件；②对应接触件（摩擦副）；③上述两者之间的界面和界面上的介质；④环境。如：在普通滑动轴承中，材料副是轴和轴瓦；在内燃机中，材料副是活塞环和气缸壁，或者是凸轮和随动杆；在金属加工中，材料副是刀具和工件。6图1-1H.Czichos的摩擦系统结构1，2——摩擦副（材料副）；3——界面和界面上的介质（润滑剂）；4——环境72.摩擦过程摩擦过程发生在两个摩擦件之间的接触面上，它可能是物理过程，物理-化学过程（例如，吸附、解吸过程），或者本质上是化学过程（摩擦化学）。三摩擦的分类摩擦的类型很多，因研究和观察的依据不同，摩擦的分类也不同。81.按摩擦发生的部位分类1）外摩擦指在两个相互接触的物体表面之间发生的摩擦。它一般所指的摩擦只与接触表面的作用有关，而与内部状态无关。它阻止物体滑动或滚动（静摩擦），抵制物体运动（动摩擦）。92）内摩擦指在同一物体内部各个部分之间发生的摩擦。它一般发生在液体或气体之类的流体内，但也可能发生在固体内，如石墨、二硫化钼等固体润滑剂内。它是润滑剂分子之间的摩擦。102.按摩擦副的运动状态分类1）静摩擦指当物体在外力作用下对另一物体产生微观弹性位移，但尚未发生相对运动时的摩擦。在相对运动即将开始瞬间的静摩擦是最大摩擦，又称极限静摩擦，此时的摩擦系数称为静摩擦系数。2）动摩擦指当物体在外力作用下沿另一物体表面相对运动时的摩擦。其摩擦系数称为动摩擦系数。113.按摩擦副的运动形式分类1）滑动摩擦两接触物体作相对滑动时的摩擦。图1-2滑动摩擦122）滚动摩擦两物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时的摩擦。图1-3滚动摩擦133）自旋摩擦（转动摩擦）物体沿垂直于接触表面的轴线作自旋运动时的摩擦。图1-4自旋摩擦144.按摩擦副表面的润滑状态分类1）干摩擦：名义上无润滑剂的摩擦。注：①无润滑剂的摩擦不等于干摩擦，只有既无润滑又无湿气的摩擦才能称为干摩擦；②名义上无润滑，但不是绝对干燥。2）边界摩擦：相对运动的两表面被极薄的润滑膜隔开，而润滑膜不遵从流体动力学定律，且两表面之间的摩擦磨损不是取决于润滑剂的粘度，而是取决于两表面的特性和润滑剂的性能时的摩擦。153）流体摩擦：在两物体的摩擦表面被一层连续的流体润滑剂薄膜完全隔开时的摩擦。4）混合摩擦：在摩擦表面上同时存在着流体摩擦、边界摩擦和干摩擦的混合状态下的摩擦。一般以半干摩擦或半流体摩擦的形式出现。16四摩擦定律（滑动摩擦）1.古典摩擦理论1）机械咬合理论（库仑摩擦定律）这种理论认为，摩擦主要是由表面的凹凸形状所造成的，即当两个表面接触时，其凹凸部分互相咬合而形成摩擦。若要使表面滑动，则必须顺着其凸起部分滑动或把这些凸起部分破坏掉，这就是产生摩擦力的原因。库仑摩擦定律主要内容包括以下几方面：（1）摩擦力的方向与相对运动的方向相反，其大小与接触物体间的法向作用力成正比。即:17式中：—摩擦力；—法向作用力；—摩擦系数。WfFFWf18图1-5机械啮合模型19（2）摩擦力的大小与接触物体间的名义接触面积无关。（3）摩擦系数的大小取决于材料性质，而与滑动速度和法向作用力的大小无关，对于一定的材料，其摩擦系数为一常数。（4）静摩擦系数大于动摩擦系数。它简单实用，在工程上近似地应用该公式进行计算。202）分子作用理论（定律）这种理论认为，表面越光滑，摩擦力越大。摩擦是由于接触面上的分子吸引力所引起。它明确指出了分子作用对摩擦力的影响。摩擦系数为式中：—转换分子平均损耗功；—考虑分子排列与滑动方向不平行的系数；—分子的平均力；—分子间的距离。qPlPlqQfQ212.粘着摩擦理论1）基本要点：①摩擦表面处于塑性接触状态；②滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的粘滑过程；③摩擦力是粘着效应和梨沟效应产生阻力的总和。2）摩擦系数公式：bsbτσWAτF软材料的压缩屈服极限软材料的剪切强度极限sbWFf（A——面积）22第二节磨损一磨损的定义和磨损过程1.磨损的定义：磨损是固体与其它物体或介质相互间发生机械作用时其表层的破坏过程（表面物质在摩擦过程中不断损失的现象）。单位时间内材料的磨损量称为磨损率。磨损量可用体积、质量和厚度来度量。2.磨损过程：机械零件的正常运行过程中的磨损，一般可用磨损曲线来表征，如图1-6所示。23图1-6正常磨损过程24Ⅰ为磨合磨损阶段（跑合阶段），其磨损率随时间的增加而降低，磨合磨损出现在摩擦副开始运行时期。Ⅱ为稳定磨损阶段，摩擦表面经磨合以后达到稳定状态，磨损率较低而且保持不变，这是摩擦副的正常工作时期。Ⅲ为剧烈磨损阶段，其磨损率随时间而急剧增加，使工作条件迅速恶化，机械效率下降，精度丧失。还可能产生异常噪声及震动，摩擦副温度迅速升高，最终导致零件完全失效。25二磨损的分类1.按磨损量的大小分类（1）轻微磨损：磨损颗粒尺寸极小（小于几个微米）的磨损。（2）严重磨损：磨损颗粒尺寸较大（大至100微米）的磨损。2.按磨损表面的作用分类机械类磨损：摩擦表面的机械作用产生的磨损，包括磨粒磨损、表面塑性变形、脆性剥落等。26分子—机械类磨损：由于分子力作用形成表面粘着结点，再经机械作用使粘着结点剪切所产生的磨损，即粘着磨损。腐蚀—机械类磨损：磨损是由介质的化学作用引起表面腐蚀，而摩擦中的机械作用加速腐蚀过程。包括氧化磨损和化学腐蚀磨损。273.按表面相互作用、表层变化和破坏特征分类这种分类方法是将磨损分为三个过程，根据每一过程的分类说明相互关系，如图1-7所示。图1-7磨损分类图28磨损现象的三个过程：（1）表面的相互作用机械作用包括弹塑性变形和梨沟效应，它可以是由两个表面的粗糙峰值直接啮合引起的，也可以是摩擦中夹在两表面间的外界磨粒造成的。表面分子作用包括相互吸引和粘着效应两种。前者作用力小而后者作用力大。29（2）表面层的变化在摩擦表面相互作用下，表面层将发生机械的、组织结构的、物理的和化学的变化，这是由于表面变形、摩擦温度和环境介质等因素的影响造成的。（3）表面层的破坏形式①擦（损）伤：②点蚀（表面疲劳磨损）；③剥落；④胶合；⑤微观磨损304.按运动类型分类图1-8按磨损机理特性分类分为:滑动磨损、滚动磨损、冲击磨损、微动磨损、气蚀磨损和流体侵蚀。如图1-8所示。315.按磨损机理分类根据基本磨损过程的物理特性进行分类，通常将磨损分为四类：磨粒磨损（磨料磨损）、粘着磨损（粘附磨损）、疲劳磨损和腐蚀磨损。三造成磨损的原因1.磨粒磨损：接触表面作相对运动时由于外界硬颗粒或对磨表面上硬的微凸体，在摩擦过程中引起的表面擦伤和表面材料脱落的现象。是最常见的磨损对象。图1-9。32图1-9磨粒磨损模型332.粘着磨损：接触表面相对运动时，由于粘着效应所形成的粘着结点（分子连接）发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面转移到另一个表面而造成的一种磨损。图1-10。图1-10粘着磨损模型343.疲劳磨损：（接触磨损或点蚀）指两接触表面作滚动或滚动兼滑动复合摩擦时，在交变接触压应力重复作用下，表层产生弹塑性变形及发热等现象，导致表层材料疲劳，产生裂缝并分离出颗粒或碎片而剥落所造成的磨损。如齿轮传动中的齿轮磨损。如图1-11所示。35图1-11表面裂纹示意图a-润滑油楔入裂纹中；b-裂纹上部金属呈悬臂梁状态；c-裂纹脱离表面364.腐蚀磨损：在气体或液体的腐蚀环境中进行摩擦，摩擦表面与周围介质发生化学或电化学反应而生成反应物，这些反应物继续摩擦就会剥落，这个过程反复进行所造成的表面损伤，称为腐蚀磨损。5.微动磨损：两个作相对微振幅振动的受载表面间所产生的磨损。它是一种复合式磨损，同时涉及粘着、磨粒、腐蚀及疲劳磨损。6.冲蚀磨损：当含有固体硬微粒的流体相对于固体表面运动时，使固体表面所产生的损坏形式，称为冲蚀磨损。主要包括固体微粒冲蚀、流体冲蚀、气蚀、电火花冲蚀。37第三节润滑一润滑的定义润滑就是用润滑剂减少（或控制）两摩擦表面之间的摩擦力或其他形式的表面破坏作用的手段。二润滑的分类和形成条件根据润滑膜在摩擦表面间的分布状态分类（1）全膜润滑摩擦面之间有润滑剂，并能生成一层完整的润滑膜，把摩擦表面完全隔开。摩擦副运动时，摩擦是在润滑膜的内部分子之间的内摩擦，而不是摩擦面直接接触的外摩擦，这种状态称为全膜润滑。这是一种理想的润滑状态。38全膜润滑的形态很多，其中之一就是人们所熟知的液体润滑。它是用液体作为润滑剂而获得的一种理想润滑状态。此外，还可以用气体、固体、半固体的润滑剂，形成一层完整的润滑膜。在边界摩擦和极压摩擦状态下，只要润滑剂选用得当，在一定条件下同样也能获得一层完整的边界润滑膜和极压润滑膜，能够起到控制摩擦、减少磨损的效果。39（2）非全膜润滑摩擦表面由于粗糙不平或因载荷过大、速度变化等因素的影响，使润滑膜遭到破坏，一部分有润滑膜，一部分为干摩擦，这种状态称为非全膜润滑。一般由于运动速度变化(启动、制动、反转)，受载性质变化(突加、冲击、局部集中、变载荷等)以及润滑不良时，设备经常出现这种状态，其磨损也比较快。我们应当力求减少和避免这种状态。40图1-13轴承副摩擦条件与摩擦系数的关系41在图1-13中：I-1属子边界润滑，依靠边界油膜承载，常发生在供油不足、间歇供润滑剂的低速重载的滑动轴承中。I-2是以边界润滑为主，液体润滑为辅的半液体润滑。常发生在间歇润滑和供油不足的连续润滑中。I-3也是半液体润滑，主要依靠油膜承载，少部分载荷由边界膜承受，常出现在载荷较重的飞溅润滑和油环润滑的滑动轴承中。42I-4是油膜厚度较薄的液体润滑。某些油环润滑的低载轴承和压力供油的滑动轴承处于这种润滑状态。I-5表示油膜厚度较大的液体润滑。如某些汽轮机轴承、高速鼓风机轴承、精密机床主轴轴承等，多在高速轻载条件下工作。431.动压润滑通过轴承副轴颈的旋转将润滑油带入摩擦表面，由于润滑油的粘性和油在轴承副中的楔形间隙形成的流体动力作用而产生油压，即形成承载油膜，称为流体动压润滑。流体动压润滑理论的假设条件是润滑剂的粘性，即润滑油的粘度在一定的温度下，不随压力的变化而改变；其次是假定发生相对摩擦运动的表面是刚性的，即在受载及油膜压力作用下，不考虑其弹性变形。在上述假定条件下，对一般非重载(接触压力在15MPa)的滑动轴承，这种假设条件接近实际情况。三润滑机理44但是，在滚动轴承和齿轮表面接触压力增大至400-1500MPa时，上述假定条件就与实际情况不同。这时摩擦表面的变形可达油膜厚度的数倍，而且润滑油的粘度也会成几何倍数增加。因此在流体动压润滑理论的基础上，应考虑由压力引起的金属摩擦表面的弹性变形和润滑油粘度随压力改变这两个因素，来研究和计算油膜形成的规律及厚度、油膜截面形状和油膜内的压力分布更为切合实际，这种润滑就称为弹性流体动压润滑。45图1-14动压润滑油膜承