工程摩擦学基础-绪论

1工程摩擦学基础FoundationofEngineeringTribology2教学目的与要求：明确摩擦学的定义及研究内容了解摩擦学发展的历史了解摩擦学热点研究领域及其进展教学重点、难点：解析摩擦学的内涵及其主要研究内容之间的内在联系教学方式及学时：讲授、2学时第一章绪论3Content摩擦学的定义及特性摩擦学发展简史研究摩擦学的重要意义摩擦学研究的领域及内容4一、摩擦学的定义及特性定义：“研究做相对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的一门科学技术”，包括研究摩擦、磨损与润滑.相对运动可以是滑动、滚动、振动等任何一种形式，或是几种运动形式的组合；相互作用是指在载荷作用下，两表面发生的各种变化，如弹性变形、塑性变形、粘着和材料的转移等；表面包括固体－固体，固体－液体，固体－气体，液体－气体。5相对运动摩擦磨损能量损耗、摩擦热设备损坏、寿命缩短机械设计、材料设计、合理润滑减少减少6摩擦学是多学科交叉的边缘学科摩擦学化学物理材料科学机械工程学78“圣经”写到：“上帝对诺亚说，用木头建造一个拱廊，并用沥青将里外进行封刷”摩擦学发展简史9最早的用于表示石油及产品的楔形文字10史前期（石器时代，公元前3500年以前）摩擦学元件主要是石头、木头上的凹洞。人类知道了运动间的阻碍作用，会利用木头进行摩擦生火。沥青被用于减小运动物体间的尖叫声。11早期文明（公元前3500年以后）比较典型的是出现了一些类似轴承的元器件，明确知道使用“润滑剂”可以减小摩擦，部分马车车轴上使用了羊油和牛油。12古埃及人在木制滑板上移动大雕像（公元前2400年）13古埃及人在木制滑板上移动大雕像（公元前2400年）14最早的“润滑工程师”在滑板上加润滑剂。润滑剂可能是：水、尼罗河里的泥水、尼罗河里的泥水+橄榄油。润滑工程师15轮缘上布满铜钉的木制车轮以减少磨损（公元前2500年）铜钉16《诗经》有“载脂载辖，还车言迈”的诗句，证明我国至少在2500年以前已经有了润滑的初步应用。17古希腊与古罗马时代（公元前900—公元400）主要以发展滑动轴承、齿轮为特征，也开始设计滚动轴承。在润滑剂方面开始从原油中分离出比沥青轻的组分并加以应用，如在水泵上安装活塞时，在活塞上涂敷薄油膜使安装过程更容易。另外也记载了一些常用的动植物油润滑剂。对摩擦磨损理论方面有了一定的认识，如知道采用合适的材料配对可使摩擦磨损减小。18古战车（指南车）上的木制齿轮（中国，公元前255年）19铁环做的衬套减小石轴与木头间的磨损20中世纪（公元400---1450年）在此漫长的历史时期内，机械元件、润滑剂、摩擦和磨损基础理论方面的研究几乎没有进展。21文艺复兴时期（1450---1600）此时期可以称为是科学奇才达·芬奇的时代，他对摩擦、磨损、润滑的研究和对促进摩擦学的应用做出了巨大贡献，是摩擦学的鼻祖。22雷纳德·达·芬奇（60岁时的自画像，1512年）23在润滑剂方面，仍以动植物油为主导。在摩擦磨损理论方面，达·芬奇发现摩擦力与负荷之间有一定关系，并提出了固体干摩擦的摩擦定律：摩擦力与负荷成正比摩擦力与名义接触面积无关摩擦力与滑动速度无关24根据上述结论，达·芬奇提出减少摩擦的可能途径：•滚动摩擦比滑动摩擦小•点/线接触比面接触的摩擦小•轴承中的滚动体之间保持一定距离可减小摩擦。25滚珠轴承草图。滚珠之间相互隔开，避免相互接触而使摩擦增大（达·芬奇手稿）26各种轴承草图（达·芬奇手稿）27把垂直运动变成旋转运动的齿轮机构（达·芬奇手稿）28在摩擦磨损理论方面,越来越多的科学家加入到研究中来,如:*R.Hook:提出了滚动摩擦定律(1680)*I.Newton:定义了粘度的概念(1687,没有用“Viscosity”这个词)*G.Amontons:确认了达·芬奇的摩擦定律(1699)*L.Euler:定义了摩擦系数的概念(1750).工业革命兴旺时期（1600—1750）29工业革命时期(1750-1850)C.A.Coulomb:证实并确立了L.daVinci和G.Amontons的摩擦定律(1785)G.Rennie:建立了摩擦磨损测量方法、提出了不同材料的摩擦系数值、认为磨损与润滑有关（1825）C.Hatchett:提出了磨损与材料性质的关系(1803)C.L.Navier:定义并使用了“粘度”的概念(1822)G.Stokes:与Navier一起建立了流体运动方程,成为流体动力润滑的理论基础(1845)30代表性的科学家有：G.A.Hirn:证实了达.芬奇、阿蒙顿、库仑的摩擦定律（1880）H.R.Hertz:发展了滚动摩擦的物理定律(1881)B.Tower:测定了滑动轴承中的流体动压(1833)N.P.Petrov:滑动轴承中的摩擦定律(1883)O.Reynolds:建立流体动压效应的雷诺方程(1885)R.Stribeck:提出了Stribeck曲线,建立了摩擦、负荷、速度和粘度间的关系(1902)J.W.Sommerfeld:提出雷诺方程解析解和Sommerfeld数(1904)近代摩擦学研究（1850—1925）311966年，摩擦学发展史上的里程碑l英国Jost教授在《润滑的教育与研究现状及工业需求的调查报告》中首先正式提出摩擦学这个概念，将其定义为“研究做相对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的一门科学技术”，包括研究摩擦、磨损与润滑，并建议用英语Tribology来表示。自此摩擦学开始成为一门独立的科学。32与Jost教授的合影（2001年）33•摩擦、磨损、润滑对人类的物质生产和生活有极为深远的影响。钻木取火使人类第一次支配了自然。人类一方面利用摩擦、磨损，如摩擦传动、摩擦制动、摩擦切削、摩擦焊接等。人们利用摩擦来传递功率、消耗动能。磨削工件、抛光、研磨是人们利用磨损为人类服务的实例。一方面又在为消除有害的摩擦、磨损作斗争。三、研究摩擦学的重要意义34◆摩擦学的意义•世界上能源约有1／3到1／2以各种形式消耗在克服摩擦上。纺织机械的功率有85％为摩擦损失。根据美国环保局(EPA)测得的典型汽车能量分布情况可知，燃料能量消耗在汽车各种摩擦损失上的比例，活塞摩擦损失占3.0%，发动机其它摩擦损失占4.5%，变速器摩擦损失占1.5%，车轴摩擦损失占1.5%，总计占10.5%，亦即燃料的热能中有10.5%消耗在汽车的各种摩擦损失中。35l摩擦不仅消耗能量，而且伴随着磨损的产生。根据使用和试验统计，汽车零部件的主要失效形式是磨损，磨损型的故障约占50%。其中，磨损造成的故障在发动机总成故障中占47.2%：在变速器故障中占65.3%：在驱动桥故障中占72.9%……由于磨损型故障而带来的维修费用约占汽车使用费用总数的25%。36●英国：1965年以英国Jost博士为首的调查组认为，英国只要充分地运用现有的摩擦学知识。十年内每年可节约5.12亿英磅；1974年测算，每年经济效益达87230万英镑。●美国：ASME/STLE1977年发表《通过摩擦学以节约能源的战略》指出，美国公路运输、发电工业、汽轮机和机械工业的能源节约潜力为国家总能耗的11%，相当于每年可节约160亿美元。此外，美国每年耗用机械设备维修保养费用1200亿美元，其中一半可以由搞好润滑节约下来。37●日本：70%能源，尤其是99%石油依靠进口。JSLE1975年测算，1974年由于搞好润滑，节约能源价值8000亿日元，提高机械效率、减少维修次数、延长寿命而取得的间接经济效益60000亿日元。1977年测算节能9900亿日元，加上间接效益达72200亿日元。1986年仅轿车一项就节省汽、柴油610万米3，增加效益500亿日元。●德国：东部每年由于摩擦磨损造成的损失达100亿马克，西部1974年节约电力20亿度。38●中国：能耗大国，节约潜力巨大。我国1984年度对8个行业、地区进行调查认为：运用摩擦学知识，到2000年止，每年可节约400亿元，相当于国民经济总产值的1．2％。大庆油田1982年消耗电力28亿度、汽柴油8万吨、润滑油脂4000多吨，只需不到300万元的研究和技术措施费用，既可节电4.8亿度、节省汽柴油3500～8000吨，节省润滑油400吨，总价值3400万元的节能效果，加上间接效益可达1.4亿元。39•我国打一口石油天然气钻井，消耗200多个钻头，先进国家70～80个钻头；磨煤机磨辊辊套寿命5200h，先进国家可达18000h；我国质量好的轧钢机轴承平均寿命是轧钢50—60万吨，日本轴承为轧钢200～300万吨；国产机床梯形丝杆寿命为3年，美国产的寿命为10年；矿井提升机减速器齿轮的使用寿命为5～10年，先进国家为20～30年；40国产石油钻机刹车片只能起、下钻30次，国外一般能起、下钻70～80次。国产设备的大多数摩擦副的寿命只有先进国家同类产品的寿命的30～50％。火力汽轮机发电机组轴承消耗的能量与发电机组产生的能量的比例，国外平均为0.3～0.5％，我国达到0.6一0.7％以上，美国某种载重汽车每台年耗润滑油16Kg，我国同类车型台年耗油量达到110kg。41四、摩擦学的研究领域和内容（1）材料的摩擦磨损材料的摩擦磨损包括测试设计与方法、接触问题理论分析、各种类型的摩擦和磨损形式、各种材料的摩擦磨损机理及其状态检测研究。从工程实际需要出发，建立材料摩擦磨损的物理模型和定量计算公式，以便预测机械零件的使用性能和失效寿命。现代材料磨损研究领域已从以普通的金属材料为主扩展到新型合金材料、非金属材料（如陶瓷、聚合物及复合材料等）。42（2）润滑科学与工程l研究了牛顿流体和非牛顿流体中光滑表面具有不同尺寸比的线接触和电接触的弹性流体动压润滑，并且对微弹流有了更深入的了解。今后的任务是将润滑理论有效地应用于工程设计。l采用扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜和超薄膜干涉仪等先进仪器设备对边界润滑和边界膜进行了原位研究，揭示了几种不同的机理。l润滑添加剂主要将进一步向复合型、多功能化、环保化、自润滑以及自修复的方向发展；纳米材料在润滑油中的得到初步应用，并在高性能、自润滑和自修复方面产生了突破性的变化。43（3）表面工程表面工程摩擦学l表面工程与摩擦学是相互依存的两个学科，与其他相互依存的学科关系一样，有许多相互渗透的内容。而从总体上看，各自都有明确的地位和任务，我们知道，研究接触界面行为的最终目的不仅仅是弄清楚其内在机理，更重要的是提高零部件的使用寿命和其他性能，而表面工程技术的最大优势正是体现在设备表面延寿、改性及维修等方面，从而产生显著的经济效益和社会效益。44（4）微观/纳米摩擦学l纳米摩擦学研究在20世纪90年代的迅速兴起。纳米摩擦学提供了一种新的思维方式和研究模式，即从原子分子尺度上揭示摩擦磨损与润滑机理，从而建立材料微观结构与宏观特性之间的构性关系。l纳米摩擦学的研究方法与宏观摩擦学研究有很大差别。其理论分析手段主要是计算机分子动力学模拟(MDS)，而实验测试仪器为各类扫描探针显微镜，如扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(FFM)、表面力仪(SFA)以及专用的微型试验装置。45（5）特殊工况下的摩擦学周边环境苛刻，如高温、强辐射、强腐蚀、高真空等；摩擦副本身具有特殊性，接触体除起传递或传动功能外，往往还在带电、带磁、带辐射工况下运行；运行参数超常如高速、重载等；运行性能要求超群，如微机械系统高精度、高可靠性、长寿命等。46（6）生物摩擦学l人体内存在各种摩擦，如关节的摩擦，管腔(血管、气管、消化道、排泄道)内的摩擦，运动中的肌肉和肌腱间的摩擦等。摩擦甚至可以引起人体许多生理变化和疾病。l目前生物摩擦学的研究目标是研制摩擦磨损低、病理反应轻微的人工器官，主要集中在人工关节、牙齿和人工心脏瓣膜的研究。根据调查推算，我国可能有100万至150万骨关节病人需要做人工关节手术。l1960年首次进行人工心脏瓣膜置换手术，但迄今尚未能取得满意的结果，原因是心瓣膜材料与血