摩擦学原理

摩擦学原理陈国定西北工业大学机电学院目录1.引言2.摩擦表面形貌和表面接触理论3.固体摩擦理论4.磨损理论及磨损分析设计5.流体动压润滑理论6.静压润滑及气体润滑7.摩擦学分析及设计实例i1.1摩擦学科学的概念1.2摩擦学研究及摩擦学设计的学术及工程意义1.3摩擦学研究及设计涵盖的主要内容1当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象叫做摩擦，这时所产生的阻力叫做摩擦力。摩擦是一种不可逆过程，其结果必然有能量损耗和摩擦表面物质的丧失或迁移，即磨损，磨损会导致表面损坏和材料损耗。润滑是降低摩擦和减少磨损的有效手段。摩擦学是研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术，并把在机械设计中正确运用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。当然，摩擦在机械中也并非总是有害的，如带传动、汽车及拖拉机的制动器等正是靠摩擦来工作的，这时还要进行增摩技术的研究。这种反方向的研究领域也属于摩擦学的学科范畴。2摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。据估计，全世界大约有的能源以各种形式消耗在摩擦上。而摩擦导致的磨损是机械设备失败的主要原因，大约有80%的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的。因此，控制摩擦，减少磨损，改善润滑性能已成为节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。同时，摩擦学对于提高产品质量、延长机械设备的使用寿命和增加可靠性也有重要作用。由于摩擦学对工农生产和人民生活的巨大影响，因而引起世界各国的普遍重视，成为近三十年来迅速发展的技术学科，并得到日益广泛的应用。331~21摩擦学问题中各种因素往往错终复杂，涉及到多门学科，例如流体力学、固体力学、流变学、热物理、应用数学、材料科学、物理化学，以及化学和物理学等内容。因此多学科的综合分析是摩擦学研究的显著特点。4由于摩擦学现象发生在表面层，影响因素繁多，这就使得理论分析和实验研究都较为困难，因而理论与实验研究的相互促进和补充是摩擦学研究的另一个特点。随着理论研究的日益深入和实验技术日益先进，目前摩擦学研究方法的发展趋势正由宏观进入微观；由定性进入定量；由静态进入动态；以及由单一学科角度的分析进入多学科的综合研究。5从摩擦学研究的范围来看，本课程包含的主要内容有：表面形貌分析处理和表面接触理论；固体摩擦理论；磨损分类及机理；磨损试验和磨损测试；流体动压润滑理论；弹性流体动压润滑理论和部分弹性流体动压润滑理论简介；流体静压润滑分析简介；摩擦学应用实例等。62.1表面形貌参数2.2表面形貌的统计参数2.3表层结构与表面性质2.4粗糙表面的接触7任何摩擦表面都是由许多不同形态的微凸蜂和凹谷组成。表面几何特性对于混合润滑和干摩擦状态下的摩擦磨损和润滑起着决定性影响，因此，了解和研究表面形貌及其参数是十分有必要的。表面几何特征采用形貌参数来描述。最常用的表面形貌参数是表面粗糙度，它取表面上某一个截面的外形轮廓曲线来表示。根据表示方法的不同可分为一维、二维和三维的形貌参数。8一维形貌通常用轮廓曲线的高度参数来表示，如图2-1，它描绘沿截面方向（X方向）上轮廓高度z的起伏变化。选择轮廓的平均高度线亦即中心线为X轴，使轮廓曲线在X轴上下两侧的面积相等。一维形貌参数种类繁多，最常用的有轮廓算术平均偏差值和轮廓均方根偏差或称均方根值或9图2—1外形轮廓曲线aRqR轮廓算术平均偏差值Ra它是轮廓上各点高度在测量长度范围内的算术平均值，即（2—1）式中,z(x)为各点轮廓高度;L为测量长度;n为测量点数;zi为各测量点的轮廓高度。iniLaznLdxxzR101)(10轮廓均方根偏差qRniiLznLdxxz12021)((2-2)11应当指出：一维形貌参数不能完善地说明表面几何特征。如图2-2所示，四种表面轮廓的值相同，但形貌却很不一致，甚至完全相反，如图2-2中的a和b。虽然均方根值比中心线平均值稍好一些，但对于图2-2中a和b两个相反的轮廓仍然无法区别。这表明：一维形貌参数不足以阐明表面几何特征与摩擦学特性的关系。aRaR12图2-2不同轮廓表面的和值aR13坡度或，它是表面轮廓曲线上各点坡度即斜率的绝对值的算术平均值或者均方根值。该指标对于微观弹流润滑效应十分重要。峰顶曲率C或C，采用各个粗糙峰顶曲率的算术平均值C或者均方根值C。它对于润滑和表面接触状况都有影响。azqzdxdzzazqzaqaq14由于二维形貌参数还不够全面，描述粗糙表面的最好方法是采用三维形貌参数。二维轮廓曲线族：通过一组间隔很密的二维轮廓曲线来表示形貌的三维变化；等高线图：用表面形貌的等高线表示表面的起伏变化。15图2－3二维轮廓曲线族图2－4等高线图16切削加工的表面形貌包含着周期变化和随机变化两个组成部分，因此采用形貌统计参数比用单一形貌参数来描述表面几何特征更加科学和反映更多的信息。这就是将轮廓曲线上各点的高度、波长、坡度或曲率等用概率密度分布函数来表示它们的变化，这里主要介绍表面形貌的高度分布函数和自相关函数。17以平均高度线为X轴，轮廓曲线上各点高度为z。概率密度分布曲线的绘制方法如下（图2—5）：由不同高度z作等高线，计算它与峰部实体(X轴以上)或谷部空间(X轴以下)交割线段长度的总和,以及与测量长度L的比值。用这些比值画出高度分布直方图。如果选取非常多的z值，则从直方图可以描绘出一条光滑曲线，这就是轮廓高度的概率密度分布曲线。iLLLi18图2－5高度分布曲线19切削加工表面的轮廓高度接近于Gauss分布规律。Gauss概率密度分布函数为)(z=202zez(2-3)式中，为粗糙度的均方根值，在Gauss分布中称为标准偏差，而称为方差。概率密度分布曲线所包围的面积应当等于1,即2式(2-4)表示的分布曲线是标准的Gauss分布。而为概率密度函数，它表示不同高度出现的概率。12)()(0220zdzezzz故21)(0z则（2-3）变为22221)(zez（2-4))(z20理论上Gauss分布曲线的范围由-∞到+∞，但实际上在-3到+3之间包含了全部情况的99.9%，因此以士3作为Gauss分布的极限所产生的误差可以忽略不计。应当指出：对于二维形貌参数例如轮廓曲线的坡度和峰顶曲率，也可以用它们的概率密度分布曲线来描述变化规律。21切削加工表面形貌的分布曲线往往与标准Gauss分布存在一定偏差，通常用统计参数表示这种偏差。常用的偏差统计量有偏态s（衡量分布曲线偏离对称位置的指标）和峰态K（表示分布曲线的尖峭程度）。22偏态s的定义是2333)(dzzzS（2-5）将标准的Gauss分布函数式(2-4)代人，求得s=0，即凡是对称分布曲线的偏态值s均为零。非对称分布曲线的偏态值可为正值或负值，如图2-6所示。图2-6偏态图2-7峰态24峰态定义为44)(dzzzK(2-6)将式(2-4)代入上式求得标准Gauss分布的峰态K=3。而K3的分布曲线称为低峰态，K3的分布曲线称为尖峰态，如图2-7所示。25在分析表面形貌参数时，抽样间隔的大小对于绘制直方图和分布曲线有显著影响．为了表达相邻轮廓的关系和轮廓曲线的变化趋势。可引用另一个统计参数—自相关函数R()。l26对于一条轮廓曲线来说，它的自相关函数是各点的轮廓高度与该点相距一固定间隔处的轮廓高度乘积的数学期望(平均)值，即)()()(lxzxzElR这里，E表示数学期望值。如果在测量长度L内的测量点数为n，各测量点的坐标为，则为ix)(lR11)()(11)(niiilxzxznlR（2-7）27对于连续函数的轮廓曲线，上式可写成积分形式22)()(1)(LLLdxlxzxzLlRLim（2-8）R()是抽样间隔的函数。当＝0时，自相关函数记作，且方差。因此自相关函数的无量纲形式变为ll)(0lR20)(lR20)()()()(*lRlRlRlR(2-9)28图2-8为典型轮廓曲线及其自相关函数。自相关函数可以分解为两个组成部分：函数的衰减表明相关性随的增加而减小，它代表轮廓的随机分量的变化情况。函数的振荡分量反映表面轮廓周期性变化因素。l图2-8典型的自相关函数29计算实际表面的自相关函数需要采集和处理大量的数据。为简化起见，通常将随机分量表示为按指数关系衰减，而振荡分量按三角函数波动。分析表明：粗加工表面(例如的粗刨平面)的振荡分量是主要组成部分，而精加工表面(例如的超精加工平面)的随机分量将是主要的。自相关函数对于研究表面形貌的变化是十分重要的。任何表面形貌的特征都可以用高度分布概率密度函数和自相关函数这两个参数来描述。mRa16mRa18.0)(z)(*lR30金属表面在切削加工过程中表层组织结构将发生变化，使表面层由若干层次组成。典型的金属表层结构如图2-9所示。图2-9金属表面结构31金属基体之上是变形层，它是材料的加工强化层，总厚度为数十微米，由重变形层逐渐过渡到轻变形层。变形层之上是贝氏层(BielbylaYer)，它是由于切削加工中表层熔化、流动，随后骤冷而形成的非晶或者微晶质层。氧化层是由于表面与大气接触经化学作用而形成的，它的组织结构与氧化程度有关。最外层是环境中气体或液体极性分子与表面形成的吸附膜或污染膜。32由此可知：金属表层的组织结构随着加工工艺条件而变化。同时，表层的机械性质与基体材料很不相同，金属表层的强化程度、微硬度和残余应力等对于摩擦磨损起着重要的影响。在各种表面性质中，与摩擦学密切相关的主要有表面能、吸附效应和表面氧化等。产生新表面所做的功表现为表面能。液体表面分子由于表面能的作用，有从表面进入内部的趋势，这种使液面自动收缩而减少表面积的力称为表面张力。33在加工过程中，金属的新生表面一旦暴露就很快地与大气中的氧形成氧化膜。氧化速度将取决于氧向表层内扩散速度或金属离子透过氧化膜向外的扩散速度。由于金属和氧化物的晶格常数不同，因而阻碍了氧向更深的内部扩散。氧化膜对摩擦摩损的影响与氧化膜的强度有关。通常薄的氧化膜强度高，可以防止粘着发生。而氧化膜厚度增加使膜的强度降低，在摩擦过程中容易脱落而加剧磨损。在摩擦过程中，由于力和热的作用，摩擦表面将发生一系列的变化，这些变化对摩擦磨损性能有很大影响。表面形貌和微观接触状况在摩擦中不断地变化。同时，摩擦表面的吸附膜和氧化膜也将发生破裂、再生和转移。34当两个固体表面接触时，由于表面粗糙，使实际接触只发生在表观面积的极小部分上。实际接触面积的大小和分布对于摩擦磨损起着决定性的影响。实际表面上粗糙峰顶的形状通常是椭圆体。由于椭圆体的接触尺寸远小于本身的曲率半径，因而粗糙峰可以近似地视为球体，两个平面的接触可视为一系列高低不齐的球体相接触。如前所述，两个弹性体的接触可以转换为具有当量曲率半径R和当量弹性模量的弹性球体与刚性光滑平面的接触。35'E下面简要介绍三种接触模型。1.单峰接触2.理想粗糙表面的接触3.实际粗糙表面的接触36图2-10描述了单个粗糙峰接触情况，在载荷W的作用下产生法向形变量δ，使弹性球体的形状由虚线变为实线所示。显然，实际接触面积是以为a半径的圆，而不是以为e半径的圆。图2-10单峰接触37根据弹性力学分析可知312169REW3143EWRa2321'34REW（2-10）从以上关系可得：。于是实际接触面积A为RaA2（2-11）再根据几何关系得RRRRe22)(2222因此几何接触面积为AReA2220（2-12）可知：单个粗糙峰在弹性接触时的实际接触面积为几何接触面积的一半。Ra20A38粗糙峰模型除去球体之外，常见的还有圆柱体和圆锥体。圆柱体和圆锥体模型的压力分布出现不定值区域，即在边缘或者中心区域压力趋于无限，因此弹性变形的计算困难。圆柱体模型的实际接触面积