第2章机械零部件的摩擦磨损与润滑

第2章机械零部件的摩擦、磨损与润滑2.1摩擦2.2磨损2.3润滑2.4流体润滑原理简介摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；润滑是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。世界上使用的能源大约有1/3-1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。概述2.1摩擦2.摩擦的分类内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。外摩擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。“机械说”产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用；“分子说”产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用；1.摩擦的机理“机械－分子说”两种作用均有。2.1.1摩擦的种类及其基本性质1785年，法国的库仑用机械啮合概念解释干摩擦。1935年，英国的鲍登等人开始用材料粘附概念研究干摩擦。1950年，鲍登提出了粘附理论。3.4种滑动摩擦状态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。2.1.2干摩擦简单黏附理论模型如图所示：在干摩擦条件下，可将较硬表面坚硬的轮廓峰在较软表面上犁出“犁沟”时所需克服的阻力忽略不计，则摩擦力BrfAFB—结点材料的剪切强度极限，MPa；rA—真实接触面积，mm2fF—摩擦力，N对于理想的弹塑性材料真实接触面积Aｒ为:synrFABsynBrfFAF故得：金属的摩擦系数为：syBnfFFf★τB、σsy是指相接触两种金属中较软者的剪切强度极限与压缩屈服极限。★上述结论不完全符合实际。为此，鲍登等人于1964年又提出了一种更切合实际的修正黏附理论。★大多数金属的的τB/σsy值均较接近，所以摩擦系数相差甚小。修正黏附理论认为:在摩擦情况下，轮廓峰接触区同时有压应力和切应力存在。金属材料的塑性变形同时取决于压应力和切应力的复合作用，而不仅仅取决于金属材料的压缩屈服极限。syBjf故修正后的粘附理论为:★粘附理论与实际情况比较接近，可以在相当大的范围内解释摩擦现象。★在工程中,常用金属材料副的摩擦系数是指:在常规压力与速度条件下，通过实验测定的一个常数。者的压缩屈服极限两种金属基体中的较软界面剪切强度极限2.1.3边界摩擦（边界润滑）―运动副表面被吸附在表面的边界膜隔开边界摩擦边界膜物理吸附膜―润滑油中的极性分子与金属表面相互吸附而形成化学吸附膜―润滑油中的分子靠分子键与金属表面形成化学吸附化学反应膜―润滑油中的化学添加剂与金属进行化学反应而形成的膜边界膜极薄，只有几个分子厚2.1.4流体摩擦（流体润滑）流体膜厚度大到足以将两表面的粗糙峰完全隔开，就形成了流体润滑。因为摩擦完全发生在流体内部分子之间，金属表面无磨损，这是理想的润滑状态。根据流体膜形成原理，流体润滑可分为：流体静压润滑―人为的在两运动副表面间输入具有一定压力的润滑油，强迫形成润滑油膜。问题：流体润滑状态是否有边界膜存在?流体动压润滑―依靠几何效应、速度效应、粘度效应及供油量自动形成油膜的润滑。该润滑不能在两平行表间形成。工程实际中，多数摩擦处于边界摩擦和混合摩擦状态。这两种状态能有效降低摩擦，减轻磨损，所以设计时应尽量使运动副能维持这两种摩擦状态。2.1.5混合摩擦（混合润滑）混合摩擦介于边界摩擦和液体摩擦之间。两运动副表面间存在比边界润滑状态要厚的润滑油膜，但该油膜又不足以完全将两表面完全隔开，从而仍有某些粗糙峰接触。随着科学技术的发展，引发出许多新的概念，提出了超润滑的概念等。超润滑是实现摩擦系数为零的摩擦状态，但在实际研究认为摩擦系数在0.001量级（或更低）的摩擦状态即可认为属于超润滑。这方面的研究是目前微－纳米摩擦学研究的一个重要方面。磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。对磨损的研究开展较晚，20世纪50年代提出粘着理论后，60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以迅速开展。2.2磨损磨合阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段机械磨损大致可分三个阶段，如下图所示：磨合阶段新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率较高。稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。剧烈磨损阶段属于零件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。为此就必须对形成磨损的机理有所了解。磨粒磨损也简称磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损。关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为：磨损2冲蚀磨损流体中所夹带的硬质物质或颗粒，在流体冲击力作用下而在摩擦表面引起的磨损。微动磨损是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同形成的复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。粘附磨损也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。运动粘度粘度分类动力粘度条件粘度牛顿流体与动力粘度XYohU1）粘度粘度的物理意义：▲反映流体粘滞性大小▲衡量流体抵抗剪切变形的能力▲标志着流体内摩擦阻力的大小△第一层油与上板同速流动△最下层油与底板一样静止不动△由于油的粘滞性，沿Y方向油层以不同速度u沿X方向移动，于是润滑油在油层厚度h内形成层流动。2.3.1润滑剂1.润滑油：动植物油、矿物油、合成油。2.3润滑hUXYo△沿Y方向的速度变化率（速度梯度）表示为：yu牛顿在1687年指出：层流流体各油层间的剪应力与其速度梯度成正比。即：yu公式中的“－”表示为油层的速度u随y的增大而减小。yuhU―流体单位面积上的剪切阻力―比例常数，即流体的动力粘度动力粘度又称绝对粘度，主要用于流体动力学计算中。其单位为:sPa牛顿内摩擦定律:牛顿流体―符合牛顿内摩擦定律的流体被称为牛顿流体。2/mkgSPa运动粘度―测得的动力粘度与相同温度下该流体的密度的比值，即：条件粘度―测得的动力粘度与相同温度下该流体的密度的比值。用ηE表示。润滑油的粘―温效应：粘度随温度升高而降低，随温度降低而升高。粘度随温度变化的程度用粘度指数衡量，粘度指数越高，粘度随温度的变化越小，说明粘―温性能越好。润滑油的粘―压效应：粘度随压力升高而提高。压力越高粘―压效应越明显。2）油性（润滑性）―指润滑油中的极性分子吸附于摩擦表面的性质。油膜与金属表面的吸附能力越强，润滑性越好。3）极压性―化学合成油中的极性分子生成抗磨损、耐高压化学反应边界膜的性能。4）闪点―油在标准仪器中加热所蒸发出的油汽，一遇火焰即能发出闪光时的最低温度，称为油的闪点5）凝点―在规定条件下，使液体不能再自由流动的最高温度6）氧化稳定性2.润滑脂：润滑油+稠化剂3.固体润滑剂：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。滴点，决定工作温度。提高油性、极压性延长使用寿命改善物理性能添加剂的作用2.3.2添加剂为了提高油的品质和性能，常在润滑油或润滑脂中加入一些分量虽小，但对润滑剂性能改善有巨大作用的物质，这些物质叫添加剂。润滑方法润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有：滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等用于低速用于高速油脂润滑常用于运转速度较低的场合，将润滑脂涂抹于需润滑的零件上。润滑脂还可以用于简单的密封。2.3.3润滑方法浸油与飞溅润滑喷油润滑油性添加剂极压添加剂分散净化剂消泡添加剂抗氧化添加剂降凝剂增粘剂添加剂的种类手工润滑滴油润滑润滑方法d)油垫润滑喷雾润滑润滑方法油气润滑油浴润滑润滑方法油环润滑压力供油润滑润滑方法根据摩擦面间油膜形成原理流体润滑可分为流体动力润滑弹性流体动力润滑流体静力润滑2.4.1流体动力润滑适应场所：低副零部件润滑所属类型：流体润滑几何条件：两摩擦表面不平行，润滑油从大口进，从小口出润滑形成条件运动条件：两摩擦面具有一定的相对运动速度且要连续不断供油粘度条件：润滑油具有一定的粘度V2.4流体润滑原理简介2.4.2弹性流体动力润滑适应场所：高副零部件该类润滑计算综合考虑的因素：1.考虑两摩擦表面的弹性变形2.考虑液体的粘压效应3.结合流体动力润滑的主要方程（雷诺方程）弹性流体动力润滑与流体动力润滑的主要区别前者的润滑油膜通常为腊状后者的润滑油膜通常为液态润滑油膜:前者的接触压力大接触压力:V1V22.4.3流体静力润滑润滑的建立：靠外界输入高压润滑油强迫两摩擦表面分隔适用的场所：两相对静止的平行表面间的润滑流体静力润滑的优点：1.可用粘度极低的润滑剂；2.可使摩擦副有较高的承载能力；3.可使摩擦力矩降低。