机械设计课件_摩擦磨损

第四章摩擦、磨损及润滑概述摩擦：是相互接触的物体在接触面上发生阻碍相对运动的现象。磨损：由于运动副表面的摩擦导致表面材料的逐渐消失或转移。假定在两物体接触界面滑动，其所降低的摩擦的程度。润滑：据统计，人类一次能源大约1/3是消耗于摩擦损失，约有70%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的。调查显示：我国每年制造汽车消耗的钢材与制造汽车配件消耗的相比大致相等。根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有关方面的花费大约占国民经济年生产总值的2%～7%。2003年国民经济的生产总值为11694亿元，如果摩擦、磨损有关方面的花费按占国民经济年生产总值的5%计算，就损失584.7亿元。§4-1摩擦摩擦分类动摩擦外摩擦静摩擦发生位置运动情况内摩擦滑动摩擦滚动摩擦干摩擦边界摩擦流体摩擦混合摩擦V干摩擦1.干摩擦两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯净金属接触时的摩擦，称为干摩擦。在机械设计中，通常把不出现显著润滑的摩擦，当作干摩擦处理。边界摩擦V边界油膜2.边界摩擦两摩擦表面各附有一层极薄的边界膜，两表面仍是凸峰接触的摩擦状态称为边界摩擦。与干摩擦相比，摩擦状态有很大改善，其摩擦和磨损程度取决于边界膜的性质、材料表面机械性能和表面形貌。(a)(b)3.液体摩擦两摩擦表面完全被液体层隔开、表面凸峰不直接接触的摩擦。摩擦是在液体内部的分子之间进行，故摩擦系数极小。这时的摩擦规律已有了根本的变化，与干摩擦完全不同。4.混合摩擦两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的状态称为混合摩擦。V液体摩擦V混合摩擦关于干摩擦理论机械理论、分子-机械理论、粘附理论、能量理论等机械理论认为：摩擦力是两表面凸峰的机械啮合力的总和，因而可解释为什么表面愈粗糙，摩擦力愈大。库仑公式：nfFfF分子-机械理论：摩擦力是两表面凸峰间的机械啮合力F1和表面分子相互吸引力F2两部分组成，因而这一理论可以解释为什么当表面光滑时，摩擦力也会很大。Ff=F1+F2这两种理论不能解释能量是如何被消耗的两金属表面真实接触面积很小，轮廓凸峰接触区的压力很高，产生塑性变形后，发生粘附现象，形成冷焊结点。当相对滑动时，将被剪开。简单粘着理论：BsynBrfFAFsyBnfFFfbaFnAri但简单粘附理论无法解释高真空中的洁净金属发生摩擦时比常规环境里的摩擦系数大得多的现象。1964年鲍登等人对简单粘附理论进行修正。在摩擦情况下，轮廓峰接触区除作用有法向力外，还作用有切向力，所以接触区同时有压应力和切应力存在。金属材料的塑性变形取决于压应力和切应力所组成的复合应力作用。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=′==SyBjNfστFFf§4-2磨损1、磨损曲线（磨损过程）磨损量时间磨合阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段（1）磨合磨损过程在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小（2）稳定磨损阶段经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓,该段时间长短反映零件的寿命（3）急剧磨损阶段经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载振动→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效2、磨损的分类1)粘附磨损（胶合）按破坏的机理：粘着磨损、接触疲劳磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。当摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各点产生结点后再相对滑移时，材料从运动副的一个表面转移到另一个表面，便形成了粘着磨损。例如：滑动轴承中的抱轴和高速重载齿轮的胶合现象。影响因素：同类摩擦副材料比异类材料容易粘着；脆性材料比塑性材料抗粘着能力高，在一定范围的表面粗糙度愈高抗粘着能力愈强，此外粘着磨损还与润滑剂、摩擦表面温度及压强有关。4)冲蚀磨损2)磨粒磨损（磨损）3)疲劳磨损（点蚀)从外部进入摩擦面间的游离硬质颗粒或摩擦表面上的硬质凸峰，在摩擦过程中引起材料脱落的现象称为磨粒磨损。影响因素：与摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有关。受变应力的摩擦副，在其表面上形成疲劳点蚀，使小块金属剥落，这种现象称为疲劳磨损。常发生在滚动轴承、齿轮、凸轮等零件上。影响因素：摩擦副材料组合、表面光洁度、润滑油粘度以及表面硬度等。有流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒作用引起的机械磨损。5)腐蚀磨损在摩擦过程中，摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为腐蚀磨损。影响因素：周围介质、零件表面的氧化膜及环境温度等。§4—3润滑在摩擦面间加入润滑剂的主要作用是改善摩擦、减轻磨损，同时润滑剂还能起减振、防锈等作用，液体润滑剂还能带走摩擦热、污物等。润滑剂有液体润滑剂、气体润滑剂、润滑脂和固体润滑剂。（3）合成油，如磷酸酯（低温润滑剂）、硅酸盐酯（高温润滑剂）、氟化物（耐氧化润滑剂）等，近年来应用面不断拓广。性能指标：1）粘度2）油性(润滑性)3）凝点4）闪点和燃点5）极压性能6）氧化稳定性1.液体润滑剂主要有三大类：（1）矿物油，主要是石油产品，此种油来源充足，稳定性好、成本低，故应用最广；（2）动、植物油，其油性好，最适于边界润滑使用，但稳定性差，来源不足，所以，应用较少；1、粘性定律yu牛顿流体内摩擦定律η——流体的动力粘度2、粘度常用单位（1）动力粘度η单位：N·s/m21m1m1mF=1Nv=1m/s（2）运动粘度vτ--流体的切应力表示速度面积各为1m2的两层流体相距1m时，相对滑动速度为1m/s，所需要的力为1N，此时流体的粘度为1Pa.s。1Pa·s=10P=1000cP工程上把动力粘度η与流体密度ρ的比值称为运动粘度ν。记为ν=η/ρ。)/(/)(3mkgsPav物理单位：cm2/s，—1St（斯）蒸馏水在20°C的运动粘度为1cSt；L-AN10全损耗系统用油40°C时粘度值即为10cSt。（3）条件粘度（相对粘度）—恩氏粘度用润滑油同水作比较所测得的粘度，称为相对粘度。在一定温度下200cm3的油样流过直径为2.8mm的孔所需时间，与同体积20°C的蒸馏水流过时间的比值，即为该油样的恩氏粘度，以符号°Et表示。°E20表示测定温度为20°C。3、影响润滑油粘度的主要因素（1）温度润滑油的粘度随着温度的升高而降低（2）压力ppe0P10MP时，随P↑→ηP↑表4-12.气体润滑剂最常用的是空气，此外还有氢气、水蒸汽及液态金属蒸气等均可作为气体润滑剂。其特点是粘度低、功耗少、温升小，其粘度随温度变化小，故适于高温和低温环境下的高速场合，但承载能力低。3.润滑脂为使润滑剂易于保持在摩擦表面，用稠化剂将润滑油稠化成膏状，即润滑脂。稠化剂是各种金属皂，如钾皂、钠皂、钙皂等，从而可形成不同皂类的润滑脂。有时为提高抗氧化能力和润滑性能，还常常加入添加剂。钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑脂性能指标：1）针入度2）滴点3）安定性润滑脂受热开始滴下的温度称为滴点是润滑脂稠度指标。锥入度愈小，稠度愈大、流动性愈小，承载能力强，密封好，但摩擦阻力也大。4.固体润滑剂使用时常将润滑剂粉末与胶粘剂混合起来制成的润滑剂。石墨、二硫化钼、氮化硼、蜡、聚氟乙烯、酚醛树脂用于高温、大载荷以及不宜采用液体润滑剂和润滑脂的场合。1．润滑剂的选择原则上讲，当转速高、压强小时可选粘度低的油，反之应选粘度高的油。对于要求不高，难以经常供油或摆动工作的非液体摩擦轴承，可采用润滑脂进行润滑既能抗水，又能在较高温度下工作，适用于-20～120°C，但价格较前二者贵。钙基润滑脂：有良好的抗水性，但耐热能力差，工作温度不宜超过55～65°C；钠基润滑脂：有较高的耐热性，工作温度可达120°C，但抗水性差；锂基润滑脂：三、润滑方法1、油润滑间歇式供油：连续式供油：2、脂润滑脂润滑只能间歇供应润滑脂采用旋盖式油脂杯，注满润滑脂后，旋动上盖可将油脂压入轴承中。循环喷油润滑还有：油浴润滑