机械设计电子教案

第4章摩擦、磨损、润滑及密封 4.0 概述 4.1 摩擦 4.2 磨损 4.3 润滑材料 4.4 零件的润滑方式 4.5 密封装置机械与汽车工程学院机械设计电子教案概述一般认为，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。中国机械工程学会摩擦学分会调查显示：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%。q摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；q磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；q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。机械与汽车工程学院机械设计电子教案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静摩擦动摩擦膜厚比λ≤ 1 λ  3 1≤λ≤3 摩擦的分类 . 2 1 min 2 1 min 表面轮廓算术平均偏差、表面间最小油膜厚度；膜厚比————— a a a a R R h R R h+=l机械与汽车工程学院机械设计电子教案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。在工程实际中没有真正的干摩擦，因为暴露在大气中的任何零件的表面，不仅会因氧气而形成氧化膜，且或多或少也会被润滑油所湿润或受到污染 ，这时，其摩擦系数将显著降低。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。 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。 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。此种润滑状态亦称液体润滑，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。关于液体摩擦（液体润滑）的问题，将在滑动轴承中进一步讨论 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。摩擦的分类机械与汽车工程学院机械设计电子教案滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子轴承则稍大滚动摩擦 0.08～0.20 0.001(与设计参数有关) 液体动力润滑液体静力润滑流体润滑 0.15～0.30 0.05～0.10 0.10～0.20 矿物油湿润表面加油性添加剂的油润滑：钢­钢；尼龙­钢尼龙­尼龙边界润滑 0.06～0.20 0.08～0.20 石墨­二硫化钼润滑铅膜润滑固体润滑 0.8～1.5 0.15～0.3 0.15～0.3 0.6～1.9 0.04～0.12 相同金属：黄铜­黄铜；青铜­青铜异种金属：铜铅合金­钢巴氏合金­钢非金属：橡胶­其他材料聚四氟乙烯­其他材料干摩擦摩擦因数摩擦状况不同摩擦状况下的摩擦因数机械与汽车工程学院机械设计电子教案Ⅰ跑合磨损阶段由于机械加工的表面具有一定的不平度存在；运转初期，摩擦副的实际接触面积较小，单位面积上的实际载荷较大。因此，磨损速度较快。经跑合后尖峰高度降低，峰顶半径增大，实际接触面积增加，磨损速度降低。Ⅱ稳定磨损阶段机件以平稳缓慢的速度磨损，这个阶段的长短就代表机件使用寿命的长短。磨损曲线Ⅲ剧烈磨损阶段经稳定磨损阶段后，使精度降低、间隙增大，从而产生冲击、振动和噪声，磨损加剧，温度升高，短时间内使零件迅速报废。图中虚线表示跑合期压力过多、速度过快或润滑不良，零件迅速进入急剧磨损阶段。一、磨损过程及曲线磨损过程机械与汽车工程学院机械设计电子教案二、磨损的分类（按照磨损机理分）：粘着磨损：也称胶合，““冷焊冷焊””后，表面材料的脱离及迁移；后，表面材料的脱离及迁移；磨粒磨损：摩擦面间的游离颗粒，起到微切削作用；摩擦面间的游离颗粒，起到微切削作用；疲劳磨损：疲劳点蚀；疲劳点蚀；腐蚀磨损：摩擦表面材料在化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦表面材料在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。摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。冲蚀磨损：高压流体冲击引起的机械磨损；高压流体冲击引起的机械磨损；磨损的分类机械与汽车工程学院机械设计电子教案润滑剂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。 1.液体润滑剂（润滑油）主要有三大类：（1）矿物油。主要是石油产品。来源充足，稳定性好、成本低，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，应用较少。（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。 2.气体润滑剂最常用的是空气。适于高温和低温环境下的高速场合，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。 4.固体润滑剂固体润滑剂有无机化合物（石墨、二硫化钼、硼砂等）与有机化合物（金属皂、动物脂等）。固体润滑剂适用于高温、大载荷以及不宜采用液体润滑剂和润滑脂的场合，如宇航设备及卫生要求较高的机械设备中。润滑剂机械与汽车工程学院机械设计电子教案润滑油的性能指标1：粘度 1.粘度：表征润滑油流动时的内部阻力。动力粘度：牛顿在1687年研究粘性液体流动的摩擦定理中，定义了动力粘度η：运动粘度：动力粘度η与同温度下该液体密度ρ之比值：运动粘度υ的量纲 m 2 / s .在C.G.S制中用 St（斯）,1 St=1 cm 2 /s；常用的为cSt(厘斯)， 1 cSt=1 mm 2 /s 。 GB/T314­1994规定采用润滑油在40℃时的运动粘度中心值作为润滑油的牌号。条件粘度：用一定的粘度计进行计量的润滑油的粘度，主要是商业用。如恩氏度（ o E t ）,赛氏秒（SUS），雷氏秒（R）润滑油 y v¶¶-=ht力粘度。比例常数，即流体的动速度梯度；流体垂直于运动方向的力；流体单位面积上的切应 __ __ __ht y v¶¶动力粘度η的量纲 N∙s/m2 或Pa∙s 。不便测量，主要用于流体动力学计算。 s m / 2rhn=机械与汽车工程学院机械设计电子教案润滑油的粘－压特性：当应力很高（大于20MPa）时,润滑油的粘度将明显增大。一般，只在高副元件中才有这种现象，如重载齿轮传动中，啮合处的局部压力可能高达4000MPa，此时润滑油的粘度极大，变得像腊状的固体。润滑油的粘－温特性：随着温度的升高，粘度将变小。其影响程度由粘度指数（VI）表示，VI越大，则粘度随温度的变化越小，即粘－温性能越好。图4－5 为几种全损耗系统润滑油的粘－温曲线。润滑油机械与汽车工程学院机械设计电子教案 1.98～2.42 2.88～3.52 4.14～5.06 6.12～7.48 9.00～11.0 13.5～16.5 19.8～24.2 28.8～35.2 41.4～50.6 61.2～74.8 90.0～110 135～165 198～242 288～352 414～506 612～748 900～1100 1350～1650 2.2 3.2 4.6 6.8 101522324668 100 150 220 320 460 680 1000 1500 2 3 5 7 101522324668 100 150 220 320 460 680 1000 1500 运动粘度范围40°C 运动粘度中心值40°C 粘度牌号工业用润滑油粘度牌号分类表单位：cSt机械与汽车工程学院机械设计电子教案润滑油的性能指标2：油性、极压性、闪点、凝点、稳定性 2.油性润滑油能在金属摩擦表面形成吸附膜的性能称为油性。油性愈好、愈有利于边界润滑，动、植物油和脂肪酸的油性较好。目前尚无一个定量的指标评价润滑剂的油性。 3.极压性润滑油中含有极压添加剂而形成化学反应膜的能力。 4.闪点润滑油蒸气遇火焰发出闪光的最低温度称为闪点。是衡量油的易燃性的尺度。 5.凝点润滑油冷却到不能流动的温度称为凝点。低温工作的场合应选凝点低的润滑油来润滑。 6.氧化稳定性润滑油被暴露在高温空气中时抗氧化的能力。润滑脂的性能指标：锥入度、滴点 1.锥入度（针入度、稠度）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。 2.滴点润滑脂受热开始滴下的温度称为滴点，润滑脂的工作温度最少要低于滴点20°C。润滑剂的性能指标机械与汽车工程学院机械设计电子教案提高油性、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其巨大作用的物质，这些物质叫添加剂。添加剂机械与汽车工程学院机械设计电子教案润滑剂用得最多的是润滑油和润滑脂。选择滑动轴承的润滑油时，主要是考虑粘性和油性两项性能指标。对液体摩擦轴承，粘性起主要作用，对非液体摩擦轴承，油性起主要作用。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。在高温环境下工作时其粘度相应地选得高一些。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，常用的润滑脂有：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：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。润滑剂的选择机械与汽车工程学院机械设计电子教案机械零件的润滑状态边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，都必须在一定的润滑条件下才能实现，摩擦状态与润滑状态成对应关系。边界润滑：λ≤ 1 边界膜（吸附膜、反应膜）流体润滑：λ≥ 3 摩擦副始终被一层具有一定压力和一定厚度的流体膜完全隔开、相互运动的阻力只是流体内部的摩擦力时，这种润滑状态称为流体润滑。混合润滑： 1≤λ≤ 3 兼有边界润滑和液体润滑的状态称为混合润滑，其摩擦因数也介于两者之间。（最常见）润滑状态的变化： p v/h机械与汽车工程学院机械设计电子教案流体动力润滑形成的必要条件：q楔形空间；q相对运动（保证流体由大口进入）；q连续不断地供油。流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破。一、流体动力润滑流体润滑1 流体润滑原理简介机械与汽车工程学院机械设计电子教案二、弹性流体动力润滑流体润滑原理简介机械与汽车工程学院机械设计电子教案流体润滑２三、流体静力润滑：借助外部供入的压力油形成的流体膜来承受外载荷的润滑方式。流体润滑原理简介机械与汽车工程学院机械设计电子教案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。常用的润滑装置浸油与飞溅润滑喷油润滑润滑方法和润滑装置机械与汽车工程学院机械设计电子教案分散供油装置油壶油枪机械与汽车工程学院机械设计电子教案a) 简单的少数点位集中供油 b) 设备中心、车间及工厂级集中供油泵站+(稳压+冷却)+过滤+分配器+工位润滑集中供油装置机械与汽车工程学院机械设计电子教案密封装置