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1、第四章第四章 摩擦、磨损和润滑摩擦、磨损和润滑 摩擦磨损润滑和密封失效是现代机械系统的主要摩擦磨损润滑和密封失效是现代机械系统的主要失效原因。失效原因。消极影响：消耗能源；消极影响：消耗能源；破坏精度（包括磨损和爬行）；破坏精度（包括磨损和爬行）；增大噪声增大噪声 积极作用：驱动积极作用：驱动(摩擦轮、无级变速）摩擦轮、无级变速）缓冲，如宇航员座椅；缓冲，如宇航员座椅；自锁，如钉子等自锁，如钉子等4.1 摩擦与润滑状态摩擦与润滑状态 摩擦分类摩擦分类：外摩擦（存在于两物体表面之间）：外摩擦（存在于两物体表面之间）内摩擦（流体内部产生的粘剪力）内摩擦（流体内部产生的粘剪力）按照两表面的润滑状况，
2、摩擦分为：按照两表面的润滑状况，摩擦分为：1）干摩擦）干摩擦-无润滑状态无润滑状态 2）边界摩擦边界摩擦边界润滑状态边界润滑状态 3）流体摩擦）流体摩擦流体润滑状态流体润滑状态 4）混合摩擦）混合摩擦混合润滑状态混合润滑状态 5）薄膜摩擦薄膜摩擦-薄膜润滑状态薄膜润滑状态 一、干摩擦一、干摩擦不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样产生的摩擦称为干摩擦产生的摩擦称为干摩擦(如真空中如真空中)。现在观点认为：现在观点认为：摩擦力的组成可表示为：摩擦力的组成可表示为：古典摩擦理论的摩擦力计算公式：古典摩擦理论的摩擦力计算公式：二、边界摩擦二、边界
3、摩擦两表面加入润滑油后，在金属两表面加入润滑油后，在金属表面会形成一层边界膜，它可表面会形成一层边界膜，它可能是物理吸附膜，也可能是化能是物理吸附膜，也可能是化学反应膜。不满足流体动压形学反应膜。不满足流体动压形成条件，或虽有动压力，但压成条件，或虽有动压力，但压力较低，油膜较薄时，在载荷力较低，油膜较薄时，在载荷的作用下，边界膜互相接触，的作用下，边界膜互相接触，横向剪切力比较弱，这种摩擦横向剪切力比较弱，这种摩擦状态称为边界摩擦。状态称为边界摩擦。油性分子吸附在表面油性分子吸附在表面三、流体摩擦三、流体摩擦 当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔
4、开时，摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体摩擦。摩擦。四、混合摩擦四、混合摩擦当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。五、薄膜润滑状态五、薄膜润滑状态 介于干摩擦和边界摩擦之间，薄膜厚度仅几介于干摩擦和边界摩擦之间，薄膜厚度仅几纳米，在现代精密机械系统纳米，在现代精密机械系统
5、(Ra很小很小)或或MEMS中中普遍存在普遍存在 实现流体摩擦有下列三种方法实现流体摩擦有下列三种方法:1)流体动压润滑流体动压润滑 楔形空间，油膜厚度最大楔形空间，油膜厚度最大 2）弹性流体动压润滑）弹性流体动压润滑考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度的考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度的影响的动压润滑称为弹性流体动力润滑影响的动压润滑称为弹性流体动力润滑,简称为弹流简称为弹流润滑润滑.两表面的距离两表面的距离 称为称为平均油膜厚度。接触平均油膜厚度。接触区的出口处油膜变薄区的出口处油膜变薄,这种现象称为这种现象称为“颈缩颈缩”,此处两表面距离此处两表面距离 称为最小油膜厚
6、度。称为最小油膜厚度。3)流体静压润滑流体静压润滑用油泵将润滑油经过节流用油泵将润滑油经过节流器以所需要压力注入被润器以所需要压力注入被润滑表面的油室滑表面的油室,再由油室再由油室的封油边流回油箱。的封油边流回油箱。4.2 磨损磨损 磨损：运动副表面材料不断损失磨损：运动副表面材料不断损失 磨损率磨损率:单位时间内材料的磨损体积或重量单位时间内材料的磨损体积或重量 一、磨损过程（三阶段）一、磨损过程（三阶段）:1)跑合磨损阶段跑合磨损阶段 2)稳定磨损阶段稳定磨损阶段 3)剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段 二、磨损分类：根据磨损机理可分为二、磨损分类：根据磨损机理可分为1）粘着磨损：）粘着磨损：2）磨
7、粒磨损）磨粒磨损/磨削磨削形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，表面尖峰接触。表面尖峰接触。现象：形成材料转移。现象：形成材料转移。影响因素：材料硬度，表面粗糙度，载荷、速度、影响因素：材料硬度，表面粗糙度，载荷、速度、温度，不同材料配副。温度，不同材料配副。形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。现象：表面划伤或犁沟现象。现象：表面划伤或犁沟现象。影响因素：环境，表面硬度、粗糙度。影响因素：环境，表面硬度、粗糙度。3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）4）冲蚀磨损）冲蚀磨损形成：接触应力反
8、复作用。轴承、齿轮。形成：接触应力反复作用。轴承、齿轮。现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。影响因素：表面硬度、粗糙度，润滑油粘度。影响因素：表面硬度、粗糙度，润滑油粘度。形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片。向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片。现象：表面疲劳，材料损失。现象：表面疲劳，材料损失。影响因素：材料硬度影响因素：材料硬度5）腐蚀磨损）腐蚀磨损-电化学作用电化学作用形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生化学作用形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生化学作用或电
9、化学作用。或电化学作用。现象：表面腐蚀并磨损。现象：表面腐蚀并磨损。影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。6）微动磨损）微动磨损形成：小振幅、大频率、点或线接触。形成：小振幅、大频率、点或线接触。现象：磨损面积小。现象：磨损面积小。影响因素：载荷。影响因素：载荷。4.3 润滑剂和添加剂润滑剂和添加剂 润滑剂：润滑油、润滑脂和固体润滑剂润滑剂：润滑油、润滑脂和固体润滑剂一、润滑油的粘度一、润滑油的粘度润滑油的粘度反映了润滑润滑油的粘度反映了润滑油在外力作用下抵抗剪切油在外力作用下抵抗剪切变形的能力，也是内摩擦变形的能力，也是内摩擦力大小的标志力大小的标志。剪切应力剪切应
10、力与流体沿与流体沿y方向速度的梯度成正比，即方向速度的梯度成正比，即 定义为流体的动力粘度定义为流体的动力粘度 上式称为牛顿流体粘性定律上式称为牛顿流体粘性定律,凡符合此定律凡符合此定律的流体称为牛顿流体的流体称为牛顿流体,否则称为非牛顿流体否则称为非牛顿流体。除此以外，还有运动粘度和相对粘度（恩氏除此以外，还有运动粘度和相对粘度（恩氏粘度）粘度）1）动力粘度）动力粘度图示图示,长、宽、高各为长、宽、高各为1m的流体，如果使立方体顶面流的流体，如果使立方体顶面流体层相对底面流体层产生体层相对底面流体层产生1m/s的运动速度，所需要的外的运动速度，所需要的外力力F为为1N时，则流体的粘度时，则流
11、体的粘度为为1Ns/m，叫做，叫做“帕秒帕秒”，常用，常用Pas表示。有时也用表示。有时也用“（dyn s/cm2）泊）泊P”、“厘泊厘泊cP”表示。表示。换算关系：换算关系：1Pa S=10P=1000cP2）运动粘度）运动粘度 流体的动力粘度与同温度下的密度流体的动力粘度与同温度下的密度的比值的比值,称为称为运动粘度运动粘度:单位是单位是cm/s,叫做叫做“斯斯”,常用常用St表示表示恩氏粘度是相对粘度的一种恩氏粘度是相对粘度的一种,它是用它是用200ml的粘性流体的粘性流体,在给定的温度在给定的温度t下流经一定直径和长度的毛细管所需的下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间时间,与同体积的
12、蒸馏水在与同体积的蒸馏水在20时流经同样的毛细管所时流经同样的毛细管所需时间的比值来衡量流体的粘性。恩氏粘度用需时间的比值来衡量流体的粘性。恩氏粘度用 表示表示3)相对粘度相对粘度换算关系：换算关系：1m2/s=104St=106cSt 矿物油矿物油1 1、粘温特性、粘温特性二、润滑油的特性二、润滑油的特性 润滑油的粘度随温度的润滑油的粘度随温度的变化存在指数关系变化存在指数关系:2、润滑油的粘压特性、润滑油的粘压特性 粘度和压力的关系近粘度和压力的关系近似表示为似表示为:3、油性、油性反反映在摩擦表面的吸附性能映在摩擦表面的吸附性能 （边界润滑和粗糙表面尤其重要）（边界润滑和粗糙表面尤其重要
13、）4、闪点、闪点瞬瞬时燃烧和碳化的温度；时燃烧和碳化的温度；燃点燃点长长时间连续燃烧的温度（高温性能）；时间连续燃烧的温度（高温性能）；5、凝点、凝点冷冷却，由液体转变为不能流动的临界却，由液体转变为不能流动的临界温度；温度；(低温启动性能低温启动性能)6、极压性（、极压性（EP）,在重压下表面膜破裂的最大在重压下表面膜破裂的最大 接触载荷，用接触载荷，用PB表示，表示，(极限载荷）极限载荷）7、酸值、酸值限制限制润滑剂变质后对表面的腐蚀润滑剂变质后对表面的腐蚀四、润滑脂及其主要性能四、润滑脂及其主要性能组成：基础油组成：基础油+稠化剂稠化剂+添加剂添加剂+澎润土澎润土润滑脂的性能指标主要有针
14、入度、滴点、析油量、润滑脂的性能指标主要有针入度、滴点、析油量、机械杂质、灰分、水分等机械杂质、灰分、水分等1）针入度）针入度软软硬程度硬程度 阻力大小、流动性强弱阻力大小、流动性强弱标准锥体，标准锥体，150g，25 ，5sh2）滴点）滴点-固体固体流体的温度转折点，表示耐热性流体的温度转折点，表示耐热性3）防水性能；）防水性能；4）静音性能；）静音性能；5）种类）种类A)钙基脂：抗水，适于轻中重载荷；钙基脂：抗水，适于轻中重载荷；B)钠基脂：高温，但不抗水；钠基脂：高温，但不抗水；C)锂基脂：多用途，最好；锂基脂：多用途，最好；D)铝基脂：高度耐水性，航运机械铝基脂：高度耐水性，航运机械
15、E)其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、稠化剂等）稠化剂等）五、固体润滑剂五、固体润滑剂用途：真空、辐射、重载等恶劣环境；用途：真空、辐射、重载等恶劣环境；种类：种类：MoS2，PTFE，石墨，氟化石墨，石墨，氟化石墨，WS2、纳米材料纳米材料应用方法：涂镀应用方法：涂镀，沉积，粘贴，嵌入，添加剂沉积，粘贴，嵌入，添加剂六、添加剂六、添加剂作用越来越大，在润滑脂、合成油中不加添加剂，作用越来越大，在润滑脂、合成油中不加添加剂，则润滑很差或没有润滑作用则润滑很差或没有润滑作用种类繁多：种类繁多：）油性添加剂，极性分子结构；）油性添加剂，极性分子结构；）抗磨极压（）抗磨极压（EPEP）添加剂添加剂）抗氧化腐蚀添加剂；）抗氧化腐蚀添加剂；）洁净分散剂，汽车中）洁净分散剂，汽车中）防锈剂）防锈剂）降凝剂）降凝剂）增粘剂）增粘剂）消泡剂液压油）消泡剂液压油 9 9）纳米添加剂新材料）纳米添加剂新材料 七、润滑装置七、润滑装置单体供油装置单体供油装置 油壶，油壶，油杯，油杯，油枪油枪集中供油装置集中供油装置 a)简单的少数点位集中供油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设备中心、车间及工厂级集中供油 泵站泵站+(稳压稳压+冷却冷却)+过滤过滤+分配器分配器+工位润滑工位润滑手动润滑泵手动润滑泵电动润滑泵电动润滑泵