机械原理第四章摩擦磨损及润滑

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1、4-1 摩 擦,4-2 磨 损,4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法,4-4 流体润滑原理简介,4-0 概 述,第四章 机械零件设计概论,4-0 概 述,摩擦学-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。,同样摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。世界上1/31/2的能源消耗在摩擦上，各种机械零件因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施。,4-0 概 述, 摩擦-相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；, 磨损-由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；, 润滑-减轻摩擦和磨损所应采取的措施。,机械

2、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。,一、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。,4-1 摩 擦,1. 干摩擦,两零件表面直接接触后，因为微观局部压力高而形成许多冷焊点，运动时被剪切。,不允许出现干摩擦！,二、 滑动摩擦状态,功耗,磨损,温度,烧毁轴瓦,2. 边界摩擦,三、 滑动摩擦状态,运动副表面有一层厚度1 m的薄油

3、膜，不足以将两金属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互搓削。,比干摩擦的磨损轻，f 0.1 0.3,有一层压力油膜将两金属表面隔开，彼此不直接接触。是理想的摩擦状态。,3. 液体摩擦,摩擦和磨损极轻，f 0.001 0.01,4. 混合摩擦,混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。,边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。,可实现： f 0.001 -超润滑摩擦状态。,磨损由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。,磨损曲线,4-2 磨 损,磨损过程如图：,磨合阶段-包括摩擦表面轮廓峰

4、的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程。,稳定磨损阶段-零件在平稳而缓慢的速度下磨损。,剧烈磨损阶段-在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭到破坏，运动副间隙增大引起额外的动载荷和振动。零件即将进入报废阶段。,设计机器时，要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧烈磨损期的到来。,磨粒磨损,磨损的分类：,疲劳磨损,粘附磨损,冲蚀磨损,腐蚀磨损,微动磨损,磨损类型,按磨损机理分,按磨损表面外观可分为,点蚀磨损,胶合磨损,擦伤磨损,两种不同的称谓,磨粒磨损 ：,磨粒磨损外部进入摩擦面间的游离硬颗 粒（如空气中的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的轮廓峰尖在软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹两

5、旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微粒切削过程就叫磨粒磨损。,粘附磨损 ：,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。严重 的粘附磨损会造成运动副咬死。,疲劳磨损 ：,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机械磨损。点蚀过程：产生初始疲劳裂纹扩展 微粒脱落，形 成点蚀坑。,冲蚀磨损 ：,冲蚀磨损流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒冲击零件表面所引起的机械磨损。利用高压空气输送型砂或高压水输送碎

6、石时，管道内壁所产生的机械磨损是实例之一。,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。,应用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面等。,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。,一、 润滑剂,作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。,分类,液体润滑剂-润滑油,半固体润滑剂-润滑脂,固体润滑剂,气体润滑剂-空气,4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法,目的,润滑剂分类,气体：空气及其它气体介质。,液体：水、润滑油（

7、矿物油、动植物油、合成油和各种乳剂）等。,半固体：润滑脂,固体：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等,主要性能指标,润滑油、润滑脂,1、不完全液体润滑-降低摩擦、减少磨损、防锈； 2、液体动力润滑-工作介质、冷却、缓冲、吸振。,润 滑,粘度（动力粘度、运动粘度、条件粘度）、润滑性（油性）、极压性、闪点、凝点、 氧化稳定性,锥入度（又称为针入度或者稠度） 滴点,1. 润滑油,矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应用最广。,种类：,有机油-动、植物油,矿物油-石油产品，,化学合成油,4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法,粘度的大小表示了液体流动时其内摩擦阻力的大小，粘度愈大，内摩擦阻力就愈大，液体的流动性

8、就愈差,润滑,粘度可用动力粘度、运动粘度、条件粘度（恩氏粘度）等表示。我国的石油产品常用运动粘度来标定。,（1）动力粘度,（2）运动粘度,为动力粘度，单位为Pas；为密度，单位为,为运动粘度，单位为 。,润滑油,用作润滑剂的油类可概括为三类：,有机油，通常是动植物油；,矿物油，只要是石油产品；,化学合成油,其中因矿物油来源充足，成本低廉，适用范围光，而且稳定好，故 应用做多。,润滑油的性能指标：,（1）粘度,动力粘度,运动粘度,条件粘度,润滑油的粘度可定性的定义为它的流动阻力，它是润滑油最重要的性能之一。,粘 度,流体抵抗变形的能力，标志着流体内摩擦阻力的大小。,平行板间液体的层流流动模型,动

9、力粘度 量纲： 力时间/长度2 单位： 1 Pas （帕秒） 1dyns/cm2(泊),切应力,速度梯度,牛顿液体粘性定律 在流体中任意点处的切应力与该处流体速度梯度成正比,流体流动速度,“-”号表示速度随着流体膜厚度 方向的坐标y增大而减小,动力粘度,粘度的定义：流体抵抗变形的能力，标志着流体内摩擦阻力的大小。,工程中常用动力粘度与同温度下该液体的密度(单位kg/m3)的比值表示粘度，称为运动粘度 (单位m2/s), C.G.S制中运动粘度的单位St（斯），1 St = 1 cm2/s 。百分之一St称为cSt（厘斯）,条件粘度,矿物油密度=850 900kg/m3,GB/T 314-199

10、4规定我国工业润滑油分为18个等级，采用润滑油在40时的运动粘度中心值作为润滑油的牌号，润滑油实际运动粘度在相应中心粘度值的10%偏差以内。,有一轻型滑动轴承，要求采用粘度为4050cSt（40）的润滑油，请选定适当的润滑油牌号。P53 表4-1 46号,粘 度,条件粘度,指在一定条件下，利用某种规格的粘度计，通过测定润滑油穿过规定孔道的时间来进行度量的粘度。,常用的有：,恩氏度（ Et） 中国惯用,赛氏通用秒（SUS） 美国惯用,雷氏秒 英国惯用,运动粘度与条件粘度之间的换算关系：,润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如牌号为L-AN10的油在40时的运动粘度大约为10 cSt。,条件粘

11、度,平均温度t时的运动粘度,2.运动粘度：主要用于测量流体粘度。m2/s,1.动力粘度：主要用于流体动力计算中。Pas,3.两种粘度之间的换算关系：,矿物油的密度 kg/m3,4.润滑油粘度特性,粘温特性： 温度越高、粘度越低，反之亦然。,粘压特性： 压力越高、粘度越高，反之亦然。式（4-6）一般在5MPa之下影响不大。,图4-7 全损耗系统用油的粘-温曲线 P54,5.其它性能指标：油性、极压性、氧化稳定性、闪点、凝点等。,载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；,载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油。,（2）润滑性（油性）,润滑性是指润滑油中的分子与金属表面吸附形成一边界油膜，以减小摩擦

12、和磨损。润滑性愈好，吸附能力愈强。对于那些低速重载或润滑不充分的场合，润滑性具有特别重要的意义。,（3）极压性,润滑性能是润滑油中加入含硫、氯、磷的有机极性化合物之后，油中的极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能，它在重载、高速、高温条件下，可改善边界润滑性能。,（4）闪点,润滑油在标准容器中加热所蒸发的油气，遇火焰即能发出闪光时的最低温度，是衡量油易燃性的指标。对于在高温下工作的机器，这是一个重要参数。一般要求工作温度比油的闪点低 3040 。,（5）凝点,润滑油在规定的条件下，不再自由流动时所达到的最高温度。它是润滑油在低温下工作的一个重要指标，直接影响到机器在低温下的启

13、动性能和磨损情况。,（6）氧化稳定性,从化学意义上讲，润滑油是不活泼的。但当它们暴露在高温气体中时，也会发生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。这是一种胶状沉积物，不但腐蚀金属，而且加剧零件的磨损。,润滑油的特性：,1）粘-温相关性,温度 t ,压力p , ,但p 10 Mpa时可忽略。变化很小, ,粘-温图,L-TSA32,L-TSA32,L-TSA32,L-TSA32,选用原则：,1) 载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；,2) 载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油；,粘度值的大小不仅影响摩擦副的运动阻力，而且对润滑油膜的形成及承载能力具有决定性的作用。,2. 润滑脂,-润滑油与各种稠

14、化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。,优点：密封简单、不需要经常添加、不易流失；对速度和温度不敏感，适用范围广。,缺点：摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合。,润滑脂,润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。,优点：密封简单，不需要经常添加，不易流失，对速度和温度不敏感，适用范围广。,缺点：摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合。,润滑脂的种类：,钠基润滑脂,锂基润滑脂,铝基润滑脂,钙基润滑脂,分类,工程上应用最广,(1) 钙基润滑脂,抗水性好，耐热能力差，工作温度低于 5565 。,(2) 钠基润滑脂,耐热性好，工作温度可达 120 ，抗水性差。可与少量水乳化

15、，从而保护金属免遭腐蚀，比钙基脂有更好的防锈能力。,(3) 锂基润滑脂,既能抗水，又耐高温，而且有较好的机械安定型，是一种多用途的润滑值。工作温度不宜超过 145 。,(4) 铝基润滑脂,抗水性好，吸附能力强，可起到良好的防锈作用。,针入度（稠度）,标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。 针入度越大，润滑脂越稀；反之亦然。,滴点,在规定的加热条件下，润滑脂由标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度称为润滑脂的滴点。 滴点标志着润滑脂耐高温的能力。一般润滑脂的工作温度应低于滴点20-30C。,为改善润滑油或润滑脂的性能，以适应某些特殊的需要，在润滑油或润滑脂中加入一些物质，称为添加剂。,教材p56相关内容,油性添加剂,种类,添加剂为了改善润滑剂品质和性能而添加的物质。,3、添加剂,作用提高油性、极压性、延长使用寿命、改善性能。,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,若润滑油中同时加入油性添加剂和极压添加剂，则低温时可以靠油性添加剂的油性来获得减摩性，高温时则靠极压添加剂的化学反应膜来得到良好的减摩性,4. 固体润滑剂,聚氟乙烯树脂,用于润滑油不能胜任工作的场合：高温、低速重载。,石墨,二流化钼（MoS2）,