《润滑与润滑剂》ppt课件

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1、第六章 润滑与润滑剂,第一节 流体润滑基本概念 一、定义 在摩擦副对偶表面之间，有一层一定厚度（一般在1. 52m以上）的粘性流体润滑膜，由这层润滑膜的压力平衡外载荷，使两对偶表面不直接接触，在两对偶表面作相对运动时，只在流体分子间产生摩擦，这就是流体润滑。 在流体润滑中，根据润滑膜压力产生的方法，润滑方式可分为以下几种: 1.流体动压润滑 流体动压润滑，系由摩擦副对偶表面的几何形状和相对运动，并借助粘性流体的内摩擦力作用而产生润滑膜压力，从而平衡外载。 2.弹性流体动压润滑 弹性流体动压润滑理论是流体动压润滑理论的重要发展，它主要研究名义上是点线接触的摩擦副润滑问题（如齿轮副、滚动轴承等）。

2、 3.流体静压润滑,二、STRIBECK曲线,如图Stribeck曲线纵坐标是摩擦系数， 横坐标是承载特性。,流体润滑区：1、两相对运动表面完全被润滑膜隔开 2、摩擦力主要是油膜内部摩擦 3、油膜厚度远大于粗糙度 4、膜厚比如式子- 5、油的粘度是主要因素 混合润滑区：1、两表面承载是由凸峰和油膜承担 2、油的粘度是主要因素 3、摩擦力由接触摩擦和油的内部摩擦构成 4、油膜厚度与粗糙度接近( ) 边界润滑区及干摩擦区： 1、干摩擦时无油膜，边界润滑时油膜厚度非常有限 2、膜厚比多为：0.5-0.4，当为1时70%的载荷由油膜承担，30%由凸峰承担。 3、油的粘度不是主要因素，而粘性和极压性起主

3、要作用。,三、润滑的作用及常见摩擦（润滑）状态 1、润滑的作用 摩擦是消耗能源的原因；磨损是降低机械零件使用寿命，消耗材料的原因。 而润滑则是减少摩擦、节约能源；减少磨损节约材料的有力手段和有效措施。 所谓润滑，是在具有相对运动二个物体的接触表面间，注入第三种物质（润滑剂）将两接触表面隔开，形成剪切强度低的润滑膜，用该物质的内部摩擦代替两接触物体之间的摩擦。因其抗剪强度低，因而可以达到减少摩擦和磨损的目的。润滑可以提高机械零件的寿命和提高机械效率。还可起到冷却、冲洗、减振和防蚀作用。,2 、几种常见的摩擦状态： 1、流体动压润滑 2、流体静压润滑 3、弹性流体动压润滑 4、边界润滑 5、干摩擦

4、状态,四、润滑油的粘性 1、粘性流体的内摩擦定律 粘性流体在流动时流层之间产生阻碍相对运动的性质既是粘性。,根据牛顿实验：相邻流层之间阻力与速度变化梯度成正比。 既： 如图：由于分子间极性吸引力所产生的内聚力的作用，在流层之间有剪切力。 式中： 是流体流速沿油膜厚 度h（z轴）方向的变化率，若速度 变化规律为三角形,则 = ；,是比例常数，被定义为流体的动力粘度。具有这种特性的流体称为牛顿流体。,2、动力粘度的单位 (1)国际制单位 图示,长、宽、高各为1m的流体，如果使立方体顶面流体层相对底面流体层产生1m/s的运动速度，所需要的外力F为1N时，则流体的粘度为1Ns/m，叫做“帕秒”，常用P

5、as表示。,(2)物理单位制 如图,F=1dyne(厘米、克、秒) ,u=1cm/s 时,换算关系： 1Pa S=10P=1000cP,此时,流体粘度为1个物理单位制的动力粘度，用P 表示。 有时用P/100表示, 叫厘泊，用cP表示。,因为1N=105dyne 所以有如下换算,3、润滑油的运动粘度,流体的动力粘度与同温度下的密度的比值,称为运动粘度:,物理单位是cm/s,叫做“斯”,常用St表示， St/100叫厘斯,用cSt表示,换算关系：1m2/s=104St=106cSt ； 1St=1cm2/s=10-4m2/s=100cSt,4、相对粘度,恩氏粘度是相对粘度的一种,它是用200ml

6、的粘性流体,在给定的温度t下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间,与同体积的蒸馏水在20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 表示,国际单位是 m/s 。,(1)粘温特性,5、润滑油的特性,润滑油的粘度随温度的变化存在指数关系:,(2)润滑油的粘压特性,粘度和压力的关系近似表示为:,粘度指数VI按下式计算： 粘度指数的物理意义还可改写成 衡量粘温特性温度变化范围。 粘度指数VI是表示被测油粘度随温度 的变化程度 与标准油粘度随温度变化程度 的比值。,6、粘度指数（粘度比50、100，粘度指数VI ）,第二节 流体动压润滑雷诺方程,一、流体动压润滑的承载机理 图a 增压过

7、程 图b 溢出附加流动 图c 附加流动为零 C-C 截面压力最大 图d 压力分布曲线,二、雷诺方程 1、流体的连续性方程 如图所示：两个滑动板A，B，设在其相对运动中可以产生收敛型油楔，并能形成足够的承载能力将两板分开。,油楔中取一微小单元体，底面积为dxdy,高为h.润滑油可以从x、y、z 三个方向流进和流出该单元体。,设在单位宽度上沿x和y方向的容积流量分别为qx和qy. 沿x方向流入的容积流量为: qxdy，流出的容积流量为: （qx+ )dy, 式中 是沿x方向容积流量的变化。,沿y方向流入元单位的容积流量为 : qydx, 而流出的容积流量为:（qy+ dy)dx,若流体以速度Wo向

8、上流入， 则其容积流量为: Wodxdy； 若在顶端流体以Wh速度流出， 则其容积流量为: Whdxdy 。,1、考虑不可压缩及流动的连续性， 2、单位时间内沿x、y、z三个方向流入单元体的总容积流量等于总流出容积流量。 即： qxdy+qydx+wodxdy= (qx+ dx)dy+(qy+ dy)dx+whdxdy 将上式展开并消去同类项可得： dxdy+ dxdy+(wh-wo)dxdy=0 再消去 dxdy, 可得出流体的连续性方程：,(wh-wo)=0,3、流体连续性方程：,如果该单元柱体的顶面和底面均为不可渗透的表面，那么(wh-wo)dxdy是表示由于A板与B板在Z方向有运动使h

9、发生变化而引起的容积变化率，即(wh-wo)柱体高度的变化率， 因此(wh-wo)可写成 。,(1)油楔中取一各边长为dx、dy、dz的微小单元体。,粘性流体在剪应力与压应力作用下的微单元体受力平衡是流体动压润滑的原始方程之一。,2、微单元体的力平衡方程式,(3)底面受剪应力 ，剪力为: ， 而顶面上受剪应力( )，其相应的作用剪力为( )dxdy。 平衡方程式：,(2)单元体的左表面受压力强度为P，作用压力为Pdydz。 右表面受压力强度为(p+ dx),相应的作用压力为(p+ dx)dydz。,式中 是压力沿X方向的变化梯度。,dxdy,研究X方向的力平衡，所以实际上应写成： 对y方向上的

10、力平衡有： 润滑油膜的厚度很薄，压力在膜厚方向无变化，即Z方向压力梯度为零， 。 根据粘性流体内摩擦定律式，其剪力与润滑油的粘度及速度变化梯度成正比。 可得： 式中u、v分别为质点沿x、y方向的速度。 润滑油粘度 、压力P都不是Z的函数。现对上式进行两次积分：,整理得:,（1）,（2）,简化：,积分常数为：,代入,得：,将上式积分得：,根据假设知：,积分得：,同理，在y方向积分可求得： 式中：Vh、Vo分别是板A和B沿y方向速度。,3、雷诺方程 将 qx和 qy 值代入流量方程可得： 可写成： -这就是三维的雷诺方程。 式中 反映油膜形状引起的楔形效应； 和 为切向速度变化引起的剪切效应，称伸

11、缩效应； wh-wo是由于A、B两板法向趋近所产生的挤压效应。,因上面的三维雷诺方程较为复杂，故常将雷诺方程简化。 以U代替式中的 ；V代替式中 。 故有：,由于实际上在x、y两个互相垂直的方向上不能同时有楔形和速度， 故: （Vh）=0。 另外，A板和B板都不能向上或向下渗透润滑油， 必是表示两板 本身的距离变化，故可以用 代替。而实际上稳定运转时，油膜厚度是不 该变化的，因此常令 =0,上式简化为：,因为U并不是x的函数。 同时，油膜热效应不明显，接触区内为 常数。 最常用的雷诺方程：,-二维雷诺方程,（1）润滑油不可压缩； （2）润滑油做连续层流运动； （3）润滑油是粘性流体，符合粘性流

12、体内摩擦定律（牛顿定律）； （4）润滑油膜很薄，除 实际存在，其余均忽略不计； （5）润滑油膜惯性力、重力不计，膜厚方向粘度、压力不变； （6）润滑油与板接触并有相同速度； （7）没有考虑压力变化对粘度的影响； （8）润滑油在厚度方向上没有渗透，没有流动。,4、雷诺方程条件归纳:,流体动压润滑膜压力，通常由以下四个效应决定。 (1)动压效应 图1a可说明流体动压润滑膜的形状特征及所产生的动压效应。当下表面相对上表面以速度u运动时，沿运动方向的间隙逐渐减小，剪切流动引起的润滑剂从大口流向小口的流量也逐渐减小，不符合流量连续条件，只有产生如图所示的润滑膜压力分布，由压差流动减小大口流入流量和增大小

13、口流出流量，才能保证流过各断面的流量相等，从而满足流量连续条件。 (2)伸缩效应 图1b可以说明伸缩效应。当对偶表面由于弹性变形或其它原因使其速度沿运动方向逐渐减小时，剪切流动引起的流量沿运动方向也逐渐减小，因流量连续必然会产生如图所示的润滑膜压力分布。 (3)变密度效应 图1c可以说明变密度效应。当润滑剂密度沿运动方向逐渐降低时，即使各断面的体积流量相同，其质量流量沿运动方向仍是逐渐减小的，因质量守恒，则必然产生如图所示的润滑膜压力分布。密度的变化可以是润滑剂通过间隙时由于温度逐渐升高而造成的，也可以是外加热源使表面温度变化而产生的。虽然变密度效应产生的润滑膜压力并不高，但是这种作用可以使相

14、互平行的对偶表面具有一定的承载能力。 (4)挤压效应 图1d表示两个平行表面在法向力作用下相互接近，使润滑膜厚度逐渐减小而产生压差流动，此称挤压效应。当两个表面相互分离时，将导致润滑膜破坏和产生空穴现象。动压效应和挤压效应通常是形成润滑膜压力的两个主要因素。,润滑膜压力形成机制 a)动压效应 b)伸缩效应 c)变密度效应 d)挤压效应,动压润滑基本方程：,1）无限长模拟： 根据工程实际将二维方程化为一维方程处理。 在y方向的尺寸L远远大于x方向的尺寸b，即Lb，则 ，认为 ， y方向无限宽，润滑油在这个方向不流动， 化为一维雷诺方程： 对上式积分，得： b区间内必然有一点x= 处 的压力最大，

15、即 ， 设此处对应的油膜厚度 ，积分常数C=-6U ， 无限长的一维雷诺方程应为：,5、无限长模拟与无限短模拟,2）无限短模拟 同样可以认为板在y方向很短，,对y进行两次积分得：,因为h和 都是x的函数，故只要给出两板间的间隙形状，便可直接求出 各点的压力值。所以应用起来很方便。,根据边界条件，当y= 时，P=0；而当y=0由于在y方向的对称性,得：,故可求得积分常数：C1=0,所以得：,1、径向滑动轴承的几何参数,-偏心距,-油膜厚度,-半径间隙,-相对间隙,-偏心率,三、流体动压径向滑动轴承,-偏位角,（1）无限宽轴承 大，实际工程中很少出现。,2、承载能力分析,（2）无限窄轴承 小，工程实际 =1.5，应用较多，加以研究,（3）坐标变换 , 或 ,故知压力分布：,根据已知：,代入得：,：表示沿轴承轴线方向压力分布规律为抛物线,：表示油膜压力沿圆周方向分布是按正弦分布规律变化,在轴承宽度中央：,1、在,2、在