第4章摩擦、磨損及潤滑

1、 一般認為，人類一次能源大約一般認為，人類一次能源大約1/31/3是消耗于摩擦損失，約有是消耗于摩擦損失，約有70%70%的的設備損壞是由于各種形式的磨損而引起的。設備損壞是由于各種形式的磨損而引起的。 中國機械工程學會摩擦學分會中國機械工程學會摩擦學分會調(diào)查顯示：我國每年制造汽車消耗調(diào)查顯示：我國每年制造汽車消耗的鋼材與制造汽車配件消耗的相比大致相等。的鋼材與制造汽車配件消耗的相比大致相等。 根據(jù)美國、英國、德國等國家的統(tǒng)計，與摩擦、磨損有關(guān)方面的根據(jù)美國、英國、德國等國家的統(tǒng)計，與摩擦、磨損有關(guān)方面的花費大約占國民經(jīng)濟年生產(chǎn)總值的花費大約占國民經(jīng)濟年生產(chǎn)總值的2%2%7%7%。 研究有關(guān)摩

2、擦、磨損與潤滑的科學與技術(shù)統(tǒng)稱為研究有關(guān)摩擦、磨損與潤滑的科學與技術(shù)統(tǒng)稱為摩擦學摩擦學(Tribology)(Tribology)。 把在機械設計中正確運用摩擦學知識與技術(shù)，使之具有良好的摩擦學性把在機械設計中正確運用摩擦學知識與技術(shù)，使之具有良好的摩擦學性能的過程稱為能的過程稱為摩擦學設計摩擦學設計。q 摩擦是相對運動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；q 磨損是由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；q 潤滑是減輕摩擦和磨損所應采取的措施。 摩擦學是研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者摩擦學是研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應用的一門邊緣

3、學科。間相互關(guān)系的理論與應用的一門邊緣學科。 第四章 摩擦、磨損及潤滑概述4-1 4-1 摩擦摩擦膜厚比膜厚比 1 3 13 .21min21min表面輪廓算術(shù)平均偏差、表面間最小油膜厚度；膜厚比aaaaRRhRRh摩擦摩擦滑動摩擦滑動摩擦滾動摩擦滾動摩擦干摩擦干摩擦邊界摩擦邊界摩擦流體摩擦流體摩擦混合摩擦混合摩擦靜摩擦靜摩擦動摩擦動摩擦金屬表面間的滑動摩擦金屬表面間的滑動摩擦大致估計兩滑動表大致估計兩滑動表面所處的摩擦（潤面所處的摩擦（潤滑）狀態(tài)?；顟B(tài)。1.1.干摩擦干摩擦 兩摩擦表面間無任何潤滑劑或保護膜的兩摩擦表面間無任何潤滑劑或保護膜的純凈金屬接觸時的摩擦，稱為干摩擦。純凈金屬接觸

4、時的摩擦，稱為干摩擦。在機在機械設計中，通常把不出現(xiàn)顯著潤滑的摩擦，械設計中，通常把不出現(xiàn)顯著潤滑的摩擦，當作干摩擦處理。當作干摩擦處理。 摩擦理論：摩擦理論： 庫侖公式庫侖公式 nfFfF新理論：分子新理論：分子機械理論機械理論 能量理論、粘著理論能量理論、粘著理論簡單粘著理論：簡單粘著理論： BsynBrfFAFsyBnfFFf=界面剪切強度極限界面剪切強度極限/ 兩種金屬基體中較軟的壓縮屈服極限兩種金屬基體中較軟的壓縮屈服極限2.2.邊界摩擦邊界摩擦 兩摩擦表面各附有一層極薄的邊界膜，兩表面仍兩摩擦表面各附有一層極薄的邊界膜，兩表面仍是凸峰接觸的摩擦狀態(tài)稱為邊界摩擦。是凸峰接觸的摩擦狀態(tài)

5、稱為邊界摩擦。 摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和零件表面的吸附性能。摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和零件表面的吸附性能。物理吸附膜物理吸附膜常溫、輕載、低速常溫、輕載、低速 化學吸附膜化學吸附膜 中等載荷、速度和溫度中等載荷、速度和溫度 化學反應膜化學反應膜 重載、高速和高溫重載、高速和高溫 3.3.流體摩擦流體摩擦 兩摩擦表面完全被流體層隔開、表面凸峰不兩摩擦表面完全被流體層隔開、表面凸峰不直接接觸的摩擦。直接接觸的摩擦。此種潤滑狀態(tài)亦稱流體潤滑，此種潤滑狀態(tài)亦稱流體潤滑，摩擦是在流體內(nèi)部的分子之間進行，故摩擦系數(shù)摩擦是在流體內(nèi)部的分子之間進行，故摩擦系數(shù)極小。極小。 摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力。摩擦

6、性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力。4.4.混合摩擦混合摩擦 兩表面間同時存在干摩擦、邊界摩擦和液體兩表面間同時存在干摩擦、邊界摩擦和液體摩擦的狀態(tài)稱為混合摩擦。摩擦的狀態(tài)稱為混合摩擦。 膜厚比膜厚比 1 3膜厚比膜厚比 5 全液體摩擦全液體摩擦 膜厚比膜厚比 3 4流體摩擦流體摩擦 摩擦狀況摩擦狀況摩擦因數(shù)摩擦因數(shù)干摩擦干摩擦相同金屬：相同金屬： 黃銅黃銅-黃銅；青銅黃銅；青銅-青銅青銅異種金屬：異種金屬：銅鉛合金銅鉛合金-鋼鋼巴氏合金巴氏合金-鋼鋼非金屬：非金屬：橡膠橡膠-其他材料其他材料 聚四氟乙烯聚四氟乙烯-其他材料其他材料0.81.5 0.150.3 0.150.3 0.61.9 0.

7、040.12固體潤滑固體潤滑石墨石墨-二硫化鉬潤滑二硫化鉬潤滑鉛膜潤滑鉛膜潤滑0.060.20 0.080.20邊界潤滑邊界潤滑礦物油濕潤表面礦物油濕潤表面加油性添加劑的油潤滑：加油性添加劑的油潤滑：鋼鋼-鋼；尼龍鋼；尼龍-鋼鋼 尼龍尼龍-尼龍尼龍 0.150.300.050.10 0.100.20流體潤滑流體潤滑液體動力潤滑液體動力潤滑液體靜力潤滑液體靜力潤滑0.080.20 0.001(與設計參數(shù)有關(guān)與設計參數(shù)有關(guān))滾動摩擦滾動摩擦滾動摩擦系數(shù)與接觸面材料的硬度、粗糙度、濕度等有關(guān)。球滾動摩擦系數(shù)與接觸面材料的硬度、粗糙度、濕度等有關(guān)。球和圓柱滾子軸承的摩擦大體與液體動力潤滑相近，其它滾子

8、軸承則和圓柱滾子軸承的摩擦大體與液體動力潤滑相近，其它滾子軸承則稍大。稍大。不同摩擦狀況下的摩擦因數(shù)不同摩擦狀況下的摩擦因數(shù)4-2 4-2 摩損摩損一、典型的磨損過程一、典型的磨損過程 1 1、磨合磨損過程、磨合磨損過程 2 2、穩(wěn)定磨損階段、穩(wěn)定磨損階段 3 3、急劇磨損階段、急劇磨損階段 在一定載荷作用下形成在一定載荷作用下形成一個穩(wěn)定的表面粗糙度，一個穩(wěn)定的表面粗糙度，且在以后過程中，此粗糙且在以后過程中，此粗糙度不會繼續(xù)改變，所占時度不會繼續(xù)改變，所占時間比率較小間比率較小經(jīng)磨合的摩擦表面加工硬化，形成了穩(wěn)定的表面粗糙度，摩經(jīng)磨合的摩擦表面加工硬化，形成了穩(wěn)定的表面粗糙度，摩擦條件保持

9、相對穩(wěn)定，磨損較緩擦條件保持相對穩(wěn)定，磨損較緩, ,該段時間長短反映零件的壽命。該段時間長短反映零件的壽命。經(jīng)穩(wěn)定磨損后，零件表面破壞，運動副間隙增大動載振動潤滑狀態(tài)改變溫升磨損速度急劇上升直至零件失效 二、磨損的分類（按照磨損機理分）二、磨損的分類（按照磨損機理分） 粘附磨損粘附磨損：也稱膠合，也稱膠合，“冷焊冷焊”后，表面材料的脫離及遷移；后，表面材料的脫離及遷移；磨粒磨損磨粒磨損：摩擦面間的游離顆粒，起到微切削作用；摩擦面間的游離顆粒，起到微切削作用；疲勞磨損疲勞磨損：疲勞點蝕；疲勞點蝕；流體磨粒磨損和流體侵蝕磨損（沖蝕磨損）流體磨粒磨損和流體侵蝕磨損（沖蝕磨損）：高壓流體沖擊引高壓流體

10、沖擊引起的機械磨損；起的機械磨損；機械化學磨損（機械化學磨損（腐蝕磨損）：腐蝕磨損）：摩擦表面材料在化學或電化學作用摩擦表面材料在化學或電化學作用下引起腐蝕，在摩擦副相對運動時所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損；下引起腐蝕，在摩擦副相對運動時所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損；微動磨損微動磨損( (微動損傷微動損傷) )：由粘附磨損、磨粒磨損、機械化學磨損和疲由粘附磨損、磨粒磨損、機械化學磨損和疲勞磨損共同形成的復合磨損形式。勞磨損共同形成的復合磨損形式。4-3 4-3 潤滑劑、添加劑和潤滑方法潤滑劑、添加劑和潤滑方法一、潤滑劑一、潤滑劑 在摩擦面間加入潤滑劑的主要作用是改善摩擦、減輕磨損，同在摩擦面間加入潤滑劑

11、的主要作用是改善摩擦、減輕磨損，同時潤滑劑還能起減振、防銹等作用，液體潤滑劑還能帶走摩擦熱、時潤滑劑還能起減振、防銹等作用，液體潤滑劑還能帶走摩擦熱、污物等。污物等。 潤滑劑有：潤滑劑有： 液體潤滑劑液體潤滑劑 氣體潤滑劑氣體潤滑劑 潤滑脂潤滑脂 固體潤滑劑固體潤滑劑 1）液體潤滑劑（潤滑油）液體潤滑劑（潤滑油）主要有三大類：主要有三大類：（1）礦物油。主要是石油產(chǎn)品。來源充足，穩(wěn)定性好、成本低，）礦物油。主要是石油產(chǎn)品。來源充足，穩(wěn)定性好、成本低，應用最應用最廣廣。 （2）動、植物油。其油性好，最適于邊界潤滑使用，但穩(wěn)定性差，應）動、植物油。其油性好，最適于邊界潤滑使用，但穩(wěn)定性差，應用較少

12、。用較少。（3）合成油。如磷酸酯（低溫潤滑劑）、硅酸鹽酯（高溫潤滑劑）、氟）合成油。如磷酸酯（低溫潤滑劑）、硅酸鹽酯（高溫潤滑劑）、氟化物（耐氧化潤滑劑）等，近年來應用面不斷拓廣。化物（耐氧化潤滑劑）等，近年來應用面不斷拓廣。2）氣體潤滑劑）氣體潤滑劑 最常用的是空氣。適于高溫和低溫環(huán)境下的高速場合，承載能力低。最常用的是空氣。適于高溫和低溫環(huán)境下的高速場合，承載能力低。3）潤滑脂）潤滑脂 為使?jié)櫥瑒┮子诒３衷谀Σ帘砻妫贸砘瘎櫥统砘筛酄?，即為使?jié)櫥瑒┮子诒３衷谀Σ帘砻妫贸砘瘎櫥统砘筛酄?，即潤滑脂。潤滑脂?）固體潤滑劑）固體潤滑劑 固體潤滑劑有無機化合物（石墨、二硫化鉬、硼

13、砂等）與有機化合物固體潤滑劑有無機化合物（石墨、二硫化鉬、硼砂等）與有機化合物（金屬皂、動物脂等）。固體潤滑劑適用于高溫、大載荷以及不宜采用液（金屬皂、動物脂等）。固體潤滑劑適用于高溫、大載荷以及不宜采用液體潤滑劑和潤滑脂的場合，如宇航設備及衛(wèi)生要求較高的機械設備中。體潤滑劑和潤滑脂的場合，如宇航設備及衛(wèi)生要求較高的機械設備中。 性能指標：性能指標： 1）粘度）粘度 2）油性）油性 3）凝點）凝點 4）閃點和燃點）閃點和燃點 5）極壓性能）極壓性能 6）氧化穩(wěn)定性）氧化穩(wěn)定性 1 1、潤滑油、潤滑油 有機油、礦物油、合成油有機油、礦物油、合成油潤滑油的性能指標潤滑油的性能指標1 1：粘度粘度1

14、.粘度：表征潤滑油流動時的內(nèi)部阻力。粘度：表征潤滑油流動時的內(nèi)部阻力。動力粘度：動力粘度：牛頓在牛頓在1687年研究粘性液體流動的摩擦定理中，定義了年研究粘性液體流動的摩擦定理中，定義了動力粘度動力粘度：yv力粘度。比例常數(shù)，即流體的動速度梯度；流體垂直于運動方向的力；流體單位面積上的切應_yv動力粘度動力粘度的量綱的量綱 Ns/m2 或或Pas 。不便測量，主要用于流體動力學計算。不便測量，主要用于流體動力學計算。運動粘度：運動粘度： 動力粘度動力粘度與同溫度下該液體密度與同溫度下該液體密度之比值：之比值： 運動粘度運動粘度的量綱的量綱 m m2 2 / s . / s .在在C.G.SC.

15、G.S制中用制中用 StSt（斯）（斯）,1 St=1 ,1 St=1 cmcm2 2/s/s； 常用的為常用的為cSt(cSt(厘斯厘斯) )，1cSt=1 mm1cSt=1 mm2 2/s/s。lGB/T314-1994規(guī)定規(guī)定采用潤滑油在采用潤滑油在40時的運動粘度中心值時的運動粘度中心值作為潤滑作為潤滑油的牌號。潤滑油實際運動粘度在相應中心粘度值的油的牌號。潤滑油實際運動粘度在相應中心粘度值的10%偏差以內(nèi)。偏差以內(nèi)。l教材教材P53表表4-1條件粘度：條件粘度： 用一定的粘度計進行計量的潤滑油的粘度，主要是商業(yè)用。如恩用一定的粘度計進行計量的潤滑油的粘度，主要是商業(yè)用。如恩氏度（氏度

16、（o oE Et t）中國用中國用, ,賽氏秒（賽氏秒（SUSSUS）美國用，雷氏秒（美國用，雷氏秒（R R）英國用。英國用。sm /2粘度牌號粘度牌號運動粘度中心值運動粘度中心值40C運動粘度范圍運動粘度范圍40C2357101522324668100150220320460680100015002.23.24.66.8101522324668100150220320460680100015001.982.422.883.524.145.066.127.489.0011.013.516.519.824.228.835.241.450.661.274.890.01101351651982422

17、88352414506612748900110013501650工業(yè)用潤滑油粘度牌號分類表單位：單位：cSt 潤滑油的潤滑油的粘壓特性粘壓特性 當應力很高（大于當應力很高（大于20MPa20MPa）時）時, ,潤滑油的粘度將明潤滑油的粘度將明顯增大。一般，只在高副元件中才有這種現(xiàn)象，如重顯增大。一般，只在高副元件中才有這種現(xiàn)象，如重載齒輪傳動中，嚙合處的局部壓力可能高達載齒輪傳動中，嚙合處的局部壓力可能高達4000MPa4000MPa，此時潤滑油的粘度極大，變得像臘狀的固體。此時潤滑油的粘度極大，變得像臘狀的固體。 潤滑油的潤滑油的粘溫特性粘溫特性 (P54(P54圖圖4-7)4-7) 隨著溫

18、度的升高，粘度將變小。其影響程度由粘隨著溫度的升高，粘度將變小。其影響程度由粘度指數(shù)（度指數(shù)（VIVI）表示，）表示，VIVI越大，則粘度隨溫度的變化越越大，則粘度隨溫度的變化越小，即粘溫性能越好。小，即粘溫性能越好。潤滑油的性能指標潤滑油的性能指標2 2：油性、極壓性、閃點、凝點、穩(wěn)定性油性、極壓性、閃點、凝點、穩(wěn)定性 2.2.潤滑性（油性）潤滑性（油性） 潤滑油潤滑油能在金屬摩擦表面形成吸附膜的能在金屬摩擦表面形成吸附膜的性能性能稱為油性。油性愈好、愈有利于邊界潤滑，動、植物油和稱為油性。油性愈好、愈有利于邊界潤滑，動、植物油和脂肪酸的油性較好。目前尚無一個定量的指標評價潤滑劑的油脂肪酸的

19、油性較好。目前尚無一個定量的指標評價潤滑劑的油性。性。 3.3.極壓性極壓性 潤滑油中含有極壓添加劑而形成化學反應膜的能潤滑油中含有極壓添加劑而形成化學反應膜的能力。力。 4.4.閃點閃點 潤滑油蒸氣遇火焰發(fā)出閃光的最低溫度稱為閃點。潤滑油蒸氣遇火焰發(fā)出閃光的最低溫度稱為閃點。是衡量油的易燃性的尺度。是衡量油的易燃性的尺度。 5.5.凝點凝點 潤滑油冷卻到不能流動的溫度稱為凝點。低溫工作潤滑油冷卻到不能流動的溫度稱為凝點。低溫工作的場合應選凝點低的潤滑油來潤滑。的場合應選凝點低的潤滑油來潤滑。 6.6.氧化穩(wěn)定性氧化穩(wěn)定性 潤滑油被暴露在高溫空氣中時抗氧化的能潤滑油被暴露在高溫空氣中時抗氧化的

20、能力。力。2.2.潤滑脂潤滑脂 1 1）錐入度（針入度、稠度）錐入度（針入度、稠度） 潤滑脂稠度指標。錐入度愈潤滑脂稠度指標。錐入度愈小，稠度愈大、流動性愈小，承載能力強，密封好，但摩擦阻小，稠度愈大、流動性愈小，承載能力強，密封好，但摩擦阻力也大。力也大。2 2）滴點）滴點 潤滑脂受熱開始滴下的溫度稱為滴點，潤滑脂的潤滑脂受熱開始滴下的溫度稱為滴點，潤滑脂的工作溫度最少要低于滴點工作溫度最少要低于滴點2020C C。二、添加劑二、添加劑 為了提高油的品質(zhì)和性能，常在潤滑油或潤滑脂中加入一為了提高油的品質(zhì)和性能，常在潤滑油或潤滑脂中加入一些分量雖小但對潤滑劑性能改善其巨大作用的物質(zhì)，這些物質(zhì)些

21、分量雖小但對潤滑劑性能改善其巨大作用的物質(zhì)，這些物質(zhì)叫叫添加劑添加劑。提高油性、極壓性提高油性、極壓性延長使用壽命延長使用壽命改善物理性能改善物理性能添加劑的作用添加劑的作用油性添加劑油性添加劑極壓添加劑極壓添加劑分散凈化劑分散凈化劑消泡添加劑消泡添加劑抗氧化添加劑抗氧化添加劑降凝劑降凝劑增粘劑增粘劑添加劑的種類添加劑的種類 潤滑劑用得最多的是潤滑劑用得最多的是潤滑油和潤滑脂潤滑油和潤滑脂。 選擇滑動軸承的選擇滑動軸承的潤滑油潤滑油時，主要是考慮時，主要是考慮粘性粘性和和油性油性兩項兩項性能指標。性能指標。 對液體摩擦軸承，粘性起主要作用，對非液體摩擦軸承，對液體摩擦軸承，粘性起主要作用，對非

22、液體摩擦軸承，油性起主要作用。油性起主要作用。 原則上講，當轉(zhuǎn)速高、壓強小時可選粘度低的油，反之原則上講，當轉(zhuǎn)速高、壓強小時可選粘度低的油，反之應選粘度高的油。應選粘度高的油。 在高溫環(huán)境下工作時其粘度相應地選得高一些。在高溫環(huán)境下工作時其粘度相應地選得高一些。 l潤滑劑的選擇潤滑劑的選擇 對于要求不高，難以經(jīng)常供油或擺動工作的非液體摩擦對于要求不高，難以經(jīng)常供油或擺動工作的非液體摩擦軸承，可采用潤滑脂進行潤滑，常用的潤滑脂有：軸承，可采用潤滑脂進行潤滑，常用的潤滑脂有：鈣基潤滑脂鈣基潤滑脂 有良好的抗水性，但耐熱能力差，工作溫度有良好的抗水性，但耐熱能力差，工作溫度不宜超過不宜超過55C65

23、C；鈉基潤滑脂鈉基潤滑脂 有較高的耐熱性，工作溫度可達有較高的耐熱性，工作溫度可達120C，但抗水性差；但抗水性差；鋰基潤滑脂鋰基潤滑脂 既能抗水，又能在較高溫度下工作，適用于既能抗水，又能在較高溫度下工作，適用于-20C120C，但價格較前二者貴。，但價格較前二者貴。l機械零件的潤滑狀態(tài)機械零件的潤滑狀態(tài) 邊界摩擦、流體摩擦和混合摩擦，都必須在一定邊界摩擦、流體摩擦和混合摩擦，都必須在一定的潤滑條件下才能實現(xiàn)，摩擦狀態(tài)與潤滑狀態(tài)成對應的潤滑條件下才能實現(xiàn)，摩擦狀態(tài)與潤滑狀態(tài)成對應關(guān)系。關(guān)系。 邊界潤滑：邊界潤滑： 1 邊界膜（吸附膜、反應膜）邊界膜（吸附膜、反應膜） 流體潤滑：流體潤滑： 3

24、 摩擦副始終被一層具有一定壓力和一定厚度的流摩擦副始終被一層具有一定壓力和一定厚度的流體膜完全隔開、相互運動的阻力只是流體內(nèi)部的摩擦體膜完全隔開、相互運動的阻力只是流體內(nèi)部的摩擦力時，這種潤滑狀態(tài)稱為流體潤滑。力時，這種潤滑狀態(tài)稱為流體潤滑。 混合潤滑：混合潤滑： 1 3 兼有邊界潤滑和液體潤滑的狀態(tài)稱為混合潤滑，兼有邊界潤滑和液體潤滑的狀態(tài)稱為混合潤滑，其摩擦因數(shù)也介于兩者之間。（其摩擦因數(shù)也介于兩者之間。（最常見最常見）三、潤滑方法三、潤滑方法1 1、油潤滑、油潤滑 （1 1）滴油潤滑）滴油潤滑（2 2）油環(huán)潤滑）油環(huán)潤滑（3 3）飛濺潤滑）飛濺潤滑（4 4）壓力循環(huán)潤滑）壓力循環(huán)潤滑潤滑油潤滑在工程中的應用最普遍，常用的供油方式有： 用于低速用于低速 用于高速用于高速浸油與飛濺潤滑噴油潤滑滴油潤滑、浸油潤滑、飛濺潤滑、噴油潤滑、油霧潤滑等 油脂潤滑常用于運轉(zhuǎn)速度較低的場合，將潤滑脂涂抹于需潤滑的零件上。潤滑脂還可以用于簡單的密封。常用的潤滑裝置2 2、脂潤滑、脂潤滑 l分散供油裝置分散供油裝置油壺油壺 油槍油槍 a) a) 簡單的少數(shù)點位集中供油簡單的少數(shù)點位集中供油 b) b) 設備中心、車間及工廠級集中供油設備中心、車間及工廠級集中供油 泵站泵站+(+(穩(wěn)壓穩(wěn)