北交大機械設計教案04摩擦、磨損及潤滑概念

摩擦和潤滑作為一種自然現象，不僅在機械設備中而且在人們的生活中也廣泛存在著(機器的壽命、人造關節)，過去僅從力學角度研究摩擦現象，而對摩擦的結果帶來的危害估計不足，據統計：

世界上約有l/3～l/2的能源，以各種形式消耗于摩擦中；

摩擦又帶來兩物體摩擦接觸表面的磨損，磨損使機器零件失去工作能力而失效，約占總失效的30%。

實踐證明潤滑是減少摩擦的重要手段，隨著科學技術的發展，人們把研究有關摩擦及潤滑的科學技術統稱為摩擦學。

摩擦學的定義是：研究相對運動中相互作用著表面的科學、技術及有關實踐的知識，它與數學、物理、化學、材料、工藝、工程實踐有關，它是一門發展很快的新興邊緣應用學科。

由于運用現有的摩擦學知識，去解決機器設備中的問題可以取得顯著的經濟效益，據英、美、日等國摩擦學應用調查，應用現有的摩擦學知識和技術每年可獲得的經濟效益，占國民經濟總產值的2％以上(日本7％，西德5％，英2．5％，美2％)。我國到1999年總產值83190億元，按1.2％計算可獲998億元的效益，同時摩擦學問題大量存在于機器設備中，而機器設備向高精度、高壽命、高速、大功率方向發展，要求生產的連續性，自動化程度、可靠性程度不斷提高，為解決好機器設備的摩擦學問題創造了摩擦學設計，即應用摩擦理論及實踐去解決好機器的設計、制造和運行維護等問題。

國外對有關摩擦學知識的教育、培訓和科學研究是普遍的，我國1979年成立摩擦學會，進行摩擦學工業應用的調查研究，各大專院校開設了摩擦學課程，成立了摩擦研究機構，專門從事摩擦、磨損機理、零部件材料、加工工藝、測試技術、機器工況監控等方面的研究。

在鐵路系統開展摩擦學方面的研究具有重要的意義；鐵路運輸部門的特點之一就是鐵路運輸的功率主要消耗在克服摩擦阻力上(機車動力消耗在輪軌摩擦、缸套、活塞、軸承等的摩擦上)，而維修費用的主要部分用于修理磨損的零件上，所以在鐵路系統開展摩擦學方面的研究，對節約能源、降低原材料消耗、對促進鐵路運輸事業的發展具有重大意義。

一、摩擦的類型

摩擦的定義：在外力的作用下兩個物體相互接觸，當有相對運動或相對運動趨勢時，接觸表面上產生阻礙滑動的阻力。

摩擦包括動摩擦(運動)和靜摩擦。

根據相對運動形式：動摩擦又包括滑動摩擦(滑動軸承、帶)和滾動摩擦(滾動軸承、凸輪、齒輪)

滑動摩擦根據摩擦狀態分為：

◆干摩擦：摩擦表面間無邊界膜，無潤滑劑，金屬直接接觸f=0.3～1.5

◆邊界摩擦：摩擦表面間有邊界膜f=0.1～0.5

◆混合摩擦：部分被液體隔開，部分金屬直接接觸f=0.01～0.1

◆液體摩擦：完全被液體隔開，靠油膜承受載荷f＝0.001～0.01二、干摩擦1.干摩擦機理

目前有機械嚙合理論、粘著理論、分子機械理論和能量理論。

(l)機械嚙合理論

18世紀提出的摩擦公式：F＝f×Fn，公式簡單，應用性強，除液體摩擦外均運用此式。但上式只能運用于粗糙面的摩擦，不能解釋光滑表面的摩擦。

(2)分子--機械理論

該理論認為：兩物體之間的摩擦是由兩種因素構成，即摩擦面實際接觸區內的粘著作用和表面不平度凸峰的犁刨作用。

其數學表達式：

F＝Fa十Fm＝f×Fn

Fa＝fa×Fn--摩擦力的粘著分量

Fm＝fm×Fn--摩擦力的機械分量2.影響摩擦系數的因素

(1)配偶材料的性質相同的金屬或互溶性大的金屬組成摩擦副，易發生粘著現象，故fa↑，f↑;

(2)相接觸的物體表面間受到污染或氧化而形成表面膜，一則可降低兩材料分子間的吸引力，使Fa↓，二則這種表面膜的剪切強度低，降低Fm。

(3)溫度周圍介質溫度對f的影響一般情況下不考慮，設計時注意高溫度使油膜破裂，材料回火，熔軟粘著。

(4)相對滑動速度V＜30m／s時，對f影響不大，V＞30m／s時，V↑，t↑，fm↓，f↑。三、邊界摩擦

摩擦過程就帶來了表面材料的喪失和轉移，這就形成磨損。

磨損可造成零件的失效，它帶來的危害：

1．影響機器的質量，例如，齒輪齒面的磨損，破壞了漸開線齒形，傳動中導致沖擊振動。機床主軸軸承磨損，影響零件的加工精度。

2．降低了機器的效率，例如柴油機缸套的磨損，導致功率不能充分發揮。

3．減少了機器的可靠性，例如斷齒，鋼軌磨損。

更換磨損失效的零件就造成原材料、工時、人力、物力的浪費，為此設計時必須考慮如何避免和減輕磨損。磨損過程

一般機器的磨損過程分為三個階段,見下圖

1．跑合磨損

一個零件加工后，由于表面存在不平度，在運動初期接觸面積小，接觸應力大，所以磨損速度快，如果設計合理，潤滑良好，隨著跑合的進行磨損速度趨向穩定。

跑合時注意：

(l)由輕至重緩慢加載，由低速到高速。

(2)潤滑油保持清潔，防止污染。

跑合后潤油滑應更換，或過濾后再用。

若壓強過大，速度過高，潤滑不良時，跑合時間很短，并立即進入劇烈磨損階段，使零件很快報廢。

2．穩定磨損階段

磨損以平穩而緩慢的速度進行，標志磨損條件保持相對穩定，這是零件整個壽命范圍內的工作過程。

例如：機車柴油機缸套一個架期一換。齒輪壽命，軸承壽命。

3．劇烈磨損階段

經過穩定磨損階段，零件表面失效或運動副間隙增大，使正常工作條件破壞，引起動載荷出現沖擊振動，溫升加大，磨損速度加快。

做為設計人員應盡可能縮短跑合磨損，延長穩定磨損階段，推遲劇烈磨損階段的到來。

磨損的分類

按照磨損機理來分：

1．粘著磨損：當摩擦表面的微凸體在相互作用的各處發生“冷焊”后，在相對滑動時，材料從一個表面轉移到另一個表面，便形成粘著磨損。

影響粘著磨損的因素：

(1)同類的摩擦副材料比異類材料容易粘著；

(2)脆性材料比塑性材料抗粘著能力高；

(3)在一定范圍內，零件的表面粗糙度值越小，抗粘著能力也越強。

2．磨料磨損

從外部進入摩擦面間的游離硬顆粒或硬的微凸體峰尖，在較軟材料的表面上犁刨出很多溝紋，被犁刨的材料一部分流動到溝紋的兩旁，一部分則形成一連串的碎片脫落下來成為新的游離顆粒，這樣的微切削過程叫磨料磨損，影響這種磨損的因素有以下幾個方面：

(1)一般情況下，材料的硬度越高，耐磨性越好

(2)一般金屬的磨損量隨磨損磨粒平均尺寸的增加而增大

(3)磨損量隨著磨粒硬度的增大而加大

3．疲勞磨損(也叫疲勞點蝕或點蝕)

當作流動或流一滑運動的高副，受到反復作用的接觸應力時，如果該應力超過材料相應的接觸疲勞強度，就會在零件工作表面或表面下一定深度處形成疲勞裂紋，隨著裂紋的發展與相互連接，就造成許多微粒從零件工作表面上脫落下來，致使表面上出現許多月牙形溝，這就是疲勞磨損也叫疲勞點蝕簡稱點蝕。

影響疲勞磨損的因素有：

(1)零件表面的硬度越高，產生疲勞裂紋的危險性越小；

(2)當表面粗糙度值較大時，適當減少表面粗糙度時，對零件的疲勞壽命有顯著的改善，但超過一定界限后，影響就不明顯了；

(3)高粘度的潤滑油能在接觸區起到均化接觸應力的作用，從而提高抗疲勞磨損的能力，如果油的粘度過低，則易于擠壓疲勞裂紋，然后在封閉的裂縫中受高壓，而促進疲勞裂紋的擴展，從這一點說，油的粘度高時較有利于提高疲勞壽命。

4．沖蝕磨損

當一束含有硬質微粒的液體沖擊到固體表面時，就會造成沖蝕磨損。

影響因素：磨粒與固體表面的摩擦系數、磨粒的沖擊速度以及磨粒的沖擊速度方向同固體表面所夾的沖擊角。

5．腐蝕磨損

摩擦副受到空氣中的酸或潤滑油燃油中有的少量無機酸(如硫酸)及水份的化學作用或電化學作用，在相對運動中造成表面材料的損失叫腐蝕磨損。

影響腐蝕磨損的主要因素：

除了零件所接觸的特殊介質(如酸、堿、鹽)外，還有零件表面的氧化膜性質和環境的濕度。

實際上大多數的磨損是以上五種基本磨損形成的復合形式出現的，在各種復合形式中存在一種較重要的形式--微動磨損。

微動磨損發生在名義上相對靜止，實際上存在循環的微幅相對滑動的兩個緊密接觸的表面，這種相對滑動是在循環應力或振動條件下，由于兩個接觸面產生的差異而引起的，在這種情況下，相對滑動的振幅非常小，一般為微米的量級，這時由于接觸面上的正壓力較大，而相對滑動的振幅較小，使接觸面產生氧化磨損微粒，難于從接觸部位排除，即發生微動磨損。實驗表明，影響微動磨損的因素主要是配偶材料的組合，同類材料相接觸要比異類材料相接觸時磨損情況嚴重的多。

一、潤滑的作用及潤滑劑的分類

潤滑的作用是減少摩擦，以達到節約能源，降低材料消耗的目的。除此而外還具有以下作用：

采用循環潤滑油時還能散熱降溫，潤滑油膜具有緩和沖擊振動的作用，采用潤滑脂具有密封作用。

潤滑劑的分類

●液體潤滑劑：油、水、液態金屬

●氣體潤滑劑：空氣

●半固體潤滑劑：潤滑脂

●固體潤滑劑：二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯。高速高溫或低溫時采用。二、潤滑油及其主要指標

1、潤滑油的分類

有機油：動、植物油，含有硬脂酸穩定性差，來源不足。

化學合成油：針對特定需要配制

礦物油：來源充足，穩定性好，應用廣

機械

油：機床、一般機械用

高速機油：電機、紡織機械

汽油機油：發動機

汽缸

油：發動機

2、潤滑油的主要質量指標

（1）粘度：流體抵抗變形的能力

動力粘度η：兩平行板之間充滿一定粘度的潤滑油，并具有層流性質如圖所示：

B板靜止不動，對A板施以F力,使A板以V=1M/s速度移動,由于對油的吸附力，在各油層的界面上產生剪切應力：

上式為1687年牛頓提出的粘性定律：任意點的剪切應力與速度梯度成正比

式中η--比例常數又稱為動力粘度

NS/M2

PaS

1PaS=10P(泊)=1000cP（厘泊）

1dynS/cm2=1泊=100cP

運動粘度ν：是流體η/ρ比值稱為運動粘度

1mm2/s=1cSt=10-6M2/S

1St=1cm2/S=10-4M2/S

原國標GB443--64規定潤滑油是按50℃時，運動粘度中心值劃分油的牌號。例如：機械零件手冊中標出：30#

40#

45#

。

新國標GB443--84規定潤滑油是按40℃時，運動粘度中心值劃分油的牌號。

滑動軸承設計中，所用換算關系：

η(PaS)=ν(M2/s)×ρ（kg/M3）=10-6ν(cSt)×ρ(kg/M3)

條件粘度：相對粘度,以E作為粘度單位

200ml潤滑油在50℃或100℃時，流過恩氏粘度計的時間與200ml蒸餾水在20℃時,流過恩氏粘度計的時間之比稱為條件粘度。

粘溫特性：t↑

→η↓；.

粘壓特性：P＜100MPa時，不考慮ρ的變化；

P＞20MPa時,考慮壓力對粘度的影響。

（2）閃點標志潤滑油的易燃性指標

在標準容器中加熱，潤滑油蒸汽迂火發出閃光的最低溫度稱為潤滑油的閃點

例如汽油機的閃點為180--2000C

（3）凝固點

衡量其低溫性能

在規定條件下，油不能自由流動時所達到最底溫度

（4）油性和極壓性

潤滑油在金屬工作表面形成邊界膜的能力

（5）氧化穩定性

在高溫下油氧化并生成磷、氯、硫的酸性化合物--膠狀沉積物即腐蝕金屬又加劇磨損

3、潤滑油的選用

紡織機械、高速輕負荷機械、中小型電機

L-AN15

、

L-AN32

普通機床、減速箱、

L-AN46

大型機床

L-AN68

鑄造機械

L-AN150三、潤滑脂

潤滑脂是潤滑油與稠化劑的膏狀混合物。

潤滑脂的類型：

1、鈣基潤滑脂：ZG-2抗水性好，耐熱性差，用于65℃以下場合；

2、鈉基潤滑脂：ZN-2耐熱性好，工作溫度可達標120℃抗水性差；

3、鋰基潤滑脂：ZL-1抗水性好，耐高溫可達145℃機械安全性好，航空機械用；

4、鋁基潤滑脂：抗水性好，對金屬表面有高的吸附能力有防銹作用；

5、鈣納基潤滑脂：ZGN-1-2機車車輛用。

潤滑脂的主要指標：

1、針入度：于25℃恒溫下，將總重為1.5G的標準錐體置于潤滑脂表面上，5S后刺人的深度稱為針入度；

針入度↓承載能力↑密封性好

2、滴點：在規定的加熱條件下，從標準測量杯的孔口滴下第一滴時的溫度。

滴點標志潤滑脂的耐熱性能。四、添加劑

為提高潤滑劑的某方面獨特性能需加入添加劑