第四章 摩擦、潤滑和潤滑劑(2014修改)

1、 摩擦學(xué)概述 何謂摩擦？何謂磨損？（造成表面形狀 和尺寸的變化，間隙，表面粗糙度） 摩擦學(xué)：即研究摩擦學(xué)：即研究相對運動的相對作用表面間的相對運動的相對作用表面間的摩擦、摩擦、 磨損及潤滑磨損及潤滑，以及三者之間關(guān)系的基礎(chǔ)理論和實踐的，以及三者之間關(guān)系的基礎(chǔ)理論和實踐的 一門邊緣一門邊緣科學(xué)科學(xué)（形成于（形成于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代）年代）。 摩擦、磨損及潤滑三者之間的關(guān)系：摩擦、磨損及潤滑三者之間的關(guān)系： 作相對運動的兩物體接觸面間必然產(chǎn)生摩擦；作相對運動的兩物體接觸面間必然產(chǎn)生摩擦； 摩擦的結(jié)果必然產(chǎn)生磨損；而減少摩擦、磨損的有摩擦的結(jié)果必然產(chǎn)生磨損；而減少摩擦、磨損的有 效措施是潤

2、滑。效措施是潤滑。 80%損壞零件由磨損造成，一般不可避免。1981年美國公 布的數(shù)據(jù)：磨損造成的損失1000億/年，材料消耗200億/年。 中國每年由于摩擦、磨損損失584.7億元。 TJPUTJPU 摩擦學(xué)研究范圍：摩擦學(xué)研究范圍： 動、靜摩擦副；動、靜摩擦副； 零件表面受介質(zhì)摩擦、或碰撞、沖擊：犁鏵、葉輪零件表面受介質(zhì)摩擦、或碰撞、沖擊：犁鏵、葉輪; ; 機制工藝的摩擦學(xué)問題：金屬成形加工等機制工藝的摩擦學(xué)問題：金屬成形加工等; ; 彈性摩擦副：汽車輪胎與地面；彈性摩擦副：汽車輪胎與地面； 特殊工況條件下的摩擦學(xué)問題。宇宙探索中遇到：高特殊工況條件下的摩擦學(xué)問題。宇宙探索中遇到：高 真空

3、等。真空等。 TJPUTJPU 4-1 摩擦 靜摩擦靜摩擦僅有相對滑動趨僅有相對滑動趨 勢時的摩擦勢時的摩擦 外摩擦外摩擦兩個相互接觸表面之間的摩擦兩個相互接觸表面之間的摩擦 內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦發(fā)生在物質(zhì)（多指流體）內(nèi)部發(fā)生在物質(zhì)（多指流體）內(nèi)部 滾動摩擦滾動摩擦 滑動摩擦滑動摩擦 摩擦磨損造成：發(fā)熱，效率摩擦磨損造成：發(fā)熱，效率，可靠性，可靠性；噪音；噪音，工作，工作 精度精度，材料消耗。一般有害。，材料消耗。一般有害。 可以利用可以利用：利用摩擦：帶傳動、制動器等：利用摩擦：帶傳動、制動器等 摩擦摩擦 摩擦摩擦 動摩擦（動摩擦（動摩擦系數(shù)小于靜摩擦）動摩擦系數(shù)小于靜摩擦） 摩擦摩擦 利用磨損：磨

4、削、拋光和跑合等。利用磨損：磨削、拋光和跑合等。 TJPUTJPU 摩擦表面的摩擦狀態(tài)摩擦表面的摩擦狀態(tài) 1. 1. 干摩擦干摩擦：兩摩擦表面直接接觸，：兩摩擦表面直接接觸， 不加入任何不加入任何潤滑潤滑劑的摩擦。劑的摩擦。 干摩擦的摩擦阻力最大，磨損最嚴(yán)重，使用干摩擦的摩擦阻力最大，磨損最嚴(yán)重，使用 壽命最短，壽命最短，必須避免必須避免。 2. . 邊界摩擦邊界摩擦：摩擦表面間存在潤滑油，金屬表面：摩擦表面間存在潤滑油，金屬表面 與潤滑油作用形成與潤滑油作用形成 一層很薄的邊界膜（一層很薄的邊界膜（1 1 m)m)， 保護金屬，這種摩擦稱為邊界摩擦。保護金屬，這種摩擦稱為邊界摩擦。 邊界摩擦

5、不能完全避免金屬的邊界摩擦不能完全避免金屬的 直接接觸，因此仍有磨損產(chǎn)生。直接接觸，因此仍有磨損產(chǎn)生。 TJPUTJPU 邊界膜邊界膜分為：分為： 物理吸附膜物理吸附膜：利用油中的極性分子牢固的吸附在金：利用油中的極性分子牢固的吸附在金 屬表面形成表面吸附膜（分子間的吸附力）；屬表面形成表面吸附膜（分子間的吸附力）； 化學(xué)吸附膜：利用化學(xué)鍵力形成金屬皂膜（吸附在化學(xué)吸附膜：利用化學(xué)鍵力形成金屬皂膜（吸附在 金屬表面原子間的吸附力）；金屬表面原子間的吸附力）； 化學(xué)反應(yīng)膜：油中的化學(xué)反應(yīng)膜：油中的S S、P P等元素與金屬表面反應(yīng)等元素與金屬表面反應(yīng) （150150200C200C）形成化合物。

6、適合高溫重載和高速。）形成化合物。適合高溫重載和高速。 表征表征潤滑油潤滑油形成吸附膜的能力形成吸附膜的能力油性油性 油性的好壞取決于油中所含活性物質(zhì)：油性的好壞取決于油中所含活性物質(zhì)： 動物油動物油 植物油植物油 礦物油礦物油 表征潤滑油形成反應(yīng)膜的能力表征潤滑油形成反應(yīng)膜的能力極壓性極壓性 TJPUTJPU 減小邊界摩擦的措施減小邊界摩擦的措施： 合理選擇摩擦副材料和潤滑劑；合理選擇摩擦副材料和潤滑劑； 降低表面粗糙度；降低表面粗糙度； 控制控制pv（控制發(fā)熱等）；（控制發(fā)熱等）； 在潤滑劑中加入油性添加劑和極壓添加劑。在潤滑劑中加入油性添加劑和極壓添加劑。 TJPUTJPU 4. 4.

7、混合摩擦：邊界摩擦和液體摩擦共存?；旌夏Σ粒哼吔缒Σ梁鸵后w摩擦共存。 隨著摩擦面油膜厚度的增大，表面凸峰接觸數(shù)量在隨著摩擦面油膜厚度的增大，表面凸峰接觸數(shù)量在 縮小，油膜所承載的比重增加?？s小，油膜所承載的比重增加。 3. 3. 液體摩擦：摩擦面間的油膜厚度液體摩擦：摩擦面間的油膜厚度 大到將兩表面的不平度凸峰完全分開大到將兩表面的不平度凸峰完全分開, , 即為完全液體摩擦。油膜必須是壓力即為完全液體摩擦。油膜必須是壓力 油膜油膜 TJPUTJPU 混合摩擦?xí)r，仍不能避免金屬的直接接觸，仍存在混合摩擦?xí)r，仍不能避免金屬的直接接觸，仍存在 摩擦，但比邊界摩摩擦，但比邊界摩擦擦小得多。小得多。 1

8、 邊界摩擦邊界摩擦 =1=13 3 混合摩擦混合摩擦 增加，油膜厚度增加增加，油膜厚度增加 3 3 液體摩擦液體摩擦 非液體摩擦：混合摩擦，邊界摩擦，干摩擦。非液體摩擦：混合摩擦，邊界摩擦，干摩擦。 機械利用摩擦的實例： 帶傳動、制動器、摩擦離合 器、帶式輸送機等。 TJPUTJPU 膜厚比：膜厚比： 2 q2 2 q1 min RR h 最小油膜厚度最小油膜厚度 表面輪廓表面輪廓均方根偏差均方根偏差 摩擦副材料摩擦副材料 表面粗糙度表面粗糙度 潤滑狀態(tài)潤滑狀態(tài) 表面膜表面膜(由于污染、化學(xué)熱處理、電鍍和潤滑劑的作用等， 在金屬表面形成一層極薄的表面膜）如氧化膜、硫化膜、 磷化膜、氯化膜、錮膜

9、、鎘膜、鋁膜等 TJPUTJPU 影響摩擦的主要因素：影響摩擦的主要因素： 還與載荷、相對運動速度和溫度等有關(guān)。還與載荷、相對運動速度和溫度等有關(guān)。 4-2 4-2 磨損磨損 磨損磨損摩擦體表面材料在相對運動中由于機械作用，摩擦體表面材料在相對運動中由于機械作用， 或伴有化學(xué)作用而產(chǎn)生的不斷的材料損失現(xiàn)象?；虬橛谢瘜W(xué)作用而產(chǎn)生的不斷的材料損失現(xiàn)象。 磨損磨損的類型：的類型： 1.1.粘著磨損粘著磨損 粘結(jié)、材料遷移，嚴(yán)重時膠合粘結(jié)、材料遷移，嚴(yán)重時膠合( (咬咬 死死) )。粘著磨損可用艾查德公式計算 ,熱粘著復(fù)雜 2.2.磨粒磨損磨粒磨損（顯微切削、犁溝現(xiàn)象）（顯微切削、犁溝現(xiàn)象） 3.3.

10、表面疲勞磨損表面疲勞磨損 主要發(fā)生在接觸應(yīng)力作用下的齒主要發(fā)生在接觸應(yīng)力作用下的齒 輪、滾動軸承、鋼軌和輪箍接觸表面上。輪、滾動軸承、鋼軌和輪箍接觸表面上。 4.4.腐蝕磨損腐蝕磨損（發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)）（發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)） 還有微動磨損、沖蝕磨損還有微動磨損、沖蝕磨損 TJPUTJPU 磨損曲線：機械零件的磨損過程分為三個階段。磨損曲線：機械零件的磨損過程分為三個階段。 時間時間 磨損量磨損量 I IIIIIIIIIII 1. 1. 跑合磨損階段（跑合磨損階段（I I）：由于表面粗糙度大，致使）：由于表面粗糙度大，致使 接觸面積小，單位面積上的載荷大，因此磨損速度接觸面積小，單位面積上

11、的載荷大，因此磨損速度 很快。很快。 2. 2. 穩(wěn)定（正常）磨損階段（穩(wěn)定（正常）磨損階段（IIII）：磨損過程）：磨損過程 平穩(wěn)而又緩慢，標(biāo)志零件的耐磨壽命。平穩(wěn)而又緩慢，標(biāo)志零件的耐磨壽命。 TJPUTJPU 3. 3. 劇烈（崩潰）磨損階段（劇烈（崩潰）磨損階段（IIIIII）：磨損速度急?。耗p速度急劇 增長，間隙增大，振動、噪聲增大，精度下降，以增長，間隙增大，振動、噪聲增大，精度下降，以 致報廢。致報廢。 設(shè)計、制造時要盡量縮短跑合期，延長穩(wěn)定磨損期，設(shè)計、制造時要盡量縮短跑合期，延長穩(wěn)定磨損期， 推遲劇烈磨損期的到來。推遲劇烈磨損期的到來。 新買的汽車、新買的汽車、 摩托車一

12、般要摩托車一般要 跑合。跑合。 減少機械零件磨損的措施： 保證良好的潤滑 選擇適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙?選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾陀捕?TJPUTJPU 4-3 4-3 潤滑潤滑 潤滑的目的潤滑的目的：能降低摩擦、減少磨損，：能降低摩擦、減少磨損，還能冷還能冷 卻、緩沖吸振、卻、緩沖吸振、防銹、防銹、有的有密封、防塵作用有的有密封、防塵作用。 1. 1. 潤滑劑及其選擇：潤滑劑及其選擇： 潤滑劑：潤滑劑： 液體（油、水、液態(tài)金屬）液體（油、水、液態(tài)金屬） 半固體（潤滑脂）半固體（潤滑脂） 固體（石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯）固體（石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯） 氣體（空氣等）氣體（空氣等） 目前主要使用的潤滑油和潤

13、滑脂。目前主要使用的潤滑油和潤滑脂。 TJPUTJPU 主要根據(jù)pv和工況 潤滑油：潤滑油：三大類：有機油、礦物油、合成油（用化學(xué)三大類：有機油、礦物油、合成油（用化學(xué) 手段）。手段）。 主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)： 粘度粘度：流體抵抗剪切變形的能力（流體內(nèi)：流體抵抗剪切變形的能力（流體內(nèi) 摩擦力阻力的大小）摩擦力阻力的大小） 其他性質(zhì)：其他性質(zhì)： 閃點和燃點；傾點和凝固點；閃點和燃點；傾點和凝固點；油性與極壓性；氧化油性與極壓性；氧化 穩(wěn)定性穩(wěn)定性。 TJPUTJPU L-AN32 L潤滑劑 A全損耗機械油 AN由精制礦物油 潤滑油的選擇潤滑油的選擇 ： 轉(zhuǎn)速高，比壓小時，選轉(zhuǎn)速高，比壓小時

14、，選 低的油；轉(zhuǎn)速低，比壓低的油；轉(zhuǎn)速低，比壓 大時選大時選 高的油。高的油。 高溫時選高溫時選 高些的油，低溫選擇低高些的油，低溫選擇低 的油。的油。 具體選擇時具體選擇時參考有關(guān)資料表參考有關(guān)資料表4-24-2 輕載輕載 TJPUTJPU 鈣基脂鈣基脂：抗水性好，耐熱性差。：抗水性好，耐熱性差。 工作溫度不超過工作溫度不超過555565 65 c c 鈉基脂鈉基脂：耐熱性好，抗水性差。：耐熱性好，抗水性差。 工作溫度可達工作溫度可達120 120 c c 鋰基脂鋰基脂：既抗水又耐高溫：既抗水又耐高溫(145 (145 c) c) 為多用途潤滑脂。為多用途潤滑脂。 鋁基脂鋁基脂：抗水性好，吸

15、附能力強，：抗水性好，吸附能力強， 防銹作用好。防銹作用好。 (2) (2) 潤滑脂：潤滑脂： 潤滑油與稠化劑（如鈣、鋰、鈉的金屬皂）的膏潤滑油與稠化劑（如鈣、鋰、鈉的金屬皂）的膏 狀混合物。狀混合物。 類型：類型： TJPUTJPU GB501一65 潤滑脂潤滑脂主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)： 針入度針入度（稠度）（稠度）：重：重1.5N1.5N的標(biāo)準(zhǔn)錐體，在的標(biāo)準(zhǔn)錐體，在25C25C下，下，5 5 秒刺入潤滑脂的深度。針入度小秒刺入潤滑脂的深度。針入度小, ,不易從摩擦面擠出，不易從摩擦面擠出， 承載能力強，密封性好，但摩擦阻力大，填充性差。承載能力強，密封性好，但摩擦阻力大，填充性差。 滴

16、點滴點：潤滑脂從標(biāo)準(zhǔn)測量杯的孔里滴下第一滴時的：潤滑脂從標(biāo)準(zhǔn)測量杯的孔里滴下第一滴時的 溫度。標(biāo)志其耐高溫性能。溫度。標(biāo)志其耐高溫性能。 TJPUTJPU GB7631.S一90是按潤滑脂應(yīng)用時的操作條件進行分糞的。 L一XBCHA1,2,3。 X潤滑脂，最低工作溫度代號，最高工作溫度代號， 耐水性代號，極壓性代號，稠度組別代號 潤滑脂的選擇：潤滑脂的選擇： 單位壓力高、滑動速度低時，選擇針入度小的品種；單位壓力高、滑動速度低時，選擇針入度小的品種； 反之反之, ,選擇針入度大的品種。選擇針入度大的品種。 所用潤滑脂的滴點應(yīng)高于軸承工作溫度所用潤滑脂的滴點應(yīng)高于軸承工作溫度202030C30C

17、。 在水淋及潮濕的環(huán)境下，選用鈣基脂及鋁基脂；在水淋及潮濕的環(huán)境下，選用鈣基脂及鋁基脂； 在溫度較高處選用鈉基、鋰基或復(fù)合鈣基脂。在溫度較高處選用鈉基、鋰基或復(fù)合鈣基脂。 具體選擇時可參考機械設(shè)計手冊。具體選擇時可參考機械設(shè)計手冊。 稠的稠的 TJPUTJPU 2. 2. 潤滑油的粘度和粘性定律潤滑油的粘度和粘性定律： 粘度：流體抵抗變形的能力（流體內(nèi)摩擦粘度：流體抵抗變形的能力（流體內(nèi)摩擦 力阻力的大?。┝ψ枇Φ拇笮。?兩平行平板間充滿潤滑油，拖動上平板兩平行平板間充滿潤滑油，拖動上平板A A，且潤滑，且潤滑 油作層流流動，油層間的剪應(yīng)力與速度梯度（速油作層流流動，油層間的剪應(yīng)力與速度梯度（

18、速 度變化率）成正比。度變化率）成正比。 0 y v y dy dv B A v F v TJPUTJPU 表達式表達式： dy dv 式中：式中：“-”-”表示油層速度表示油層速度v v隨隨y y的增大而減小。的增大而減小。 比例常數(shù)，即流體的動力粘度。比例常數(shù)，即流體的動力粘度。 牛頓液體：服從粘性定律的液體。牛頓液體：服從粘性定律的液體。 a) a) 動力粘度動力粘度（絕對粘度）（絕對粘度） 單位：單位： 國際單位制（國際單位制（SISI） Pa SPa S 絕對單位制（絕對單位制（C.G.S) 1dyns/cmC.G.S) 1dyns/cm2 2-1p(-1p(泊）泊） v=1m/s=

19、1m/sF=1NF=1N 1m1m 1m1m 1m1m 1P（泊）（泊）=100cP（厘泊）（厘泊） 1PaS=10P=1000cP =1=1pas s TJPUTJPU b) b) 運動粘度運動粘度 ：動力粘度：動力粘度 與同溫度下該液體的與同溫度下該液體的 密度密度 的比值。的比值。 國際單位制（國際單位制（SISI） m/sm/s 絕對單位制（絕對單位制（C.G.S)C.G.S) StSt（斯）（斯） 1 1c cm/s-1St(m/s-1St(斯）斯） 1St=100cSt1St=100cSt（厘斯）（厘斯） 我國的石油產(chǎn)我國的石油產(chǎn) 品是用運動粘品是用運動粘 度（度（cStcSt）來

20、標(biāo)）來標(biāo) 定的。舊定的。舊5 5, , 新新4040 換算：換算： 1m/s=101m/s=104 4St=10St=106 6cStcSt sm mkg mssmkg mkg mSN 2 3 22 3 2 )/( )/)/( )/( )/ （ TJPUTJPU c) c) 相對粘度相對粘度（條件粘度）（條件粘度） 單位：我國采用恩氏度單位：我國采用恩氏度 Et 當(dāng)當(dāng)200ml200ml待測油在規(guī)定溫度待測油在規(guī)定溫度t t )EEc100c50t( 10050 和和表表示示為為或或一一般般 流過恩氏粘度計所需時間與同體積蒸餾水在流過恩氏粘度計所需時間與同體積蒸餾水在 20c20c時流過粘度計

21、所需時間之比。時流過粘度計所需時間之比。 TJPUTJPU ttt cSt E 4 E.2 . 3E cSt E 64. 8 E82 . 3E35. 1 E 時時當(dāng)當(dāng) 時時當(dāng)當(dāng) 換換算算： 例例 ：求：求50c50c時時5050號機械油的動力粘度。號機械油的動力粘度。 =50 cSt =50 cSt =900 kg/m =900 kg/m 1cSt=10 1cSt=10-6 -6m m/s /s = = = 50 = 501010-6 -6900=0.045 Pa 900=0.045 Pa s s TJPUTJPU 2）粘粘壓性壓性：粘度隨壓力升高而增高：粘度隨壓力升高而增高(圖圖4.8) ，

22、但一般，但一般 (100MPa)時變化很小，忽略不計。對于高副接觸時時變化很小，忽略不計。對于高副接觸時 （齒輪嚙合處壓力達（齒輪嚙合處壓力達4000MPa)不可忽略。不可忽略。 1）粘）粘溫性溫性： 粘度隨溫度升高而粘度隨溫度升高而 顯著降低。顯著降低。(圖圖4.8) 潤滑油溫度 潤滑油黏度 100 粘度的性質(zhì)：粘度的性質(zhì)： TJPUTJPU 改善潤滑油及潤滑脂的性能，以適應(yīng)惡劣的工改善潤滑油及潤滑脂的性能，以適應(yīng)惡劣的工 作條件：作條件： 高溫、低溫、重載、真空等。高溫、低溫、重載、真空等。 分散凈化劑：使內(nèi)燃機汽缸、曲軸箱中因氧化生分散凈化劑：使內(nèi)燃機汽缸、曲軸箱中因氧化生 成的膠狀物分

23、散，避免其粘著、卡死或過度磨損。成的膠狀物分散，避免其粘著、卡死或過度磨損。 降凝劑：嚴(yán)寒地區(qū)或低溫機械（冷凍機）。降凝劑：嚴(yán)寒地區(qū)或低溫機械（冷凍機）。 抗氧化劑：防止?jié)櫥脱趸冑|(zhì)，腐蝕零件?？寡趸瘎悍乐?jié)櫥脱趸冑|(zhì)，腐蝕零件。 油性添加劑油性添加劑（鯨油、（鯨油、硫化棉籽油等）等）：提高油膜強度：提高油膜強度 極壓及抗磨添加劑：在金屬表面形成一層熔點高，極壓及抗磨添加劑：在金屬表面形成一層熔點高， 剪切強度低的保護膜，以減輕磨損。剪切強度低的保護膜，以減輕磨損。 增粘劑：改善粘增粘劑：改善粘溫特性，使油高溫不變稀溫特性，使油高溫不變稀, ,低低 溫不致過稠。溫不致過稠。 3 3 添加劑添加劑TJPUTJPU 4. 流體摩擦（潤滑）簡介流體摩擦（潤滑）簡介優(yōu)點：優(yōu)點： f f 特點：特點：f ff f小，磨損小，吸振小，磨損小，吸振 （1）流體動力摩擦（潤滑流體動力摩擦（潤滑）楔中有足夠的油楔中有足夠的油量。量。 油楔油楔 A A v v B B P P （2）彈性流體動力摩擦彈性流體動力摩擦（潤滑）（潤滑） 考慮了油黏度在高應(yīng)力的的增加和接觸表面的考慮了油黏度在高應(yīng)力的的增加和接觸表面的 彈性變形。彈性變形。 適用于高副