摩擦磨損及潤滑概述機(jī)械設(shè)計(jì)

1、摩擦磨損及潤滑概述機(jī)械設(shè)計(jì)課件青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 第1頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 4-0 概 述 摩擦學(xué)-研究相對運(yùn)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(yīng)用的一門邊緣學(xué)科。 摩擦-相對運(yùn)動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象； 磨損-由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移； 潤滑-減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)(Tribology)。世界上使用的能源大約有 1/31/2 消耗于摩擦。 機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報(bào)廢和更換的。減少摩擦 節(jié)省能源

2、；減少磨損 降低設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，節(jié)省制造零 件及其所需材料的費(fèi)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進(jìn)入微觀，由靜態(tài)進(jìn)入動態(tài)，由定性進(jìn)入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。 第2頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 二、摩擦的分類內(nèi) 摩 擦：在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對運(yùn) 動的現(xiàn)象。外 摩 擦：在相對運(yùn)動的物體表面間發(fā)生的相互阻礙 作用現(xiàn)象。靜 摩 擦：僅有相對運(yùn)動趨勢時的摩擦。動 摩 擦：在相對運(yùn)動進(jìn)行中的摩擦?；瑒幽Σ粒何矬w表面間的運(yùn)動形式是相對滑動。滾動摩擦：物體表面間的運(yùn)動形式是相對滾動。 “機(jī)械說” -摩擦原因是

3、表面微凸體的相互阻礙作用； “分子說” -摩擦原因是表面材料分子間的吸力作用；一、摩擦的機(jī)理 “機(jī)械分子說”兩種作用均有。4-1 摩擦第3頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 1. 干摩擦 兩零件表面直接接觸后，因?yàn)槲⒂^局部壓力高而形成許多冷焊點(diǎn)，運(yùn)動時被剪切。 不允許出現(xiàn)干摩擦！2. 邊界摩擦三、 滑動摩擦狀態(tài) 功耗 磨損 溫度 燒毀軸瓦 運(yùn)動副表面有一層厚度1 m的薄油膜，不足以將兩金屬表面完全分開，其表面部分微觀高峰部分仍將相互搓削。比干摩擦的磨損輕，f 0.1 0.3v有一層壓力油膜將兩金屬表面隔開，彼此不直接接觸。是理想的摩擦狀態(tài)

4、。3. 液體摩擦摩擦和磨損極輕，f 0.001 0.01 vvv第4頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 4. 混合摩擦 v 混合摩擦是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)?；旌夏Σ聊苡行Ы档湍Σ磷枇?，其摩擦系數(shù)比邊界摩擦?xí)r要小得多。在一般機(jī)器中，處于后三種情況的混合狀態(tài)。 f n/p o邊界摩擦混合摩擦液體摩擦摩擦特性曲線稱無量綱參數(shù)n/p為軸承特性數(shù)。 -動力粘度，p-壓強(qiáng) ，n-每秒轉(zhuǎn)數(shù) 邊界摩擦和混合摩擦在工程實(shí)際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為不完全液體摩擦。摩擦學(xué)研究的最新進(jìn)展：微納米摩擦學(xué)理論可實(shí)現(xiàn)： f 0.001 -超潤滑摩擦

5、狀態(tài)。第5頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 機(jī)器的壽命磨損由于摩擦而導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損曲線 磨合階段 磨損量時間劇烈磨損階段 穩(wěn)定磨損階段 4-2 磨損磨損過程大致如圖所示： 磨合階段-包括摩擦表面輪廓峰的形狀變化和表面材料被加工硬化兩個過程。穩(wěn)定磨損階段-零件在平穩(wěn)而緩慢的速度下磨損。它標(biāo)志著磨擦條件相對穩(wěn)定。劇烈磨損階段-在經(jīng)過穩(wěn)定磨損階段后，零件表面遭到破壞，運(yùn)動副間隙增大引起而外的動載荷和振動。零件即將進(jìn)入報(bào)廢階段。后果降低機(jī)器的效率和可靠性，甚至促使機(jī)器提前報(bào)廢。 設(shè)計(jì)機(jī)器時，要求縮短磨合期、延長穩(wěn)定期、推

6、遲劇烈磨損期的到來。它是磨損的不穩(wěn)定階段，在整個壽命周期內(nèi)時間很短。第6頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 磨粒磨損 磨損的分類： 疲勞磨損 粘附磨損 沖蝕磨損 腐蝕磨損 微動磨損 磨損類型 按磨損機(jī)理分 按磨損表面外觀可分為 點(diǎn)蝕磨損 膠合磨損 擦傷磨損 兩種不同的稱謂 第7頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 磨損的機(jī)理： 磨粒磨損 疲勞磨損 粘附磨損 沖蝕磨損 腐蝕磨損 微動磨損 磨損類型： 磨粒磨損也簡稱磨損，外部進(jìn)入摩擦面間的游離硬顆 粒（如空氣中的塵土或磨損造成的金屬微粒）

7、或硬的輪廓峰尖在軟材料表面上犁刨出很多溝紋時被移去的材料，一部分流動到溝紋兩旁，一部分則形成一連串的碎片脫落下來成為新的游離顆粒，這樣的微粒切削過程就叫磨粒磨損。第8頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 磨損的機(jī)理： 磨粒磨損 疲勞磨損 粘附磨損 沖蝕磨損 腐蝕磨損 微動磨損 磨損類型： 粘附磨損也稱膠合，當(dāng)摩擦表面的輪廓峰在相互作 用的各點(diǎn)處由于瞬時的溫升和壓力發(fā)生“冷 焊”后，在相對運(yùn)動時，材料從一個表面遷 移到另一個表面，便形成粘附磨損。嚴(yán)重 的粘附磨損會造成運(yùn)動副咬死。第9頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青

8、島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 磨損的機(jī)理： 磨粒磨損 疲勞磨損 粘附磨損 沖蝕磨損 腐蝕磨損 微動磨損 磨損類型： 疲勞磨損也稱點(diǎn)蝕，是由于摩擦表面材料微體積在 交變的摩擦力作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的 材料疲勞所引起的機(jī)械磨損。點(diǎn)蝕過程： 產(chǎn)生初始疲勞裂紋擴(kuò)展 微粒脫落，形 成點(diǎn)蝕坑。 第10頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 磨損的機(jī)理： 磨粒磨損 疲勞磨損 粘附磨損 沖蝕磨損 腐蝕磨損 微動磨損 磨損類型： 沖蝕磨損流動的液體或氣體中所夾帶的硬質(zhì)物體或硬 質(zhì)顆粒沖擊零件表面所引起的機(jī)械磨損。利 用高壓空氣輸送型砂或高壓水輸送碎石時，

9、管道內(nèi)壁所產(chǎn)生的機(jī)械磨損是實(shí)例之一。近年來，由于燃?xì)鉁u輪機(jī)的葉片、火箭發(fā)動機(jī)的尾噴管這樣一些部位的破壞，才引起人們對這種磨損形式的特別注意第11頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 磨損的機(jī)理： 磨粒磨損 疲勞磨損 粘附磨損 沖蝕磨損 腐蝕磨損 微動磨損 磨損類型： 腐蝕磨損當(dāng)摩擦表面材料在環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)作 用下引起腐蝕，在摩擦副相對運(yùn)動時所產(chǎn) 生的磨損即為腐蝕磨損。第12頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 磨損的機(jī)理： 磨粒磨損 疲勞磨損 粘附磨損 沖蝕磨損 腐蝕磨損 微動磨損

10、磨損類型： 微動磨損是指摩擦副在微幅運(yùn)動時，由上述各磨損 機(jī)理共同形成的復(fù)合磨損。微幅運(yùn)動可理 解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對運(yùn)動。 應(yīng)用實(shí)例：軸與孔的過盈配合面、滾動軸承套圈的配合面、旋合螺紋的工作面、鉚釘?shù)墓ぷ髅娴?。?3頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 一、 潤滑劑 作用：降低摩擦功耗、減少磨損、冷卻、吸振、防銹等。分類液體潤滑劑-潤滑油半固體潤滑劑-潤滑脂固體潤滑劑1. 潤滑油 礦物油來源充足、成本低廉、穩(wěn)定性好、因而應(yīng)用最廣。種類：氣體潤滑劑-空氣有機(jī)油-動、植物油礦物油-石油產(chǎn)品， 化學(xué)合成油 4-3 潤滑劑、添加劑和潤滑

11、方法 第14頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 A在軸承中，潤滑油最重要的物理參數(shù)是粘度，它是選擇潤滑油的主要依據(jù)。粘度表征液體流動的內(nèi)摩擦特性。A、B兩板之間充滿了液體，B板靜止，A板水平移動速度為v。由于液體與金屬表面的吸附作用，A板表面的液體速度為v，而B板表面的液體速度為0。兩板之間的速度呈線性分布。液體層與層之間摩擦切應(yīng)力：=dudy-流體中任意點(diǎn)處的切應(yīng)力與該處的速度梯度成正比。-液體的動力粘度，簡稱粘度量綱：力時間/長度2單位： N s /m2 (Pa s) 稱為泊 ?；蚶宀矗?P=1 dyn s /cm2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： ox

12、yydydu分析位置y處薄層的受力 B粘度-重要指標(biāo)，粘度值越高，油越稠，反之越稀； 粘度的種類動力粘度運(yùn)動粘度條件粘度1) 動力粘度- 牛頓液體流動定律 1泊=100厘泊第15頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 工程中常用運(yùn)動粘度： = 單位： m2 / s 稱為斯St：cm2 /s 或厘斯cSt：1St=100 cSt2) 運(yùn)動粘度 表4-1 常用常用潤滑油的主要性質(zhì)名 稱全損耗系統(tǒng)用油GB443-89汽輪機(jī)油GB11120-89代 號40 的粘度mm2/sL-AN7 6.127.48 -10 110凝點(diǎn) C閃點(diǎn)(開式) C用于高速底

13、負(fù)荷機(jī)械、精密機(jī)床、紡織紗錠的潤滑和冷卻。普通機(jī)床的液壓油。用于一般滑動軸承、齒輪、蝸輪的潤滑用于重型機(jī)床導(dǎo)軌、礦山機(jī)械的潤滑。用于汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等高速高負(fù)荷軸承和各種小型液體潤滑軸承L-AN100 90110 0 210L-AN10 9.011.0 -10 125L-AN15 13.516.5 -10 165L-AN32 28.832.2 -10 170L-AN46 41.450.6 -10 180L-AN68 61.274.8 -10 190L-TSA32 28.835.2-7 180L-TSA46 41.450.6主要用途第16頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青

14、島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 3) 條件粘度 指在一定條件下，利用某種規(guī)格的粘度計(jì)，通過測定潤滑油穿過規(guī)定孔道的時間來進(jìn)行度量的粘度。常用的有： 恩氏度（ Et） -中國慣用 賽氏通用秒（SUS）-美國慣用 雷氏秒 -英國慣用 運(yùn)動粘度與條件粘度之間的換算關(guān)系： 潤滑油的牌號與運(yùn)動粘度有一定的對應(yīng)關(guān)系，如：牌號為L-AN10的油在40時的運(yùn)動粘度大約為10 cSt。第17頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 潤滑油的特性： 1）粘-溫相關(guān)性 溫度 t 壓力p 但p 350 才開始氧化， 可在水中工作。-摩擦系數(shù)低，使用溫度范圍廣 (-60

15、300 )，但遇水性能下降。-摩擦系數(shù)低，只有石墨的一半。使用方式：1.調(diào)和在潤滑油中；2.涂覆、燒結(jié)在摩擦表面形成覆蓋膜；3.混入金屬或塑料粉末中燒結(jié)成型。其應(yīng)用日漸廣泛第23頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 油性添加劑 種類添加劑-為了改善潤滑劑品質(zhì)和性能而添加的物質(zhì)。二、添加劑 非極壓油軟化溫度t/ 摩擦系數(shù) f含脂肪酸和極壓添加劑的油含脂肪酸的油含極壓添加劑的油作用-提高油性、極壓性、延長使用壽命、改善性能。極壓添加劑分散凈化劑消泡添加劑抗氧化添加劑降凝劑增粘劑第24頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島

16、科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 潤滑油潤滑在工程中的應(yīng)用最普遍，其供油方式有：三、潤滑方法潤滑方式 人工給油； 油杯滴油；浸油潤滑、飛濺給油；用油泵強(qiáng)制潤滑和冷卻。低速傳動高速傳動甩油環(huán)噴油潤滑 油泵冷卻器滴油潤滑 浸油潤滑 飛濺潤滑 第25頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 針閥式油杯旋蓋式油杯 脂用壓注式油杯彈簧蓋油杯四、潤滑裝置 1. 油杯 第26頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 2. 油環(huán) 第27頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存

17、云教授研制 一、流體動力潤滑 FFFF先分析平行板的情況。板B靜止，板A以速度向左運(yùn)動，板間充滿潤滑油，無載荷時， 液體各層的速度呈三角形分布，近油量與處油量相等，板A不會下沉。但若板A有載荷時，油向兩邊擠出，板A逐漸下沉，直到與B板接觸。 v F4-4 流體潤滑原理簡介 流體動力潤滑是指兩個作相對運(yùn)動物體的摩擦表面，借助于相對速度而產(chǎn)生的粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開，由流體膜產(chǎn)生的壓力來平衡外載荷。動壓油膜-因運(yùn)動而產(chǎn)生的壓力油膜。 v vvh1aah2ccvv兩平形板之間不能形成壓力油膜！ 如兩板不平行板。板間間隙呈沿運(yùn)動方向由大到小呈收斂楔形分布，且板A有載荷， 當(dāng)板A運(yùn)動時，兩端速度

18、若程虛線分布，則必然進(jìn)油多而出油少。由于液體實(shí)際上是不可壓縮的，必將在板內(nèi)擠壓而形成壓力，迫使進(jìn)油端的速度往內(nèi)凹，而出油端的速度往外鼓。進(jìn)油端間隙大而速度曲線內(nèi)凹，出油端間隙小而速度曲線外凸，進(jìn)出油量相等，同時間隙內(nèi)形成的壓力與外載荷平衡，板A不會下沉。這說明了在間隙內(nèi)形成了壓力油膜。這種因運(yùn)動而產(chǎn)生的壓力油膜稱為動壓油膜。各截面的速度圖不一樣，從凹三角形過渡到凸三角形，中間必有一個位置呈三角形分布。Fpmax第28頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 F形成動壓油膜的必要條件：1.兩工件之間的間隙必須有楔形間隙；2.兩工件表面之間必須連續(xù)

19、充滿潤滑油或其它液體；3.兩工件表面必須有相對滑動速度。其運(yùn)動芳方向必 須保證潤滑油從大截面流進(jìn)，從小截面出來。 Fy =F Fx 0 Fy =F Fx = 0應(yīng)用實(shí)例-向心滑動軸承動壓油膜的形成過程：靜止爬升將軸起抬轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高質(zhì)心左移穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到工作轉(zhuǎn)速e -偏心距e第29頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 二、彈性流體動力潤滑 彈性流體動力潤滑理論-研究在點(diǎn)、線接觸條件下，兩彈性物體間的流體動力潤滑膜的力學(xué)性質(zhì)。求解油膜壓力分布、潤滑膜厚度分布等問題 在油膜壓力下，摩擦表面的變形的彈性方程；表述潤滑劑粘度與壓力間關(guān)系的粘壓方程；流體動力潤滑的主要方程。流體動力潤滑理論的前提：-適應(yīng)于低副中兩零件之間的潤滑問題， 潤滑劑粘度不隨壓力變化；零件摩擦表面為剛體；第30頁，共33頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)27分，星期三青島科