1、摩擦學原理及應用TRIBOLOGY 河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 王萬章 副教授W摩擦學（Tribology)： 關于摩擦、磨損和潤滑的科學統(tǒng)稱為摩擦學。主要研究相對運動、相互作用表面的科學和應用技術。包括Content IncludedFrication Wear Lubrication第一講 摩擦學概述調(diào)查數(shù)據(jù)全世界工業(yè)能源的1/3被摩擦損耗掉失效零件的80%是由于磨損造成的20世紀80年代，我國在冶金、煤炭、農(nóng)機等五個行業(yè)的調(diào)查表明：由于磨粒磨損縮小好的備件用鋼材達到100萬噸以上，如考慮停機等費用造成的損失每年達到幾億元。對于全世界，設汽車的保有量為2億，年產(chǎn)量5000萬輛。如果每輛車通過

2、摩擦學設計節(jié)約1%的能源、1%的材料，則每年可節(jié)省燃料5億噸、節(jié)省材料7500萬噸。研究摩擦學的意義節(jié)約能源、節(jié)約材料、保護環(huán)境摩擦學發(fā)展的重要歷史階段史前人類的鉆木取火祖先們在春秋時代（公元前770221年）對摩擦、磨損現(xiàn)象有了一定的了解，并且已經(jīng)知道采用動物油脂進行潤滑詩經(jīng)中相關的記載西晉時代張華所著博物志最早記載了人類使用礦物油做潤滑劑（距今約1800年）15世紀，意大利的列奧納多達芬奇才開始把摩擦學引入理論研究 18世紀起摩擦學研究蓬勃興起，到20 世紀60年代摩擦學成為一門獨立的交叉學科 H.P.Jost 報告 1965.11應用及研究的領域不斷擴大：機械、冶金、生物、地質(zhì)、音樂、體

3、育等 一.摩擦主要類型（按摩擦的性質(zhì)分 Dry Boundary Fluid Mixed Nascent）判斷摩擦狀態(tài)的依據(jù)v表3-1根據(jù)膜厚判斷v圖3-2根據(jù)摩擦特性系數(shù)pn/一.摩擦其它分類：按摩擦副運動形式 運動狀態(tài)Rolling Sliding Static Dynamic 按摩擦副運動工況Speed Vacuum Temperature高速 時間短梯度大，局部高溫真空 無對流，氧化，吸附高溫 潤滑問題，鎢，硼，釩，硅合金二.磨損v定義：相互接觸表面相對運動中表面物質(zhì)發(fā)成為磨損生的不斷損失現(xiàn)象。v磨損的過程：圖3-3磨損的類型：(自學為主）vAbrasive wear 開式齒輪表面,

4、犁鏵vAdhesive wear 齒面膠合；vFatigue wear 齒面點蝕vCorrosive wearvFretting wearv改善摩擦副耐磨性能的措施 選擇減磨材料、合理選擇潤滑劑和添加劑、控制易損件的工作條件目的潤滑劑分類氣體：空氣及其它氣體介質(zhì)。液體：水、礦物油及液態(tài)金屬等。半固體：潤滑脂固體：石墨、二硫化鉬等主要性能指標潤滑油、潤滑脂1、對于不完全液體潤滑-降低摩擦及減少磨損；2、對于液體動力潤滑-工作介質(zhì)并具有冷卻作用。三.潤滑粘度流體抵抗變形的能力，標志著流體內(nèi)摩擦阻力的大小。平行板間液體的層流流動模型牛頓定律yv剪切應力動力粘度速度梯度2.運動粘度：主要用于測量流體粘

5、度。m2/s1.動力粘度：主要用于流體動力計算中。Pas2/11msNsPa3.兩種粘度之間的換算關系：/礦物有的密度 kg/m34.潤滑油粘度特性粘溫特性：溫度越高、粘度越低，反之亦然。粘壓特性：壓力越高、粘度越高，反之亦然。式（3-7）一般在5MPa之下影響不大。圖3-7 全損耗系統(tǒng)用油的粘-溫曲線5.其它性能指標：油性、極壓性、氧化穩(wěn)定性、閃點、凝固點等。摩擦學原理的主要應用方面n機器設計制造n潤滑設計n材料選擇（耐磨，減磨，摩阻）n加工工藝設計n機器技術狀態(tài)監(jiān)測n潤滑油樣分析 Lubricate analysis n磨粒分析 Wear particlen鐵譜分析 Ferrography

6、n機器維修保養(yǎng)工藝n機器零件修復和表面工程設計n堆焊building up welding 刷鍍 brush plating 噴涂thermal spraying 化學鍍 chemical platingn機器零件失效分析農(nóng)機化工程碩士研究生課程安排n課堂教學q汽車摩擦學專題q表面工程摩擦學專題q設備診斷維修摩擦學專題q土壤機械摩擦學專題n磨損試驗n專題討論n課程考試針入度（稠度）標志著潤滑脂內(nèi)阻力的大小和流動性的強弱。針入度越大，潤滑脂越稀；反之亦然。滴點在規(guī)定的加熱條件下，潤滑脂由標準測量杯的孔口滴下第一滴時的溫度稱為潤滑脂的滴點。滴點標志著潤滑脂耐高溫的能力。一般潤滑脂的工作溫度應低于滴

7、點20-30C。 為改善潤滑油或潤滑脂的性能，以適應某些特殊的需要，在潤滑油或潤滑脂中加入一些物質(zhì)，稱為添加劑。自學教材p70p71相關內(nèi)容3-2 滑動軸承的結(jié)構(gòu)與材料一.滑動軸承的典型結(jié)構(gòu)整體式（圖15-16）剖分式（圖15-17）二.軸瓦的結(jié)構(gòu)與材料1.軸瓦的結(jié)構(gòu)*軸瓦的形式和構(gòu)造-整體鑄造、對開式*油孔及油槽（p476，圖15-27、15-28）*軸瓦的定位-保證軸瓦與軸承座之間無軸向、周向的相對移動 （圖15-28）2.軸瓦的材料*選用原則*常用的軸瓦材料（p75，表3-3）油孔與油槽的位置n不要開在軸承的承載區(qū)內(nèi)，否則將急劇降低軸承的承載能力（圖15-30）n油槽的剖面形狀應避免邊緣

8、有銳邊或棱角，保證潤滑油能順暢地流入潤滑表面之間。油槽的尺寸可查相關的手冊。軸向油溝的影響周向油溝的影響2.軸承材料的選用原則*良好的減摩性、耐磨性和抗咬粘性*良好的摩擦順應性、嵌入性和磨合性*足夠的強度和抗腐蝕能力*良好的導熱性、工藝性和經(jīng)濟性等3-3 不完全液體潤滑滑動軸承 設計計算一.失效形式*磨粒磨損與粘著磨損為主、多種失效形式并存的情況二.設計準則*邊界膜不遭破壞，維持粗糙表面微腔內(nèi)有液體潤滑存在三.徑向滑動軸承的計算四.推力滑動軸承的設計計算（自學）三.不完全液體潤滑徑向滑動軸承設計算典型問題1.已知條件：軸頸的直徑d（mm）； 軸轉(zhuǎn)速n（r/min）； 軸承的徑向外載荷F（N）。

9、2.設計的目的：確定軸承的材料與寬度B1）驗算軸承的平均壓力p-防止磨損MPapBdFp式（3-13）2）驗算軸承的pV值-限制溫升smMPapvpv/式（3-14）3）驗算滑動速度V-防止磨損 smvv/式（3-15）見表3-3 vpvp、3-4液體動力潤滑徑向滑動軸承的 設計計算一.徑向滑動軸承形成液體動力潤滑的過程（圖3-12） 汽車中的典型應用發(fā)動機主軸承和連桿軸承二.流體膜壓力分布的微分方程-雷諾方程1.假設條件：yv0yp0 V微元體受力分析靜止件移動件oxzUhy1）忽略重力、磁力、慣性力的影響；2）流體在界面上無滑動，即貼于界面的油層速度與界面速度相同；3）沿油膜厚度方向上，不

10、計油膜壓力的變化；4）潤滑油沿膜厚方向沒有流動；5）流體為牛頓流體；6）潤滑油流動為層流； 7）潤滑油不可壓縮。 2.一維雷諾方程微元體的受力平衡+流量連續(xù)+假設條件及必要的邊界條件，可得到如下的流體膜壓力分布方程，即：一維雷諾方程。)(603hhhVxp式（12-8）最大壓力處對應的油膜厚度。移 動 件靜 止 件靜 止 件移 動 件3.形成液體動力潤滑的條件 p731）潤滑油要有一定的粘度，且其它條件不變時，粘度越高，承 載能力越高。2）兩相對運動表面要有相當?shù)南鄬瑒铀俣取?）相對滑動表面形成收斂的油楔。4）有充足的供油。三.徑向滑動軸承的幾何參數(shù)1.直徑間隙dD 2.半徑間隙rR3.相對

11、間隙rd4.偏心距e5.偏心率e6.最小油膜厚度)1 ()1 (minreh7.偏位角8.任意位置的油膜厚度h)cos1 ()cos1 (rh空氣潤滑油油楔油膜壓力四.液體動力潤滑徑向滑動軸承的工作能力計算1.軸承承載力計算2.摩擦力及摩擦功耗的計算3.軸承的最小油膜厚度4.軸承的熱平衡計算5.工作能力計算的一般步驟 圖3-18數(shù)值計算機算方法見p81-821.軸承的承載力計算總承載量計算的無量綱參數(shù)-索氏數(shù)定義：式（3-25）),(0dBS圖3-1520BdSF其中：為潤滑油在軸承平均工作溫度下的動力粘度，Ns/m2為軸頸的轉(zhuǎn)速，rad/sB為軸承的寬度，m；d為軸頸的直徑，m。BdFS20

12、2.軸承的摩擦力及摩擦功耗計算定義：軸承的摩擦特性系數(shù)圖3-16 FFvFvFP摩擦力：摩擦功耗：3.軸承中的最小油膜厚度計算 軸承中的最小油膜厚度，不能無限制地減小。它受到軸頸與軸承內(nèi)表面的粗糙度、軸的剛性及軸承與軸頸的幾何形狀誤差等的影響。minmin)1 (hrh式（3-35）)(21minzzRRSh式（3-34）表3-5安全系數(shù)2S4.軸承熱平衡計算根據(jù)能量守恒：每秒產(chǎn)生的熱量 帶走熱量H21HH 達到熱平衡時的潤滑油溫度差式(12-28)為保證軸承的正常工作，一般要求等效溫度不超過75。vBdcqpvcBdvqpdBcqBdpvtspvspvspv210)(10)(10666流量系

13、數(shù)，圖3-17等效溫度：2inoutettt)2(31outinettt入口油溫tin一般為3045C高速重載條件：式（3-33）式（3-32）中等載荷和一切非穩(wěn)定載荷下：假設et00SvqFtet否結(jié)束vq流體動壓潤滑徑向軸承工作性能計算的一般流程eett是 hhmin是五.軸承參數(shù)的選擇n相對間隙n寬徑比 表3-6、表3-7n潤滑油動力粘度 表3-8式（3-36）3410)0 . 16 . 0(v小節(jié)：滑動軸承設計的主要內(nèi)容一.合理選擇軸承的型式和結(jié)構(gòu)二.合理選擇軸瓦的結(jié)構(gòu)與材料三.確定軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)（d、B/d、）四.選擇潤滑劑的類型及供應方式五.軸承的工作能力計算 （承載力、熱平衡、最小油膜厚度）汽車中的摩擦學n發(fā)動機中的摩擦學問題汽車中的摩擦學n車輛底盤中的摩擦學問題輪胎與地面1.輪胎與地面的摩擦濕滑路面的輪胎與路面摩擦屬于低模量彈性流體動力潤滑問題。2.輪胎的磨損物理-化學過程，橡膠氧化裂紋擴展導致胎面的磨損。制動器與離合器1.摩擦制動2.防抱死（ABS）系統(tǒng)輪轂軸承 汽車專用軸承的設計，世界上已經(jīng)生產(chǎn)出第五代輪轂軸承。我國具有生產(chǎn)第三代軸承的能力，但是大部分仍采用的是第一代軸承。汽車中的摩擦學n汽車潤滑材料 發(fā)動機油