§4-1摩擦§4-2磨損§4-3潤滑劑、添加劑和潤滑方法§4-4流體潤滑原理簡介§4-0概述第4章機械零件設計概論新疆大學專用作者：潘存云教授§4-1摩擦§4-2磨損§4-3潤滑劑、添加劑和潤1§4-0概述摩擦學----研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者間相互關系的理論與應用的一門邊緣學科。▲

摩擦--相對運動的物體表面間的相互阻礙作用現象；▲

磨損--由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉移；▲

潤滑--減輕摩擦和磨損所應采取的措施。關于摩擦、磨損與潤滑的學科構成了摩擦學(Tribology)。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。機械產品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的。減少摩擦節省能源；減少磨損降低設備維修次數和費用，節省制造零件及其所需材料的費用。隨著科學技術的發展，摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀，由靜態進入動態，由定性進入定量，成為系統綜合研究的領域。新疆大學專用作者：潘存云教授§4-0概述摩擦學----研究相對運動2二、摩擦的分類內摩擦：在物質的內部發生的阻礙分子之間相對運動的現象。外摩擦：在相對運動的物體表面間發生的相互阻礙作用現象。靜摩擦：僅有相對運動趨勢時的摩擦。動摩擦：在相對運動進行中的摩擦。滑動摩擦：物體表面間的運動形式是相對滑動。滾動摩擦：物體表面間的運動形式是相對滾動。▲“機械說”--摩擦原因是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、摩擦的機理▲“機械－分子說”兩種作用均有。§4-1摩擦新疆大學專用作者：潘存云教授二、摩擦的分類內摩擦：在物質的內部發生的阻礙分子之間相對3潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制1.干摩擦兩零件表面直接接觸后，因為微觀局部壓力高而形成許多冷焊點，運動時被剪切。不允許出現干摩擦！2.邊界摩擦三、滑動摩擦狀態→功耗↑磨損↑溫度↑→燒毀軸瓦運動副表面有一層厚度<1μm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。3.液體摩擦摩擦和磨損極輕，f≈0.001~0.01vvv新疆大學專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制1.干摩擦4潘存云教授研制潘存云教授研制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。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系數比邊界摩擦時要小得多。在一般機器中，處于后三種情況的混合狀態。fηn/po邊界摩擦混合摩擦液體摩擦摩擦特性曲線稱無量綱參數ηn/p為軸承特性數。

η-動力粘度，p-壓強，n-每秒轉數邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區分，常統稱為不完全液體摩擦。摩擦學研究的最新進展：微－納米摩擦學理論可實現：f≤0.001----超潤滑摩擦狀態。新疆大學專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制4.混合摩擦v5機器的壽命磨損—由于摩擦而導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。▲穩定磨損階段----零件在平穩而緩慢的速度下磨損。它標志著磨擦條件相對穩定。▲劇烈磨損階段----在經過穩定磨損階段后，零件表面遭到破壞，運動副間隙增大引起而外的動載荷和振動。零件即將進入報廢階段。后果—降低機器的效率和可靠性，甚至促使機器提前報廢。設計機器時，要求縮短磨合期、延長穩定期、推遲劇烈磨損期的到來。它是磨損的不穩定階段，在整個壽命周期內時間很短。新疆大學專用作者：潘存云教授機器的壽命磨損—由于摩擦而導致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。6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理分按磨損表面外觀可分為點蝕磨損膠合磨損擦傷磨損兩種不同的稱謂新疆大學專用作者：潘存云教授磨粒磨損磨損的分類：疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐7磨損的機理：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）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。潘存云教授研制新疆大學專用作者：潘存云教授磨損的機理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐8磨損的機理：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，當摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點處由于瞬時的溫升和壓力發生“冷焊”后，在相對運動時，材料從一個表面遷移到另一個表面，便形成粘附磨損。嚴重的粘附磨損會造成運動副咬死。潘存云教授研制新疆大學專用作者：潘存云教授磨損的機理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐9磨損的機理：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，反復變形所產生的材料疲勞所引起的機械磨損。點蝕過程：

產生初始疲勞裂紋→擴展→微粒脫落，形成點蝕坑。

潘存云教授研制新疆大學專用作者：潘存云教授磨損的機理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐10磨損的機理：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物體或硬質顆粒沖擊零件表面所引起的機械磨損。利用高壓空氣輸送型砂或高壓水輸送碎石時，管道內壁所產生的機械磨損是實例之一。。近年來，由于燃氣渦輪機的葉片、火箭發動機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潘存云教授研制新疆大學專用作者：潘存云教授磨損的機理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐11磨損的機理：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—當摩擦表面材料在環境的化學或電化學作用下引起腐蝕，在摩擦副相對運動時所產生的磨損即為腐蝕磨損。新疆大學專用作者：潘存云教授磨損的機理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐12磨損的機理：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：微動磨損—是指摩擦副在微幅運動時，由上述各磨損機理共同形成的復合磨損。微幅運動可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對運動。應用實例：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、鉚釘的工作面等。新疆大學專用作者：潘存云教授磨損的機理：磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐13一、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、穩定性好、因而應用最廣。種類：氣體潤滑劑----空氣有機油----動、植物油礦物油----石油產品，

化學合成油§4-3潤滑劑、添加劑和潤滑方法新疆大學專用作者：潘存云教授一、潤滑劑作用：降低摩擦功耗、減少磨損、冷卻、吸振、防14潘存云教授研制A在軸承中，潤滑油最重要的物理參數是粘度，它是選擇潤滑油的主要依據。粘度表征液體流動的內摩擦特性。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力：τ=ηdudy--流體中任意點處的切應力與該處的速度梯度成正比。η----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。或厘泊：1P=1dyn·s/cm2實驗結果：oxyydydu分析位置y處薄層的受力B粘度----重要指標，粘度值越高，油越稠，反之越稀；

粘度的種類動力粘度運動粘度條件粘度1)動力粘度-----牛頓液體流動定律1泊=100厘泊新疆大學專用作者：潘存云教授潘存云教授研制A在軸承中，潤滑油最重要的物理參數是粘度，它是15工程中常用運動粘度：ν

=ηρ

單位：

m2

/

s稱為斯St：cm2/s或厘斯cSt：1St=100cSt2)運動粘度潘存云教授研制表4-1常用常用潤滑油的主要性質名稱全損耗系統用油GB443-89汽輪機油GB11120-89代號40℃的粘度mm2/sL-AN76.12~7.48-10110凝點≤C閃點(開式)≥C用于高速底負荷機械、精密機床、紡織紗錠的潤滑和冷卻。普通機床的液壓油。用于一般滑動軸承、齒輪、蝸輪的潤滑用于重型機床導軌、礦山機械的潤滑。用于汽輪機、發電機等高速高負荷軸承和各種小型液體潤滑軸承L-AN10090~1100210L-AN109.0~11.0-10125L-AN1513.5~16.5-10165L-AN3228.8~32.2-10170L-AN4641.4~50.6-10180L-AN6861.2~74.8-10190L-TSA3228.8~35.2-7180L-TSA4641.4~50.6主要用途新疆大學專用作者：潘存云教授工程中常用運動粘度：ν=ηρ單位：m2/s稱163)條件粘度指在一定條件下，利用某種規格的粘度計，通過測定潤滑油穿過規定孔道的時間來進行度量的粘度。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----英國慣用運動粘度與條件粘度之間的換算關系：潤滑油的牌號與運動粘度有一定的對應關系，如：牌號為L-AN10的油在40℃時的運動粘度大約為10cSt。新疆大學專用作者：潘存云教授3)條件粘度指在一定條件下，利用某種規格的粘度17潘存云教授研制潤滑油的特性：1）粘----溫相關性溫度t↑壓力p

↑→η↓ 但p<10Mpa時可忽略。變化很小→η↑ 粘--溫圖0.080.070.060.050.040.030.020.0130405060708090℃ηL-TSA32L-TSA32L-TSA32L-TSA32選用原則：1)載荷大、溫度高的軸承，宜選用粘度大的油；2)載荷小、轉速高的軸承，宜選用粘度小的油；粘度值的大小不僅影響摩擦副的運動阻力，而且對潤滑油膜的形成及承載能力具有決定性的作用。新疆大學專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潤滑油的特性：1）粘----溫相關性182）潤滑性（油性）潤滑性是指潤滑油中的分子與金屬表面吸附形成一邊界油膜，以減小摩擦和磨損。潤滑性愈好，吸附能力愈強。對于那些低速重載或潤滑不充分的場合，潤滑性具有特別重要的意義。3）極壓性潤滑性能是潤滑油中加入含硫、氯、磷的有機極性化合物之后，油中的極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓的化學反應邊界膜的性能，它在重載、高速、高溫條件下，可改善邊界潤滑性能。4）閃點潤滑油在標準容器中加熱所蒸發的油氣，遇火焰即能發出閃光時的最低溫度。是衡量油易燃性的指標。對于在高溫下工作的機器，這是一個重要參數。一般要求工作溫度比油的閃點低30~40℃。新疆大學專用作者：潘存云教授2）潤滑性（油性）潤滑性是指潤滑油中的195）凝點潤滑油在規定的條件下，不再自由流動時所達到的最高溫度。它是潤滑油在低溫下工作的一個重要指標，直接影響到機器在低溫下的啟動性能和磨損情況。6）氧化穩定性從化學意義上講，潤滑油是不活潑的。但當它們暴露在高溫氣體中時，也會發生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。這是一種膠狀沉積物，不但腐蝕金屬，而且加劇零件的磨損。2.潤滑脂----潤滑油與各種稠化劑（鈣、鈉、鋁、鋰等金屬皂）混合稠化而成。優點：密封簡單、不需要經常添加、不易流失；對速度和溫度不敏感，適用范圍廣。新疆大學專用作者：潘存云教授5）凝點潤滑油在規定的條件下，不再自由20缺點：摩擦損耗較大、機械效率低，不適宜高速場合。潤滑脂的種類：鈉基潤滑脂鋰基潤滑脂鋁基潤滑脂鈣基潤滑脂分類1)鈣基潤滑脂這種潤滑脂具有良好的抗水性，但耐熱能力差，工作溫度不宜超過55~65℃

。2)鈉基潤滑脂這種潤滑脂具有較高的耐熱性，但抗水性較差，工作溫度可達120℃。由于它能與少量水乳化，從而保護金屬免遭腐蝕，比鈣基脂有更好的防銹能力。----工程上應用最廣新疆大學專用作者：潘存云教授缺點：摩擦損耗較大、機械效率低，不適宜高速場合。潤滑脂的種類213)鋰基潤滑脂這種潤滑脂既能抗水，又耐高溫，而且有較好的機械按定型，是一種多用途的潤滑值。工作溫度不宜超過145℃

。4)鋁基潤滑脂這種潤滑脂具有良好的抗水性，對金屬表面有高的吸附能力，故可起到良好的防銹作用。潤滑脂的主要質量指標是：2)滴點，決定工作溫度。1)錐入度，反映其稠度大小。新疆大學專用作者：潘存云教授3)鋰基潤滑脂這種潤滑脂既能抗水，又耐高溫，而且223.固體潤滑劑聚氟乙烯樹脂用于潤滑油不能勝任工作的場合：高溫、低速重載。石墨二流化鉬（MoS2）---性能穩定、t>350℃才開始氧化，可在水中工作。-----摩擦系數低，使用溫度范圍廣(-60~300℃)，但遇水性能下降。-----摩擦系數低，只有石墨的一半。使用方式：1.調和在潤滑油中；2.涂覆、燒結在摩擦表面形成覆蓋膜；3.混入金屬或塑料粉末中燒結成型。其應用日漸廣泛新疆大學專用作者：潘存云教授3.固體潤滑劑聚氟乙烯樹脂用于潤滑油不能勝任工作的場合：高23油性添加劑種類添加劑----為了改善潤滑劑品質和性能而添加的物質。二、添加劑非極壓油軟化溫度t/℃

摩擦系數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新疆大學專用作者：潘存云教授油性添加劑種類添加劑----為了改善潤滑劑品質和性能而添加24潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潤滑油潤滑在工程中的應用最普遍，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；用油泵強制潤滑和冷卻。低速傳動高速傳動甩油環噴油潤滑油泵冷卻器滴油潤滑浸油潤滑飛濺潤滑新疆大學專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潤滑油潤滑在工程中25潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制針閥式油杯旋蓋式油杯脂用潘存云教授研制壓注式油杯彈簧蓋油杯四、潤滑裝置1.油杯新疆大學專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制針閥式油杯旋蓋式油26潘存云教授研制潘存云教授研制2.油環新疆大學專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制2.油環新疆大學專用27潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、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。vF§4-4流體潤滑原理簡介流體動力潤滑是指兩個作相對運動物體的摩擦表面，借助于相對速度而產生的粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開，由流體膜產生的壓力來平衡外載荷。動壓油膜----因運動而產生的壓力油膜。

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vvh1aah2ccvv兩平形板之間不能形成壓力油膜！如兩板不平行板。板間間隙呈沿運動方向由大到小呈收斂楔形分布，且板A有載荷，當板A運動時，兩端速度若程虛線分布，則必然進油多而出油少。由于液體實際上是不可壓縮的，必將在板內擠壓而形成壓力，迫使進油端的速度往內凹，而出油端的速度往外鼓。進油端間隙大而速度曲線內凹，出油端間隙小而速度曲線外凸，進出油量相等，同時間隙內形成的壓力與外載荷平衡，板A不會下沉。這說明了在間隙內形成了壓力油膜。這種因運動而產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新疆大學專用作者：潘存云教授潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制一、流體動力潤滑28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。其運動芳方向必須保證潤滑油從大截面流進，從小截面出來。∑Fy=F∑Fx≠0∑Fy=F∑Fx=0應用實例--向心滑動軸承動壓油膜的形成過程：靜止→爬升→將軸起抬轉速繼續升高→質心左移→穩定運轉達到工作轉速e----偏心距e新疆大學專用作者：潘存云教授潘存云教授研制F形成動壓油膜的必要條件：1.兩工件之間的間隙29二、彈性流體動力潤滑

彈性流體動力潤滑理論----研究在點、線接觸條件下，兩彈性物體間的流體動力潤滑膜的力學性質。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；新疆大學專用