第4章　摩擦、磨损、润滑

4.1　复习笔记

一、摩擦的种类及其基本性质

1．摩擦的分类

按摩擦状态分，有干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦等，如图4-1所示。

（1）干摩擦是指两摩擦表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦。

（2）流体摩擦是指两摩擦表面被一流体层（液体或气体）隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。

（3）边界摩擦是指两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质不取决于流体粘度，而与边界膜和表面的吸附性质有关的摩擦。

（4）混合摩擦是指有较多的摩擦副处于干摩擦、边界摩擦、流体摩擦的混合状态的摩擦。

图4-1  摩擦状态

2．各种摩擦类型的性质

（1）干摩擦的摩擦阻力最大，磨损最严重，零件使用寿命最短。

（2）流体摩擦的摩擦阻力小，没有磨损，使用寿命长，但必须在一定载荷、速度和流体粘度等工况下才能实现。

（3）边界摩擦和混合摩擦能有效地降低摩擦阻力、减轻磨损、提高承载能力和延长零件使用寿命。

3．不同摩擦适用的摩擦类型

（1）对于要求低摩擦的摩擦副，流体摩擦是比较理想的摩擦状态，维持边界摩擦或混合摩擦为其最低要求；

（2）对于要求高摩擦的摩擦副，则大多处于干摩擦或边界摩擦状态。

二、干摩擦

干摩擦常用库仑公式表达两相对滑动表面间摩擦力F_μ、法向力F_N和摩擦系数μ之间的关系：

在工程上，除流体摩擦外，其他几种摩擦和固体润滑都能用该公式进行计算。

三、边界摩擦润滑

1．边界膜的分类

（1）物理吸附膜是指由润滑油中的极性分子与金属表面相互吸引而形成的吸附膜。

（2）化学吸附膜是指由润滑油中的分子靠分子键与金属表面形成化学吸附的膜。

（3）化学反应膜是指在润滑油中加入硫、磷、氯等元素的化合物与金属表面进行化学反应而生成的膜。

2．各种边界膜的润滑特点和适用条件

（1）物理吸附膜

温度对物理吸附膜影响较大，受热易使吸附膜脱附、乱向，甚至完全破坏，故物理吸附膜适宜于在常温、轻载、低速下工作。

（2）化学吸附膜

化学吸附膜的吸附强度比物理吸附膜高，且稳定性好，受热后的熔化温度也较高，故化学吸附膜适宜于在中等载荷、速度、温度下工作。

（3）化学反应膜

化学反应膜厚度较厚，所形成的金属盐具有较高的熔点和较低的剪切强度，稳定性也好，故化学反应膜适用于重载、高速和高温下工作的摩擦副。

四、磨损

1．关于磨损的一些基本定义

（1）磨损

磨损是指使摩擦表面的物质不断损失的现象。

（2）磨损率

磨损率是指单位时间内材料的磨损量。磨损量可以用体积、重量或厚度来衡量。

（3）耐磨性

耐磨性是指磨损过程中材料抵抗脱落的能力，常用磨损率的倒数来表示。

2．磨损的三个基本阶段

（1）跑合磨损阶段

跑合是指机器使用初期，为改善机器零件的适应性、表面形貌和摩擦相容性的过程。跑合后，峰顶半径增大，有利于增大接触面积，降低磨损速度。

（2）稳定磨损阶段

稳定磨损阶段的磨损率常数（q为磨损量）。磨损率也即磨损曲线的斜率，斜率越小磨损率越低，零件使用寿命越长。

（3）剧烈磨损阶段

剧烈磨损阶段，零件经若干时间使用后精度下降，间隙增大，润滑状况恶化，从而产生振动、冲击和噪声，磨损加剧，温度升高，使零件迅速报废。

3．粘着磨损

按破坏机理分，磨损主要有四种基本类型：粘着磨损，表面疲劳磨损，磨粒磨损和腐蚀磨损。磨损常以复合形式出现。

（1）定义

粘着磨损是指由于粘着作用使材料由一表面转移至另一表面所引起的磨损。载荷越大，表面温度越高，粘着现象也越严重。

（2）粘着磨损按破坏程度不同分为五级（由轻至重）

①轻微磨损——剪切破坏发生在界面上，表面材料的转移极为轻微；

②涂抹——剪切发生在软金属浅层，并转移到硬金属表面；

③划伤——剪切发生在软金属表层，硬表面可能被划伤；

④撕脱——剪切发生在摩擦副一方或双方基本金属较深的地方；

⑤咬死——粘着严重，运动停止。

（3）胶合

胶合是指粘着比较严重的后几种磨损。胶合是高速重载接触副常见的破坏形式。

（4）减轻粘着磨损的措施

①合理选择摩擦副材料；

②采用含有油性和极压添加剂的润滑剂；

③限制摩擦表面的温度。温度过高易使油膜破坏，发生粘着；

④控制压强。对于一定硬度的金属材料，在不同的压强下进行，设计时必须控制最大许用压强[p]_max=H/3。

4．表面疲劳磨损

提高摩擦副的表面疲劳寿命措施：

（1）合理选择表面粗糙度

一般地说，表面粗糙度值愈小，疲劳寿命愈高。

（2）合理选择润滑油粘度

粘度低的油容易渗入裂纹，加速裂纹扩展。粘度高的油有利于接触应力均匀分布，提高抗疲劳磨损的能力。

（3）合理选择表面硬度

（4）合理选择摩擦副材料

5．磨粒磨损

磨粒磨损是指硬质颗粒或摩擦表面上的硬质突出物，在摩擦过程中引起材料脱落的现象。磨粒磨损和摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有关，硬度愈大的材料，磨损量呈下降的趋势。

6．腐蚀磨损

腐蚀磨损是指在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损。氧化磨损是最常见的腐蚀磨损，因氧化膜的生成速度与时间成指数规律下降，故磨损速度小于氧化速度时，则氧化膜起着保护表面的作用；若磨损速度大于氧化速度，则极易磨损。

五、流体摩擦润滑

1．流体润滑的摩擦力

流体摩擦润滑的性质取决于粘性流体的内摩擦力。

（1）流体润滑的摩擦力

（2）流体润滑时的摩擦系数

式中P为单位面积上的压力；ŋv/p为轴承数。

流体润滑主要有：流体动力润滑和弹性流体动力润滑、流体静力润滑等。

2．流体动力润滑

（1）流体动力润滑的基本条件

a．两滑动表面沿运动方向的间隙必须呈由大变小的形状，通常称为“油楔”；

b．相对速度必须足够大，以便流体连续泵入油楔中，依靠楔的作用建立压力油膜。

（2）计算板面各点压力

对于无限宽的平板，假设油沿z轴方向没有流动，由此可求出板面沿运动方向的压力分布为

式中h₀为处的油膜厚度。积分上式，可求出板面上各点的压力，从而计算油楔的承载能力。

3．弹性流体动力润滑

（1）弹性流体动力润滑

弹性流体动力润滑是指要考虑弹性变形和压力对粘度影响两个因素的流体动力润滑。

（2）部分弹性流体动力润滑

当流体油膜薄到一定程度，需要进一步考虑表面形貌的峰顶干扰影响时，就称为部分弹性流体动力润滑。

（3）在压力作用下润滑油的粘度

ŋ₀为大气压下油的粘度；Pa•s；α为粘压指数；压强P的单位为Pa时，α的单位为Pa^-1。

压力在10MPa以下，压力对粘度的影响可以忽略。粘度将随着压力的增加而显著提高。

4．流体静力润滑

（1）定义

流体静力润滑是指利用外部供油（气）装置将一定压力的流体送入摩擦面之间以建立压力油膜的润滑。

（2）液体静力润滑的工作原理

如图4-2所示，全部载荷由油垫面上的液体静压力所平衡。正常使用时，压力油不断从节流间隙外泄，又不断得到补充。

图4-2  液体静力润滑

（3）流体静力润滑的主要优点

①压力油膜的建立与速度无关，速度适用范围很宽；

②在正常使用情况下，始终不会发生金属直接接触，使用寿命很长，精度保持性很好；

③油膜刚度很大，所以运转精度很高，抗振性能好；

④只要合理选择参数和结构，比较容易满足设计者对承载能力、油膜刚度等性能要求。

六、膜厚比与润滑状态

1．膜厚比

膜厚比是大致估计润滑状态的简单判据，是最小油膜厚度与表面粗糙度之比，常用λ表示。

式中R_q为接触表面轮廓的均方根偏差。

2．润滑状态

（1）λ＞3为完全弹性流体动力润滑或流体润滑状态；

（2）1＜λ＜3为部分弹性流体动力润滑或混合润滑状态；

（3）λ≤1为边界润滑状态。

3．膜厚比λ与相对寿命L的关系

（1）λ＜1时寿命很短；

（2）λ＞3时寿命很长；

（3）λ=1.5时寿命约为λ=1时的4倍。

七、润滑剂、添加剂

1．润滑剂的作用

润滑剂的主要作用是减小摩擦和磨损，降低工作表面的温度。液体润滑剂还能带走摩擦所产生的热量。润滑剂还有防锈、传递动力、消除污物、减振、密封等作用。

2．润滑剂种类

（1）液体润滑剂

主要有石油润滑剂、合成润滑剂以及其他液体。石油润滑剂具有粘度品种多、挥发性低、惰性好、防腐性强、价格便宜等特点。

（2）润滑脂（半固体润滑剂）

在液体润滑剂中加入增稠剂制成，还常加入一些添加剂，以增加抗氧化性和油膜强度。

（3）气体润滑剂

空气、氢气、氦气、水蒸气、其他工业气体以及液体金属蒸气等都可作为气体润滑剂。最常用的为空气。气体粘度低，粘-温性质变化小，摩擦阻力极小，温升很低，特别适用于高速场合。

（4）固体润滑剂

主要用于怕油污染、不易维护的场合和特殊工作的环境。固体润滑剂的材料有无机化合物、有机化合物和金属等。

3．润滑剂性质

（1）粘度

粘度是液体润滑剂的主要性能指标，滑动表面间的摩擦力、润滑膜的厚度都与粘度大小有关。

（2）凝点

凝点是润滑油冷却到不能流动时的最高温度。低温润滑时，应选用凝点低的油。

（3）闪点、燃点

闪点是润滑油在火焰下闪烁时的最低温度。闪烁持续5s以上时的最低温度称为燃点。在较高温度和易燃环境中润滑时，应选用闪点高于工作温度20℃～30℃的油。

（4）油性

油性是湿润或吸附于摩擦表面的性能。吸附能力愈强，油性愈好。

（5）滴点

滴点是表示润滑脂受热后开始滴落时的温度。润滑脂能够使用的工作温度应低于滴点20℃～30℃。

（6）锥入度

锥入度是表征润滑脂稀稠度的指标。锥入度越小，表示润滑脂越稠；反之，流动性越大。

4．添加剂

（1）定义

添加剂是指为了改善炼制润滑剂的性能，加进润滑剂中的某些物质。

（2）极压添加剂

在重载接触副中常用的极压添加剂，能在高温下分解出活性元素与金属表面起化学反应，生成一种低剪切强度的金属化合物薄层，以增进抗粘着能力。

（3）油性添加剂

油性添加剂也称边界润滑添加剂，是由极性很强的分子组成，在常温下也能吸附在金属表面形成边界膜。

八、润滑油粘度

1．粘度的单位

工业上常用动力粘度ŋ与同温度下该液体密度ρ的比值表示粘度，称为运动粘度v，即

矿物油密度ρ=850kg/m³～900kg/m³。

Pa•s和m²/s都是我国法定计量单位。

2．粘度单位换算

动力粘度的物理单位是P（泊），1P=1dyn•s／cm²。百分之一P称为cP（厘泊），即1P=100cP。Pa•s和P、cP的换算关系是：1Pa•s=10P=1000cP。

3．粘度等级

我国工业用润滑油的粘度等级新标准是以40℃时的运动粘度（中心值）分级的，计有2、3、5、…、1500等18个粘度等级。

4．温度对粘度的影响

润滑油的粘度是随着温度的增高而降低的。

衡量润滑油受温度变化时对粘度的影响程度常用粘度指数VI表示。VI越大的油，粘度受温度变化越小。VI≤35为低粘度指数；VI＞35～85为中粘度指数；VI＞85～110为高粘度指数；VI＞110为很高粘度指数。

5．配油计算

自行配制的方法是在相同品种和用途的油中，选择高于v的油（称为A油，粘度为v_A）和低于v的油（称为B油，粘度为v_B）各一种。然后利用公式，求出配油比。

已知配油比K，即可由下表求出A油和B油各应占的百分率。

九、工业用润滑油和润滑脂简介

1．工业用润滑油选用原则

选用时，可先根据润滑对象选择润滑油品种。然后根据运动速度、载荷、温度等工作情况来选择油的粘度等级或牌号，选用原则如下：

（1）在高速运转或载荷较轻的摩擦部位，宜选用粘度低一些的油，否则会增大摩擦阻力，温升过高反而对润滑不利。

（2）在低速运转或载荷较大的摩擦部位，宜选用粘度较高、油性较好的润滑油，以利于油膜形成和良好润滑。在低速而载荷又大的摩擦部位，应选用含有极压和油性添加剂的润滑油。受冲击、振动载荷的以及作间歇和往复运动的，都应选用粘度高、吸附性好的油。

（3）在较高温度下工作的摩擦部位，应选用粘度较大、闪点较高和抗氧化性较好的油。工作温度变化较大，还应选用粘度指数高的油。在低温下工作的，应选用粘度较小、凝点较低、不含水分的油。

2．润滑脂

常用的几种润滑脂选用时应注意以下各点：

（1）在潮湿环境或与水、水汽相接触的工作部位，宜选用耐水性好的润滑脂。钠基脂耐水性差，易于乳化，不能选用。

（2）在低温或高温下工作的部位，所选用的润滑脂应满足其允许使用温度范围的要求。最高工作温度至少应比滴点低20℃。温度较高的宜选用锥入度小、安定性好的润滑脂。

（3）受载较大（压强P＞5MPa）的部位，宜选用锥入度较小的润滑脂。低速而又重载的部位，最好选用含有极压添加剂的润滑脂。

（4）在相对滑动速度较高的部位，宜选用锥入度大、机械安定性好的脂，否则增大阻力，热量过多，对润滑不利。