边界摩擦

在载荷的作用下，边界膜互相接触，
横向剪切力比较弱，这种摩擦状态称
为边界摩擦。
边界膜
ｆ＝0.01～0.1
物理吸附膜如图 常温、轻载、低速
化学吸附膜
中等载荷、速度和温度
化学反应膜
重载、高速和高温
(a)
边界膜强度:合理选择润滑副材料和 润滑剂,降低表面粗糙度值,润滑剂中
加油性和极压添加剂
(b)
判断摩擦状态：
单体供油装置 油壶， 油杯， 油枪
• 集中供油装置 a) 简单的少数点位集中供油 b) 设备中心、车间及工厂级集中供油 泵站+(稳压+冷却)+过滤+分配器+工位润滑
手动润滑泵
电动润滑泵
§4—4 流体润滑简介
1、流体动力润滑
液体动力润滑 、气体动力润滑
两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生 的粘性流体膜而完全隔开，而由流体膜产生的压力来平衡 外载荷，称为流体动力润滑。
3、流体静力润滑
利用外部供油（气）装 置，将一定压力的流体 送入两摩擦表面之间以 建立压力油膜的润滑称
为流体静力润滑。
节流间隙 (油膜厚度)
油腔
节流器 (补偿元件)
油泵
油箱
• 作用越来越大，在润滑脂、合成油中不加添加剂， 则润滑很差或没有润滑作用
• 种类繁多： １）油性添加剂，极性分子结构； ２）抗磨／极压（EP）添加剂 ３）抗氧化／腐蚀添加剂； ４）洁净分散剂，汽车发动机 ５）防锈剂 ６）降凝剂 ７）增粘剂 ８）消泡剂－－液压油 9）纳米添加剂－－新材料
六、润滑方法和装置
5、凝点—冷却，由液体转变为不能流动的临界温度； (低温启动性能)
6、极压性（EP）, 在重压下表面膜破裂的最大 接触载荷，用PB表示，(极限载荷）
7、酸值—限制润滑剂变质后对表面的腐蚀
润滑油的选用:
我国将柴油机润滑油按质量标准分为五个等级。（CA、 CB、CC、CD、CE）其中农用运输车常用CC级润滑油， 它又分为5W/30、5W/40、10W/30、l0W/40、10W/40、 20W/40、30、40等8种粘度型号。数值越大，润滑油的 粘度越大。应根据不同的季节、地区和柴油机的技术状态， 选用不同牌号的润滑油。在保证可靠润滑的前提下，为使 发动机有效地发挥其效率，尽量选用低牌号的润滑油。夏 季可选用40CC级柴油机润滑油，冬季可选用30CC级柴油 机润滑油。对于新出厂的柴油机，由于各运动件配合间隙 较小，选用的润滑油粘度可适当低一些。
3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）
形成：接触应力反复作用。轴承、齿轮。 现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。 影响因素：表面硬度、粗糙度，润滑油粘度。
4）流体磨粒、冲蚀磨损
形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法 向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片。 现象：表面疲劳，材料损失。 影响因素：材料硬度
膜厚比
hlim
/( Rq12
Rq
2 2
)1/
2
λ越大，油膜承载比例大，f 越小
边界摩擦 λ ≤１
三、流体摩擦（润滑）
• 当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时， 摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子 层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体 摩擦。
全液体摩擦
膜厚比λ >3～４
边界膜
液体
实现条件： 1）两滑动表面沿运动方向的间隙是由大至小的形状 2）相对速度v足够大，油楔中有足够的油量
F
F
F
v
v
v
雷诺方程
2、弹性流体动力润滑
考虑弹性变形 和压力两个因 素对粘度影响 的流体动力润 滑称为~
v1
v2
R2
R 1
h0 hmin
p 弹性流体动力
润滑油压分布
赫兹压力分布
v1
x O
v2 缩颈
一、干摩擦
a 简单粘着理论：
b
Fn Ari
Ff
Ar B
Fn
sy
B
f Ff B Fn sy
二、边界摩擦（边界润滑）
边界膜：比较牢固地吸附在金属表面的分子膜。
两表面加入润滑油后，在金属表 面会形成一层弹边性界变形膜，它可能是物理 吸附膜，也可能是化学反应膜。
不满足流体动压形成条件，或虽有 动压力，但塑压性力变较形低，油膜较薄时，
四混合摩擦润滑塑性变形边界膜弹性变形液体一典型的磨损过程三阶段磨合磨损阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段iiiii1磨合磨损过程2稳定磨损阶段3剧烈磨损阶段在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度且在以后过程中此粗糙度不会继续改变所占时间比率较小经磨合的摩擦表面加工硬化形成了稳定的表面粗糙度摩擦条件保持相对稳定磨损较缓该段时间长短反映零件的寿命经稳定磨损后零件表面破坏运动副间隙增大动载振动润滑状态改变温升磨损速度急剧上升直至零件失效二磨损分类
边界膜
边界膜 液体
液
边界摩擦—最低要求（边界润滑状态） 混合摩擦（混合润滑状态）
边界膜
液体
一、干摩擦
不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样产 生的摩擦称为干摩擦 (如真空中)。
古典摩擦理论的摩擦力计算公式：
库仑公式 Ff f Fn ｆ＝0.30～0.35
新理论：分子—机械理论、能量理论、粘着理论
ｆ＝0.001～0.008
四、混合摩擦（润滑）
当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏 时，就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩 擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为混 合摩擦。
非（完全）液体摩擦
膜厚比
１≥λ ≥3
膜
液体
§4—2 磨 损
一、典型的磨损过程（三阶段）
1、磨合磨损过程
在一定载荷作用下形成一个 稳定的表面粗糙度，且在以后 过程中，此粗糙度不会继续改 变，所占时间比率较小
5）腐蚀磨损-电化学作用
形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生化学作用 或电化学作用。 现象：表面腐蚀并磨损。 影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。
6）微动磨损
形成：小振幅、大频率、点或线接触。 现象：磨损面积小。 影响因素：载荷。
§4—3 润滑剂、添加剂和润滑方法
• 润滑剂：气体、液体、半固体和固体
③钙钠基润滑脂。
为混合皂基润滑脂、分为ZGN-1和ZGN-2 两个牌号。其耐水性比钠基润滑脂强，耐 高温性强于钙基润滑脂。适用于高温下工 作的轴承的润滑，其上限工作温度为100 ℃。
④锂基润滑脂:
ZL-1、ZL-2、ZL-3、ZL-4。多用途的润滑 脂，-20至145度范围内的各种机械设备的 滚动和滑动摩擦部位的润滑。
API质量等级分类，
汽油机油分为SA、SB、SC、SD、SE、 SF、SG
柴油机油分为：CA、CB、CD、CE、CF 加W的是冬季油，不加的是夏季油
例如:
5W/30是冬夏通用油 5—牌号（运动粘度 ） 5W/30 意思代表既能满足冬季用5号油，又 能满足夏季30号油的场合的多级油
L-AN46 L--润滑剂 AN-全损耗系统用油， 精制的矿物油类
三、润滑脂及其主要性能
组成： 基础油+稠化剂+添加剂+澎润土 润滑脂的性能指标：针入度、滴点、析油量、
机械杂质、灰分、水分
1）针入度 软硬程度 H(mm)/0.1
h
阻力大小、流动性强弱
标准锥体，150g，25 ℃ ，5s
2）滴点----固体流体的温度转折点，表示耐热性 3）防水性能； 4）静音性能； 5）种类
二、润滑油的特性
1、粘温特性
• 润滑油的粘度随温度的 变化存在指数关系:
t 0 t0 / t m
2、润滑油的粘压特性
• 粘度和压力的关系 近似表示为:
0eap
3、油性—反映在摩擦表面的吸附性能 （边界润滑和粗糙表面尤其重要）
4、闪点—瞬时燃烧和碳化的温度； 燃点—长时间连续燃烧的温度（高温性能）；
磨损量q q
磨合磨 损阶段
I
稳定磨损阶段
II
剧烈磨损阶段
III
t
2、稳定磨损阶段
O 时间t
经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持 相对稳定，磨损较缓,该段时间长短反映零件的寿命
3、剧烈磨损阶段
经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载、振动→润滑状态 改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效
②钠基润滑脂:
由机油和肥皂混合而成，颜色由黄到暗褐，甚至黑色。其 特点之一是耐高温，被广泛应用在高温下工作的机器上。 它的另一特点是亲水性强，遇水后被溶解即失效，因此不 能用于接触水的部位。钠基润滑脂按针入度分为ZN-2、 ZN-3、ZN-4三个牌号。2号和3号适用于温度不高于115℃ 的摩擦部分，但不能用于与水接触的部位；4号适用于温 度不高于135℃的摩擦部分，也不能用于有水或潮湿的部 位。发电机轴承和离合器轴承必须使用钠基润滑脂。
二、磨损分类：根据磨损机理可分为
1）粘着磨损： 形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏， 表面尖峰接触。
现象：形成材料转移。
影响因素：材料硬度，表面粗糙度，载荷、速度、 温度，不同材料配副。 2）磨粒磨损/磨削 形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。
现象：表面划伤或犁沟现象。
影响因素：环境，表面硬度、粗糙度。
类（L） 品种（AN）数字（46)
注:
内燃机油和齿轮油是按100摄氏度运动粘度 划分的，其它润滑油是按40摄氏度的划分 的
四、固体润滑剂
•用途：真空、辐射、重载等恶劣环境； •种类：MoS2，PTFE，石墨，氟化石墨， WS2、
纳米材料 •应用方法：涂镀，沉积，粘贴，嵌入，添加剂
五、添加剂
换算关系：1Pa• S=10P=1000cP
2）运动粘度
• 流体的动力粘度与同温度下的密 度ρ的比值,称为运动粘度:
单位是cm²/s,叫做“斯”,常用St表 示换算关系：1m2/s=104St=106cSt 矿物油
ρ=850~900kg/m3
3) 条件粘度 oEt 恩氏粘度是相对粘度的一种,它是用200ml的粘性流体,在 给定的温度t下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间, 与同体积的蒸馏水在20℃时流经同样的毛细管所需时间 的比值来衡量流体的粘性。（恩氏粘度用 oEt表示）
第四章 摩擦、磨损及润滑
•摩擦磨损润滑和密封失效是现代机械系统的主要失效原因。
摩擦学（Tribology）
§4—1 摩 擦
内摩擦
摩 流体内部产生的粘剪力
擦
静摩擦
外摩擦
存在于两物体表面之间
动摩擦
滑动摩擦 滚动摩擦
金属摩擦副的滑动摩擦：
干摩擦—最不利（无润滑状态）
弹性变形
流体摩擦（流体润滑状态）
塑性变形
1、润滑油 有机油、矿物油、合成油 2、润滑脂 钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑脂
3、固体润滑剂 石墨、二硫化钼、氮化硼 、蜡、 聚氟乙烯、 酚醛树脂
一、润滑油的粘度
润滑油抵抗剪切变形
的能力，也是
内摩擦力大小
的标志。
y
u=0
F A
式中 A--流体剪切面积
流体剪切应力
A)钙基脂：抗水，适于轻中重载荷； B)钠基脂：高温，但不抗水； C)锂基脂：多用途，最好； D)铝基脂：高度耐水性，航运机械 E)其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、 稠化剂等）
①钙基润滑脂
由机油、动植物油和石灰制成的稠密的油膏，呈黄色。它 具有良好的耐水性，适用于与水分或潮气接触的机件的润 滑。由于它用水做稳定剂，当使用温度超过规定值时就会 失水，使润滑脂的结果结构破坏，所以它不耐高温，通常 不超过70℃。钙基润滑脂根据其针入度的大小又分为五个 牌号，其代号分别为ZG-1、ZG-2、ZG-3、ZG-4和ZG-5。 号越大，针入度越小，脂越硬。1号适用于温度较低的工 作条件；2号适用于轻负荷且温度不超过55℃的滚珠轴承； 3号适用于中负荷、中转速且温度60℃以下的机械摩擦部 分；4号、5号适用于温度在70℃以下的重负荷低速机械 的润滑。中小功率柴油机的冷却水泵轴承的润滑，加以注 4号钙基润滑脂为最合适。
A x
u
B
• 剪切应力τ与流体沿y方向速度的梯度成正比，即
d / dy
η定义为流体的动力粘度 上式称为牛顿流体粘性定律,凡符合此定 律的流体称为牛顿流体,否则称为非牛 顿流体。
除此以外，还有运动粘度和条件粘度 （恩氏粘度）
1）动力粘度η
图示,长、宽、高各为1m的流体，如果使立方体顶面流 体层相对底面流体层产生1m/s的运动速度，所需要的外 力F为1N时，则流体的粘度η为1N•s/m²，叫做“帕秒”， 常用Pa•s表示。有时也用“（dyn •s/cm2）泊P”、“厘泊 cP”表示。