摩擦学基本知识

H摩擦理论：
（A）分子机械理论 ：摩擦过程中有表面凸峰间的机械啮合
力及表面分子相互吸引力两个方面的阻力。
（B）粘着理论（英国，1938年，BOWDEN和其学生对固体摩
擦）：啮合力是由于凸峰受载后塑性变形产生，凸峰在接触 以后产生粘着，若被外力剪切而分开时，还必须克服凸峰间 相互位移所须的切向力。此时：
fd F 软材料的剪切强度极限 W Ps 硬材料的压缩屈服极限
可见，F与An无关；F∝W;F∝τ;F∝1/Ps。
H• ②．流体摩擦（图3-18）：有一层流体薄膜将摩擦表面完
全分隔开来，无直接固体接触，摩擦仅发生在粘性流体的 内部，由其粘度决定。 • 特点：摩擦系数小、无固体磨损、能耗小、使用寿命长。
• 如：铝活塞与缸体内壁的擦伤。
• ②．磨粒磨损：由硬质颗粒或较硬材料上的微突体引 起表面擦伤或表层材料脱落。最常见。
• 如：球磨机、破碎机、机械密封等。
二体和三体磨料磨损示意图
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• ③．疲劳磨损：在交变周期性载荷的作用下，使摩擦 副接触区产生很大的变形和应力，并形成裂纹而破坏 。疲劳裂纹一般是在有缺陷的部位产生。 • 如：滚动轴承、齿轮副等。
• 为了延长机械零件的使用寿命，必须探讨磨损机理、 磨损规律、影响因素以及减少磨损的途径。
• 机械零件失效的主要原因：磨损、强度、腐蚀。
H • 主要形式：粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐
• 3.1磨损的主要形式
蚀磨损和微动磨损。
• ①．粘着磨损：相对运动时，由于固相焊接，接触点 的材料由一个表面转移到另个表面。
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3. 密封摩擦学基本知识
实现以人为本— 健康 安全 环保 经济 —现代化生产新理念 主讲人: 郝木明,孙鑫晖
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目 录
（参阅:顾永泉《流体动密封》）
• 1．前言 • 2．摩擦 • 3．磨损 • 4．润滑
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1.前 言
• 摩擦学：研究作相对运动的相互作用表面及其有关理 论与实践的一门科学和技术，包括摩擦科学和技术。 • 是一门多学科交叉的边缘学科。 • 涉及三部分内容：摩擦、磨损和润滑。 • 摩擦（Friction）：研究具有相对运动的、相互作用 的表面间的有关理论与实践问题；两个相互接触物体 在外力作用下，发生相对运动（或着有相对运动趋势 ）时产生切向阻力的物理现象。 • 磨损（Wear）：摩擦产生的重要现象之一，由于表面 相对运动而不断发生损耗的过程或者产生残余变形的 现象。 • 润滑（Lubrication）:降低磨损和减少磨损的主要措 施。
H • 在工程条件下，摩擦表面上吸附着气体薄膜、蒸汽膜
或汽化层的摩擦通称干摩擦。 • 特点：摩擦系数大、能耗大、磨损严重、摩擦副有效 工作寿命短。
图3-16 干摩擦（固体润滑）
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a)由于温度过高环表面出现热裂
b)金属环表面热（应力）裂（纹）
热裂（热应力开裂）
H古典摩擦定律：
对摩擦现象进行科学研究，最早始于十五世纪意大利的 文艺复兴时期，1508年伟大的意大利科学家达· 芬奇首先着手 于固体摩擦的研究。 第一个提出：一切物体刚开始滑动，便产生叫做摩擦力 的阻力，并指出摩擦力与重力成正比，而与法向接触面积无 关。 1699 年，法国科学家 阿蒙顿 进行了摩擦实验，并建立了 摩擦的基本公式； 1780 年，由库仑在同样的试验的基础上， 完成了今天的库仑定律，即古典库仑定律。其内容： （A）F与W成正比，而与名义面积An无关。即F=f W，F∝ W （B）静摩擦力大于动摩擦力。 （C）F大小与接触面间的相互滑动速度无关。 （D）摩擦力方向总是与接触表面相对运动速度的方向相反。
0.05～0.15 ≤1
0.005～0.1 ≤3
0.001～0.05
膜厚比λ
＜0.4 0
3～ 5 1
流体膜承载比
0
0 ＜ x f＜ 1
2.5 摩擦影响因素 H• • 摩擦过程十分复杂，不仅是摩擦材料的固有特性，而
是材料和摩擦条件的综合特性。 • 影响摩擦的因素主要有：材料、加工质量、作用力、 环境温度、速度、时间、环境介质等。
• ④．微动磨损：两个表面之间由于振幅很小的相对运 动而产生的磨损。
• 如：花键、传动销、螺钉的结合面上等。
• ⑤．腐蚀磨损：在化学或电化学反应的作用下产生的 磨损，如氧化腐蚀磨损、特种介质腐蚀磨损、冲蚀和 汽蚀等。
• 如：水泵叶轮、水轮机叶片等。
H • 应当明确：多数磨损是以复合形式出现的，如微动磨
1 L 1 n Ra y ( x ) dx Ra zi L 0 n i 1
Rz
z
i 1
5
pi
zvi
i 1
5
5ຫໍສະໝຸດ Baidu
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全纵坐标分布曲线的画法
支承面积曲线
1-抛光表面；2-磨削表面；3-车削表面
轮廓支承面积曲线
H • 2.2 实际粗糙表面的接触
• （实际表面的接触状态：图3-7，图3-8）。 • 名义接触面积An：宏观几何尺寸所决定的面积。 • 轮廓接触面积Ac：两物体在外载荷作用下相互挤压时 ，接触斑点将出现在表面的波峰上，轮廓接触微元面 积的总和即为接触面积，其大小与轮廓形状及所受载 荷有关。
损就是一种复合磨损形式。在实际工程中，应抓住主 要的磨损形式，才能采取有效措施，以减少磨损，延 长寿命。 • 3.2 磨损规律及影响因素 • 机器零件的工作过程分为三个阶段：跑合阶段、稳定 磨损阶段、急剧磨损阶段。应尽可能延长稳定磨损阶 段。
• 磨损的影响因素主要有：材料、表面硬度、滑动速度
、载荷、表面温度、表面粗糙度、表面粘附物以及润 滑等。
H•
•
“摩擦学”（Tribology）：英国Jost博士1966年提出
。 在其给英国政府的著名的“Jost报告”中，着重叙述了 摩擦在现代工业中的重要地位，要求成立摩擦学的专业 研究机构，由政府拨款、专业研究人员从事摩擦学研究 ；并着眼解决机械工业中存在的摩擦、磨损问题，以节 约能耗、提高经济效益和机械工作的可靠性。 研究机构：1973年9月成立国际摩擦学会；美国有ASLE 组织，1984年改为STLE，刊有“摩擦学学报”；日本有 JSLE组织，使摩擦学有了突飞猛进的发展。 Jost在1985年十二届利兹-里昂会议论文集中发表了摩 擦发展经历三个认识阶段（巨人觉醒阶段、能量节约阶 段和完善阶段）的报告。 流体密封学与流体力学和摩擦学的发展密切相关。
•
•
• • 摩擦学是机器可靠的主要问题，而密封是机器可靠的核 心问题。
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2. 摩 擦
• 两种相互接触的密封面作相对运动时，接触面间产生
切向运动阻力，称为摩擦力，这种现象叫摩擦。
• 摩擦是一种重要的物理过程。 • 简要介绍工程摩擦现象、原因、摩擦主要形式。
H • 2.1 摩擦表面形貌与表面接触
• 了解和研究摩擦表面形态和接触状态是分析摩擦磨损和 润滑问题的基础。 • 任何摩擦表面均由许多不同形状的微凸峰和凹谷组成。 • 表面几何特征对于摩擦磨损和润滑起着决定性的影响。
H③、f-G特性具有最低f的状态转变点，该点说明了密封状态
从流体润滑转变为混合润滑；该点取决于许多因素，对于一 般机械密封，Gmin=1×10-7～1×10-8 ④、流体膜承载比可用来判断摩擦状态；当xf≥1时，密封 处于流体摩擦状态；xf=0时处于接触摩擦状态，0<xf<1处于 混合摩擦状态。
f
H
H
3. 磨 损
• 磨损是伴随摩擦而产生的必然结果，是相互接触的物 体在相对运动时，表层材料不断发生损耗的过程或者 产生残余变形的现象。 • 磨损不仅是材料消耗的主要原因，也是影响机器使用 寿命的主要原因。
• 材料的损耗，最终反映到能源的消耗上，减少磨损是 节约能源不可忽视的一环。 • 在现代工业自动化、连续化的生产中，某一零件的磨 损失效，就会影响全线的生产。
H • ④．混合摩擦：摩擦表面之间同时出现以上几种摩擦
状态。 • 在工程实际中，大部分摩擦副（如：普通的接触式机 械密封）处于混合摩擦状态。
流体摩擦、边界摩擦与干摩擦的混合摩擦模型
2.4摩擦状态判断及摩擦特性 H• • ⑴摩擦状态判断:
摩擦状态可以利用摩擦副的 流体膜承载比 Kf(或xf)与相 对膜厚λ＝h/σ的关系来判断，并以流体膜承载比作为主要判 据，区别摩擦状态是流体摩擦、混合摩擦还是接触摩擦；以 相对膜厚为辅助判据，区别接触摩擦中是边界摩擦还是干摩 擦。
H
磨损量-时间曲线与磨损速度-时间曲线
H• 3.3 减少磨损的基本措施
• ①．材料的选择：相同金属材料的磨损率大于不同金属材 料的磨损率，金属材料配对摩擦副的磨损率大于金属材料 与非金属材料配对的摩擦副。 • ②．润滑：使摩擦副在流体润滑状态下工作。 • ③．表面强化处理：渗碳、渗氮、喷沙等表面处理工艺。 • ④．结构设计：如采用转移性原则，使一摩擦面磨损而保 护另一摩擦面。 • 如：滑动轴承表面油槽的布置，提高其承载能力。 • ⑤．使用保养。
D
BL B ML HL (HDL)
C
A
G
机械密封的f-G无因次摩擦特性
H
• 2）f-Pg与f-V特性 ①、对混合摩擦，f∝1/Pg，f∝V，f∝1/V,与流体摩擦的成
分多少和载荷的轻重有关。
②、对边界摩擦，f 随Pg↑而↓,→C,随V而不变。 ③、对于干摩擦，其变化规律因摩擦副材料的不同而变化趋 势不一样。塑料不能用在高载荷的干摩擦场合；因其导热系 数低不利于摩擦热的排出，故密封面处的温度很容易超过材
(a) 一般情况；(b) 表面平行时
流体摩擦（润滑）
H • ③．边界摩擦：相对运动的表面之间存在极薄分子膜。
• 特点：极薄边界膜（厚度20纳米左右）起润滑作用，有 能力防止表面微凸体之间相互接触而不破坏，起良好的 润滑作用。但强度低，易破裂。
(a) 单分子层边界润滑模型；(b) 边界润滑机理模型 边界摩擦（润滑）
• 实际接触面积Ar：由微突体接触变形区域所形成的面 积之和。
• 对机械密封端面，表面粗糙度为Ra0.05～0.2，实际接 触面积不到1%。
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配合面的密封间隙由粗糙度比确定
接触面积及微凸体模型
H • 2.3 摩擦状态
• 按运动形式分：滑动摩擦和滚动摩擦。 • 按摩擦面间的润滑状态分：干摩擦、流体摩擦、边界 摩擦和混合摩擦。 • ①．干摩擦（图3-16）：表面之间不存在任何的润滑 物质。 • 用阿芒汤—库仑定律描述： F = f W 式中，F：摩擦力；W：法向载荷；f：摩擦系数。
• 摩擦表面几何形状由表面粗糙度、表面波度和表面形状 误差（如机械密封端面平直度）三部分组成（表面几何 形状：图3-1） • 表面粗糙度是最常用的表面形貌参数，是取表面上某一 个截面的外形轮廓曲线来表示（表面轮廓曲线：图3-2 ～3-6）。
H
固体表面的几何形状
表面轮廓的算术平均差
微观不平度十点平均高度
静摩擦系数与法向压力载荷
静摩擦系数与停放时间
H
尼龙6的摩擦系数与载荷关系 摩擦系数与滑动速度的关系 酚醛塑料（A-1）的摩擦系数与载荷关系
H
摩擦力与滑动速度之间的关系
F (a bV )e cV d
尼龙6的摩擦系数随温度的变化
摩擦系数与表面粗糙度关系
H
常用材料的摩擦系数
三对摩擦副的摩擦系数
H
4. 润 滑
• 是减少机械零部件磨损、延长使用寿命的有效措施。 • 为了减少机器的磨损和发热,保证安全运转,延长使用寿 命和降低能源的消耗,摩擦副表面间进行润滑。主要的 润滑剂为液体润滑油。 • 据推算,全世界用于动力的能源,约有30%～40%消耗在无
流体膜承载比Kf与相对膜厚λ＝h/σ的关系
H • ⑵摩擦副的无因次特性
• 1）f-G特性
• 为无因次特性，反映摩擦状况和流体膜形成难易程度。 G A/W Vb/W 其中：
式中，μ为流体膜动力粘度，V为相对运动速度，b为摩擦 面的宽度，W为垂直作用力）。
①、摩擦系数 f 和工况参数G都反映摩擦副的摩擦工况， 后者不仅说明摩擦状态，同时说明状态的转变，成膜难易 程度和流体膜承载能力。 ②、对于不同状态的摩擦副，在确定工况参数时应考虑摩 擦状态，避免混淆不清、相互乱用；在计算f-G特性时， 可采用不同的f-G关系式[f=ψGm]，特别是大多数摩擦副在 混合摩擦状态下使用，必须按混合摩擦状态计算出摩擦系 数和工况参数。
料的极限使用温度；f∝1/Pg，f∝V,而碳石墨和铸铁由于自
润滑性好，其规律与塑性相反。
H
摩擦工况
润滑状态 粘度影响 （μ）
表：各种摩擦状态及其特征对比
干摩擦
无
边界摩擦
分子吸附膜
混合摩擦
部分
流体摩擦
全部
无
无
部分
起决定作用
过程特征
微凸起接触
分子层、分子机 械作用
混合
流体动静压效 应
摩擦系数大小
0.1～0.6