摩擦与润滑

第十章摩擦和润滑
第一节摩擦与润滑机理
当两个紧密接触的物体沿着它们的接触面作相对运动时，会产生一个阻碍这种运动的阻力，这种现象叫摩擦，这个阻力就叫做摩擦力。

摩擦力与垂直载荷的比值叫做摩擦系数。

摩擦定律可描述如下：
摩擦力与法向载荷成正比：F∝P
摩擦力与表面接触无关，即与接触面积大小无关。

摩擦力与表面滑动速度的大小无关。

静摩擦力(有运动趋向时)FS大于动摩擦力FK，即Fs＞FK。

摩擦定律公式：
F＝f·P
或f＝F／P
式中F——摩擦力
f——摩擦系数；
P——法向载荷，即接触表面所受的载荷；
载荷
机器中凡是互相接触和相互之间有相对运动的两个构件组成的联接称为“运动副”(也可称为“摩擦副”)，如滚动轴承里的滚珠与套环；滑动轴承的轴瓦与轴径等等。

任何机器的运转都是靠各种运动副的相对运动来实现，而相对运动时必然伴随着摩擦的发生。

摩擦首先是造成不必要的能量损失，其次是使摩擦副相互作用的表面发热、磨损乃至失效。

磨损是运动副表面材料不断损失的现象，它引起了运动副的尺寸和形状的变化，从而导致损坏。

例如油在轴承内运转，轴承孔表面和轴径逐渐磨损，间隙逐渐扩大、发热，使得机
器精度和效率下降，伴随着产生冲击载荷，摩擦损失加大，磨损速度加剧，最后使机器失效。

润滑是在相对运动部件相互作用表面上涂有润滑物质，把两个相对运动表面隔开，使运动副表面不直接发生磨擦，而只是润滑物质内部分子与分子之间的摩擦。

所以，摩擦是运动副作相对运动时的物理现象，磨损是伴随摩擦而发生的事实，润滑则是减少摩擦、降低磨损的重要措施。

第二节摩擦分类
摩擦有许多分类法。

1.按摩擦副运动状态分
静磨擦：一个物体沿着另一个物体表面有相对运动趋势时产生的摩擦，叫做静摩擦。

这种摩接力叫做静摩擦力。

静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。

当外力克服了最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。

动磨擦：一个物体沿着另一个物体表面相对运动时产生的摩擦叫做动摩擦。

这时，产生的阻碍物体运动的切向力叫做动摩擦力。

2.按摩擦副接触形式分
滑动摩擦：接触表面相对滑动时的摩擦叫做滑动摩擦。

滚动磨擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦叫做滚动摩擦。

3.按摩擦副表面润滑状态分。

干摩擦：指既无润滑又无湿气的摩擦。

边界摩擦：指摩擦表面有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦。

这时，摩擦不取决于润滑剂的粘度，而是取决于接触表面和润滑剂的特性。

边界摩擦时，不能避免金属的直接接触，这时仍有微小的摩擦力产生，其摩擦系数通常约0.1左右。

混合摩擦：属于过度状态的摩擦，包括半干摩擦和半流体摩擦。

半干摩擦是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。

半流体摩擦是指同时有液体摩擦和干摩擦的情况。

混合摩擦能有效的降低摩擦力，其摩擦系数要比边界摩擦小的多。

但因表面间仍有轮廓峰的直接接触，所以
不可避免的仍有磨损存在。

流体摩擦：即流体润滑条件下的摩擦。

这时两表面完全被液体油膜隔开，摩擦表现为由粘性流体引起。

摩擦系数极小（油润滑时约为0.001－0.008），而且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。

炼油化工设备中的一些摩擦副的工作条件是复杂的，如处于高速、高温、或低温、真空等苛刻环境条件下工作，其摩擦、磨损情况也各有不同的特点。

第三节产生摩擦的原因
对于接触表面作相对运动时产生摩擦力这一现象有各种各样的解释，综合起来有以下几点：
机械上发生相对运动的部位一般都经过加工，具有光滑的表面。

但实际上，无论加工程度怎样精密，机件表面都不可能“绝对”平滑，在显微镜下看来，都是有高有低、凸凹不平的，如下图所示。

金属表面形状
如果摩擦表面承受载荷而又紧密接触的突起和陷下部分就会犬牙交错地嵌合在一起，两个接触表面作相对运动时，表面上的突起部分就会互相碰撞，阻碍表面间的相对运动。

另外，由于两个摩擦表面承受载荷并紧密接触，表面是由若干突起部分支撑着的，支撑点处两表面之间的距离极小，处于分子引力的作用范围之内，表面作相对运动时，突起部分也要跟着移动，因此就必须克服支撑点处的分子引力。

还有，出于碰撞点和支撑点都要承受极高的压力，这就便这些地方的金属表面发生严重的变形、一个表面上的突起就会嵌入另一表面中去。

碰撞和塑性变形都会导致产生局部瞬间高温，而撕裂粘结点要消耗动力。

以上各点综合起来就表现为摩擦力。

第四节磨损
物体工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象，叫做磨损。

机械零件正常运动的磨损过程一般分为三个阶段，如下图所示。

(1)跑合阶段(又称磨合阶段)新的摩擦副表面具有一定的粗糙度，真实接触面积较小。

跑台阶段，表面逐渐磨平，真实接触面积逐渐增大，磨损速度减缓，如上图中o-a线段。

人们有意利用跑台阶段的轻微磨损，为正常运行的稳定磨损创造条件。

选择合理的跑合规程、采取适当的磨擦副材料及加工工艺，使用含活性添加剂的润滑油(摩合油)等方法，都能缩短跑合期。

跑合结束应重新换油。

(2)稳定磨损阶段这一阶段磨损缓慢稳定。

如上图中a—b线。

这一线段的斜率就是磨损速度，横坐标时间就是零件耐磨寿命。

(3)剧烈磨损阶段上图中b点以后，磨损速度急剧增长，机械效率下降，功率和润滑油的损耗增加，精度丧失，产生异常噪声及振动，摩擦副温度迅速升高，最终导致零件失效。

有时也会发生下述情况：
ⅰ转入稳定磨损阶段后，长时间内磨损甚微，并无明显的剧烈磨损阶段，零件寿命较长。

ⅱ跑合阶段和稳定磨损阶段无明显磨损，当表层达到疲劳极限后，产生剧烈磨损。

ⅲ磨损条件恶劣，跑台阶段后，立即转入剧烈磨损阶段，机器无法正常运转。

根据磨损的破坏机理及机械零件表面磨损状态，磨损可大体分为下列几种类型。

1.粘着磨损
磨擦副相对运动时，由于固相粘结，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象，叫做粘着磨损，严重时摩擦副咬死。

润滑状态对粘着磨损值影响较大，边界润滑粘着磨损值大于流体动压润滑，而流体动压
润滑又大于流体静压润滑。

润滑油、脂中加入油性和极压添加剂能提高润滑油吸附能力以及油膜强度，能成倍提高抗粘着磨损的能力。

2.磨料磨损
硬的颗粒或硬的突起物，在摩擦过程中引起材料脱落，这种现象叫做磨料磨损。

3. 表面疲劳磨损
两接触表面作滚动或滑动复合摩擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生物质损失的现象叫做表面疲劳磨损。

齿轮副、滚动轴承都能产生表面疲劳磨损。

表面疲劳磨损分为扩展性及非扩展性两种。

当交变压应力较大时，由于材料塑性稍差或润滑选择不当而发生扩展性表面疲劳磨损。

4.腐蚀磨损(或称腐蚀机械磨损)
在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生物质损失，这种现象成为腐蚀磨损。

由于介质的性质、介质作用在摩擦面上的状态及摩擦材料性能的不同，磨蚀磨损出现的状态也不同。

分类见下表。

5.侵蚀
侵蚀是指含有颗粒的流体撞击在一物体上，使物体表面受到的损伤。

侵蚀问题对一些在高速下工作的零件来说显得比较突出，例如强度大、密度小的用碳纤维强化的塑料涡轮叶片，要求叶片的前线应具有较高的抗侵蚀性。

第五节润滑
在发生相对运动的各种摩擦副的接触面之间加入润滑油(剂)，从而使两磨擦面之间形成润滑膜，将原来直接接触的干摩擦面分隔开来，变干摩擦为润滑油(剂)分子间的摩擦，达到减少摩擦，降低磨损，延长机械设备的使用寿命，这就是润滑。

1. 润滑要求
由于各摩擦副的作用、工作条件及其性质不同对于润滑的要求是各不相同的，归纳有以下几点：
(1)根据摩擦副的工作条件和作用性质，选用适当的润滑油。

(2)根据摩擦副的工作条件和作用性质，确定正确的润滑方式和方法，将润滑油按一定的量分配到各摩擦面之间。

(3)搞好润滑管理。

2. 润滑剂的作用
使用润滑剂的目的是为了润滑机械的摩擦部位，减少摩擦抵抗、防止烧结和磨损、减少动力的消耗，以提高机械效率。

除此之外，还有一些实用方面的作用，归纳如下：（1）减少摩擦。

在摩擦面之间加入润滑油，能使摩擦系数降低，从而减少了摩擦阻力，节约能源的消耗。

在流体润滑条件下，润滑油的粘度和油膜厚度对减少摩擦起到十分重要的作用。

随着摩擦副接触面间金属－金属接触点的增多，出现了边界润滑条件，此时添加剂的化学性质和化学活性就显得极为重要
（2）降低磨损
机械零件的粘着磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损与润滑条件很有关系。

在润滑剂中加入抗氧、抗腐剂有利于抑制腐蚀磨损，而加入油性剂、耐压抗磨剂可以有效地降低粘着磨损和表面疲劳磨损。

（3）冷却作用。

润滑利可以减轻摩擦，并可以吸热、传热和散热，因而能降低机械运转摩擦所造成的温度上升。

（4）防腐作用。

摩擦面上有润滑剂覆盖时．就可以防上或避免因空气、水滴、水蒸汽、腐蚀性气体及液体、尘土、氧化物等所引起的腐蚀、锈蚀。

润滑油的防腐能力与保留于金属表面的油膜厚度有直接关系，何时也取决于润滑剂的组成。

采用某些表面活性剂作为防锈剂能使润滑剂的防锈能力提高。

（5）绝缘性。

精制矿物油的电阻大，如作为电绝缘材料的电绝缘油的电阻是2×1016Ω/mm2(水是0.5×106Ω/mm2)。

（6）力的传递。

油可以作为静力的传递介质例如汽车的起重机液压油。

也可经作为动力的传递介质，例如自动变速机油。

（7）减振作用。

润滑油吸附在金属表面上，本身应力小，所以，在磨擦副受到冲击载荷时具有吸收冲击能的本领。

（8）清洗作用。

通过润滑油的循环可以带走邮路系统中的杂质，再经过滤器虑掉。

例如润滑油系统的油冲洗。

（9）密封作用
润滑剂对某些外露部件形成密封，防止水分或杂技的侵入。

3. 润滑的类型
按照磨擦副表面润滑状态，可把润滑类型分为：流体润滑、边界润滑、混合润滑，如下图所示。

摩擦系数与轴承因数G的关系
(1)流体润滑。

在两摩擦面之间加有液体润滑剂，润滑油把两磨擦面完全隔开，变金属接触干摩擦为液体的内磨擦，这就是流体润滑，如下图所示。

流体润滑的优点是液体润滑剂的内摩擦力小，通常为0.001~0.01，只有金属直接接触的几十分之—。

流体润滑状态
实现流体润滑的条件：
(a)磨擦表面间必须有相对运动。

(b)顺着表面运动的方向．油层必须成楔形。

(c)润滑油与摩擦表面必须有一定的附着力(与油性有关)，润滑油随磨擦表面运动时必须有一定的内摩擦力、亦即必须有一定的粘度。

以滑动轴承形成流体润滑为例，如下图所示。

轴不转动时（a），轴与轴承接触面上的润滑油完全被挤出来。

当轴开始按箭头方向转动时(b)，由于轴表面与润滑油之间有吸附力，而油层内部存在内摩擦力，轴就会带着轴承内右下方的整个楔形油层向前移动，好像把一个木楔打入入窄缝把缝胀开一样，迫使轴向上抬起并略向左偏。

当轴转速进一步提高时，轴的位置也进一步抬高，偏心度也减小(c)。

轴转速无限大时，轴与轴承的中心应重合在一起(d)。

滑动轴承中润滑油层的形成过程
轴与轴承摩擦面间的油层厚度，是由轴上所承受的载荷和油层的内摩擦力的大小来决定的，油层内摩擦力的大小取决于油品的粘度和轴与轴承的相对运动速度。

可以用轴承特性因数G来表示其关系：
G＝η·N/P
式中：η――润滑油粘度；
N――轴承转速(P。

·s)；
P――轴单位投影面上的载荷(N/m2)。

G值与润滑油厚度的直接关系，G值小则形成的油层薄，反之，则形成的油层厚。

因此，通过G值就可以判断是否能形成有足够厚度的油层以保证流体润滑。

但应注意，由于被润滑部件的类型，几何构型以及加工精度等等各有不同，因此，不存在保证流体润滑的最小G 值。

一般说来，滑动速度大、载荷轻，应选用粘度较小的油品；滑动速度小、载荷重，应选用粘度大的油品。

(2)边界润滑
流体润滑是比较理想的，但除了接触面上压力强度比较低的轴承和导轨以外，流体润滑不易实现。

当相对运动速度很低（例如相对运动速度0.1cm/s），而磨擦表面承受的载荷又很大时，即便使用粘度很大的润滑油，也很难使G值大到足以在磨擦表面间形成完整油层，以达到保证流体润滑的程度。

此时，流体润滑膜遭到破坏后，在接触面上仍然存在着一层极薄(约为0.01μm)的油膜，这一薄层油膜和摩擦表面之间具有特殊的结合力，形成“膜”，从而在一定程度上继续起保护摩擦表面的作用，这种润滑状态称为边界润滑，所生成的膜叫做
边界膜。

由于边界膜的厚度很小，摩擦表面形貌的表层性质对润滑情况会有很大影响。

边界润滑状态
按边界膜的结构形式不同，可分为吸附膜和反应膜两类。

吸附膜由润滑剂的极性分子吸附在摩擦表面上形成，反应膜是润滑剂中含有硫、磷、氯等的添加剂与摩擦表面起化学反应所生成。

如果载荷极大．摩擦表面凸峰处受压过大，会导致吸附膜破裂，从而出现金属直接接触，产生干磨擦。

(3) 半液体润滑(混合润滑)
磨擦面上所形成的润滑膜，局部遭到破坏，油既不均匀，又不连续，使摩擦面上同时出现液体润滑、边界润滑和干摩擦的润滑状态叫做半流体润滑。

产生半流体润滑的主要原因是载荷过大，或速度、载荷变化频繁，选用油品不当，以及摩擦面粗糙等原因所致。

半液体润滑状态
上述三种润滑状态，在机器工作中实际是经常互相转换，单独存在的较少，只是有主次之分。

其情况是隨润滑油量、油性及油品粘度等条件的变化而转换的。

所以，通常采取提高供油量及压力，提高油性，选用适宜的粘度来实现良好的润滑状态。

第六节润滑油和润滑脂
1 润滑油（脂）的分类
润滑油（脂）随着使用要求的不同分为很多种。

我国的GB/T 7631.1—87标准将润滑油
（脂）产品分为19组，其分组及代号与ISO标准一致。

如下表所示。

2 润滑油（脂）的命名
根据GB498－87和GB7631系列标准的规定，润滑油（脂）产品使用统一的命名格式。

润滑油（脂）的整体名称（用一组符号表示）组成如下：
类别—品种数字
类别——润滑油（脂）产品的类别符号为L。

品种——类别符号用一组英文字母表示，第一个字母表示组别，组别字母的意义按照上面的表格查询。

其它后面的字母只有与第一个字母组合才表示一定的使用场合。

数字——一般来说，表示粘度等级。

例如：L—HM32，其中L表示润滑剂，HM表示抗磨型液压油，32为40℃下的运动粘度。

因此润滑油产品必须包含性能水平和粘度等级两方面的内容才能正确表达。

3 润滑油
润滑油是一种液体润滑剂，在工业生产中应用最广泛，用量也最大。

润滑油质量的高低对设备的工作效果和寿命油很大影响。

通常，通过一些质量指标来衡量润滑油的质量特性。

下面介绍润滑油的一些主要的质量指标。

3.1粘度
粘度就是油品的内摩擦力，表示油品油性和流动性的一项指标。

粘度越大，油膜强度越高，流动性越差。

根据不同的量度方式，粘度有以下几类：
1）动力粘度。

面积各为1cm2，相距1cm的两个油层，当其中一个油层对另一个油层以1cm/s的速度作相对运动时所产生的阻力即动力粘度。

动力粘度的符号是η，单位是Pa ﹒s，常用单位是mPa﹒s。

通常油品的低温粘度多以动力粘度表示。

2）运动粘度。

油品的动力粘度与其同温度下的密度之比成为运动粘度，即运动粘度＝动力粘度/密度。

运动粘度的符号是ν，单位是m2/s，常用单位是mm2/s。

运动粘度是最常用的润滑油粘度表示方式，并且是大多数润滑油牌号划分的依据。

我国的工业润滑油粘度号分类标准GB3141—82按照40℃时的运动粘度分18个等级，并在粘度号的前面加一“N”字，以同旧的50℃运动粘度划分的牌号相区别。

工业润滑油粘度号分类GB3141-82
3) 恩式粘度。

200ml试油在规定温度下流经恩式粘度计的时间，与20℃时200ml水流经时间之比值即为恩式粘度。

其符号是Et（t表示温度），单位是恩式度（°E）。

4）雷式粘度。

50ml试油在规定温度下流经雷式粘度计的时间（s）称为雷式粘度。

单位是雷式秒（s）。

由于粘度计孔径不同，又分为商用雷式粘度（Rt）和海军用雷式粘度（RAt）。

5）赛式粘度。

60ml试油在规定温度下流经赛式粘度计的时间（s）称为赛式粘度。

单位是赛式秒（s）。

赛式粘度又分为赛式通用粘度（SUt）和赛式燃料油粘度（SFt）
3.2 凝点和倾点
油品的凝固和纯化合物的凝固有很大不同。

纯化合物的凝点是一个物理常数，而油品是由多种烃及少量氧、硫、氮等化合物组成的混合物，并没有明确的凝固温度。

所谓凝固，只是作为整体来看失去了流动性，并不是所有组分都变成了固体。

油品凝点按GB/T510－83法测定，在规定的条件下将油品冷却到预定温度，将试管倾斜45°，经过1min后，液面不移动时的最高温度即是油品凝点。

油品倾点按GB/T3353—83法测定，在规定的条件下冷却油品，每隔3℃将试管取出，水平放置观察试样液面有无流动，直至5s取样液面不流动是的温度在加上3℃即为油品的倾点。

润滑油的倾点（凝点）是表示润滑油低温流动性的一个重要的质量指标。

一般说来，润滑油的凝点硬币使用环境的最低温度低5—7℃。

3.3 闪点
油品在规定条件下加热，温度升高，其中一些成分蒸发成或分解成可燃性气体，当升高到一定温度，可燃蒸气与空气混合后并与火焰接触时能发生瞬间闪火的最低温度叫闪点。

单位是℃。

根据测定方法和仪器的不同，闪点又分为开口闪点和闭口闪点。

通常，重质润滑油或深色石油产品使用开口闪点；蒸发性较大的燃料和轻质润滑油（一般闪点在150℃以下）使用闭口闪点。

闪点是表示油品蒸发性的一项指标。

油品的危险等级是根据闪点划分的，闪点在45℃以下为易燃品，45℃以上为可燃品，在油品的储运过程中严禁将油品加热到它的闪点温度。

一般认为，闪点比使用温度高20—30℃，即可安全使用。

3.4 水分
润滑油产品指标中的水分指其含水量的质量百分数。

按GB/T260－88测定。

润滑油中水分的存在会促使油品氧化变质，破坏润滑油形成的油膜，使润滑效果变差，加速有机酸对金属的腐蚀，锈蚀设备，使油品容易产生沉渣。

另外，润滑油中的水分在低温下使用时，由于温度接近冰点使润滑油流动性变差；当使用温度高时，水汽化，不但破坏油膜而且产生气阻，影响润滑油的循环。

总之，润滑油中的水分越少越好。

3.5 酸值
润滑油的酸值是中和1g润滑油中的酸所消耗的氢氧化钾（KOH）的毫克数。

其单位是mgKOH/g。

润滑油经过长期使用或储存后，润滑油与空气中的氧发生化学反应会生成一定的“有机酸”，随着时间的延长其酸值不断变化，引起润滑油变质。

所以酸值是用来鉴别油品是否变质的方法之一。

3.6水溶性酸和碱
所谓水溶性酸和碱，是指润滑油溶于水的无机酸和的分子有机酸、碱和碱性化合物。

一
般的讲，油品中不允许油水溶性酸和碱。

因为润滑油含有水溶性算和碱，对于和水、汽接触的油品，特别容易引起氧化、酸化的化学反应，以致腐蚀设备。

3.7 润滑性（油性）
润滑性是润滑油中极性分子与金属表面吸附形成一层边界油膜，以减小摩擦和磨损的性能。

润滑性越好，油膜与金属表面的吸附能力越强。

对于那些低速、重载或润滑不充分的场合，润滑性具有特别重要的意义。

3.8 极压性
极压性能是润滑油中加入含硫、磷、氯的有机极性化合物后，油中极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能。

它在重载、高速、高温条件下，可改善边界润滑性能。

4 润滑脂
润滑脂是石油产品中的一大类。

它是润滑油与稠化剂（如钙、锂、钠的金属皂）的膏状混合物。

俗称黄油、牛油。

与润滑油相比，润滑脂使用温度范围广，不易滴油、溅油、流失，但是粘滞性较大，阻力较大，功率损失也较大，而且流动性差，不易清洗和更换。

4.1润滑脂的分类
钙基润滑脂
这种润滑脂具有良好的抗水性，但耐热能力差，工作温度不宜超过55－65℃。

钠基润滑脂
这种润滑脂有较高的耐热性，工作温度可达120℃，但抗水性差。

由于它能与少量水乳化，从而保护金属免遭腐蚀，比钙基润滑脂有更好的防锈能力。

锂基润滑脂
这种润滑脂具有良好的抗水性，耐高温（工作温度不宜超过145℃），而且具有较好的机械安定性，是一种多用途的润滑脂。

铝基润滑脂
这种润滑脂具有良好的抗水性，对金属表面有高的吸附能力，故可起到很好的防锈作用。

4.2 润滑脂的主要质量指标
润滑脂的滴点
又称滴落点。

在规定的条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度叫润滑
脂的滴点。

润滑脂的滴点决定了它的工作温度。

润滑脂的工作温度至少应低于滴点20℃。

润滑脂的锥（针）入度（或稠度）
在25℃下，用质量为150克的标准圆锥体，在5秒钟内沉入润滑脂试样中的深度，就是润滑脂的针入度。

针入度是润滑脂软硬程度的一个指标，以1/10mm为单位。

它标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。

锥入度愈小表面润滑脂愈稠。

锥入度是润滑脂的一项主要指标，润滑脂的牌号就是该润滑脂锥入度的等级。

第七节润滑油（脂）的使用
1 严格按本单位《机泵设备润滑五定表》规定的用油品种和牌号领、用油。

设备润滑五定（即定人、定点、定质、定量、定时）的内容为：
定人：每台设备的润滑点都有固定的加、换油负责人；
定点：按五定指示中规定的设备润滑部位注油；
定质：按规定的润滑油（脂）品种、牌号注油；
定量：按五定指示表中规定的注油量注油；
定时：即按五定指示表中规定的时间定时加注、定期添油和定期换油。

2 油品在使用前必须经过“三级过滤”，所有滤网符合有关规定。

严禁润滑油不经“三级过滤”直接加入设备润滑部位
设备润滑的三级过滤如下图所示。

设备润滑“三级过滤”滤网应符合下列条件：
a）中、低粘度油品，如透平油、冷冻机油、机械油、压缩机油、车用机油、以及。