第11章 摩擦学设计-2分解

图11-8 滑动表面润滑状态
图中曲线表明，存在三种润滑区域：流体动压润滑区、混合润滑 区（或称部分流体动压润滑区）和边界润滑区。
11.4.2 流体动压润滑原理及动压滑动轴承的设计 1. 流体动压润滑原理
流体动压润滑是机器摩擦副工作表面最希望得到的润滑状态。流 体动压润滑理论的基本方程是润滑膜压力分布的微分方程，即雷诺 （Reynold）方程。它是从粘性流体力学的基本方程出发，根据一定 的简化假定而导出。为分析方便，现以两块相互倾斜的平板为分析 对象，如图11-9所示，两板之间充满润滑油，下板静止，上板以速度 U 沿 x方向匀速移动。
表11-9
5 种润滑类型的基本特征
2. 润滑状态的转化
润滑是减小摩擦和降低磨损的一种重要方法，它影响着摩擦副之 间能量及表面材料的转移。任何润滑现象的紊乱和失效，都会导致摩 擦副表面的摩擦特性的改变，并发生有害的结果。因此，除了有必要 研究各种润滑状态的机理外，还应了解润滑状态的失效过程以及润滑 状态的转化及特性。 一般来说，摩擦副间有下述几种润滑状态的转变： ①由层流到紊流； ②由完全的流体动压润滑到部分流体动压润滑； ③边界保护膜的破裂； ④发生强烈的金属粘着。 上述前两种润滑现象的转化很明显，但后两种润滑现象的转化十 分复杂，目前还正处研究中。
依据流体润滑油膜压力形成的方式不同，又将流体润滑分为流 体动压润滑和流体静压润滑两类。 流体动压润滑，系由摩擦表面间形成的收敛油楔和相对运动， 由粘性流体产生的油膜压力以平衡外载荷。
流体静压润滑，系由外部供油系统向摩擦表面间供给有一定压 力的流体，借助流体的静压力平衡外载荷。
非流体润滑是指在摩擦表面间用粉状或薄膜状固体进行润滑。 润滑膜为固体膜。常用的固体润滑剂有：层状晶体结构物质（如石 墨、二硫化钼等）、非层状无机物（如氧化铅等）、金属薄膜(如将 铅、锡、锌等低熔点软金属做成的干膜润滑)、塑料（如聚四氟乙烯、 尼龙等）、合成膜或化合膜等。
hh dp 6U ( 3 m ) dx h
(11-18)
上式称为一维雷诺方程的积分表达式。为了区别，通常把式(1117)称为一维雷诺方程的微分表达式。利用式(11-18)可求得油膜压力 函数p(x)，再次积分就可求得油膜的承载能力P。 由式(11-18)可以看出，建立流体动压润滑必须满足以下条件： (1) 两相对滑动表面之间必须相互倾斜而形成收敛油楔； (2) 两滑动表面应具有一定的相对滑动速度，并且其速度方向应 该使润滑油从楔形大口流入，从小口流出；在一定范围内，油膜承 载能力与滑动速度成正比关系； (3) 润滑油应具有一定的粘度，粘度愈大，油膜承载能力也愈大 。
(a)油楔
(b)油膜中的微单元体
图11-9
油楔承栽机理(动压分析)
假设：(1)润滑油的运动是层流；(2)润滑油沿z 向没有流动；(3)油 层为不可压缩流体，粘度为常量、不随压力变化；(4)忽略油的惯 性力和重力；(5)沿油膜厚度方向(y向)压力变化忽略不计。可得流 体润滑膜压力分布的二维雷诺方程为
润滑的目的是在摩擦副表面之间形成低剪切强度的润滑膜，用它 来减小摩擦阻力和降低表面材料磨损。润滑膜可以是由液体或气体组 成的流体膜或者固体膜。 依据润滑膜的形成原理和特征，摩擦副表面间的润滑可以分为如 下 5 种基本类型： ◆ 流体动压润滑 ◆ 流体静压润滑 ◆ 弹性流体动压润滑 ◆ 边界润滑 ◆ 干摩擦状态 这 5 种润滑类ຫໍສະໝຸດ Baidu的基本特征可见表11-9。
第11章 摩擦学设计(2)
Ⅺ Tribology Design
11.4 润滑和润滑系统设计
摩擦副作相对运动时，由于存在摩擦阻力，产生接触表面间的磨 损和功率损失。 磨损会降低机器的工作精度，而摩擦功转化为热量，使表面间 的工作温度升高，严重时会造成摩擦面间的胶合。为了减少机器的磨 损和发热，保证机器安全运转，延长使用寿命和降低能源的消耗， 摩擦副工作表面间需进行润滑。 使用经验表明，润滑是减小摩擦副表面摩擦、降低磨损的最有效、 最重要的手段和措施。
11.4.1 摩擦副间的基本润滑状态 1. 摩擦副间的基本润滑状态
摩擦副表面间的润滑可分为非流体润滑和流体润滑两大类。 流体润滑是指在适当条件下，摩擦副的两摩擦表面被一层粘性流 体润滑膜（厚度约为1.5～2μm以上）完全分开，有流体压力平衡外载 荷。由于两摩擦表面不是直接接触，当两表面相互滑动时，产生的摩 擦为润滑油分子之间的内摩擦，因此摩擦系数很小，一般为0.001～ 0.008，从而有效地降低了磨损。 此时，流体润滑的摩擦性质完全决定于流体的粘性而与两个摩擦 表面的材料无关。所用的粘性流体可以是液体，如各类润滑油、水等， 也可以是气体，如空气、氦、氢等，相应地称为液体润滑和气体润滑。 流体润滑的主要优点是：摩阻低，摩擦系数很小，一般为0.001～ 0.008(液体动压润滑)或更低(气体润滑及静压润滑)，可以改善摩擦副 的动态性能并能有效地降低磨损。
图11-10
动压滑动轴承油膜压力分布
对于无限长轴承（沿Z向的压力变化率 p z 0），上式(11-16) 可简化为一维雷诺方程
3 p h (h ) 6U x x x
(11-17)
对上式进行积分并设 d p d x 0 处的油膜厚度为 hm（即油压最大 处的油膜厚度），则上式可整理成以下形式 ：
在机器工作时，摩擦副表面的边界润滑、混合润滑和流体润 滑等三种润滑状态可以用润滑状态曲线（或称Stribeck曲线）来 说明，见图11-8。
润滑状态曲线图以摩擦系数 f 作 纵坐标，因为 f 的大小可以说明不 同的润滑状态；用同Sommerfeld数 性质类似的ηV/W 作横坐标，因为 此数可以说明润滑油膜具备多少承 载能力（η为润滑油的粘度，V为两 个表面的相对速度，W为载荷）。 制作该曲线图时，为了消除温度对 粘度的影响，试验时采用25℃作为 计算 f 的根据。
3 p p h (h ) (h3 ) 6U x x z z x
(11-16)
式中，x、y、z为坐标变量；U为平板沿 x方向的移动速度；h为润滑 膜厚度；p 为流体的压力。 上式是计算流体动压轴承性能的基本公式。它表达了流体动压 润滑时，油膜压力沿 x和 z（轴向）两方向发生变化以及流速沿 x方 向发生变化时，压力梯度、流速、油膜厚度、润滑油粘度等参数之 间的关系。式中等号左边部分的两项表征沿 x和 z方向油膜压力分布， 如图11-10所示。等号右边表示了沿 x方向上速度和油膜厚度变化的 影响，即表明油楔作用。