机械设计中的摩擦磨损和润滑

摩擦、磨损和润滑§1 摩擦在一定的压力下，表面间摩擦阻力的大小与两表面间的摩擦状态有密切关系，不同摩擦状态下，产生摩擦的物理机理是不同的。

一、摩擦状态按摩擦状态，即表面接触情况和油膜厚度，可以将滑动摩擦分为四大类，干摩擦、边界摩擦（润滑）、液体摩擦（润滑）和混合摩擦（润滑），如图所示。

1.干摩擦两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯净金属接触时的摩擦，称为干摩擦。

在工程实际中没有真正的干摩擦，因为暴露在大气中的任何零件的表面，不仅会因氧气而形成氧化膜，且或多或少也会被润滑油所湿润或受到"污染"，这时，其摩擦系数将显著降低。

在机械设计中，通常把不出现显著润滑的摩擦，当作干摩擦处理。

2.边界摩擦两摩擦表面各附有一层极薄的边界膜，两表面仍是凸峰接触的摩擦状态称为边界摩擦。

与干摩擦相比，摩擦状态有很大改善，其摩擦和磨损程度取决于边界膜的性质、材料表面机械性能和表面形貌。

3.液体摩擦两摩擦表面完全被液体层隔开、表面凸峰不直接接触的摩擦。

此种润滑状态亦称液体润滑，摩擦是在液体内部的分子之间进行，故摩擦系数极小。

这时的摩擦规律已有了根本的变化，与干摩擦完全不同。

关于液体摩擦（液体润滑）的问题，将在滑动轴承中进一步讨论。

4.混合摩擦两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的状态称为混合摩擦。

二、干摩擦理论干摩擦理论主要有：（1）机械理论认为摩擦力是两表面凸峰的机械啮合力的总和，因而可解释为什么表面愈粗糙，摩擦力愈大；（2）和表面分子相互吸引分子-机械理论认为摩擦力是由表面凸峰间的机械啮合力F1两部分组成，因而这一理论可解释为什么当接触表面光滑时，摩擦力也会力F2很大。

但上述两种理论不能解释能量是如何被消耗的；（3）粘着理论；（4）能量理论等。

a) 结点b) 界面剪切c) 软金属剪切a) 结点b) 界面剪切c) 软金属剪切大量的试验表明，工程表面的实际接触面积约为名义接触面积的10-2～10-3，这样接触区压力很高，使材料发生塑性变形，表面污染膜遭到破坏，从而使基体金属发生粘着现象，形成冷焊结点（如图a 所示）。

第一章摩擦.磨损.润滑及润滑剂概论摩擦、磨损、润滑的种类及其基本性质│润滑剂及其基本性能指标│润滑剂的种类一、摩擦.磨损.润滑的种类及其基本性质摩擦、磨损、润滑是一种古老的技术，但一直未成为一种独立的学科。

1964年英国以乔斯特（Jost）为首的一个小组，受英国科研与教育部的委托，调查了润滑方面的科研与教育状况及工业在这方面的需求。

于1966年提出了一项调查报告。

这项报告提到，通过充分运用摩擦学的原理与知识，就可以使英国工业每年节约510,000,000英镑，相当于英国国民生产总值的1%。

这项报告引起了英国政府和工业部门的重视，同年英国开始将摩擦、磨损、润滑及有关的科学技术归并为一门新学科--摩擦学（Tribology）。

摩擦学是研究相互作用、相互运动表面的科学技术，也可以说是有关摩擦、磨损及润滑的科学与技术统称为摩擦学（Tribology）。

科学地控制摩擦，中国每年可节省400亿人民币。

故改善润滑、控制摩擦，就能为我们带来巨大的经济利益。

中国工程院咨询研究项目《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》调查显示，2006年全国消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金估计为9500亿元，其中如果正确运用摩擦学知识可以节省人民币估计可达到3270亿元，占国内生产总值GDP的1.55%。

美国机械工程学会在《依靠摩擦润滑节能策略》一书中提出，美国每年从润滑方面获得的经济效益达6000亿美元。

1986年，中国的《全国摩擦学工业应用调查报告》指出，根据对我国冶金、石油、煤炭、铁道运输、机械五大行业的调查，经过初步统计和测算，应用已有的摩擦学知识，每年可以节约37.8亿元左右，约占生产总值（5个行业1984年的可计算部分）的2.5%。

润滑油的支出仅是设备维修费用的2%～3%。

实践证明，设备出厂后的运转寿命绝大程度取决于润滑条件。

80%的零件损坏是由于异常磨损引起的，60%的设备故障由于不良润滑引起。

中国每1000美元产值消耗一次性能源（折合石油）为日本的5.6倍，电力为日本的2.77倍，润滑油耗量为日本的3.79倍。

机械设计教案（68）第四章 摩擦、磨损及润滑概述大纲要求：了解机械零件的润滑状态；了解机械零件的摩擦与磨损规律；掌握常用润滑 材料和润滑方式；了解常用密封方法和密封件的性能与选用。

（2＋1 学时） 重点内容：机械零件的摩擦状态、磨损规律。

常用润滑油和润滑脂的主要性能指标及选 用原则。

常用润滑方式。

常用密封方法。

常用密封件的性能及选用。

§4―1 摩擦学发展概况Jost 的报告，Tribology诞生，摩擦学研究得到世界各国的广泛重视，成果丰硕。

§4―2 摩擦静摩擦 滚动摩擦摩擦 摩擦 干摩擦动摩擦 滑动摩擦 边界摩擦流体摩擦 混合摩擦边界摩擦 流体摩擦 混合摩擦膜厚比λ≤ 1 λ ＞ 3 1 ≤λ≤ 3F.P.Bowden ,Tabor在 1945年提出摩擦的粘着理论，1963 年又进一步提出修正的粘着 理论。

目前可以解释很多摩擦现象。

边界摩擦理论认为：边界膜 吸附膜 物理吸附膜 （靠润滑油中的极性分子形成――油性）化学吸附膜 （靠润滑油中的化学键结合形成）反应膜（靠润滑油中的 S、P、Cl等与金属表面的化学反应形成――极压性）维持边界膜是相互运动的摩擦表面所必需的，否则将会产生剧烈摩擦。

吸附膜 只在较低温度下存在。

反应膜 只在较高温度下（通常 150 o C～200 o C)才能生成。

反应膜牢固，但有腐蚀性。

添加剂的合理应用 ，见图4－10流体润滑（液体润滑） 动压液体润滑 （滑动轴承中讲述）静压液体润滑§4―3 磨损磨损的一般规律 ，图 4－6 ――磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段 跑合（磨合）的重要性――有合适的磨合期，按一定的规程进行缓慢、逐级加载，并注 意润滑油的清洁，防止磨粒磨损。

磨损按其机理可分为：粘附磨损磨粒磨损机械设计教案（68）疲劳磨损冲蚀磨损（流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损）腐蚀磨损（机械化学磨损）§4－3 润滑剂、添加剂和润滑方法（一）润滑剂1．润滑油润滑油的种类润滑油的主要性质指标：⑴ 粘度――表征润滑油流动时的内部阻力。

机械设计基础摩擦与磨损的影响因素摩擦与磨损是机械设计中无法避免的现象，对于机械设备的运行和寿命有着重要的影响。

本文将就机械设计基础中摩擦与磨损的影响因素做详细探讨。

一、物理性质因素1.材料选择：摩擦与磨损的影响因素首先来自于材料的选择。

材料的硬度、表面光滑度、疲劳强度和耐磨性等物理性质直接决定了摩擦和磨损的程度。

一般来说，材料的硬度越高，抗磨性能越好；而光滑度则会直接影响到摩擦因数。

在选择材料时，需要综合考虑机械设备的使用环境和工作条件，选取合适的材料以降低摩擦和磨损的发生。

2.润滑剂使用：润滑剂的使用对于减少摩擦和磨损有着至关重要的影响。

润滑剂可以在机械表面形成一层润滑膜，减少接触点之间的直接接触，从而降低摩擦系数和磨损量。

同时，润滑剂还可以冷却和清洁摩擦接触表面，减少因高温和氧化而导致的摩擦和磨损。

二、操作环境因素1.温度：温度对于摩擦与磨损有着显著的影响。

当温度升高时，材料的硬度和强度会降低，从而增加了摩擦和磨损的风险。

此外，温度的升高还会导致润滑剂的挥发和氧化，进一步影响润滑效果和减少润滑剂的使用寿命。

因此，在机械设备的设计中要合理安排冷却和温控系统，以控制温度在适当的范围内。

2.湿度：湿度是另一个重要的操作环境因素，对于摩擦和磨损有着显著的影响。

湿度的升高会导致材料表面的腐蚀和氧化，加剧摩擦和磨损的程度。

特别是在高温和潮湿环境下，摩擦和磨损的风险更大。

因此，在机械设备的设计中要考虑合理的密封措施和防潮措施，以降低湿度对于摩擦和磨损的影响。

三、装配和运动因素1.装配：装配是机械设计中一个重要的环节，不合理的装配方式会导致摩擦和磨损的增加。

装配时要尽量保证零部件的配合间隙适当，以避免过紧或过松引起的摩擦和磨损。

此外，还要注意装配时的清洁和润滑措施，以减少因装配引起的不必要的摩擦和磨损。

2.运动：运动方式的选择和设计也会对摩擦和磨损产生直接的影响。

为了降低摩擦和磨损的程度，可以采用滚动接触、液体摩擦和气体摩擦等方式，减少接触面积和减轻接触压力。

第4章摩擦、磨损及润滑概述一、选择题1．温度升高时，滑润油的粘度（）。

A．随之升高B．随之降低C．保持不变D．可能升高也可能降低【答案】B【解析】润滑油的粘度随温度和压力而变化，润滑油的粘度一般随温度的升高而降低。

2．为了减轻摩擦表面的疲劳磨损，下列措施中（）不是正确的措施。

A．合理选择表面粗糙度B．合理选择润滑油粘度C．合理选择表面硬度D．合理控制相对滑动速度【答案】D【解析】疲劳磨损是指由于摩擦表面材料微体积在重复变形时疲劳破坏引起的机械磨损。

与相对滑动速度无关。

3．粘度较低的润滑油适合（）的场合。

A．载荷较大B．速度较高C．温度较高D．表面粗糙度较大【答案】B【解析】载荷较大，工作温度较高时宜选用高黏度的润滑油；速度较高的场合宜选用黏度较低的润滑油。

4．流体的粘度是指流体的（）。

A．强度B．刚度C．流动阻力D．油性【答案】C【解析】粘度是流体流动时内摩擦力的量度。

5．润滑油牌号L-AN100中的100是表示这种润滑油（）的平均值。

A．动力粘度B．条件粘度C．运动粘度D．闪点【答案】C【解析】牌号采用的是润滑油在40°C时的运动粘度中心值。

6．两相对滑动的接触表面，依靠吸附的油膜进行润滑的摩擦状态称为（）。

A．液体摩擦B．干摩擦C．混合摩擦D．边界摩擦【答案】D【解析】当运动副的摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开、摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦称为边界摩擦。

二、填空题1．根据磨损机理，磨损可分为______、______、______和______。

【答案】粘附磨损；磨粒磨损；疲劳磨损；流体侵蚀磨损【解析】粘着磨损是零件运转过程中，表面微凸体发生接触导致的材料转移；磨粒磨损是由于磨粒在金属表面产生微切削导致的磨损现象；疲劳磨损是摩擦表面材料微体积在重复变形时疲劳破坏而引起的机械磨损；流体侵蚀磨损是指由液流或气流的冲蚀作用引起的机械磨损。

2．一个零件的磨损大致可以分为______磨损、______磨损、______磨损三个阶段，在设计或使用时，应力求______、______、______。