第四章　摩擦、磨损和润滑基础　　 摩 擦1 4.1　摩擦 4.2　磨损 4.3 润滑 结束放映

第四章　摩擦、磨损和润滑基础　　 摩擦　当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象称为摩擦，这时所产生的阻力称为摩擦力。 磨损　是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移。 润滑　是减轻摩擦和磨损所采取的措施。 摩 擦1 摩擦、磨损和润滑是自然界中普遍存在的现象。自古以来就为人们所注意，并在实践中运用它们的一些规律。例如：工具的刃磨；摩擦取热；用滚动代替滑动以节省劳力。以及用动物油脂润滑，以减轻摩擦，磨损等等。 摩擦是机械运动中普遍存在的物理现象。在机械中，凡有相对运动的零件，工作时必然会有摩擦和磨损，为保证其使用寿命和效率，设计时必须考虑摩擦、磨损和润滑问题。因为摩擦能造成能量损耗，例如：一台大型发电机的两个向心滑动轴承的摩擦损耗可达八、九百千瓦。汽车中约有30%的功率消耗于传动摩擦。国外有人估计世界总能源的1/3～1/2消耗在摩擦上。

第四章 摩擦、磨损和润滑基础 然而重要的还在于由摩擦造成的零件的磨损及因磨损发热产生的其他形式的表面损坏是非常严重的。 第四章　摩擦、磨损和润滑基础　　 然而重要的还在于由摩擦造成的零件的磨损及因磨损发热产生的其他形式的表面损坏是非常严重的。 磨损是缩短机械寿命的主要因素。国外对500种典型零件的报废情况进行了统计，统计表明，其中因磨损引起报废的约占80％，美国保险公司1950～1970年间对行星齿轮箱的统计表明，损坏的零件中属于体积强度原因的不到10％，其余绝大部分是磨损损坏。 磨损不仅是机械零部件的一种主要失效形式，也是引起其他后继失效的最初原因。如磨屑会造成零件表面损伤、会污染润滑油及堵塞油路。配合零件因磨损间隙加大会增加机械的振动、冲击与疲劳，然后又加剧磨损，最终导致机械丧失工作能力或遭到破坏。 即使不失效，磨损也会使机械的性能降低。例如磨损会降低机床的精度和产品质量；磨损也会造成内燃机的压缩损失和能量损失，降低输出功率；泵和压缩机的主要零件和密封的磨损会降低工作效率等等。 可见，摩擦磨损造成的经济损失是巨大的，不容忽视的。 摩 擦1

第四章　摩擦、磨损和润滑基础　　 当然，摩擦在机械中并非总是有害的，如带传动、汽车及拖拉机的摩擦离合器和制动器、联接螺栓等正是靠摩擦来工作的，这时还要进行增大摩擦的技术研究。磨削、研磨等又必须考虑如何增加磨损。 为了控制摩擦、磨损，提高效率，减小损耗 → 润滑 摩擦、磨损与润滑三者有着极其密切的关系，具有复杂的物理、化学、力学、热学、机械、材料以及工艺学等诸多方面的综合特性，几乎涉及到现代工业生产领域的各个方面。实际上，从17世纪人们就开始对摩擦进行系统地研究，到19世纪60年代末，逐渐形成了一门学科——摩擦学 摩擦学——是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。 运用摩擦学知识进行设计的过程——“摩擦学设计”。研究表明，在机械设计中，正确运用摩擦学知识与技术，会产生巨大的经济和社会效益。例如，英国1965年节约了5.15亿英镑，日本1974年节约27.3亿美元，我国调查结果，到2000年，每年可节约400亿人民币。 摩 擦1

4.1 摩擦 ★摩擦的种类及其基本性质 按运动形式分 按运动状态分 按润滑状态分 静摩擦 滑动摩擦 动摩擦 滚动摩擦 干摩擦 流体摩擦 4.1　摩擦 ★摩擦的种类及其基本性质 按运动形式分 按运动状态分 静摩擦 滑动摩擦 动摩擦 滚动摩擦 按润滑状态分 干摩擦 流体摩擦 （润滑） 边界摩擦 混合摩擦

★干摩擦 干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。 对摩擦现象进行科学研究，最早开始于15世纪意大利的文艺复兴时代。达芬奇第一个建立摩擦的基本概念。后来，法国的库仑提出了古典摩擦定律。 古典摩擦定律内容归纳如下： ⑴摩擦力的大小与接触面间的法向力成正比，而与接触面积的大小无关，即 摩擦力 法向力 摩擦因（系）数 ⑵摩擦力的方向总与接触表面相对运动速度的方向相反。 ⑶摩擦力的大小与接触面间的相对滑动速度无关。 ⑷静摩擦力大于动摩擦力。 实践证明，古典摩擦定律适合于一般的工程实际，但又存在一定的局限性和不确切性。五百多年以来，科学家们对摩擦现象及其机理进行研究，出现了各种摩擦理论，但至今尚未形成统一的理论。其中主要有机械理论、分子理论、机械-分子理论、粘着理论等。对于金属材料，特别是钢，目前较多采用修正后的黏着理论。

★干摩擦 多种摩擦理论主要有：机械理论、分子理论、机械-分子理论、粘着理论等。对于金属材料，特别是钢，目前较多采用修正后的黏着理论。 机械作用 黏着 分子 吸引力 简单黏着理论由英国的鲍登等人提出。即：由于两粗糙表面的真实接触面积很小，在诸峰顶的接触斑点的压强很高，很容易达到材料的屈服压强而产生塑性变形。若接触区处于塑性变形状态，就会发生黏着，形成如同冷焊的结点群。要使这样具有粘结点的摩擦副界面相对滑动，必须首先把这些结点剪断才行。摩擦力主要是剪断结点所需要的剪切力。 详细的介绍请参见有关书籍。

★边界摩擦（边界润滑） 是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于边界膜的摩擦性质。 多层分子吸附膜的摩擦模型 是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于边界膜的摩擦性质。 润滑油（主要是石油产品）中的脂肪酸是一种极性化合物，它的极性分子能牢固地吸附在金属表面上。 边界膜 吸附膜 反应膜 物理吸附膜 化学吸附膜 润滑剂中分子受化学键力作用而贴附在金属表面上所形成的吸附膜 。 单分子吸附膜的定向结构 单分子吸附膜的摩擦原理模型 极性团 在润滑剂中添加硫、氯、磷等元素时，在较高的温度（通常在150℃～200 ℃）下，这些元素与金属起化学反应而生成的膜。这种反应膜具有低的剪切强度和高熔点，它比前两种吸附膜都更稳定。

★流体摩擦（流体润滑） 流体动力润滑 流体静力润滑 流体润滑 弹性流体动力润滑 是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。 流体动力润滑通常研究的是低副接触的零件如滑动轴承的润滑问题。即作相对运动的两个摩擦表面，借助于相对速度，产生粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷. （将在第14章中讨论 ） 流体动力润滑 流体静力润滑 流体润滑 弹性流体动力润滑

★流体摩擦（流体润滑） 流体动力润滑 流体静力润滑 流体润滑 弹性流体动力润滑 是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。 弹性流体动力润滑理论是研究高副接触的零件如齿轮传动、滚动轴承等在相互滚动或伴有滑动的滚动条件下，两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质 . 流体动力润滑 流体静力润滑 流体润滑 弹性流体动力润滑

★流体摩擦（流体润滑） 流体动力润滑 流体静力润滑 流体润滑 弹性流体动力润滑 是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。 流体动力润滑 流体静力润滑 流体润滑 弹性流体动力润滑 流体静力润滑是靠液压泵（或其它压力流体源）将加压后的流体送入两摩擦表面之间，利用流体静压力来平衡外载荷。

★流体摩擦（流体润滑） 流体动力润滑 流体静力润滑 流体润滑 弹性流体动力润滑 ★混合摩擦（混合润滑 是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。 流体动力润滑 流体静力润滑 流体润滑 弹性流体动力润滑 ★混合摩擦（混合润滑 是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。

4.2 磨损 ★关于磨损的几个概念 ： ★机件的宏观磨损过程 1、磨合磨损阶段 2、稳定磨损阶段 3、剧烈磨损阶段 4.2　磨损 ★关于磨损的几个概念 ： ①磨损　使摩擦表面的物质不断损失的现象； ②磨损量　以厚度、重量、体积为单位表示磨损造成的材料损耗； ③磨损率　单位时间的磨损量； ④耐磨度　磨损率的倒数； ★机件的宏观磨损过程 1、磨合磨损阶段 2、稳定磨损阶段 3、剧烈磨损阶段

★磨损的分类 4.2.1 黏着磨损 4.2.2 磨粒磨损 4.2.3 疲劳磨损 点蚀、剥落（鳞剥） 轻微磨损（如：缸套-活塞环 ）； 涂抹（如：重载蜗轮副的蜗杆）； 擦伤又称拉伤（如：内燃机铝活塞壁-缸体）； 撕脱（如：主轴-轴瓦的轴承表面）； 咬粘（如：不锈钢螺栓与不锈钢螺母在拧紧过程中）。 4.2.2 磨粒磨损 4.2.3 疲劳磨损 点蚀、剥落（鳞剥）

★磨损的分类 4.2.4 腐蚀磨损 当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。 4.2.4 腐蚀磨损　 当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。 有两个作用：机械作用和腐蚀作用。 ⑴氧化磨损 磨损过程通过氧化膜的磨损进行，即暴露-氧化-剥落。 ⑵特殊介质腐蚀磨损 常见于化工设备的零件。 等等。

4.3 润滑 ★润滑的作用 1） 降低摩擦，减轻磨损，提高效率，延长机件的寿命； 2）可以散热降温、缓冲、吸振； 3）有密封、防锈等作用。

4.3.1 润滑剂和添加剂 1、润滑剂的类型 ①动植物油 ⑴液体润滑剂即润滑油 ③合成油 ②矿物油 钠基润滑脂 钙基润滑脂 ⑵润滑脂 用以满足低温、高温、粘温性能、化学安定性、真空和抗辐射、阻燃性等条件 1、润滑剂的类型 ①动植物油 ⑴液体润滑剂即润滑油 ③合成油 ②矿物油　 钠基润滑脂 钙基润滑脂　 ⑵润滑脂 耐热不耐水 耐水不耐热 铝基润滑脂 锂基润滑脂 ⑶固体润滑剂 耐水，可防锈 耐水且耐高温 石墨、MoS2、聚四氟乙烯 有粉剂、涂膜、粘结膜或喷涂膜等形式， 主要用于高温、超低温、真空等场合。 ⑷气体润滑剂 空气、氢气、氮气、二氧化碳等 适用于高速、轻载场合，对环境无污染。

2. 润滑油的主要性能指标 ②油性 ①粘度 润滑油的主要性能指标 ③倾点（凝点） ④闪点与燃点 ⑤化学稳定性 吸附能力越强，油性越好； 粘度↑ → 内摩擦阻力↑ ，流动性↓； ②油性 ①粘度 润滑油的主要性能指标 ③倾点（凝点） ④闪点与燃点 ⑤化学稳定性 是衡量润滑油高温性能的尺度； 是衡量润滑油低温性能的尺度； 润滑剂的添加剂------为改善润滑剂的使用性能而加入到润滑剂中的少量物质，称为“添加剂”。常用的有：耐磨损添加剂，清静分散剂、耐腐蚀剂、抗氧化剂、油性剂、极压剂、防锈剂等。

★润滑油的黏度 η=1N·s/m2或1Pa·s 1）动力黏度η （SI制） 动力黏度η v F X Y h u y 1m F=1N V=1m/s 动力黏度η的单位：如图所示，相距1 m、面积各为1 m2的两层平行液体间，产生1 m/s的相对移动速度时，所需施加的力为1 N，则该液体的动力粘度为1Pa·s（帕·秒），1Pa·s =1 N·s·m-2。Pa·s是国际单位制（SI）的粘度单位。在绝对单位制（C.G.S制）中，把动力粘度的单位定为1dyn·s·cm-2，叫1P（泊），1P=100cP（厘泊） P和cP与Pa·s的换算关系为：1P=0.1 Pa·s，1cP=0.001 Pa·s。

★润滑油的黏度 2）运动黏度υ

★润滑油的黏度 3）相对粘度（条件粘度）

①粘度随温度的变化十分明显。温度↑， → 粘度↓；（参见粘-温曲线）→在注明某种润滑油粘度的时候，必须同时标明它的测试温度，否则便无意义。 4）粘度与温度的关系 ①粘度随温度的变化十分明显。温度↑， → 粘度↓；（参见粘-温曲线）→在注明某种润滑油粘度的时候，必须同时标明它的测试温度，否则便无意义。 ②润滑油粘度受温度影响的程度可用粘度指数（Ⅵ）表示。粘度指数数值越大，粘度随温度的变化越小，即粘-温性能越好。 几种牌号的润滑油的粘-温曲线

5）粘度与压力的关系 ①压力≤5MPa时，压力对润滑油粘度的影响不大，可不考虑； ②压力＞5MPa时，压力↑，→ 粘度↑。 ③压力＞100MPa时，压力↑，→ 粘度↑ ↑ 。

3. 润滑脂的主要性能指标 ①锥入度（稠度） ②滴点 润滑脂的主要性能指标 是确定润滑脂最高使用温度的依据。 稠度↑ → 内摩擦阻力↑ ，流动性↓ 润滑剂的添加剂------为改善润滑剂的使用性能而加入到润滑剂中的少量物质，称为“添加剂”。常用的有：耐磨损添加剂，清静分散剂、耐腐蚀剂、抗氧化剂、油性剂、极压剂、防锈剂等。

★添加剂 为了提高油的品质和性能，常在润滑油或润滑脂中加入一些分量虽小但对润滑剂性能改善其巨大作用的物质，这些物质叫添加剂。 提高油性、极压性 延长使用寿命 改善物理性能 添加剂的作用 油性添加剂 极压添加剂 分散净化剂 消泡添加剂 抗氧化添加剂 降凝剂 增粘剂 添加剂的种类

4.3.2 润滑方式及润滑装置 润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有： 滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等 4.3.2 润滑方式及润滑装置 润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有： 润滑方法 滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等 用于低速 用于高速 喷油润滑 浸油与飞溅润滑 油脂润滑常用于运转速度较低的场合，将润滑脂涂抹于需润滑的零件上。润滑脂还可以用于简单的密封。

4.3.2 润滑方式及润滑装置 油绳式油杯 注油杯 旋盖式油杯 针阀式油杯 压力循环式