第四章 摩擦、磨损及润滑概述

4-1 摩擦

本节只着重讨论金属表面间的滑动摩擦

膜厚比 $\lambda$​：

用于大致估计两滑动表面所处的摩擦（润滑）状态

$$\lambda = \frac{h_{\min}}{(Rq_1 + Rq_2)^{\frac{1}{2}}}$$

字母符号	含义
$h_{\min}$	两滑动粗糙表面间的最小公称油膜厚度，μm
$Rq_1$​、$Rq_2$​	两表面形貌轮廓的均方根偏差，μm（为算数平均偏差 $R_{a_1}$、$R_{a_2}$ 的 1.20 ~ 1.25倍）

膜厚比	状态
$\lambda \leq 1$	边界摩擦（润滑）
$1 < \lambda \leq 3$	混合摩擦（润滑）
$\lambda > 3$	流体摩擦（润滑）

干摩擦

表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦

公称接触面积（表观接触面积） $A_0$

真实接触面积 $A_r$

对金属材料（特别是钢）目前较多采用修正后的黏附理论，认为作相对运动的两个金属表面间的摩擦因数为

$$f = \frac{F_f}{F_n} = \frac{\tau_{Bj}}{\sigma^{\prime}_{Sy}}$$

= 界面剪切强度极限 / 两种金属基体中较软的压缩屈服极限

边界摩擦（边界润滑）

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的摩擦

单层分子边界膜的摩擦模型

边界膜：比较牢固地吸附在金属表面上的分子膜

边界膜分类（按形成机理）：

• 吸附膜

  • 物理吸附膜

  • 化学吸附膜

  • 吸附膜的吸附强度随温度升高而下降，达到一定温度后吸附膜发生软化、失向和脱吸现象

• 反应膜

  • 低剪切强度、高熔点

  • 比两种吸附膜都更稳定

提高边界膜强度的措施：

• 合理选择摩擦副材料和润滑剂

• 降低表面粗糙度值

• 在润滑剂中加入适量的油性添加剂和极压添加剂

混合摩擦（混合润滑）

摩擦状态处于边界摩擦及流体摩擦的混合状态

在一定条件下，混合摩擦能有效地减小摩擦阻力，其摩擦因数比边界摩擦时小得多

流体摩擦（流体润滑）

运动副的摩擦表面被流体膜隔开、摩擦性质取决于流体内部分子间黏性阻力的摩擦

摩擦因数极小（油润滑时为 0.001 ~ 0.008），是理想的摩擦状态

4-2 磨损

运动副之间的摩擦导致的零件表面材料的逐渐丧失或迁移

零件的磨损量与工作时间的关系（磨损曲线）

磨合阶段：摩擦表面轮廓峰的形状变化、表面材料被加工硬化

稳定磨损阶段：零件磨损的速率平稳而缓慢，标志着摩擦条件保持相对恒定，其长短代表了零件使用寿命的长短

剧烈磨损阶段：零件的表面遭破坏，运动副中的间隙增大，引起额外的动载荷，出现噪声和振动

黏附磨损

摩擦表面的轮廓在相互作用的各点处发生“冷焊”后，在相对滑动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成了黏附磨损

金属摩擦副之间最普遍的一种磨损形式

磨粒磨损

外部进入摩擦面间的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖在较软材料表面上犁刨出很多沟纹时，被移去的材料一部分流动到沟纹的两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的切削过程成为磨粒磨损

疲劳磨损

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而引起的机械磨损

流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损（冲蚀磨损）

流体磨粒磨损是指由流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒作用引起的机械磨损

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

机械化学磨损（腐蚀磨损）

机械化学磨损是指由机械作用及材料与环境的化学作用或电化学作用共同引起的磨损

氧化磨损是最常见的机械化学磨损之一

微动磨损（微动损伤）

微动磨损是一种甚为隐蔽的，由黏附磨损、磨粒磨损、机械化学磨损和疲劳磨损共同形成的复合磨损形式，发生在名义上相对静止，实际上存在循环的微幅相对滑动的两个紧密接触的表面上

微动损伤：微动磨损+微动腐蚀+微动疲劳

4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法

润滑剂

润滑剂作用：减小摩擦、减轻磨损、保护零件不遭锈蚀、散热降温

基本类型	润滑剂	具体举例
气体	任何气体	空气
液体	润滑油	矿物油、动植物油、合成油、各种乳剂
半固体	润滑脂	润滑油和稠化剂的稳定混合物
固体	任何可以形成固体膜以减小摩擦阻力的物质	石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯

润滑油：

黏度：流动阻力，润滑油最重要的性能之一

1）动力黏度

黏性流体的摩擦定律（简称黏性定律）：在流体中任意点处的切应力均与该处流体的速度梯度成正比

$$\tau = - \eta \frac{\partial u}{\partial y}$$

字母符号	含义
$\tau$	流体单位面积上的剪切阻力，即切应力
$u$	流体的流动速度
$\frac{\partial u}{\partial y}$	流体沿垂直于运动方向（即流体膜厚度方向）的速度梯度
$\eta$	比例常数，即流体的动力黏度

摩擦学中把服从这个黏性定律的流体成为牛顿流体

2）运动黏度

工程中将流体的动力黏度 $\eta$ 与同温度下该流体密度 $ho$ 的比值成为运动黏度 $u$（单位 kg/m³），即：

$$u = \frac{\eta}{\rho}$$

GB/T 3141-1994

3）条件黏度

在一定条件下，利用某种规格的粘度计，通过测定润滑油穿过规定孔道的时间来进行计量的黏度

对于一般矿物油的黏 - 压关系，可以用下面的经验公式表示：

$$\eta_p = \eta_0e^{\alpha p}$$

字母符号	含义
$\eta_p$	润滑油在压力为 $p$ 时的动力黏度，Pa ⋅ s
$\eta_0$	润滑油在 $10^5$ Pa 压力下的动力黏度，Pa ⋅ s
$e$	自然对数的底数，2.781⋯
$\alpha$	润滑油的黏 - 压系数。当压力 $p$ 的单位为 Pa 时，$\alpha$ 的单位即为 m²/N

对于一般的矿物油，$\alpha \approx (1 \sim 3) \times 10^{-8}$​ m²/N

润滑性（油性）：指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

极压性：润滑油中加入含硫、磷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

闪点：当油在标准仪器中加热所蒸发出的油气一遇火焰即能发出闪光时的最低温度；衡量油的易燃性的尺度；应使工作温度比油的闪点低 30 ~ 40°C

凝点：润滑油在规定条件下不能再自由流动时所达到的最高温度

倾点：润滑油在规定条件下能够自由流动的最低温度

氧化稳定性：化学意义上矿物油很不活泼，但暴露在高温气体中时也会发生氧化

---

锥（针）入度（稠度）：一个重 1.5N 的标准锥体，于 25 °C恒温下，由润滑脂表面经5 s 后刺入的深度

滴点：在规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口滴下第一滴液体时的温度；决定润滑脂的工作温度（至少应低于滴点20°C）

添加剂

在润滑油、润滑脂中加入的分量很少（百分之几到百万分之几）但对润滑剂性能改善起巨大作用的物质

添加剂作用：

1. 提高润滑剂的油性、极压等，使其在极端工作条件下具有更有效的工作能力

2. 推迟润滑油的老化变质，延长其正常使用寿命

3. 改善润滑剂的物理性能：降低凝点、消除泡沫、提高黏度、改善其黏 - 温特性等

添加剂种类：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、增黏剂等

各种润滑添加剂在抗摩耗上的作用（仅为概念示意）

各种润滑添加剂在减低摩擦系数上的作用（仅为概念示意）

润滑方法

油润滑：

间歇润滑：手工用油壶或油枪向注油杯内注油；小型、低速或间歇运动的润滑场合

压配式注油杯，钢球被弹簧压紧

连续供油方法：

• 滴油润滑：针阀油杯（可调节滴油速度，停车时可停止供油）、油芯油杯（不可控制滴油速度）

针阀油杯

• 油环润滑：转动的油环将油带到轴颈表面进行润滑，通常用于转速不低于 50r/min 的场合

油环润滑

• 浸油润滑：将需要润滑的零件的一部分浸在油池中，零件转动时将润滑油带至其润滑部位

• 飞溅润滑：利用转动件等将润滑油溅成油星以润滑轴承等需要润滑的零件

• 压力循环润滑：用油泵进行压力供油润滑，还能冷却轴承，多用于高速重载轴承或齿轮上

脂润滑：

只能间歇供应润滑脂

常用脂润滑装置：旋盖式油脂杯

一种单点自动润滑脂润滑器

扩展阅读：Getting the Most from Single-Point Lubricators

4-4 流体润滑原理简介

流体动力润滑

利用摩擦面间的相对运动而自动形成承载油膜的润滑

两个作相对运动物体的摩擦表面，用借助于相对速度而产生的黏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

两相对运动平板间油层中的速度分布和压力分布

摩擦力小，磨损小，可以缓和振动与冲击

楔效应承载机理

弹性流体动力润滑

两个曲面体作相对滚动或滚 - 滑运动时，某些条件下在接触处形成承载油膜，接触处的弹性变形和油膜厚度相互影响

研究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，将计算油膜压力下摩擦表面变形的弹性方程、表述润滑剂黏度与压力间关系的黏压方程与流体动力润滑的主要方程结合起来，以求解油膜压力分部、润滑膜厚度分部等问题

弹性流体动力润滑时，接触区的油膜厚度方向上的形状及油膜压力分布

流体静力润滑

从外部将加压的油送入摩擦面间，强迫形成承载油膜的润滑

靠液压泵（或其他压力流体源）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。

流体静力润滑系统示意图