摩擦学第一章绪论.ppt

第一章 绪论 摩擦、磨损和润滑是一个古老的课题，特别是工业革命以后，机器的大量使用对其产生了迫切需求，使其研究和发展进入了一个新的时期。1966年英国的乔斯特（H.Perer.Jost）先生在其著名的报告“A Report on the Present and Industrys Needs”中提出了“摩擦学（Tribology)”这一名词:“相互作用、相对运动表面副的科学及有关技术”，标志着该领域研究的系统化和革命化进展。 摩擦学研究的理论和实践包括设计和计算、润滑材料和润滑方法，摩擦材料和表面状态以及摩擦故障诊断、监测和预报等。 世界上使用的能源大约有1312消耗于摩擦。,第一节 摩擦学定义、简史及其研究内容 一、定义： 摩擦学的一般定义是：“关于相对运动中相互作用表面的 科学、技术及有关的实践”。通常也理解为包括摩擦、磨损和 润滑在内的一门跨学科的科学。,第一节 摩擦学定义、简史及其研究内容 一、定义：摩擦学的一般定义是：“关于相对运动中相互作用表面的科学、技术及有关的实践”。通常也理解为包括摩擦、磨损和润滑在内的一门跨学科的科学。 二、简史 人类很早就对摩擦现象有了认识并加以利用，许多早期的文献里，都有把摩擦的影响减至最小的多种尝试的记载2000多年前的亚里士多德就已经提到摩擦力的概念。但是真正对摩擦进行定量的研究，则始于15世纪的文艺复兴时期。 500多年的漫长而曲折的历史大致可划分为四个时期来讨论。,二、简史 1、直到15世纪意大利的L.达芬奇（法国阿蒙顿1699有同样的发现）才开始摩擦学的理论研究。人类对摩擦现象早有认识，如史前人类已知钻木取火。中国在春秋时期已经普遍地应用动物脂肪来润滑车轴。用矿物油作润滑剂最早见于中国西晋张华所著博物志。 2、1750年欧拉用引入静摩擦概念，1785年法国的C.A.de库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释于摩擦，提出摩擦理论，并对静摩擦与动摩擦给出区别。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。 3、1935年，英国的F.P.鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦。1950年，鲍登提出粘着理论。 4、1886年，英国的雷诺继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机以后，线接触弹性流体动压润滑理论有所突破。60年代在相继研制出各种表面分析仪的基础上，磨损研究得以迅速开展。至此综合研究摩擦、润滑和磨损相互关系的条件已初步具备，并逐渐形成摩擦学这一新学科。,1785年库仑对摩擦的解释,库仑对摩擦的解释如图他在1785年用凹凸面说明摩擦面之间的接触，但是他也承认分子力的存在。,库仑测滑动摩擦力的装置,雷尼研究摩擦与压力的实验装置,库仑研究滚动摩擦的装置,库仑测静摩擦的装置,达芬奇手稿中的一页， 描述他对摩擦的研究,阿孟顿的摩擦实验装置, 1508年，达芬奇（14521519）使用石头和木头开始了对固体摩擦的实验研究，测量了水平和斜面上物体间的摩擦力，测量了半圆形槽与滚筒间的摩擦，进行了表面接触面积对摩擦阻力影响的实验研究，发现了等重物体之间的摩擦力与接触面积无关的重要结论。达芬奇首先引入了摩擦系数的概念他将该系数定义为摩擦力和垂 物体所具有的摩擦阻力等于自身重量的四分之一”当时他使用的材料大多为硬木或铁与硬木的组合，他的结论对于这些材料来说还是比较符合实际的 达芬奇还研究了摩擦面间有润滑油和其它介质时对摩擦的影响他认为“所有东西，不管它如何薄，当它放入两个互相摩擦的物体之间时，摩擦都会减少”,一、达芬奇的早期研究时期,进入16世纪后，由于水力和风力能源的广泛应用，机器大量增加特别是磨的发展，大大推进了对摩擦的研究许多科学家进行了各种各样的摩擦实验，其中最有成就者当推法国实验物理学家阿蒙顿（16631705）。作为一个永动机的积极倡导者，他通过多次实验后，于1699年12月19日向皇家科学院提交了一分经典论文。在文中提出了摩擦力的经典规律，这就是后来人们所熟知的阿蒙顿定律。 静摩擦定律：两接触物体间的最大静摩擦力，跟接触面上的正压力成正比，并与接触面的性质及状态有关；但与接触面的面积及形状无关。即：f静0N。 滑动摩擦定律：滑动摩擦力跟摩擦物体接触面上的正压力成正比，跟外表的接触面积无关即：f滑N。,二、阿蒙顿的进一步研究时期,进入18世纪，机器的大量使用，使得机械的效率和耐磨问题成为了一大难题。为此，巴黎科学院于1781年以“摩擦定律和绳的倔强性”为题，进行了一次有奖竞赛。库仑（17361806）研究总结了达芬奇和阿蒙顿的实验和理论之后，又进一步做了大量的实验。最终以简单的机械理论为题的论文赢得了这次竞赛的优胜奖，提出了他的摩擦理论库仑摩擦定律。 库仑摩擦第一定律：摩擦力跟作用在摩擦面上的正压力成正比，跟外表的接触面积无关。称谓静摩擦定律和滑动摩擦定律。 库仑摩擦第二定律：滑动摩擦力和滑动速度大小无关。 实际上滑动摩擦力和滑动速度的关系是相当复杂的。 库仑摩擦第三定律：最大静摩擦大于滑动摩擦力，即f静f滑。 库仑对摩擦的研究，总结了从达芬奇到阿蒙顿的理论，提出了他的库仑摩擦定律。但是，实际上这些定律只能是经典的经验公式，对于实际情况也仅仅是近似的、粗浅的描述。,三、库仑对摩擦的总结时期,19世纪，随着蒸汽机进入实用阶段，工业革命迅速普及，为了防止机器的高速转动而带来的轴承烧焦和磨损，润滑成了这个时期摩擦研究的特征 1883年，英国的托尔（18451904）在研究轴承的润滑中发现油膜具有高压力；同时代的雷诺（18421912）根据托尔的发现，利用流体力学的原理，从理论上证明了因旋转而在油膜中产生高压力的现象，说明了轴与轴承的间隙能支持载荷的道理 1896年，金斯伯里（18631943）证明了用空气代替润滑油的设想，在一次美国军事系统的展览会上进行了空气轴承的公开表演这种轴承后来在高速磨床、高级陀螺仪上得到了广泛的应用 在这一时期，雷尼（17911866）、莫伦（17951880）等人测定了许多物体间的摩擦系数，迄今仍在广泛应用 总之，进入19世纪，由于摩擦的实验定律大体已确立完毕，只是在研究如何减小摩擦方面进行了一系列工作但仍然没有对摩擦的物理机制给以科学的、满意的解释,四、19世纪对摩擦的研究时期,此外还有生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐摩寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。地质学方面的摩擦学问题有地壳运动、火山爆发和地震，以及山、海、断层形成等。在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。摩擦学涉及许多学科，如物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等。随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。,三、研究内容 摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括：动、静摩擦副，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接等。零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等。机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等。弹性体摩擦副，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力浸漏等。特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。,三、研究内容 摩擦学研究的对象很广泛，概括说研究摩擦、磨损(包括材料转移)和润滑(包括固体润滑)的原理及其应用。 有以下八方面： 1摩擦学现象的作用机理。 2材料的摩擦学特性。 3 摩擦学元件(包括人体人工关节)的特性与设计以及摩擦学失效分析。 4摩擦材料。 5润滑材料。 6摩擦学状态的测试技术与仪器设备。 7机器设备摩擦学失效状态的在线检测与监控以及早期预报与诊断。 8 摩擦学数据库与知识库。,在机械工程中主要包括： 动、静摩擦副，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接等。 零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等。 机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等。 弹性体摩擦副，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力浸漏等。 特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。,此外还有： 生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐摩寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。 地质学方面的摩擦学问题有地壳运动、火山爆发和地震，以及山、海、断层形成等。 在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。摩擦学涉及许多学科，如物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等。随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。,概括几点： 1、摩擦学机理研究 2、各种材料和表面处理工艺的摩擦学特性研究 3、液体润滑剂、固体润滑材料及其摩擦学性能的研究 4、摩擦学测试技术与设备的应用研究以及摩擦、磨损工况监,测与故障诊断研究,第二节 摩擦学意义,摩擦学的意义主要表现在经济与技术两个方面：摩擦学是一门研究接触界面力学行为和损伤机理的学科，它是控制摩擦行为、预防磨损失效、提高工作可靠性所必须掌握的一门基础知识。现代装备的失效主要源于三种形式，即磨损、断裂和腐蚀，其中磨损约占60。摩擦会引起一系列的物理变化和化学变化，它产生热、噪音、震动、污染，甚至会引发事故危险，摩擦即意味着消耗能源。据美国材料试验学会ASTM的分析报告称，全世界约有40%以上的各类能源被摩擦消耗掉 1、1978年，世界摩擦学会主席JOST教授应遨来华访问，经调查研究后指出：中国在控制摩擦、应用摩擦学研究成果等方面还十分落后，如果科学合理的应用现有的理论、技术、产品，中国每年可节省400亿的资金。 2、2004年，谢友柏院士指出：摩擦每年为我国造成1000亿元的经济损失。 目前，我国能源产量居世界第3位，能源消耗量居第2位。 3、因此，准确认识摩擦、磨损的发生机理，寻找合理的技术手段控制摩擦磨损行为，对于节材、节能、降耗是非常重要的技术途径。4、摩擦学研究推动相关技术的研究并推动生产技术的发展 5、大力改进摩擦学意义上的机械系统设计，增加机械运行可靠性,一、常见的摩擦学失效如下： 机器除了消耗能量来克服摩擦外，由于机器中的摩擦副较早损坏，相应的零部件(易损件)定期更换。再加上制造、运输、存储、维修维护的费用和维修时的停机损失，构成了机器运行成本中的一个很大的份额。具统计，汽车的维护费用与油料费用相当；机器的失效报废，有80%以上是由磨损造成的。 1、轴承因磨损而间隙变得过大，轴颈就偏离设计规定的位置，机器将失去预定的运动精度；当轴上作用有不稳定的载荷时，间隙过大直接导致轴颈与轴承表面的撞击和机器的振动；轴及轴上零件的变位，会导致许多不同类型的非法运动；摩擦形成的热膨胀使间隙变小或润滑不良，轴颈就可能与轴承咬死而完全不能旋转。 、齿轮齿面或凸轮表面磨损几何形状发生变化，结果将破坏齿轮传动的平稳性和设计所规定的从动件的运动规律，磨损还造成齿轮轮齿强度的降低和断齿。,第二节 摩擦学意义,、运动副（如机床导轨等）的“爬行”是一个古典的非线性振动问题，其起因是静摩擦系数大于动摩擦系数而产生的特殊现象。解决的办法是通过改变润滑状态或表面材质匹配来改变这个问题。 、流体动力径向轴承在一定条件下会产生自激振动，或称油膜振荡。由此引起的毁机等重大事故的发生已屡见不鲜。 、在制动器、离合器、带传动或其他摩擦传动以及螺纹或其他借助摩擦力锁紧的联接中，又时常因为摩擦表面之间的摩擦力不足或不稳定而失效，甚至出现严重事故，例如因制动失灵造成的车辆、提升设备的重大事故。 、利用接触（如内燃机的活塞环）或不接触（迷宫式）密封的表面副阻止流体泄漏时，发生碰撞、磨损使间隙增大和流体外流失控，造成机器故障甚至严重后果。 除此之外，工作物料对工作部件产生的磨损，也是摩擦学研究去解决的重要课题。例如：搅拌机叶片、水轮机叶片、球磨机磨球、破碎机工作件等。,第三节 未来发展及动向： 一、摩擦学发展的主要表现 1、从宏观到微观；从静态到动态；从定性到定量；从单因素到多因素； 2、多学科联合研发：如力学、表面科学、金属物理、传热学、材料科学及测试技术； 3、利用先进技术成果；通过实验进行机理研究；建立模型并实验验证； 二、摩擦学研究的动向 1、工程陶瓷材料摩擦学研究 2、微纳米摩擦学、微机电系统摩擦学研究 3、表面工程研究 4、摩擦副中聚合物复合材料组合摩擦学研究 5、摩擦学系统的工况监测与故障诊断技术研究,第一章 绪论 （2学时） 本学科研究的内容、学习的目的与意义，本学科的发展动向。 1.1 摩擦学的定义及其研究的主要内容 1.2 摩擦学研究意义 1.3 发展动向 1.4 学习计划与要求 第二章 固体的表面性质 （2学时） 2.1 概述固体表面形貌的组成， 2.2 固体的表面形貌 2.3 表面参数及表面测量 2.4 典型表面的组成 2.5 表面能与表面吸附 第三章 固体表面的接触 （4学时） 3.1 概述表面接触的基本概念，接触变形的判据，赫兹接触理论。 3.2 接触面积 3.3 赫兹接触 3.4 粗糙表面的接触 3.5 接触物理和接触化学,第四节 学习计划,第四章 摩擦 （ 6学时） 4.1 概述古典摩擦定律的局限性，粘着理论，分子机械理论，影响摩擦系数的因素等。 4.2 摩擦的分类 4.3 古典摩擦定律 4.4 干摩擦机理 4.5 影响摩擦系数的主要因素 4.6 滑动摩擦的犁沟阻力与粘着阻力 第五章 磨损 （ 4学时） 5.1 概述粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损、气蚀磨损的现代理论。重点在：粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损。 5.2 磨损的主要类型 5.3 磨损的过程和磨损的测量 5.4 影响磨损的主要因素 5.5 磨损的计算,第六章 润滑与润滑剂 （ 8学时） 6.1 概述润滑理论基础，边界润滑的机理及影响 6.2 摩擦特性曲线与润滑状态 6.3 润滑剂 6.4 润滑方法 第七章 耐磨和减磨材料 （2学时） 7.1 金属耐磨材料 7.2 金属减磨材料 7.3 非金属耐磨、减磨材料 7.4 复合材料 7.5 耐磨、减磨材料的选择 第八章 机械耐磨性设计 （2学时） 8.1 概述 8.2 摩擦副材料的选择 8.3 提高耐磨性的结构设计 8.4 维护与保养 第九章 冶金设备润滑与机械系统状态诊断 （2学时） 9.1 冶金设备润滑 9.2 诊断理论及状态诊断方法分类应用,摩擦学研究的基本方法 1、黑箱法 只知其输入值和输出值，但不知其内部结构的系统称为 黑箱 。,摩擦学系统黑箱,系统辨识方法： 通过对系统输入输出数据的测量和处理，以建立系统数学模型的方法，即系统辨识方法。 所以黑箱法即用系统辨识方法建立相应的黑箱数学模型去解决实际问题的研究方法，可称为黑箱法。 它是研究结构和机理尚难弄清楚的复杂系统，不能或不允许打开的系统的一种有效的方法。,在摩擦学中常用这种方法分析材料的摩擦学性能，即在不了解材料内部的组织结构，或是不考虑其组织结构时，即把材料的内部组织结构看成是一个尚未认识或不能打开的黑箱，而可从其输入与输出的信息以及其二者之间的传递函数来认识与分析材料的摩擦学性能。输入与输出信息反映了黑箱与周围环境的联系。而在外部环境恒定条件下的输入信息转换为输出信息的方法或机制(以传递函数表示)反映了黑箱的功能。,这种转换可用图表模型、数学模型来描述： X Y 或 YTX 其中， X是输入信息x1,x2,xi的集合， Y是输出信息y1,y2yi的集合。 T 为传递函数，即 X x1,x2.xI Y y1,y2,yI,举例：,2、相关法 在大量试验数据的基础上，建立材料的摩擦学性能Pt与材料表面组织结构参数Si相关性的函数关系的一种方法， 即： F(Pt，S1，S2，)0 应用上述函数关系，通过各种表面技术改变材料表面的组织结构，从而达到控制材料的摩擦学性能的目的。,参考书目 摩擦、磨损与润滑，周锡容 杨启明，石油工业出版社，1997 摩擦学基础，戴雄杰，上海科学出版社，1984 摩擦学原理，温诗铸，清华大学出版社，2002 设备润滑与润滑油应用，张晨辉，林亮智，北京：机械工业出版社， 设备的润滑技术与管理，范中志，广州，华南理工大学出版社，1990. 冶金设备润滑知识，马建国，冶金工业出版，1998.10 润滑与密封，马先贵，北京：机械工业出版社，1985. 摩擦与磨损 ，邵荷生 ，煤炭工业出版社 ，1992.9 材料磨损与耐磨材料，何奖爱 ， 东北大学出版社， 2002.1 材料磨损原理及其耐磨性，刘家俊，清华大学出版社，1993,