摩擦磨损润滑

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章摩擦、磨损及润滑概述,1,概述,当在正压力作用下相互作用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，在接触面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象叫做,摩擦,，这时产生的阻力叫做,摩擦力,。摩擦是一种不可逆过程，其结果必然有能量损耗和摩擦表面物质的丧失或转移，即,磨损,。,据估计世界上在工业方面约有30%的能量消耗于摩擦过程中。为了替换易损零件，我国每年都要用一大批钢材去制造配件，而磨损件又占了其中很大的比例.磨损会使零件的表面形状和尺寸遭到缓慢和连续的破坏，使机器的效率和可靠性逐渐降低，从而丧失原有的工作性能，最终还可能导致零件的突然破坏。虽然从十七世纪就开始了对摩擦的研究，但近三十年来已在某些机器或设备的使用中采用了考虑磨损寿命的设计方法，但是对于摩擦磨损的机理，至今尚未完全弄清。不过人们为了控制摩擦磨损，提高机器效率，减小能量损失，降低材料消耗保证机器工作的可靠性，已经找到了一个有效的手段,润滑,。,现在把研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术统称为,摩擦学。,本章将概述介绍机械设计中有关摩擦学的一些基本知识。,2,第一节 摩擦,摩擦可分为两类：一类发生在物质内部，阻碍分子间相互运动的,内摩擦；,另一类是相互接触的两个物体发生相对滑动或有相对滑动的趋势时，在接触表面上产生的阻碍相对运动的,外摩擦。,仅有相对滑动趋势的摩擦叫做,静摩擦；,相对滑动进行中的摩擦叫做,动摩擦。,根据位移形式中的不同，动摩擦又分为,滑动摩擦与滚动摩擦。,由于滚动摩擦的机理与规律完全不同于滑动摩擦，这已在物理学中阐明，本节将只着重讨论金属表面间的滑动摩擦。根据摩擦面间存在的润滑剂的情况，滑动摩擦又分为,干摩擦、边界摩擦（边界润滑）、混合摩擦（混合润滑）,及流,体摩擦（流体润滑），,第二三种统称为,非流体摩擦,。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。在工程实际中并不存在真正的干摩擦，因为任何零件的表面不仅会因氧化而形成氧化膜，而且多少也会被润滑油所湿润或受到“油污”。在机械设计中，通常把人们无意加以润滑而又不会出现明显润滑现象的摩擦当作“干”摩擦处理。,3,(一)干摩擦,固体之间的摩擦，虽然早就有人进行系统的研究，并在十八世纪就提出了至今仍在沿用的，关于摩擦力的表达式：,F=fFn,式中F摩擦力 f摩擦系数 Fn法向压紧力,但是，有关摩擦的机理，知道本世际的中叶才比较清楚的揭示出来，并逐渐形成先进被广泛接受的分子机械理论。这种理论认为，两个无润滑物体之间的摩擦，主要是由两种因素构成：一是摩擦面实际接触区内出现的粘着；二是较硬表面上的微凸突体在较软表面上所起的犁刨作用。,任何机械物体的表面，都是带有不同形状（如球形锥形等）和尺寸的不平度和波纹度的粗糙面。两个物体在正压力作用下的接触面积，根据现代的精密测定表明，并非两个物体互相覆盖的公称接触面积（或叫表观接触面积）Ao，而是由一些微凸体相互接触所形成的接触斑点的微面积的总和，叫实际接触面Ar。随着载荷的增大，这些接触斑点的数目也将增加。在这些接触斑点上有相当高的局部压力，即使在冬天的载荷下也会引起塑性变形。受表面间分子结合力（又叫范德华力或远程表面力）的作用，这些接触斑点就会牢固的粘结（或冷焊）在一起形成如图4-1（图中取单位厚度）所示的结点群。当两物体相对滑动时，首先就要剪断这些结点，这就构成摩擦力的分量Fa。一个硬的微凸体在一个较软的表面上滑过而切出沟纹时，变产生了犁刨作用。这就意味着金属表层要发生塑性变形（对韧性材料）或破裂（对脆性材料），因而就构成了摩擦力的机械分量Fm。,4,因此摩擦力可近似取为,F=Fa+Fm 或近似取f=fa+fm,式中fa fm分别为摩擦系数的粘着分量和机械分量。,根据研究表明，对于经过跑和的表面，在微凸体的弹性接触时，摩擦力或摩擦系数的粘着分量要比机械分量大得多；在微凸体的塑性接触时，机械分量的比例就增大了。,根据以上的分析和实验研究的结果，可以归纳出,干摩擦时摩擦力与表观接触面积无关而与载荷成正比的结论。,两个相互接触的物体在切向外力的作用下开始相对滑动之前，要发生一定的切向平移，叫,预位移。,这个量甚小，一般不超过几微米。当预位移达到一个极限值时，两物体相互作用的大小相等，方向相反的摩擦力F便发生一个突变，物体就进入相对滑移阶段。对应于极限预位移时的摩擦力就是极限静摩擦力；对应于稳定滑移阶段的摩擦力就是动摩擦力。可见，,动摩擦力小于极限静摩擦力,。实验证明，在预位移的前一大段摩擦力与预位移成正比；在接近与极限预位移时，二者间就明显地转变为非线性关系了。,影响摩擦系数的因素很多，除了摩擦副的配偶材料性质而外，主要还有表面膜与镀层，滑动速度，环境温度及表面粗糙度等。,摩擦副的配偶材料性质对摩擦系数的影响，主要取决于材料的互溶性。对于相同的相同的金属或互溶性大的金属所组成的摩擦副，易产生粘着现象，故摩擦系数大。反之，则其值较小。,5,摩擦副的配偶金属接触的表面因受到污染或氧化而形成的表面膜，一方面要降低金属材料之间的分子吸力；另一方面由于这种薄膜的剪切程度较低，所以摩擦系数也随之降低。故可认为，对于摩擦表面来说，任何表面膜都是一种广义的润滑剂。实验研究表明，硬金属表面的软镀层(如镀铟)，在镀层极薄时，镀层的剪切阻力在摩擦力中所占的比例不大，这是主要是摩擦力的机械分量在其作用，所以随着镀层的逐步加厚，摩擦系数会迅速下降。但当镀层厚度增大到一定值后，两表面上的微凸体大多被埋没，这时摩擦力便主要取决于镀层的剪切强度，而摩擦系数的机械分量反而影响甚微，因而随着镀层的继续加厚，摩擦系数就要缓慢的上升。,相对滑动速度对摩擦系数的影响，主要是由于摩擦表面温度升高将表面材料引起材料的机械性能发生变化。当相对滑动速度低于音速的十分之一（30m/s）时，摩擦表面的性质和状态不致发生明显的改变，一般可不考虑它的影响。在高于这个速度时摩擦系数将随速度的增大而降低，而且用导热性过差的材料（如合金钢）比用导热性较好的材料（如铜），摩擦系数要降的更多。,周围介质温度对摩擦系数的影响（例如燃气涡轮机和原子反应堆等用的一些摩擦副就应该考虑这种影响）根据鲍登（F.P.Bowden）等人的实验研究，金属材料的摩擦副随着温度的升高，摩擦系数先是下降，在700800时降到一个最低点，然后又随温度的升高而增大。克拉格里斯基认为这种现象是由于温度升高，使得分子的剪切阻抗减小，因而形成前一阶段摩擦系数下降；当温度继续升高时，由于金属的硬度急速下降，塑性加大，因而摩擦系,6,数的机械分量增大，所以随着温度的继续升高，摩擦系数也迅速加大。,在干摩擦的情况下，如摩擦表面较为粗糙时，则把表面加工的光洁一些以减小表面的粗糙度值，将会使摩擦力的机械分量明显下降，而粘着分量增加不大，故摩擦系数会下降较多；但当表面粗糙度值减小到一定水平后，如再进一步减小时，则因实际接触面积增大，使表面间分子吸力的增长胜过机械分量的下降，因而摩擦系数就会缓慢上升。,7,（二）边界摩擦（边界润滑）,摩擦表面间，由于润滑油的存在而大大改变了摩擦的特性。当两个受油污的表面在重载作用下考得非常紧（两表面间可能只有一微米，甚至只有一两个分子那样厚的油膜存在，以致有相当多的微凸体发生接触），而润滑油的体积性质（又叫粘性）还不能起作用时其摩擦特性便主要取决于润滑油和金属表面的化学性质。这种能保护金属不致粘着的薄膜，叫做,边界膜。,这时两表面间所形成的摩擦就叫边界摩擦。,边界膜的形成原理有以下三种：,1.物理吸附作用,当润滑油与金属接触时，润滑油就在两者的分子吸力的作用下紧贴到金属表面上，形成物理吸附膜。它可以是单分子层的或多分子层的。具有长链的碳氢化合物它们分子的一端是带有强电荷的极性团（如硬脂酸的COOH），又对金属表面垂直取向的特性，就像鬃毛直立在毛刷上一样。这些极性分子彼此聚集一起，形成一种能防止微凸体穿透，避免金属直接触的薄膜，但各层分子之间的剪切程度较低，而且离金属表面越远的分子层抗剪能力越差。当两表面做相对滑动时，剪切仅在边界膜各分子层之间进行，所以摩擦系数较低。又因这种边界膜的熔点较低（如硬脂酸的熔点约为69），受热后很易发生解除吸附，方向散乱乃至薄膜融化。所以只能在低速轻载下起作用。,8,2.化学吸附作用,当润滑油分子受化学键力（即原子与原子间的结合力，又叫近程表面力）的作用而贴附到金属表面上时，就形成化学吸附膜。例如硬脂酸同铁的氧化物（FeO）反应所形成的硬脂酸铁的金属皂膜就是一种化学吸附膜。它既有低的剪切强度，又有比原先的脂肪酸更高的熔点（约120 ），所以能在较高的速度及载荷下起润滑作用。,3.化学反应,当润滑油分子中含有以原子形式存在的硫、氯、磷时，在较高的温度（通常在150200 ）下这些元素能与金属起化学反应，形成硫、氯、磷的化合物（如硫化铁）。在油与金属界面处形成的这种反应膜，具有低剪切强度和高熔点，它比前两种吸附膜都更为稳定，可以在十分恶劣的条件（高压力、大滑动速度）下保护金属不发生粘着。,前两种边界膜的润滑性能通常叫润滑油的,油性,；后一种则叫,极压性,。,在边界摩擦时的摩擦规律，基本上与干摩擦相同，只是摩擦系数小些，通常约在0.1左右。因为不能完全避免金属的直接接触，所以这时仍有磨损产生。,9,（三）混合摩擦（混合润滑）,随着摩擦面间油膜厚度的增大，表面微凸体直接接触的数量在减小，而油膜承载的比例在增大。根据近十几年来对粗糙面相互作用的研究表明，在混合摩擦（混合润滑）时可用膜厚比来大致估计微凸体与油膜各自分组载荷的情况：, =h,min,/R,a,式中h,min,两粗糙面间的最小公称油膜厚度m；,R,a,两表面的综合粗糙度R,a,=（R,2,a1+,R,2,a2,）,2,， m,R,a1,R,a2,分别为两表面的轮廓算术平均偏差m。,当0.4时为边界摩擦，载荷完全由微凸体承担；当0.4 3.0时为混合摩擦；随着的增大，油膜承担载荷的比例也在增大，在=1时，微凸体所承担的载荷约为总载荷的30%；当 35后则为液体摩擦。,很显然，在混合摩擦时，因仍然有微凸体的直接接触，所以不可避免地还有磨损存在，只是摩擦系数要比边界摩擦时小得多了。,10,（四）液体摩擦（液体润滑）,正如以上所指出，当摩擦面间的油膜厚度大到足以将两个表面的微凸体完全分开（35）时，即形成了完全的液体摩擦。这时的油分子以大都不受金属表面吸附作用的支配而自由移动，摩擦是在流体内部的分子之间进行，所以摩擦系数极小（油润滑时约为0.0010.008），而且不会有磨损产生。特别是这时摩擦规律已有了根本的变化，与干摩擦完全不同了。关于液体摩擦（液体润滑）的问题将在下面作进一步的讨论。,11,第二节 磨损,运动副之间的摩擦将导致机件表面材料的逐渐丧失或转移，即形成磨损。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至使机器提前报废。因此在设计时预先考虑如何避免或减轻磨损，以保证机器达到设计寿命，就具有强大的现实意义。另外也应当指出工程上也有不少利用磨损作用的场合，如精加工中的磨削及抛光，机器的“跑合”过程都是磨损的有用方面。,一个机件的磨损过程大致可分为三个阶段：,1.跑合磨损阶段,由于机件加工后的表面总具有一定的粗糙度，在运转初期，摩擦副的实际接触面积较小，单体面积上的实际载荷面积较大，因此磨损速度较快，而且在不断变化。但随着跑合的进行，如果摩擦副配偶材料及加工工艺选择得当，润滑良好，则由于实际接触面积不断地增大，磨损速度在达到某一定值后，即转入稳定磨损阶段。,2.稳定磨损阶段,这个阶段内，机件以平稳而缓慢的速度在磨损，它标志着摩擦条件保持相对恒定不变。这个阶段的长短就代表机件使用寿命的长短。,3.剧烈磨损阶段,12,经过稳定磨损阶段后，机件的表面遭到破坏，运动副中的间隙增大，引起额外的动载荷，出现噪声和振动。这样就不能保证良好的润滑状态，摩擦副的温升便急剧增大，磨损速度也急剧增大。这时就必须停机，更换零件。,由此可见，在设计或使用机器时，应该力求缩短跑合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。为此就必须对形成磨损的机理及影响因素有所了解。,关于磨损分类的见解颇不一致，大体上可概括为两种：一种是根据磨损结果着重对磨损表面外观的描述，如,点蚀磨损、胶合磨损、擦伤磨损,；另一种则是根据磨损机理来分类，如,粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损,及,腐蚀磨损,。下面按后一种分类法对各种磨损的机理及影响因素作简要介绍。,1.粘着磨损,当摩擦表面的微凸体在相互作用的各点处发生冷焊后，在相对滑动时，材料从一个表面转到另一个表面，便形成了粘着磨损。这种被转移的材料，有时也会再附着到原先的表面上去，出现逆转移，或脱离所粘附的表面而成为游离颗粒。严重的粘着磨损会造成运动副咬死。这种磨损是金属摩擦副之间最普遍的一种磨损形式。,影响粘着磨损的因素主要是：同类的摩擦副材料比异类材料容易粘着；脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高；在一定范围内，零件的表面粗糙度值越小，抗粘着能力也越强。,13,2.磨料磨损,从外部进入摩擦面间的游离硬颗粒（如空气中的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的微凸体峰尖在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹，被移去的材料，一部分流到沟纹的两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微切削过程就叫磨料磨损。,影响这种磨损的因素主要有以下几方面：,1）一般情况下，材料的硬度越高，耐磨性越好；,2）一般金属的磨损量随磨粒平均尺寸的增加而增大；,3）磨损量随磨料硬度的增高而加大。,3.疲劳磨损,当作滚动或滚-滑运动的高副受到反复作用的接触应力（如滚动轴承运转或齿轮传动）时，如果该应力超过材料相应的接触疲劳强度，就会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的相互扩展与相互连接，就造成许多微粒从零件工作表面上脱落下来，致使表面上出现许多月牙浅坑，这就叫疲劳磨损，也叫,疲劳点蚀,或简称,点蚀,。,影响疲劳磨损的因素有：,1）钢的芯部硬度越高，产生疲劳裂纹的危险性越小。,2）当表面粗糙度值较大时，适当减小表面粗糙度值，对零件的疲劳寿命有显著的改善但超过一定界限后，影响就不明显了。,14,3）在高压下的润滑油能在接触区起到均化接触应力的作用，从而提高抗疲劳磨损的能力。如果油的粘度过低，则易于被挤入疲劳裂纹，然后在被封闭的裂缝中受高压而促进疲劳裂纹的扩展。从这一点说，有的粘度高时较为有利于提高疲劳寿命。,4.冲蚀磨损,当一束含有硬质流体冲击到固体表面上时就会造成冲蚀磨损。例如利用高压空气输送型砂或用高压水输送碎矿石的管道所产生的磨损就是如此。近年来，由于燃气涡轮机的叶片、火箭发动机的尾喷灌这样一些部位的破坏，才引起人们对这种磨损形式的特别注意。,根据对多种材料实验结果的分析表明，冲蚀磨损是由于在有摩擦的情况下，固体表面受到硬质微粒冲击所产生的法向力及切向力的反复作用而造成的表层疲劳破坏。影响冲蚀磨损的因素主要有：磨粒与固体表面的摩擦系数、磨粒的冲击速度以及磨粒的冲击速度方向同固体表面所夹的冲击角。,5.腐蚀磨损,摩擦副受到空气中的酸或润滑油、燃油中残存的少量无机酸（如硫酸）及水分的化学作用或电化学作用，在相对运动中造成表面材料的损失叫做腐蚀磨损。腐蚀可以在没有摩擦的条件下形成，但是，当化学反应的产物（如空气中的氧与铁所形成的红褐色Fe,2,O,3,以及灰黑色的Fe,3,O,4,）被随后的相对运动所清除，接着金属表面又受到腐蚀，形成新的化学产物。如此反复进行，腐蚀磨损现象就蔓延开来。,15,影响腐蚀磨损的主要因素，除了零件所接触的特殊介质（如酸、碱、盐）而外，还有零件表面的氧化膜性质和环境的温度。某些金属的氧化膜（如氧化铜）在摩擦过程中发生破裂后，有立即自动弥合的能力，使腐蚀不易蔓延，因而具有较低的磨损率。另一些金属氧化膜（如氧化铁）的这种能力就很差，腐蚀便通过氧化膜的裂纹扩展开来，所以磨损率就高。环境温度越高，腐蚀磨损就越严重。,实际上大多数的磨损是以上述五种的基本磨损形式的复合形式出现的。在各种复合形式中，存在一种比较重要的形式如,微动磨损。,微动磨损发生在名以上相对静止，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（如轴与孔的过盈配合面，滚动轴承套圈的配合面、旋和螺纹的工作面、铆钉的工作面等）。这种相对滑移是在循环变应力或振动条件下，由于两接触面上产生的弹性变形的差异而引起的。在这种情况下，相对滑移的幅度非常小，一般仅为微米的量级。这时由于接触面上的正压力较大，而相对滑动幅度较小，致使接触面间产生氧化磨损微粒难于从接触部位排除，故当名义上相对静止的接触面间有氧化微粒磨损（黑色金属件间主要为红褐色的Fe,2,O,3,微粒 铝合金件间主要为黑色的Al,2,O,3,微粒）显著存在时，即为发生微动磨损的标志。,微动作用不仅要损坏配合表面的品质，而且要导致疲劳裂纹的萌生，从而急剧的降低零件的疲劳强度。所以微动损伤通常包含有微动腐蚀、微动磨损和微动疲劳。,16,实验研究表明，影响微动磨损的因素主要是配偶材料的组合，同类材料的相接触要比异类材料相接触时的磨损情况严重得多。但是异类材料的磨损是随振幅成正比的增大，而同类材料的磨损却随振幅先增后减。在一定的振幅下，磨损与载荷也有类似的先增后减的关系。,17,第三节 润滑,在摩擦面间加入润滑剂不仅可以降低摩擦，减轻磨损，保护零件不遭锈蚀，而且在采用循环润滑时还能起到散温降热的作用。由于液体的不可压缩性，润滑油膜还具有缓冲、吸震的能力。使用膏状的润滑脂，既可防止内部的润滑剂外泄，又可阻止外部杂质侵入，避免加剧机件的磨损，起到密封的作用。,根据工作条件的不同，工作中所用的润滑剂有液体(如油、水及液态金属)、气体（如空气或其他气态工作介质），半固体（如润滑脂）及固体（如石墨、二氧化钼、聚四氟乙烯）等几类。其中的气体及固体润滑剂，多在一些高速、高温有核辐射或要防止污染产品的特殊场合应用。对于用橡胶或塑料制成的轴承，则宜用水作润滑剂，而液态金属（如锂、钠、汞等）已经在高温、高真空的核反应堆及宇航条件下获得了成功的应用。在一般参数的各种机械或设备中，通常都用润滑油或润滑脂来润滑。,根据摩擦面间油膜形成的原理，可把流体润滑分为,流体动压润滑,（利用摩擦面间的相对运动而自动形成承载油膜的润滑）及,流体液压润滑,（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）。当两个曲面体做相对滚动或滚-滑运动时（从滚动轴承中的滚动体与套圈相接触，一对齿轮的两个轮齿相啮合等），若条件合适，也能在接触处形成承载油膜。这时不但接触处的弹性变形和油膜厚度都同样不容忽视，而且它们还彼此影响，互为因果。因而把这种润滑称为,弹性流体动压润滑,。无论上述哪种流体润滑，它的润滑性能基本上都取决与润滑油或润滑脂的某些特性及其分量。,18,（一）润滑油及润滑脂的主要质量指标,1.润滑油,用作润滑剂的油类可概括为三类：一是有机油，通常是动、植物油；二是矿物油，主要是石油产品；三是化学合成油。其中因矿物油来源充足，成本低廉，适用范围广而且稳定性好，故应用最多。动植物油中因含有较多的硬脂酸，在边界润滑时有很好的润滑性能，但因其稳定性差且来源有限，所以使用不多。合成油多系针对某种特定需要而制，不但适用面窄，而且费用极高，故应用甚少。无论哪类润滑油，若从润滑观点考虑，主要是从以下几个指标评判它们的优劣。,1）粘度 流体的粘度即流体抵抗变形的能力，它标志着流体的内摩擦阻力的大小。在两个平行的平板间充满具有一定粘度的润滑油,若平板A以速度V移动，另一平板B静止不动，则由于油分子与平板表面的吸附作用，将使贴近板A的油层以同样的速度V随板移动；而贴近板B的油层则静止不动。于是形成各油层间的相对滑移，在各层的界面上就存在有相应的剪应力。牛顿在1687年提出一个粘性液的摩擦定律（简称粘性定律），,即在流体中任意点处的剪应力均与其剪切率（或速度梯度成正比）。,=,dv/dy,式中,流体单位面积上的剪切阻力，即剪应力；,dv/dy流体垂直于运动方向的速度梯度；,比例常数，即流体的动力粘度。 “”表示v随y的增大而减小,19,摩擦学中把凡是服从这个粘性定律的液体都叫,牛顿液体,。,粘度的常用单位有：,a）动力粘度（或绝对粘度）,按我国法定单位或国际单位制SI，如使相距1m，面积各为1m,2,的两层平行流体间产生1m/s的相对移动速度时，所需施加的力为1N，则这种流体的粘度为,1 Pas,（帕,秒），即,1 Pas = 1Ns/m,2,。,动力粘度主要用于流体动力学计算中。,b,）运动粘度,由于通常测量流体粘度的粘度计，不是直接测得流体的动力粘度而是测得流体的,/,值，其中为流体的密度。在工程中把这个比值叫运动粘度，即,= /,因,的单位为,kg/m,4,即N,s,2,/m,4,故运动粘度单位为m,2,/s。,除上述两种粘度外，目前在石油产品中，也还用条件粘度（相对粘度）。我国常用恩氏度,E作为条件粘度单位。这是当200ml待测定的油，在规定的恒温t（通常用50,或100 ）这时恩氏度用,。,E,50,或,。,E,100,表示）时流过恩氏粘度计所需的时间与同体积蒸馏水在20,时流过恩氏粘度计的时间之比。对于粘度越大的油，所用的测定恒温也越高。,上述几种粘度单位，可按下列关系进行换算：,当1.35,E,t,3.2时,t,=8.0,E,t,8.64/,。,E,t,cSt,当,E,t, 3.2 时,t,=7.6,E,t,4.0/,。,E,t,cSt,当,E,t,16.2 时,t,=7.41,E,t,cSt, =,t,tcP=10,-3,Pas,20,各种液体的粘度，特别是润滑油的粘度随温度而变化的粘度十分的明显。由于油的成分及纯净程度之不同，很难用一个解析式来表达各种润滑油的粘-温关系。,润滑油粘度受温度影响的程度可用粘度指数V.I. (Viscosity index)表示。粘度指数值越大，表明粘度随温度的变化越小，即粘-温性能越好。,压力对流体的影响有两方面。一是流体的密度随压力增高而加大，不过对于所有的润滑油来说，压力在1000MPa以下时，每增加20MPa的压力，油的密度才增加1%。因此在实际润滑条件下这个影响可以不予考虑。另一是压力对流体粘度的影响，这只有压力在超过20MPa时，粘度才随压力的增高而加大高压时则更为显著。因此在一般润滑条件下也同样不予考虑。但在弹性流体动压润滑中，这种影响就变得十分重要。例如在齿轮传动中，啮合处的局部压力可能就高达4000MPa，那时矿物油已不再像液体而更像蜡状的固体了。对于一般矿物油的粘-压关系，可用下列经验式表示：,p,=,o,e,p,式中,p,润滑油在压力p时的润滑粘度，,Pas,o,润滑油在10,5,的压力下的动力粘度，,Pas,e,自然对数的底e=2.718,润滑油的粘压系数。当压力p的单位为Pa时，,的单位即为m,2,/N。,对于一般的矿物油，,(13),10,-8,m,2,/N,21,润滑油粘度的大小不仅直接影响摩擦副的运动阻力，而且对液体润滑油的形成及承载能力有决定作用。这是流体润滑中一个极为重要的因素。,2）油性与极压性 在边界摩擦时，润滑油能在金属表面形成保护膜的机理已如第一节所述。对于那些低速、重载或润滑不充分的场合，油性与极压性就具有特别重要的意义。,3）氧化稳定性 从化学意义上讲，矿物油是很不活泼的，但当它们暴露在高温气体当中时，也会发生氧化并生成硫、磷、氯的酸性化合物。这是一些胶状沉积物，不但腐蚀金属，而且加剧零件的磨损。,4）闪点 当油在标准仪器中加热所蒸发出的油汽，一遇火焰即能发出闪光时的最低温度，称为油的闪点。这是衡量油的易燃度的一种尺度。对于高温下工作的机器，这是润滑油的一个十分重要的指标。通常应使工作温度比油的闪点低3040 。,5）凝固点 这是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。它是润滑油在低温下工作的一个重要指标，直接影响到机器在低温下的起动性能和磨损情况。,2.润滑脂,这是润滑油外应用最多的一类润滑剂。他是润滑油与稠化剂（如钙、锂、钠的金属皂）的膏状混合物。根据调制润滑脂所用皂基之不同，润滑脂主要有以下几类：,1）钙基润滑脂 这种润滑脂具有良好的抗水性，但耐热能力差，工作温度不宜超过5565。,22,2）钠基润滑脂 这种润滑脂有较高的耐热性，工作温度可达120，但抗水性差，由于它能与少量水乳化，从而保护金属免遭腐蚀，比钙基润滑脂有更好的防锈能力。,3）锂基润滑脂 这种润滑脂既能抗水、耐高温（工作温度不宜高于145 ）,而且有较好的机械安定性，是一种多用途的润滑脂。,4）铝基润滑脂 这种润滑脂具有良好的抗水性，对金属表面有高的吸附能力，故可起到较好的防锈作用。,润滑脂的主要质量指标有：,1）针入度（或稠度） 这是指一个重量为1.5N的标准锥体，与25的恒温下，由润滑脂表面经5s后刺入的深度（以0.1mm计）。它标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。针入度越小表明润滑脂越不容易从摩擦面中被挤出，故承载能力强，密封性好 ，但同时摩擦阻力也大，而且不易充填较小的摩擦间隙。,2）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时的温度叫润滑脂的滴点。它标志着润滑脂耐高温的能力。,一般机械中最常用的润滑油、润滑脂的牌号、性能及适用场合等将在以后各有关章节中介绍。,3.润滑油、润滑脂的添加剂,普通润滑油、润滑脂在一些十分恶劣的工作条件下（如高温、低温、重载、,23,真空等）会很快劣化变质，失去润滑能力。为了改善润滑油、润滑脂的性能，固然可以使用精制的办法来满足某些要求，但因精制工艺复杂，成本高，而且也很难满足不同场合的多样化需求。所以，现在广泛采用具有某种独特性能的添加剂，以适应某种特定的需要。,1）分散净化剂 为了防止内燃机汽缸或曲轴箱中因氧化而生成的胶化物沉积下来，加剧磨损，甚至发生粘着或卡死现象，可在润滑油中加入0.51.0%的聚异丁烯、丁二酰亚胺或石油磺酸钙这类添加剂，从而将胶状物分散、悬浮在油中，大大减损并延长润滑油的使用寿命。,2）抗氧化剂 这类添加剂通常由硫、磷与油溶胺和苯酚的化合物构成，如硫磷化烯烃钙盐、油溶性酚醛、芳香胺等。在油中加入0.255.0%的这种添加剂可防止润滑油氧化变质，腐蚀零件。,3）油性添加剂 这类添加剂主要是由脂肪酸构成，其它一些有类似长链结构的乙醇和酯类也有应用，如硬脂酸铝、磷酸三乙酯、硫化异丁烯、环烷酸铅等。将这类添加剂微量（约1%）溶解与油中可以提高油膜强度，在边界润滑条件下保持良好的润滑状态。,4）极压与抗磨添加剂 在某些齿轮传动中，或是由于工作条件恶劣（如汽车后桥的准双曲面圆锥齿轮传动），或是由于齿面载荷过大（现在某些重载齿轮的齿面应力可高达4000MPa），都会造成齿轮严重磨损或胶合。在油中加入0.510%的含有铅。锌的氯、硫、磷化合物，如二硫二苯、亚磷酸二丁脂、二烷基二硫代磷酸锌等，可以在金属表面形成一层熔点高、剪切强度小的保护膜以减轻磨损，防止发生严重的表面破坏。用于机床导轨上还可避免爬行现象。,24,5）降凝剂 对于在严寒地区或低温下工作的机械（如冷冻机），为了防止润滑油因凝固而增大阻力或失去润滑能力，可加人0.11.0%的聚甲基丙烯酸酯、长链烷基酚之类的高分子化合物，以防止石油在低温下形成网状结构，使其保持流动状态。,6）增粘剂 为了改善普通矿物油的粘-温特性，使其适应较大的温度范围，可以加入310%的聚甲基丙烯酸酯、聚异丁烯这一类高分子聚合物，使得润滑油在高温时不易变稀，在低温时又不致过稠。,（二）流体动压润滑,前已指出，流体动压润滑是依靠摩擦副的两滑动表面做相对运动时把油带入两表面之间，形成具有足够压力的油膜，从而将两表面隔开。然而，动压油膜的形成必须满足一定的条件。为了揭示动压油膜的承载机理，必须对流体动压润滑理论中最基本的问题作一简要的叙述。,为此，首先讨论相对运动的两平板完全被一层油膜分开的情形。讨论时假定：a）润滑油的流动具有层流性质；b）润滑油是不可压缩的；c）与润滑油的粘滞阻力相比，润滑油的惯性力和所受重力很小，故在计算时可以忽略；d）润滑油的粘度为常量且与压力无关；e）沿油膜厚度方向，油压为常数；f）两相对运动表面为理想的光滑表面；g）润滑油与板面间无滑动出现。,相对滑动的两平板间形成的压力油膜能够承受外载荷的基本条件是：,a）相对运动表面间必须形成油楔,25,若两平板平行时，任何剖面处的油膜厚度h=h,0,，这表示油压沿x轴方向无变化。如果不提供压力油的话，则油膜对外载荷无承载能力。压力油沿y轴的速度分布显然是线性变化的。,当平板相互倾斜使其间形成楔形油膜，且移动件的运动方向是从间隙较大的一方移向间隙较小的一方时，若各油层速度的分布规律如4-9b图中所示，那么进入间隙的油量必然大于流出间隙的油量。根据液体是不可压缩的及油在z轴方向无流动的假设，则进入此楔形空间的过剩油量，必将由进口a及出口c两处剖面被挤出，即产生一种因压力而引起的流动。结果便形成如图中实线所示的速度分布规律。,b)被油膜分开的两表面必须有一定的相对滑动速度,C）润滑油必须有一定的粘性,如果是理想液体，显然除了与上下两板直接接触的液体外，其他各层均不能获得速度，两板之间的油就不会流动。油不流动，纵然保持油楔存在的条件，也无法建立起内压，因而必然不能保证液体摩擦，故润滑油具有一定的粘性是保证液体摩擦的又一个必备条件。任何流体（不论是液体还是气体）均具有一定的粘性。在其它条件相同时，粘性大的流体建立起来的内压也大；反之粘性小的流体，要在外载荷不大，移动件的运动速度相当高的情况下，才能建立起完全油膜的润滑状态。例如空气的粘性很小的，但仍有以空气作为润滑剂而建立起完全气膜的气体动压轴承。顺便指出，空气是可压缩的流体，上面对不可压缩的流体的分析，只能近似的用于分析气体动压轴承。,26,流体动压润滑可以获得足够厚（约可超过两表面粗糙度值总和的35倍）的油膜。保证两表面不致发生直接接触，从而完全避免了磨损的出现。所以在各种重要机械或仪器中获得了广泛的应用。,(三)弹性流体动压润滑理论简介,上面讨论的是属于两个作相对滑动的同形受润零件之间的润滑问题，而且油膜厚度的数量级足可以略去受载部分的弹性变形而不致影响其分析计算的精度。但在机械零件中，有不少做相对滚动或滚动-滑动的反形受润零件，载荷的传递是通过局部接触，即高副接触来实现的（如齿轮传动的齿轮之间，滚动轴承的滚动体与套圈之间，凸轮机构的凸轮与从动件之间的载荷传递），在极高的局部压力（如滚动轴承的滚动体与套圈之间的局部压力可达30004000MPa）下，接触区是否有流体动压油膜存在，过去是一个有争议的问题。但实践证明了在高副接触的接触表面之间确实存在流体动压油膜，只是由于接触区的局部压力如此之高，而所形成的油膜又如此之小（与表面粗糙度值有相同的数量级），故不易于人们觉察与理解。直到本世纪50年代，由于测试技术和计算技术的高度发展，不但能通过实践证明这种润滑油膜的存在，而且也可以利用高速电子计算机对这种润滑状态中所涉及的各种问题进行相当精确的定量分析，故在60年代才建立了比较完善的理论。因为在这种理论中，计入了高压下油的粘-压特性在流体动压油膜形成中所起的重大作用，以及引起接触区弹性变形的压力与流体动压润滑油膜压力的相互关系，所以叫作弹性流体动压润滑理论。,27,弹性流体动压润滑理论的建立，对于像齿轮传动和滚动轴承这类处于高接触应力状态下的重要零件，在设计理论的发展方面将会有很大的促进作用，而且更易从中找到提高这类零件承载能力的有效途径。,（四）流体静压润滑简介,由流体动压润滑理论可知，当摩擦副的相对运动速度降低到一定程度时，摩擦副的两相对运动表面间将形成不了液体摩擦。为了使低速、重载或作往复运动的摩擦副保持运转灵活且磨损小，应采用流体静压润滑。所谓流体静压润滑是指在摩擦副外部用泵将高压油送入摩擦表面间，迫使摩擦副的表面间形成一层压力油膜将两表面完全隔开，并承受外载荷。采用流体静压润滑原理构成的支承，称为静压支承（例如静压轴承、静压螺旋、静压导轨等）。,由于静压支承是依靠外界供给一定的压力油而形成承载油膜的，因而不像动压油膜那样受到速度的限制，不论在极低速，还是在高速的情况下，均能 保证被支承件和支承件处于完全液体摩擦状态，不会有磨损产生。,28,