摩擦学原理

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,大家好,1,目录,1.,引言,2.,摩擦表面形貌和表面接触理论,3.,固体摩擦理论,4.,磨损理论及磨损分析设计,5.,流体动压润滑理论,6.,静压润滑及气体润滑,7.,摩擦学分析及设计实例,i,1.1,摩擦学科学概念,1.2,摩擦学研究及摩擦学设计学术及工程意义,1.3,摩擦学研究及设计涵盖主要内容,1,当在正压力作用下相互接触两个物体受切向外力影响而发生相对滑动，或有相对滑动趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动阻力，这一自然现象叫做摩擦，这时所产生阻力叫做摩擦力。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丧失或迁移，即磨损，磨损会导致表面损坏和材料损耗。润滑是降低摩擦和减少磨损有效手段。,摩擦学是研究有关摩擦、磨损与润滑科学与技术，并把在机械设计中正确运用摩擦学知识与技术，使之具有良好摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。,当然，摩擦在机械中也并非总是有害，如带传动、汽车及拖拉机制动器等正是靠摩擦来工作，这时还要进行增摩技术研究。这种反方向研究领域也属于摩擦学学科范畴。,2,摩擦学研究对于国民经济具有重要意义。据估计，全世界大约有 能源以各种形式消耗在摩擦上。而摩擦导致磨损是机械设备失败主要原因，大约有,80%,损坏零件是由于各种形式磨损引起。因此，控制摩擦，减少磨损，改善润滑性能已成为节约能源和原材料、缩短维修时间重要措施。同时，摩擦学对于提高产品质量、延长机械设备使用寿命和增加可靠性也有重要作用。由于摩擦学对工农生产和人民生活巨大影响，因而引起世界各国普遍重视，成为近三十年来迅速发展技术学科，并得到日益广泛应用。,3,摩擦学问题中各种因素往往错终复杂，涉及到多门学科，例如流体力学、固体力学、流变学、热物理、应用数学、材料科学、物理化学，以及化学和物理学等内容。因此多学科综合分析是摩擦学研究显著特点。,4,由于摩擦学现象发生在表面层，影响因素繁多，这就使得理论分析和实验研究都较为困难，因而理论与实验研究相互促进和补充是摩擦学研究另一个特点。随着理论研究日益深入和实验技术日益先进，目前摩擦学研究方法发展趋势正由宏观进入微观；由定性进入定量；由静态进入动态；以及由单一学科角度分析进入多学科综合研究。,5,从摩擦学研究范围来看，本课程包含主要内容有：表面形貌分析处理和表面接触理论；固体摩擦理论；磨损分类及机理；磨损试验和磨损测试；流体动压润滑理论；弹性流体动压润滑理论和部分弹性流体动压润滑理论简介；流体静压润滑分析简介；摩擦学应用实例等。,6,2.1,表面形貌参数,2.2,表面形貌统计参数,2.3,表层结构与表面性质,2.4,粗糙表面接触,7,任何摩擦表面都是由许多不同形态微凸蜂和凹谷组成。表面几何特性对于混合润滑和干摩擦状态下摩擦磨损和润滑起着决定性影响，因此，了解和研究表面形貌及其参数是十分有必要。,表面几何特征采用形貌参数来描述。最常用表面形貌参数是表面粗糙度，它取表面上某一个截面外形轮廓曲线来表示。根据表示方法不同可分为一维、二维和三维形貌参数。,8,一维形貌通常用轮廓曲线高度参数来表示，如图,2-1,，它描绘沿截面方向（,X,方向）上轮廓高度,z,起伏变化。选择轮廓平均高度线亦即中心线为,X,轴，使轮廓曲线在,X,轴上下两侧面积相等。一维形貌参数种类繁多，最常用有轮廓算术平均偏差值 和轮廓均方根偏差或称均方根值 或,9,图,21,外形轮廓曲线,轮廓算术平均偏差值,R,a,它是轮廓上各点高度在测量长度范围内算术平均值，即,（,21,）,式中, z(x),为各点轮廓高度,;,L,为测量长度,;,n,为测量点数,;z,i,为各测量点轮廓高度。,10,轮廓均方根偏差,(2-2),11,应当指出：一维形貌参数不能完善地说明表面几何特征。如图,2-2,所示，四种表面轮廓 值相同，但形貌却很不一致，甚至完全相反，如图,2-2,中,a,和,b,。虽然均方根值 比中心线平均值 稍好一些，但对于图,2-2,中,a,和,b,两个相反轮廓仍然无法区别。这表明：一维形貌参数不足以阐明表面几何特征与摩擦学特性关系。,12,图,2-2,不同轮廓表面 和 值,13,坡度 或 ，它是表面轮廓曲线上各点坡度即斜率 绝对值算术平均值 或者均方根值 。该指标对于微观弹流润滑效应十分重要。,峰顶曲率,C,或,C,，采用各个粗糙峰顶曲率算术平均值,C,或者均方根值,C,。它对于润滑和表面接触状况都有影响。,14,由于二维形貌参数还不够全面，描述粗糙表面最好方法是采用三维形貌参数。,二维轮廓曲线族：通过一组间隔很密二维轮廓曲线来表示形貌三维变化；,等高线图：用表面形貌等高线表示表面起伏变化。,15,图,2,3,二维轮廓曲线族 图,2,4,等高线图,16,切削加工表面形貌包含着周期变化和随机变化两个组成部分，因此采用形貌统计参数比用单一形貌参数来描述表面几何特征更加科学和反映更多信息。这就是将轮廓曲线上各点高度、波长、坡度或曲率等用概率密度分布函数来表示它们变化，这里主要介绍表面形貌高度分布函数和自相关函数。,17,以平均高度线为,X,轴，轮廓曲线上各点高度为,z,。概率密度分布曲线绘制方法如下（图,25,）：由不同高度,z,作等高线，计算它与峰部实体,(,X,轴以上,),或谷部空间,(,X,轴以下,),交割线段长度总和,以及与测量长度,L,比值 。用这些比值画出高度分布直方图。如果选取非常多,z,值，则从直方图可以描绘出一条光滑曲线，这就是轮廓高度概率密度分布曲线。,18,图,2,5,高度分布曲线,19,切削加工表面轮廓高度接近于,Gauss,分布规律。,Gauss,概率密度分布函数为,=,(2-3),式中，为粗糙度均方根值，在,Gauss,分布中称为标准偏差，而 称为方差。,概率密度分布曲线所包围面积应当等于,1,即,式,(2-4),表示分布曲线是标准,Gauss,分布。而 为概率密度函数，它表示不同高度出现概率。,故,则（,2-3,）变为,（,2-4),20,理论上,Gauss,分布曲线范围由,-,到,+,，但实际上在,-3,到,+3,之间包含了全部情况,99.9%,，因此以士,3,作为,Gauss,分布极限所产生误差可以忽略不计。,应当指出：对于二维形貌参数例如轮廓曲线坡度和峰顶曲率，也可以用它们概率密度分布曲线来描述变化规律。,21,切削加工表面形貌分布曲线往往与标准,Gauss,分布存在一定偏差，通常用统计参数表示这种偏差。常用偏差统计量有偏态,s,（衡量分布曲线偏离对称位置指标）和峰态,K,（表示分布曲线尖峭程度）。,22,偏态,s,定义是,23,（,2-5,）,将标准,Gauss,分布函数式,(2-4),代人，求得,s,=0,，即凡是对称分布曲线偏态值,s,均为零。非对称分布曲线偏态值可为正值或负值，如图,2-6,所示。,图,2-6,偏态 图,2-7,峰态,24,峰态定义为,(2-6),将式,(2-4),代入上式求得标准,Gauss,分布峰态,K,=3,。而,K,3,分布曲线称为尖峰态，如图,2-7,所示。,25,在分析表面形貌参数时，抽样间隔大小对于绘制直方图和分布曲线有显著影响为了表达相邻轮廓关系和轮廓曲线变化趋势。可引用另一个统计参数,自相关函数,R,( ),。,26,对于一条轮廓曲线来说，它自相关函数是各点轮廓高度与该点相距一固定间隔处轮廓高度乘积数学期望,(,平均,),值，即,这里，,E,表示数学期望值。,如果在测量长度,L,内测量点数为,n,，各测量点坐标为 ，则 为,（,2-7,）,27,对于连续函数轮廓曲线，上式可写成积分形式,（,2-8,）,R( ),是抽样间隔函数。当 ,0,时，自相关函数记作 ，且 方差。因此自相关函数无量纲形式变为,(2-9),28,图,2-8,为典型轮廓曲线及其自相关函数。自相关函数可以分解为两个组成部分：函数衰减表明相关性随 增加而减小，它代表轮廓随机分量变化情况。函数振荡分量反映表面轮廓周期性变化因素。,图,2-8,典型的自相关函数,29,计算实际表面自相关函数需要采集和处理大量数据。为简化起见，通常将随机分量表示为按指数关系衰减，而振荡分量按三角函数波动。分析表明：粗加工表面,(,例如 粗刨平面,),振荡分量是主要组成部分，而精加工表面,(,例如 超精加工平面,),随机分量将是主要。,自相关函数对于研究表面形貌变化是十分重要。任何表面形貌特征都可以用高度分布概率密度函数 和自相关函数 这两个参数来描述。,30,金属表面在切削加工过程中表层组织结构将发生变化，使表面层由若干层次组成。典型金属表层结构如图,2-9,所示。,图,2-9,金属表面结构,31,金属基体之上是变形层，它是材料加工强化层，总厚度为数十微米，由重变形层逐渐过渡到轻变形层。变形层之上是贝氏层,(BielbylaYer),，它是由于切削加工中表层熔化、流动，随后骤冷而形成非晶或者微晶质层。氧化层是由于表面与大气接触经化学作用而形成，它组织结构与氧化程度有关。最外层是环境中气体或液体极性分子与表面形成吸附膜或污染膜。,32,由此可知：金属表层组织结构随着加工工艺条件而变化。同时，表层机械性质与基体材料很不相同，金属表层强化程度、微硬度和残余应力等对于摩擦磨损起着重要影响。,在各种表面性质中，与摩擦学密切相关主要有表面能、吸附效应和表面氧化等。,产生新表面所做功表现为表面能。液体表面分子由于表面能作用，有从表面进入内部趋势，这种使液面自动收缩而减少表面积力称为表面张力。,33,在加工过程中，金属新生表面一旦暴露就很快地与大气中氧形成氧化膜。氧化速度将取决于氧向表层内扩散速度或金属离子透过氧化膜向外扩散速度。由于金属和氧化物晶格常数不同，因而阻碍了氧向更深内部扩散。 氧化膜对摩擦摩损影响与氧化膜强度有关。通常薄氧化膜强度高，可以防止粘着发生。而氧化膜厚度增加使膜强度降低，在摩擦过程中容易脱落而加剧磨损。,在摩擦过程中，由于力和热作用，摩擦表面将发生一系列变化，这些变化对摩擦磨损性能有很大影响。,表面形貌和微观接触状况在摩擦中不断地变化。同时，摩擦表面吸附膜和氧化膜也将发生破裂、再生和转移。,34,当两个固体表面接触时，由于表面粗糙，使实际接触只发生在表观面积极小部分上。实际接触面积大小和分布对于摩擦磨损起着决定性影响。,实际表面上粗糙峰顶形状通常是椭圆体。由于椭圆体接触尺寸远小于本身曲率半径，因而粗糙峰可以近似地视为球体，两个平面接触可视为一系列高低不齐球体相接触。,如前所述，两个弹性体接触可以转换为具有当量曲率半径,R,和当量弹性模量 弹性球体与刚性光滑平面接触。,35,下面简要介绍三种接触模型。,1.,单峰接触,2.,理想粗糙表面接触,3.,实际粗糙表面接触,36,图,2-10,描述了单个粗糙峰接触情况，在载荷,W,作用下产生法向形变量,，使弹性球体形状由虚线变为实线所示。显然，实际接触面积是以为,a,半径圆，而不是以为,e,半径圆。,图,2-10,单峰接触,37,根据弹性力学分析可知,（,2-10,）,从以上关系可得： 。于是实际接触面积,A,为,（,2-11,）,再根据几何关系得,因此几何接触面积 为,（,2-12,）,可知：单个粗糙峰在弹性接触时实际接触面积为几何接触面积一半。,38,粗糙峰模型除去球体之外，常见还有圆柱体和圆锥体。圆柱体和圆锥体模型压力分布出现不定值区域，即在边缘或者中心区域压力趋于无限，因此弹性变形计算困难。圆柱体模型实际接触面积保持不变，这与粗糙表面接触情况不符而圆锥体模型比较接近实际，可用于摩擦磨损计算。,39,理想粗糙表面是指表面为许多排列整齐曲率半径相同和高度相同粗糙峰组成，同时，各峰承受载荷和变形完全一样，且相互不影响，如图,211,所示。,图,2-11,理想粗糙表面的接触,40,如图,2-11,，粗糙峰在基面以上最大高度为,h,，当光滑平面在载荷作用下产生法向变形后，法向变形量为 ，刚性光滑平面与粗糙面基面之间距离为,d,。,如果表面上共有,n,个粗糙峰，每个粗糙峰承受相同载荷 ，则由式,(2-10),得总裁荷,W,实际接触面积为各粗糙峰实际接触面积 总和，即,再由以上两式消去 可得,(2-13),由此可知,:,对于弹性接触状态，实际接触面积与载荷 次方成正比。,41,当表面处于塑性接触状态时，各个粗糙峰接触表面上受到均匀分布屈服应力 。假设材料法向变形时不产生横向扩展，则各粗糙峰接触面积为几何面积，即 。这样,故,（,2-14,）,式（,2-14,）表明：对于塑性接触状态，实际接触面积与载荷成正比。,42,在固体摩擦理论研究中，通常认为实际接触面积与载荷保持线性关系。从理想粗糙表面模型分析表明：只有塑性接触这一关系才成立，而弹性接触实际接触面积与载荷关系却是非线性，原因在于理想粗糙表面模型过于简化，因此提出了随机粗糙模型。,43,实际表面粗糙峰高度是按照概率密度函数分布，因而接触峰点数亦应根据概率计算。,图,2-12,a,为混合润滑下两个粗糙表面接触情况。两表面粗糙度均方根值分别为 和 ，油膜厚度,h,为中心线之间距离。它们接触情况可以转换为,个光滑刚性表面和另一个具有均方根值为 粗糙弹性表面相接触，如图,2-12,b,。,44,图,2-12,两粗糙表面的接触,45,在图,2-12,b,中，当油膜厚度为,h,时，只有轮廓高度,z,h,部分才发生接触。在概率密度分布曲线中，,z,h,部分面积就是表面接触概率，即,z,h,概率,如果粗糙表面峰点数为,n,，则接触峰点数,m,为,各个接触峰点法向变形量为 ，由式,(2-11),得实际接触面积,A,为,由接触峰点支承总载量,W,为,46,通常实际表面轮廓高度按照,Gauss,分布。在,Gauss,分布中，靠近,z,值较大部分近似于指数型分布。若令 ，计算可得,（,2-15,）,从以上各关系式可进一步得出,W,A,，,W,m,。由此可知：两个粗糙表面在弹性接触状态下，实际接触面积和接触峰点数目都与载荷成线性关系。,当两表面处于塑性接触状态时，从以上分析则得,（,2-16,）,即是实际接触面积与载荷为线性关系，而与高度分布函数 无关。,47,综上所述，实际接触面积与载荷关系取决于表面轮廓曲线和接触状态。当粗糙峰为塑性接触时，不论高度分布曲线如何，实际接触面积都与载荷成线性关系。而在弹性接触状态下，大多数表面轮廓高度接近于,Gauss,分布，其实际接触面积与载荷也具有线性关系。,48,3.1,摩擦基本特性,3.2,简单摩擦理论,3.3,粘着摩擦理论,3.4,滚动摩擦,49,两个相对运动固体表面摩擦只与接触表面作用有关，而与固体内部状态无关，此称为外摩擦。液体或者气体中各部分之间相对移动而发生摩擦，称为内摩擦。而边界润滑状态下摩擦是吸附膜或其它表面膜之间摩擦，也属于外摩擦。,50,外摩擦和内摩擦共同特征是：一物体或一部分物质将自身运动传递给与它相接触另一物体或另一部分物质，并试图使两者运动速度趋于一致，因而在摩擦过程中发生能量转换。,外摩擦与内摩擦不同特征在于内部运动状况。内摩擦时流体相邻质点运动速度是连续变化，具有一定速度梯度；而外摩擦是在滑动面上发生速度突变。此外，内摩擦力与相对滑动速度成正比，当滑动速度为零时内摩擦力也就消失；而外摩擦力与滑动速度关系随工况条件变化，当滑动速度消失后仍有静摩擦力存在。,51,古典滑动摩擦理论是通过实验方法建立，其基本公式为,(3-1),式中，,F,为摩擦力；,W,为法向载荷：,f,为摩擦系数。古典摩擦理论认为：摩擦系数仅取决于材料性质，而与表观接触面积、滑动速度和载荷大小无关。,实践证明：上述理论具有很大局限性，只能近似地用于工程计算。当法向载荷较大，使实际接触面积接近表观接触面积时，以及极硬材料或极软材料组成摩擦副，摩擦力与法向载荷不满足正比关系。对于弹性或粘弹性材料滑动摩擦，摩擦力与表观接触面积密切相关。此外，许多材料摩擦系数都随滑动速度和载荷大小而变化。,52,摩擦是两个接触表面相互作用引起滑动阻力和能量损耗，摩擦现象涉及因素很多，因而提出了各种不同摩擦理论，一般可以归纳为三类：,机械啮合理论,分子作用理论,机械,分子摩擦理论,53,早期理论认为摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩擦中能量损耗于粗糙峰相互啮合、碰撞以及弹塑变形，特别是硬粗糙峰嵌入软表面后在滑动中形成犁沟效应。,图,3-1,是,Amonton(1699,年,),提出最简单摩擦模型。摩擦力为,摩擦系数 ，它是由表面状况确定常数,图,3-1,机械啮合模型,54,在一般条件下，减小表面粗糙度可以降低摩擦系数。但是超精加工表面摩擦系数反而剧增。另外，当表面吸附一层极性分子后，其厚度不及抛光粗糙高度十分之一，却能巨大地减小摩擦力。这些都说明机械啮合作用并非产生摩擦力唯一因素。,55,人们用接触表面上分子间作用力来解释滑动摩擦。由于分子活动性和分子力作用可使固体粘附在一起而产生滑动阻力，这称为粘着效应。,Tomlinson(1929,年,),最先用表面分子作用解释摩擦现象，他提出分子间电荷力所产生能量损耗是摩擦起因，他所提出公式能够明确指出分子作用对于摩擦力影响，但不能解释摩擦现象。,56,摩擦表面分子吸力大小随分子间距离减小而剧增，通常分子吸力与距离七次方成反比。而接触表面分子作用力产生滑动阻力随实际接触面积增加而增大，但与法向载荷大小无关。,根据分子作用理论应得出这样结论，即表面越粗糙，实际接触面积越小，因而摩擦系数应越小。显然，这种分析除重载荷条件外是不符合实际情况。,57,如上所述，简单摩擦理论无论是机械或分子摩擦理论都是很不完善，它们得出摩擦系数与粗糙度关系都是片面。在二十世纪三十年代末期，人们从机械,分子联合作用观点出发较完整地发展了固体摩擦理论。在英国和苏联相继建立了两个学派，前者以粘着理论为中心，后者以摩擦二项式为特征。这些理论奠定了现代固体摩擦理论基础。,58,Bowden,和,Tabor,等人经过系统实验研究，建立了较完整粘着摩擦理论，对于摩擦磨损研究具有重要意义。,59,Bowden,等人,(1945,年,),提出简单粘着理论可以归纳为以下基本要点,:,摩擦表面处于塑性接触状态；,滑动摩擦是粘着与滑动交替发生跃动过程；,摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力总和。,60,简单粘着理论表达式为：,（,32,）,根据式（,3-2,）得出摩擦系数与实际结果不相符合，例如大多数金属材料剪切强度与屈服极限关系为 ，于是计算摩擦系数 。事实上许多金属摩擦副在空气中摩擦系数可达,0.5,，在真空中则更高。为此，,Bowden,等人又提出了修正理论。,61,在简单粘着理论中，分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限 ，而计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限 ，这对静摩擦状态是合理。但对于滑动摩擦状态，由于存在切向力，实际接触面积和接触点变形条件都取决于法向载荷产生压应力 和切向力产生剪应力 联合作用。,62,修正粘着理论为,（,33,）,经过修正粘着理论更加切合实际，可以解释粘着理论不能解释现象。,63,如图,3-2,所示，当圆柱沿平面滚动时，由于接触区变形使得以接触点为中心接触压力分布不对称，因而支承面反力产生偏移。此反力对于接触点力矩称为滚动摩擦力矩。,图,3-2,滚动摩擦,64,滚动摩擦系数,k,定义为滚动摩擦力矩与法向载荷之比，即,（,3-4,）,由此可知：滚动摩擦系数与滑动摩擦系数不同，它是有量纲量，常用单位为,mm,。,另外，也可以用无量纲量即滚动阻力系数 来表征滚动摩擦大小。它在数值上等于滚动驱动力产生单位距离所作功与法向载荷之比。若圆柱滚过角度为 ，滚过距离为 ，而驱动力作功为 ，则滚动阻力系数为,（,3-5,）,65,Coulomb(1785,年,),最早用实验方法得出滚动摩擦定律：滚动阻力系数 与滚动体半径,R,乘积是一个常量，也就是滚动摩擦系数,k,或者偏心距,e,为常量。它们数值取决于摩擦副材料性质，而与载荷大小无关。随后，,Dupoit(1837,年,),提出了修正公式，通常称为,Dupoit,定律，即,(3-6),式中，,D,为滚动体直径；滚动摩擦系数,k,为由材料和表面状况确定常量，不随速度和载荷而变化。,上述滚动摩擦定律可以近似地应用于工程计算。,66,各种滚动运动都可以视为以下三种基本滚动形式组合，这三种滚动形式表面作用和摩擦机理各不相同。,自由滚动：圆柱体或球体沿着平面无约束地作直线滚动，这是最简单滚动形式；,具有牵引力滚动：在接触区内同时受到法向载荷和切向牵引力作用，例如摩擦轮传动；,伴随滑动滚动：当两个滚动体几何形状造成接触面上切向速度不相等时，滚动中必将伴随滑动，例如向心推力球轴承中球与滚道之间滚动。,67,滚动摩擦机理显然与滑动摩擦不同。除非接触面存在很大滑动，滚动摩擦通常不存在犁沟效应，而粘着结点剪切阻力也不是滚动摩擦主要原因。滚动摩擦阻力主要由以下四种因素组成：,微观滑动：微观滑动是滚动过程中普遍存在现象。当两个弹性模量不同物体作自由滚动时，由于接触表面产生不相等切向位移，就将有微观滑动出现。微观滑动所产生摩擦阻力占滚动摩擦较大部分，它机理与滑动摩擦相同。,68,塑性变形：在滚动过程中，当表面接触应力达到一定值时，首先在距表面一定深度处产生塑性变形。随着载荷增加塑性变形区域扩大。塑性变形消耗能量表现为滚动摩擦阻力，可以根据弹塑性力学计算；,弹性滞后：滚动过程中产生弹性变形需要一定能量，而弹性变形能主要部分在接触消除后得到回复，其中小部分消耗于材料弹性滞后现象。粘弹性材料弹性滞后能量消耗远大于金属材料，它往往是滚动摩擦阻力主要组成；,粘着效应：滚动表面相互紧压形成粘着结点在滚动中将沿垂直接触面方向分离。因为结点分离是受拉力作用，又没有结点面积扩大现象，所以粘着力很小，通常只占滚动摩擦阻力很小部分。,69,磨损是相互接触物体在相对运动中表层材料不断损伤过程，它是伴随摩擦而产生必然结果。磨损问题引起人们极大重视，这是由于磨损所造成损失十分惊人。根据统计，机械零件失效主要有磨损、断裂和腐蚀等三种方式，而磨损失效却占,60-80%,。因而研究磨损机理和提高耐磨性措施，将有效地节约材料和能量，提高机械装备使用性能和寿命，减少维修费用，这对于国民经济具有重大意义。,由于科学技术迅速发展，二十世纪三十年代以后机械装备磨损问题已成为薄弱环节，特别是高速、重载，精密以及特殊工况下工作机械对于磨损研究提出了更迫切要求。同时，近代其它科学技术例如材料科学、物理化学、表面测试技术等发展，有助于对磨损机理进行更深入研究。,研究磨损目在于通过对各种磨损现象观察和分析，找出它们变化规律和影响因素，从而寻求控制磨损和提高耐磨性措施。,70,磨损分类目是为了将实际存在各式各样磨损现象归纳为几个基本类型。合理分类能够使研究工作简化，更好地分析磨损实质。,磨损分类方法表达了人们对磨损机理认识，不同学者提出了不同分类观点，至今还没有普遍公认统一磨损分类方法，其中一种分类为：磨粒磨损；粘着磨损；疲劳磨损；腐蚀磨损；微动磨损。,71,磨粒磨损与粘着磨损,疲劳磨损等,磨损检测与分析,72,外界硬颗粒或者对磨表面上硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落现象，称为磨粒磨损。例如掘土机铲齿、犁耙、球磨机衬板等磨损都是典型磨粒磨损。机床导轨面由于切屑存在也引起磨粒磨损。水轮机叶片和船舶螺旋浆等与含泥沙水之间侵蚀磨损也属于磨粒磨损。,73,磨粒磨损有以下三种形式：,磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用，此称为三体磨粒磨损。通常三体磨损磨粒与金属表面产生极高接触应力，往往超过磨粒压溃强度。这种压应力使韧性金属摩擦表面产生塑性变形或疲劳；而脆性金属表面则发生脆裂或剥落；,磨粒沿一个固体表面相对运动产生磨损称为二体磨粒磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与表面接触处应力较低，因此固体表面产生擦伤或微小犁沟痕迹。如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，常称为冲击磨损。此时磨粒与表面产生高应力碰撞，在表面上磨出较深沟槽，并有大颗粒材料从表面脱落。冲击磨损量与冲击能量有关；,在一对摩擦副中，硬表面粗糙峰对软表面起着磨粒作用，这也是二体磨损，它通常是低应力磨粒磨损。,74,磨粒磨损是最普遍磨损形式。据统计，在生产中因磨粒磨损所造成损失占整个磨损损失一半左右，因而研究磨粒磨损有着重要意义。一般说来，磨粒磨损机理是磨粒犁沟作用，即微观切削过程。显然，材料相对磨粒硬度和载荷起着重要作用。,75,目前主要有三种磨粒磨损机理，即,微观切削：法向载荷将磨料压入摩擦表面，而滑动时摩擦力通过磨料犁沟作用使表面剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕；,挤压剥落：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将塑性材料表面挤压出层状或鳞片状剥落碎屑；,疲劳破坏：摩擦表面在磨料产生循环接触应力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。,76,当摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应所形成粘着结点发生剪切断裂，被剪切材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面。此类磨损统称为粘着磨损。,根据粘结点强度和破坏位置不同，粘着磨损有几种不同形式，从轻微磨损到破坏性严重胶合磨损。它们磨损形式、摩擦系数和磨损度虽然不同，但共同特征是出现材料迁移，以及沿滑动方向形成程度不同划痕。,77,按照磨损严重程度、粘着磨损可分为,轻微粘着磨损：当粘结点强度低于摩擦副两金属强度时，剪切发生在结合面上。此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常在金属表面具有氧化膜，硫化膜或其它涂层时发生此种粘着磨损；,一般粘着磨损：粘结点强度高于摩擦副中较软金属剪切强度时，破坏将发生在离结合面不远软金属表层内，因而软金属粘附在硬金属表面上。这种磨损摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧；,擦伤磨损：当粘结强度高于两金属材料强度时，剪切破坏主要发生在软金属表层内，有时也发生在硬金属表层内。迁移到硬金属上粘着物又使软表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软金属表面。,78,胶合磨损：如果粘结点强度比两金属剪切强度高得多，而且粘结点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层较深地方。此时，两表面出现严重磨损，甚至使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。,高速重载摩擦副中，由于接触峰点塑性变形大和表面温度高，使粘着结点强度和面积增大，通常产生胶合磨损。相同金属材料组成摩擦副中，因为粘着结点附近材料塑性变形和冷作硬化程度相同，剪切破坏发生在很深表层，胶合磨损更为剧烈。,79,通常摩擦表面实际接触面积只有表观面积,0.10.01%,。对于重载高速摩擦副，接触峰点表面压力有时可达,5000MPa,，并产生,1000,以上瞬现温度。而由于摩擦副体积远小于接触峰点，一旦脱离接触，峰点温度便迅速下降，一般局部高温持续时间只有几毫秒。摩擦表面处于这种状况下，润滑油膜、吸附膜或其它表面膜发生破裂，使接触峰点产生粘着，随后在滑动粘着节点破坏。这种粘着、破坏、再粘着交替过程就构成粘着磨损。,80,有关粘着机理目前还没有比较统一观点，但是粘着现象必须在一定压力和温度条件下才会发生这一认识是相当一致。,粘着结点破坏位置决定了粘着磨损严重程度，而破坏力大小表现为摩擦力，所以磨损量与摩擦力之间没有确定关系。粘着结点破坏情况十分复杂，它与摩擦副和粘结点相对强度以及粘结点分布有关。,81,两个相互滚动或者滚动兼滑动摩擦表面，在循环变化接触应力作用下，由于材料疲劳剥落而形成凹坑，统称为表面疲劳磨损或接触疲劳磨损。除齿轮传动、滚动轴承等以这种磨损为主要失效方式之外，摩擦表面粗糙峰周围应力场变化所引起微观疲劳现象也属于此类磨损。不过，表面微观疲劳往往只发生在磨合阶段，因而是非发展性磨损。,一般说来，表面疲劳磨损是不可避免，即便是在良好油膜润滑条件下也将发生。对于发展性疲劳磨损应保证在正常工作时间以内不致因表面疲劳凹坑恶性发展而失效。,82,表面疲劳磨损种类：,表层萌生与表面萌生疲劳磨损,表层萌生疲劳磨损主要发生在一般质量钢材以滚动为主摩擦副。在循环接触应力作用下，这种磨损疲劳裂纹发源在材料表层内部应力集中源，例如非金属夹杂物或空穴。通常裂纹萌生点与表层内最大剪应力位置相符合。裂纹萌生以后，首先顺滚动方向平行于表面扩展，然后分叉延伸到表面，使磨屑剥落后形成凹坑，其断口比较光滑。这种疲劳磨损裂纹萌生所需时间较短，但裂纹扩展速度缓慢。表层萌生疲劳磨损通常是滚动轴承破坏形式。,83,表面萌生疲劳磨损主要发生在高质量钢材以滑动为主摩擦副。裂纹发源在摩擦表面上应力集中源，例如切削痕、碰伤痕、腐蚀或其它磨损痕迹。这种磨损裂纹形成时间很长，但扩展速度十分迅速，介质与润滑剂对裂纹扩展有影响。,由于表面萌生疲劳破坏坑边缘可以构成表面萌生裂纹发源点，所以通常这两种疲劳磨损是同时存在。,84,按照磨屑和疲劳坑形状，通常将表面疲劳磨损分为鳞剥和点蚀两种。前者磨屑呈片状，凹坑浅而面积大；后者磨屑多为扇形颗粒，凹坑为许多小而深麻点。,实验表明：无论是退火钢或调质钢、纯滚动或滚动兼滑动摩擦副，点蚀疲劳裂纹起源于表面，再顺滚动方向向表层内扩展，并形成扇形疲劳坑。鳞剥疲劳裂纹始于表层内，随后裂纹与表面平行向两端扩展，最后在两端断裂，形成沿整个试件宽度上浅坑。,85,摩擦过程中，金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生表面损伤，称为腐蚀磨损。常见有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。,当金属摩擦副在氧化性介质中工作时，表面所生成氧化膜被磨掉以后，又很快形成新氧化膜，所以氧化磨损是化学氧化和机械磨损两种作用相继进行过程。,氧化磨损大小取决于氧化膜连结强度和氧化速度。,氧化磨损磨屑呈暗色片状或丝状。片状磨屑是红褐色 ，而丝状磨屑是灰黑色 。有时用磨屑这些特征来判断氧化磨损。,干摩擦状态下容易产生氧化磨损。施加润滑油可以减小表面氧化作用，氧化层较薄，因而提高抗氧化磨损能力。但有些润滑油能促使氧化膜从表面脱落。,86,对于在化工设备中工作摩擦副，由于金属表面与酸、碱、盐等介质作用而形成腐蚀磨损。,腐蚀磨损机理与氧化磨损相类似，但磨损痕迹较深，磨损量也较大。磨屑呈颗粒状和丝状，它们是表面金属与周围介质化合物。,由于润滑油中含有腐蚀性化学成分，滑动轴承材料也发生腐蚀磨损，它包括酸蚀和硫蚀两种。除了合理选择润滑油和限制油中含酸和含硫量之外，轴承材料是影响腐蚀磨损重要因素。,87,两个表面间由于振幅很小相对运动而产生磨损称为微动磨损或微动腐蚀磨损。,在载荷作用下，相互配合表面接触峰点形成粘着结点。当接触表面受到外界微小振动，虽然相对滑移量很小，通常为,0.05mm,，不超过,0.25mm,粘着结点将被剪切。随后剪切面逐渐被氧化并发生氧化磨损，产生红褐色 磨屑堆积在表面之间。此后氧化磨屑起着磨料作用，使接触表面产生磨粒磨损。,由此可见，微小振动和氧化作用是促进微动磨损主要因素。而微动磨损是粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损三种磨损形式组合。,88,气蚀是固体表面与液体相对运动所产生表面损伤，通常发生在水泵零件、水轮机叶片和船舶螺旋桨等表面。,当液体在与固体表面接触处压力低于它蒸发压力时，将在固体表面附近形成气泡。另外，溶解在液体中气体也可能析出而形成气泡。随后当气泡流动到液体压力超过气泡压力地方时，气泡便溃灭，在溃灭瞬时产生极大冲击力和高温。固体表面经受这种冲击力多次反复作用，材料发生疲劳脱落，使表面出现小凹坑，进而发展成海绵状。严重气蚀可在表面形成大片凹坑，深度可达,20 mm,。,气蚀机理是由于冲击应力造成表面疲劳破坏。但液体化学和电化学作用加速了气蚀破坏过程。,89,为了设计具有足够抗磨能力机器或者正确地估算机械零件磨损寿命，必须建立适合于工程应用磨损计算方法。近代通过对磨损状态和磨屑分析以及对磨损过程深入研究，提出了一些有关磨损物理模型和磨损理论，它们是磨损计算基础。,磨损计算建立必须考虑磨损现象特征，而这些特征与通常强度破坏很不相同。例如摩擦副实际接触点是离散和变化，因而摩擦副承载材料体积在磨损过程中不断变化。又如摩擦表面材料性能在磨损过程中不断变化，因而材料破坏形式也将不断改变。此外，在强度计算中关于材料性质均匀和各向同性假设对磨损计算将不再适用。,由此可知：考虑表层材料在磨损过程中动态特性和破坏特点，以及材料与周围介质作用等等，对于建立磨损理论及其计算方法具有十分重要意义。而这一任务复杂性使得磨损计算至今还不能满足应用要求。,90,磨损实验,磨损测量与分析,91,磨损实验目是为了对磨损现象和本质进行研究，正确地评价各种因素对摩擦磨损性能影响，从而确定符合使用条件最优设计参数。,由于摩擦磨损现象十分复杂，实验方法和装置种类繁多，所得实验数据又是有条件性，往往难以进行比较。所以人们提出摩擦磨损实验方法标准化问题，以便统一实验规范和测量方法。近年来，实验方法标准化已得到越来越多国家和组织重视。,摩擦磨损性能是多种因素影响综合表现，因而必须严格地控制实验条件才可能得出可靠结论。,92,目前通常采用实验方法可以归纳为下列三类，即,实验室试件实验,根据给定工况条件，在通用摩擦磨损实验机上对试件进行实验。由于实验中影响因素和工况参数容易控制，因而实验数据重复性较高。实验周期短，实验条件变化范围宽，可以在短时间内进行比较广泛实验。 但由于试件实验条件与实际工况不完全符合，因而实验结果往往不十分可靠。,试件实验主要用于各种类型磨损机理和影响因素研究性实验，以及摩擦副材料、工艺和润滑剂性能评定性实验。,93,模拟性台架实验,在试件实验基础上，根据所选定参数设计实际零件，并在模拟使用条件下进行台架试验。由于台架试验条件接近于实际工况,增强了实验结果可靠性。同时,通过实验条件强化和严格控制,可以在较短时间内获得系统实验数据,还可以进行个别因素对磨损性能影响研究。,94,实际使用实验,在上述两种实验基础上,对实际零件进行使用实验。这种实验真实性和可靠性最好。但是实验周期长,费用大,实验结果是各种影响因素综合表现,因而难以对实验结果进行分析。通常这种方法用于检验前两种数据一种手段。,以上三类实验可根据实验研究要求选择其中一种或几种。,95,实践表明,:,摩擦磨损实验方法和条件不同,实验结果差别很大。所以在实验室中进行实验时,应当尽可能地模拟实际工况条件,其中主要有,:,滑动速度和表面压力大小和变化、表面层温度变化、润滑状态、环境介质条件和表面接触形式等等。对于高速摩擦副磨损实验,温度影响则是主要问题,应当使试件散热条件和温度分布接近于实际情况。在低速摩擦副实验中,由于磨合时间较长,为了消除磨合对实验结果影响,可以预先将试件摩擦表面磨合,以便形成与使用条件相适应表面品质。对于未经磨合试件,通常不采纳最初测量几个数据,因为这些数据可能不稳定。,96,一般使用最多是通用摩擦磨损实验机,它主要用来研究在不同速度、载荷和速度条件下各种材料和润滑剂性能,也可以用来进行各种磨损形式机理研究。,图,4-1,为通用摩擦磨损实验机所采用试件接触情况和运动方式。试件之间相对运动方式可以是纯滑动、纯滚动或者滚动伴随滑动。大多数实验机试件采用旋转运动,也有是在往复运动。,97,图,4-1,摩擦磨损实验机的形式,98,试件接触形式可以分为面接触、线接触和点接触三种。通常面接触试件单位面积压力只有,80100MPa,常用于磨粒磨损实验。线接触试件最大接触压力可达到,10001500MPa,适合于接触疲劳磨损实验和粘着磨损实验。点接触试件表面接触压力更高,最大可达到,5000MPa,适用于需要很高接触压力实验,例如胶合磨损或高强度材料接触疲劳磨损实验。,99,机械零件磨损量可以用磨下重量、体积或者表面磨损厚度来表示。磨损重量和磨损体积是整个磨损表面总和，所以不能反映磨损沿摩擦表面分布情况。,磨损量测量是评定机械零件设计合理性、材料和润滑剂性能，以及研究磨损机理重要指标。常用磨损测量方法有称重法、测长法、表面轮廓法、压痕或切槽法。,100,称重法是用称量试件在实验前后重量变化来确定磨损量。通常采用精密分析天平称重。由于测量范围限制，称重法适用于小试件，对于微量磨损摩擦副需要很长实验周期。如果摩擦过程中试件表层产生较大塑性变形，试件形状虽然变化但重量损失不大，此时称重法不能反映表面磨损真实情况。,101,测长法是使用精密量具、测长仪、万能工具显微镜，或其它非接触式测微仪测量试件在实验前后法向尺寸变化，或者磨损表面与某基准面距离变化。,测长法可以测量磨损分布情况。但是这种方法存在误差，例如测量数据包含了因变形所造成尺寸变化，接触式测量仪器测量值受接触情况和温度变化影响等。,102,表面轮廓法是用表面轮廓仪测量磨损前后表面轮廓变化来确定零磨损量，即磨损厚度不超过表面粗糙峰高度磨损。,为了保证准确地描绘磨损前后相同部位轮廓，需要通过显微镜和试件上定位基准确定测量位置。,轮廓法可以记录表面轮廓在磨损过程中变化和磨损分布。但是轮廓法测量手续复杂，被测零件形状和尺寸受量程范围限制。,103,压痕或切槽法是人为地在摩擦表面上压痕或者切槽作为测量基准，用基准尺寸沿深度变化规律度量磨损厚度。如果在摩擦表面上不同部位布置基准，可以测量磨损沿表面分布。,切槽法测磨损与压痕法十分相似，但是切槽法排除了弹性变形回复和四周鼓起影响 。虽然由于切削中弹性变形和间隙等因素造成槽形几何误差，但一般不超过,5%,，所以测量精度比压痕法高。,压痕法和切槽法只适用于磨损量不大而表面光滑试件。由于这两种方法都要局部破坏试件表层，因而不能用于研究磨损过程中表面层组织结构变化。,104,应当指出：上述各种磨损测量方法共同缺点是测量时必须拆卸机器，所以操作复杂。此外，测量磨损量随时间变化时，则磨损工况条件将因每次拆装而改变，而沉淀法或化学分析法和放射性同位素法可以避免上述缺点。,105,沉淀法或化学分析法是将润滑油中所含磨屑经过过滤或者沉淀分离出来，再用称重法测量磨屑重量。,另外也可以采用定量分析化学方法测量润滑油中所含磨屑组成和重量，这不仅可以测量各种磨损元素重量，还可以根据材料使用情况来判断磨损部位。,如果定期地从润滑系统中取出油样进行测量，这两种方法都可测量磨损量随时间变化。但是它们测量是整个表面总磨损量，无法确定摩擦表面磨损分布。此外，润滑油合理取样是保证测量精度关键。,106,放射性同位素法是将摩擦表面经放射性同位素活化，则在磨损过程中落入润滑油中磨屑也具有放射性。因此定期地测定润滑油放射性强度，就可以换算出磨损量随时间变化。,107,由于摩擦学现象发生在表面，表层组织结构变化是研究摩擦磨损规律和机理关键，现代表面测试技术已先后用来研究摩擦表面各种现象，这其中包括采用表面轮廓仪和电子显微镜分析表面形貌变化。,108,摩擦过程中表面形貌变化可以采用表面轮廓仪和电子显微镜来进行分析。,表面轮廓仪是通过测量触针在表面上匀速移动，将触针随表面轮廓垂直运动检测、放大，并且描绘出表面轮廓曲线。再经过微处理机运算还可以直接测出表面形貌参数变化。,采用透射电镜和反射电镜可以研究摩擦表面和亚表面破坏特性、表面氧化膜形貌。但由于它们只能作复型检测，检测范围有限、测量误差大和操作不便，目前已逐渐被扫描电子显微镜替代。,扫描电镜能够直接观察摩擦表面形貌及其在摩擦过程中变化。电子扫描图象清晰度好，并有立体感，放大倍数变化范围宽，检测范围亦较大，甚至可以直接测量小型零件摩擦表面。,109,在大型机组或者重要机械系统中，要求在运转过程中对于关键摩擦副磨损状态进行检测，及时预报它们工作状况，以便采取有效维修措施，避免机械装备突然损坏或发生重大事故。,检测装置采用物理或化学检测方法，定期地或连续地显示机械装备磨损状态常用检测方法有铁谱分析、光谱分析、润滑油成分分析、机械振动或噪声分析和润滑状态分析。,110,七十年代出现铁谱分析是将润滑油所含磨屑进行分离和分析技术。由于大多数机械磨损过程是形成磨屑，观察润滑油中磨屑尺寸、形状和组成就可以判断磨损形式、程度和磨损发生部位。,抽取少量润滑油，将油样在低而稳定速度下流经铁谱仪中磁极，在磁场力作用下磨屑按照尺寸大小分离而制作铁谱图。根据铁谱图中磨屑形状和分布密度可确定磨损状态。,111,光谱法是利用组成物质原子在一定条件下能发射具有各自特征光谱性质，用来分析润滑油中金属含量。,在一般情况下，原子处于稳定态。当得到一定能量以后，原子被激发。处于激发态原于是不稳定，在极短时间内转化为稳定态，同时将多余能量以光形式释放出来而产生光谱。不同原于所产生光谱不同，因此通过光谱分析可以测定润滑油中金属元素变化，预测磨损状态。,光谱分析方法通常应用于铁路机车和航空发动机磨损检测，以防止故障发生。,112,采用理化分析仪器对于润滑油酸度、添加剂浓度、不溶物质含量和组成进行测定，分析磨损状态变化。,113,通过机械设备在运行中振动或噪声测定是鉴别磨损状态变化重要手段，可以实现连续检测。将振动或噪声测量信号经过频谱分析等处理，能够预示严重磨损出现。,这种间接检测方法在低噪声零件中应用效果较好，例如滑动轴承。而在诸如齿轮传动等产生较大振动和噪声零件中应用时，往往难以将零件本身振动与因磨损恶化所产生振动区分开来而影响检测可靠性。,114,对于全膜润滑摩擦副，采用传感器测量摩擦表面之间油膜厚度、摩擦系数、接触状况以及表面温度等参数来检测润滑状态。,当采用电测技术时，可以进行连续测量，并实现自动控制作用。即当油膜厚度或温度达到临界数值时，通过自动控制系统调节工作参数，以保证继续正常工作，或者及时停机，以防止事故发生。,115,在实际生产中，磨损失效分析是一个十分重要问题。为了准确地判断发生磨损失效原因和决定对策，需要具有广泛知识和丰富经验，所以本节仅扼要地介绍磨损失效分析一般方法。,为了确定产生磨损失效原因，可以从以下几个方面进行分析：,116,应尽可能到失效现场进行现场调查，收集资料，了解失效过程和有关情况。主要收集了解被磨损零部件实物和图纸；磨损失效零部件所在系统工作情况，包括载荷、速度，温度等参数，以及破坏过程和部位；润滑油供应系统和技术性能；维护保养和操作规范等。,117,润滑油及其供应系统检查。着重检查润滑油种类和性能；检查油粘度和粘温特性；检查润滑油灰分即完全燃烧后剩余残渣以及所用添加剂中,Zn,、,Ba,和,Ca,含量。必要时进行光谱分析确定润滑油化学组成和添加剂含量。检查润滑油变质和污染程度。检查润滑油酸度或碱度，以及不溶物质、水分、乙二醇、污染物等含量。检查润滑油中是否含有过量、大块或者异常磨屑，必要时进行铁谱分析。最后还要润滑油供应系统工作状况，包括油泵和过滤器性能以及供油系统流量。,118,对被磨损零部件进行相关分析。分析零件开始破坏位置和破坏发展过程。确定主要磨损形式。采用光学显微镜观察摩擦表面，根据磨损特征判断磨损形式。分析材料选择合理性。采用能谱技术分析材料化学成分和含量，检查磨损前后表面形貌和硬度等机械性能变化。用切截剖面观察非金属夹杂物尺寸和分布。,119,分析零部件设计合理性。对于全膜润滑摩擦副，核算油膜厚度、膜厚比、润滑油流量、表面压力以及工作温度。检查润滑油更换周期。了解磨损失效前后载荷、速度、温度以及振动、噪声变化情况。,通过以上观察和分析，有助于确定造成零部件失效主要磨损形式和原因。,120,从数学观点来看，各种流体润滑计算基本内容是对,Navier-Stokes,方程特殊形式,Reynolds,方程应用和求解。,1883,年,Tower,对火车轮轴轴承进行实验，首次观察到流体动压现象。随后，,1886,年,Osborne Reynolds,根据流体力学提出了润滑基本方程，成功地揭示了流体薄膜产生动压机理，为现代流体润滑理论奠定了基础。,Reynolds,方程是二阶偏微分方程。以往依靠解析方法求解十分困难，必须经过许多简化处理才能获得近似解，这就使得理论计算往往具有很大误差。直到上世纪中叶，由于电子计算机技术迅速发展，复杂润滑问题有可能进行数值解算。此外，先进测试技术使得在润滑现象实验研究中可进行深入细致观察，从而建立更加符合实际物理模型。这样，许多工程问题润滑计算大大接近于实际。目前，润滑计算已在机械设计中占有更重要地位，而流体润滑理论也已发展成为摩擦学一个主要分支。,121,5.1,广义,Reynolds,方程,5.2,一维楔形滑块分析,5.3,径向轴承润滑,5.4,数值润滑分析,5.5,挤压油膜计算,5.6,油膜震荡和动态特性,5.7,弹性流体动压润滑理论简介,5.8,部分弹性流体动压润滑理论简介,122,基本假设,(1),忽略体积力作用，如重力或磁力等。即磁流体润滑,(Magnetohydrodynamic Lubrication,，,MHD),外，这一假设通常是正确。,(2),流体在界面上无滑动，即贴于界面油层速度与界面速度相同。这已被实验证实。,(3),在沿润滑膜厚度方向上，不计压力变化。由于膜厚仅百分之几毫米，事实上压力不可能发生明显变化。,(4),与油膜厚度相比较，转动零件表面曲率半径很大。因而忽略油膜曲率影响，并用平移速度代替转动速度。,(5),润滑剂是牛顿流体。这对于一般工况条件下使用矿物油而言是合理。,123,(6),流动为层流，油膜中不存在涡流和湍流。对于高速大型轴承，可能处于湍流润滑。,(7),与粘性力比较，可忽略惯性力影响，包括流体加速力和油膜弯曲离心力。然而，对于高速大型轴承需考虑惯性力影响。,(8),沿润滑膜厚度方向粘度数值不变。这个假设没有实际根据，只是为了数学运算方便所作简化。,以上假设,(1)-(4),对于一般流体润滑问题而言，基本上是正确。而假设,(5)-(8),是为简化而引入，只能有条件使用。在某些特殊工况下必须加以修正。,124,方程推导,运用上述假设，由,Navier-Stokes,方程和连续方程可以直接推导出,Reynolds,方程。但是，为了了解流体润滑中物理现象，以及考虑到零件润滑具体情况，可以采用流体力学中微元体分析方法推导,Reynolds,方程。其主要步骤是：,(1),由微元体受力平衡条件，求出流体沿膜厚方向流速分布；,(2),将流速沿润滑膜厚度方向积分，求得流量；,(3),应用流量连续条件，最后推导出,Reynolds,方程普遍形式。,125,微元体平衡,从润滑膜中取出一微元体，它在,X,方向受力如图,5-1,所示，只受流体压力,p,和粘性力 作用,(,假设,(1),、,(7),。设,u,、,v,、,w,分别为流体沿坐标,X