摩擦學(xué)原理及應(yīng)用

TRIBOLOGY

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院王萬(wàn)章副教授

Wanzwang@163

第一講摩擦學(xué)概述調(diào)查數(shù)據(jù)全世界工業(yè)能源的1/3被摩擦損耗掉失效零件的80%是由于磨損造成的20世紀(jì)80年代，我國(guó)在冶金、煤炭、農(nóng)機(jī)等五個(gè)行業(yè)的調(diào)查說(shuō)明：由于磨粒磨損縮小好的備件用鋼材到達(dá)100萬(wàn)噸以上，如考慮停機(jī)等費(fèi)用造成的損失每年到達(dá)幾億元。對(duì)于全世界，設(shè)汽車的保有量為2億，年產(chǎn)量5000萬(wàn)輛。如果每輛車通過(guò)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)節(jié)約1%的能源、1%的材料，那么每年可節(jié)省燃料5億噸、節(jié)省材料7500萬(wàn)噸。研究摩擦學(xué)的意義節(jié)約能源、節(jié)約材料、保護(hù)環(huán)境一.摩擦主要類型〔按摩擦的性質(zhì)分DryBoundaryFluidMixedNascent〕判斷摩擦狀態(tài)的依據(jù)表3-1——根據(jù)膜厚判斷圖3-2——根據(jù)摩擦特性系數(shù)一.摩擦其它分類：按摩擦副運(yùn)動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)RollingSlidingStaticDynamic按摩擦副運(yùn)開工況SpeedVacuumTemperature高速時(shí)間短梯度大，局部高溫真空無(wú)對(duì)流，氧化，吸附高溫潤(rùn)滑問(wèn)題，鎢，硼，釩，硅合金二.磨損定義：相互接觸外表相對(duì)運(yùn)動(dòng)中外表物質(zhì)發(fā)成為磨損生的不斷損失現(xiàn)象。磨損的過(guò)程：圖3-3磨損的類型：(自學(xué)為主〕

Abrasivewear開式齒輪外表,犁鏵Adhesivewear齒面膠合；Fatiguewear齒面點(diǎn)蝕CorrosivewearFrettingwear改善摩擦副耐磨性能的措施選擇減磨材料、合理選擇潤(rùn)滑劑和添加劑、控制易損件的工作條件目的潤(rùn)滑劑分類氣體：空氣及其它氣體介質(zhì)。液體：水、礦物油及液態(tài)金屬等。半固體：潤(rùn)滑脂固體：石墨、二硫化鉬等主要性能指標(biāo)潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂1、對(duì)于不完全液體潤(rùn)滑----降低摩擦及減少磨損；2、對(duì)于液體動(dòng)力潤(rùn)滑----工作介質(zhì)并具有冷卻作用。三.潤(rùn)滑粘度流體抵抗變形的能力，標(biāo)志著流體內(nèi)摩擦阻力的大小。平行板間液體的層流流動(dòng)模型牛頓定律剪切應(yīng)力動(dòng)力粘度速度梯度2.運(yùn)動(dòng)粘度

：主要用于測(cè)量流體粘度。m2/s1.動(dòng)力粘度

：主要用于流體動(dòng)力計(jì)算中。Pa·s3.兩種粘度之間的換算關(guān)系：礦物有的密度kg/m34.潤(rùn)滑油粘度特性粘溫特性：溫度越高、粘度越低，反之亦然。粘壓特性：

壓力越高、粘度越高，反之亦然。式〔3-7〕一般在5MPa之下影響不大。圖3-7全損耗系統(tǒng)用油的粘--溫曲線5.其它性能指標(biāo)：油性、極壓性、氧化穩(wěn)定性、閃點(diǎn)、凝固點(diǎn)等。摩擦學(xué)原理的主要應(yīng)用方面農(nóng)機(jī)化工程碩士研究生課程安排課堂教學(xué)汽車摩擦學(xué)專題外表工程摩擦學(xué)專題設(shè)備診斷維修摩擦學(xué)專題土壤機(jī)械摩擦學(xué)專題磨損試驗(yàn)專題討論課程考試針入度〔稠度〕標(biāo)志著潤(rùn)滑脂內(nèi)阻力的大小和流動(dòng)性的強(qiáng)弱。針入度越大，潤(rùn)滑脂越稀；反之亦然。滴點(diǎn)在規(guī)定的加熱條件下，潤(rùn)滑脂由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量杯的孔口滴下第一滴時(shí)的溫度稱為潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)。滴點(diǎn)標(biāo)志著潤(rùn)滑脂耐高溫的能力。一般潤(rùn)滑脂的工作溫度應(yīng)低于滴點(diǎn)20-30

C。為改善潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂的性能，以適應(yīng)某些特殊的需要，在潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂中參加一些物質(zhì)，稱為添加劑。自學(xué)教材p70—p71相關(guān)內(nèi)容3-2滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)與材料一.滑動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)整體式〔圖15-16〕剖分式〔圖15-17〕二.軸瓦的結(jié)構(gòu)與材料1.軸瓦的結(jié)構(gòu)軸瓦的形式和構(gòu)造--整體鑄造、對(duì)開式油孔及油槽〔p476，圖15-27、15-28〕軸瓦的定位--保證軸瓦與軸承座之間無(wú)軸向、周向的相對(duì)移動(dòng)〔圖15-28〕2.軸瓦的材料選用原那么常用的軸瓦材料〔p75，表3-3〕油孔與油槽的位置不要開在軸承的承載區(qū)內(nèi)，否那么將急劇降低軸承的承載能力〔圖15-30〕油槽的剖面形狀應(yīng)防止邊緣有銳邊或棱角，保證潤(rùn)滑油能順暢地流入潤(rùn)滑外表之間。油槽的尺寸可查相關(guān)的手冊(cè)。

軸向油溝的影響周向油溝的影響2.軸承材料的選用原那么良好的減摩性、耐磨性和抗咬粘性良好的摩擦順應(yīng)性、嵌入性和磨合性足夠的強(qiáng)度和抗腐蝕能力良好的導(dǎo)熱性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性等3-3不完全液體潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承

設(shè)計(jì)計(jì)算一.失效形式磨粒磨損與粘著磨損為主、多種失效形式并存的情況二.設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么邊界膜不遭破壞，維持粗糙外表微腔內(nèi)有液體潤(rùn)滑存在三.徑向滑動(dòng)軸承的計(jì)算四.推力滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算〔自學(xué)〕三.不完全液體潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)算典型問(wèn)題1.條件：軸頸的直徑d〔mm〕；軸轉(zhuǎn)速n〔r/min〕；軸承的徑向外載荷F〔N〕。2.設(shè)計(jì)的目的：確定軸承的材料與寬度B1〕驗(yàn)算軸承的平均壓力p--防止磨損式〔3-13〕2〕驗(yàn)算軸承的pV值--限制溫升式〔3-14〕3〕驗(yàn)算滑動(dòng)速度V--防止磨損式〔3-15〕見(jiàn)表3-33-4液體動(dòng)力潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承的

設(shè)計(jì)計(jì)算一.徑向滑動(dòng)軸承形成液體動(dòng)力潤(rùn)滑的過(guò)程〔圖3-12〕

汽車中的典型應(yīng)用——發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承和連桿軸承二.流體膜壓力分布的微分方程----雷諾方程1.假設(shè)條件：y1〕忽略重力、磁力、慣性力的影響；2〕流體在界面上無(wú)滑動(dòng)，即貼于界面的油層速度與界面速度相同；3〕沿油膜厚度方向上，不計(jì)油膜壓力的變化；4〕潤(rùn)滑油沿膜厚方向沒(méi)有流動(dòng)；5〕流體為牛頓流體；6〕潤(rùn)滑油流動(dòng)為層流；7〕潤(rùn)滑油不可壓縮。2.一維雷諾方程微元體的受力平衡+流量連續(xù)+假設(shè)條件及必要的邊界條件，可得到如下的流體膜壓力分布方程，即：一維雷諾方程。式〔12-8〕最大壓力處對(duì)應(yīng)的油膜厚度。3.形成液體動(dòng)力潤(rùn)滑的條件p731〕潤(rùn)滑油要有一定的粘度，且其它條件不變時(shí)，粘度越高，承載能力越高。2〕兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)外表要有相當(dāng)?shù)南鄬?duì)滑動(dòng)速度。3〕相對(duì)滑動(dòng)外表形成收斂的油楔。4〕有充足的供油。三.徑向滑動(dòng)軸承的幾何參數(shù)1.直徑間隙2.半徑間隙3.相對(duì)間隙4.偏心距5.偏心率6.最小油膜厚度7.偏位角8.任意位置的油膜厚度h空氣潤(rùn)滑油油楔油膜壓力四.液體動(dòng)力潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承的工作能力計(jì)算1.軸承承載力計(jì)算2.摩擦力及摩擦功耗的計(jì)算3.軸承的最小油膜厚度4.軸承的熱平衡計(jì)算5.工作能力計(jì)算的一般步驟

圖3-18數(shù)值計(jì)算機(jī)算方法見(jiàn)p81-821.軸承的承載力計(jì)算總承載量計(jì)算的無(wú)量綱參數(shù)----索氏數(shù)定義：式〔3-25〕圖3-15其中：

為潤(rùn)滑油在軸承平均工作溫度下的動(dòng)力粘度，N·s/m2

為軸頸的轉(zhuǎn)速，rad/sB為軸承的寬度，m；d為軸頸的直徑，m。2.軸承的摩擦力及摩擦功耗計(jì)算定義：軸承的摩擦特性系數(shù)圖3-16摩擦力：摩擦功耗：3.軸承中的最小油膜厚度計(jì)算軸承中的最小油膜厚度，不能無(wú)限制地減小。它受到軸頸與軸承內(nèi)外表的粗糙度、軸的剛性及軸承與軸頸的幾何形狀誤差等的影響。式〔3-35〕式〔3-34〕表3-5平安系數(shù)4.軸承熱平衡計(jì)算根據(jù)能量守恒：每秒產(chǎn)生的熱量帶走熱量到達(dá)熱平衡時(shí)的潤(rùn)滑油溫度差式(12-28)為保證軸承的正常工作，一般要求等效溫度不超過(guò)75℃。流量系數(shù)，圖3-17等效溫度：入口油溫tin一般為30~45°C高速重載條件：式〔3-33〕式〔3-32〕中等載荷和一切非穩(wěn)定載荷下：假設(shè)否結(jié)束流體動(dòng)壓潤(rùn)滑徑向軸承]工作性能計(jì)算的一般流程是是五.軸承參數(shù)的選擇相對(duì)間隙寬徑比表3-6、表3-7潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度表3-8式〔3-36〕小節(jié)：滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容一.合理選擇軸承的型式和結(jié)構(gòu)二.合理選擇軸瓦的結(jié)構(gòu)與材料三.確定軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)〔d、B/d、〕四.選擇潤(rùn)滑劑的類型及供給方式五.軸承的工作能力計(jì)算〔承載力、熱平衡、最小油膜厚度〕汽車中的摩擦學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中的摩擦學(xué)問(wèn)題汽車中的摩擦學(xué)車輛底盤中的摩擦學(xué)問(wèn)題輪胎與地面1.輪胎與地面的摩擦——濕滑路面的輪胎與路面摩擦屬于低模量彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑問(wèn)題。2.輪胎的磨損——物理-化學(xué)過(guò)程，橡膠氧化裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致胎面的磨損。制動(dòng)器與離合器1.摩擦制動(dòng)2.防抱死〔ABS〕系統(tǒng)輪轂軸承汽車專用軸承的設(shè)計(jì)，世界上已經(jīng)生產(chǎn)出第五代輪轂軸承。我國(guó)具有生產(chǎn)第三代軸承的能力，但是大局部仍采用的是第一代軸承。