【正文】 第六章 潤(rùn)滑與潤(rùn)滑劑 第一節(jié) 流體潤(rùn)滑基本概念 一、定義 在摩擦副對(duì)偶表面之間，有一層一定厚度（一般在 1. 5~2μm以上）的粘性流體潤(rùn)滑膜，由這層潤(rùn)滑膜的壓力平衡外載荷，使兩對(duì)偶表面不直接接觸，在兩對(duì)偶表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只在流體分子間產(chǎn)生摩擦，這就是流體潤(rùn)滑。 在流體潤(rùn)滑中，根據(jù)潤(rùn)滑膜壓力產(chǎn)生的方法，潤(rùn)滑方式可分為以下幾種 : 流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，系由摩擦副對(duì)偶表面的幾何形狀和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并借助粘性流體的內(nèi)摩擦力作用而產(chǎn)生潤(rùn)滑膜壓力，從而平衡外載。 彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論是流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論的重要發(fā)展，它主要研究名義上是點(diǎn)線接觸的摩擦副潤(rùn)滑問題（如齒輪副、滾動(dòng)軸承等）。 二、 STRIBECK曲線 如圖 Stribeck曲線縱坐標(biāo)是摩擦系數(shù)， 橫坐標(biāo)是承載特性。 vw?流體潤(rùn)滑區(qū) ： 兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面完全被潤(rùn)滑膜隔開 摩擦力主要是油膜內(nèi)部摩擦 油膜厚度遠(yuǎn)大于粗糙度 膜厚比如式子 油的粘度是主要因素 混合潤(rùn)滑區(qū)： 兩表面承載是由凸峰和油膜承擔(dān) 油的粘度是主要因素 摩擦力由接觸摩擦和油的內(nèi)部摩擦構(gòu)成 油膜厚度與粗糙度接近 ( ) 邊界潤(rùn)滑區(qū)及干摩擦區(qū)： 干摩擦?xí)r無油膜，邊界潤(rùn)滑時(shí)油膜厚度非常有限 膜厚比多為： ，當(dāng)為 1時(shí) 70%的載荷由油膜承擔(dān)， 30%由凸峰承擔(dān)。 油的粘度不是主要因素，而粘性和極壓性起主要作用。 m i n22123h? ?????3??三 、潤(rùn)滑的作用及常見摩擦（潤(rùn)滑）狀態(tài) 潤(rùn)滑的作用 摩擦 是消耗能源的原因； 磨損 是降低機(jī)械零件使用壽命，消耗材料的原因。 而潤(rùn)滑則是減少摩擦、節(jié)約能源；減少磨損節(jié)約材料的有力手段和有效措施。 所謂潤(rùn)滑 ，是在具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)二個(gè)物體的接觸表面間，注入第三種物質(zhì)（潤(rùn)滑劑）將兩接觸表面隔開，形成剪切強(qiáng)度低的潤(rùn)滑膜，用該物質(zhì)的內(nèi)部摩擦代替兩接觸物體之間的摩擦。因其抗剪強(qiáng)度低，因而可以達(dá)到減少摩擦和磨損的目的。潤(rùn)滑可以提高機(jī)械零件的壽命和提高機(jī)械效率。還可起到冷卻、沖洗、減振和防蝕作用。 2 、 幾種常見的摩擦狀態(tài)： 流體動(dòng)壓潤(rùn)滑 流體靜壓潤(rùn)滑 彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑 邊界潤(rùn)滑 干摩擦狀態(tài) 四、潤(rùn)滑油的粘性 粘性流體的內(nèi)摩擦定律 粘性流體在流動(dòng)時(shí)流層之間產(chǎn)生阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)既是粘性。 根據(jù)牛頓實(shí)驗(yàn)：相鄰流層之間阻力與速度變化梯度成正比。 既： 如圖：由于分子間極性吸引力所產(chǎn)生的內(nèi)聚力的作用，在流層之間有剪切力。 式中： 是流體流速沿油膜厚 度 h（ z軸）方向的變化率，若速度 變化規(guī)律為三角形 ,則 = ； dudz???dudzdudz Uh 是比例常數(shù)，被定義為流體的動(dòng)力粘度。具有這種特性的流體稱為牛頓流體。 ?動(dòng)力粘度的單位 (1)國(guó)際制單位 圖示 ,長(zhǎng)、寬、高各為 1m的流體，如果使立方體頂面流體層相對(duì)底面流體層產(chǎn)生 1m/s的運(yùn)動(dòng)速度，所需要的外力 F為 1N時(shí)，則流體的粘度 η 為 1N?s/m178。，叫做“帕秒”，常用 Pa?s表示。 (2)物理單位制 如圖 ,F=1dyne(厘米、克、秒 ) ,u=1cm/s 時(shí) 換算關(guān)系： 1Pa? S=10P=1000cP 此時(shí) ,流體粘度為 1個(gè)物理單位制的動(dòng)力粘度，用 P 表示。 有時(shí)用 P/100表示 , 叫厘泊，用 cP表示。 因?yàn)?1N=105dyne 所以有如下?lián)Q算 潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度 流體的動(dòng)力粘度與同溫度下的密度 ρ 的比值 ,稱為運(yùn)動(dòng)粘度 : ???? 物理單位是 cm178。/s,叫做“斯” ,常用 St表示， St/100叫厘斯 ,用 cSt表示 換算關(guān)系： 1m2/s=104St=106cSt ； 1St=1cm2/s=104m2/s=100cSt 相對(duì)粘度 恩氏粘度是相對(duì)粘度的一種 ,它是用 200ml的粘性流體 ,在給定的溫度 t下流經(jīng)一定直徑和長(zhǎng)度的毛細(xì)管所需的時(shí)間 ,與同體積的蒸餾水在 20℃ 時(shí)流經(jīng)同樣的毛細(xì)管所需時(shí)間的比值來衡量流體的粘性。恩氏粘度用 表示 國(guó)際單位是 m178。/s 。 0 tE0 tE(1)粘溫特性 潤(rùn)滑油的特性 ? 潤(rùn)滑油的粘度隨溫度的變化存在指數(shù)關(guān)系 : ? ?00 / mt tt???(2)潤(rùn)滑油的粘壓特性 ? 粘度和壓力的關(guān)系近似表示為 : 0 app e???? 粘度指數(shù) VI按下式計(jì)算： 粘度指數(shù)的物理意義還可改寫成 —— 衡量粘溫特性溫度變化范圍。 粘度指數(shù) VI是表示被測(cè)油粘度隨溫度 的變化程度 ? ? 與標(biāo)準(zhǔn)油粘度隨溫度變化程度 的比值。 100LUVI LH????100LUTVI LHT????TLUT?LHT? 粘度指數(shù)（ 粘度比 50、 100，粘度指數(shù) VI ） 第二節(jié) 流體動(dòng)壓潤(rùn)滑雷諾方程 一、流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的承載機(jī)理 圖 a 增壓過程 圖 b 溢出附加流動(dòng) 圖 c 附加流動(dòng)為零 CC 截面壓力最大 圖 d 壓力分布曲線 二、雷諾方程 流體的連續(xù)性方程 如圖所示：兩個(gè)滑動(dòng)板 A， B，設(shè)在其相對(duì)運(yùn)動(dòng)中可以產(chǎn)生收斂型油楔，并能形成足夠的承載能力將兩板分開。 油楔中取一微小單元體，底面積為 dxdy,高為 x、 y、 z 三個(gè)方向流進(jìn)和流出該單元體。 設(shè)在單位寬度上沿 x和 y方向的容積流量分別為 qx和 qy. 沿 x方向流入的容積流量為 : qxdy，流出的容積流量為 : （ qx+ )dy, 式中 是沿 x方向容積流量的變化。 xq dxx??xqx??沿 y方向流入元單位的容積流量為 : qydx, 而流出的容積流量為 :（ qy+ dy)dx yqy??若流體以速度 Wo向上流入， 則其容積流量為 : Wodxdy； 若在頂端流體以 Wh速度流出， 則其容積流量為 : Whdxdy 。 考慮不可壓縮及流動(dòng)的連續(xù)性， 單位時(shí)間內(nèi)沿 x、 y、 z三個(gè)方向流入單元體的總?cè)莘e流量等于總流出容積流量。 即： qxdy+qydx+wodxdy= (qx+ dx)dy+(qy+ dy)dx+whdxdy ? 將上式展開并消去同類項(xiàng)可得： ? dxdy+ dxdy+(whwo)dxdy=0 ? 再消去 dxdy, 可得出流體的連續(xù)性方程： xqx?? yqy??xqx??yqy??yx qqxy?? ???? (whwo)=0 流體連續(xù)性方程： 如果該單元柱體的頂面和底面均為不可滲透的表面，那么 (whwo)dxdy是表示由于 A板與 B板在 Z方向有運(yùn)動(dòng)使 h發(fā)生變化而引起的容積變化率，即 (whwo)柱體高度的變化率， 因此 (whwo)可寫成 。 dhdt (1)油楔中取一各邊長(zhǎng)為 dx、 dy、 dz的微小單元體。 ?dzz?? ???px??px??px?? ??dzz?? ???( ) ( )pP d y d z d z d x d y d x d y P d x d y d zzx??? ??? ? ? ? ???粘性流體在剪應(yīng)力與壓應(yīng)力作用下的微單元體受力平衡是流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的原始方程之一。 微單元體的力平衡方程式 (3)底面受剪應(yīng)力 ，剪力為 : ， 而頂面上受剪應(yīng)力 ( )，其相應(yīng)的作用剪力為 ( )dxdy。 平衡方程式： (2)單元體的左表面受壓力強(qiáng)度為 P，作用壓力為 Pdydz。 右表面受壓力強(qiáng)度為 (p+ dx), 相應(yīng)的作用壓力為 (p+ dx)dydz。 式中 是壓力沿 X方向的變化梯度。 dxdy? 研究 X方向的力平衡， 所以實(shí)際上應(yīng)寫成： 對(duì) y方向上的力平衡有 ： 潤(rùn)滑油膜的厚度很薄，壓力在膜厚方向無變化，即 Z方向壓力梯度為零， 。 根據(jù)粘性流體內(nèi)摩擦定律式，其剪力與潤(rùn)滑油的粘度及速度變化梯度成正比。 可得： 式中 u、 v分別為質(zhì)點(diǎn)沿 x、 y方向的速度。 潤(rùn)滑油粘度 、壓力 P都不是 Z的函數(shù)?，F(xiàn)對(duì)上式進(jìn)行兩次積分： pd z d x d y d x d y d zzx? ?? ???x pzx? ?? ???y pzy? ?? ???0pz? ??()p ux z z?? ???? ? ? ()p vy z z?? ???? ? ??11 ()pu zCzx? ?? ????整理得 : （ 1） （ 2） 12212 Zp zu C Cx? ?? ? ? ? ??pzx? ?? ???簡(jiǎn)化： 1 ( ) ( )2 hopu h U Uzzx h? ???? ? ? ???21 ( ) ( ) ( )2 h o op zu z h U U Uzx h? ?? ? ? ? ??0hxq ud z? ?3 2 21 ( ) ( ) ( )2 3 2 2 0h o oxhp hz z zU U U zq x h????????? ? ? ? ??3 ( ) ( )12 2hop hh UUx? ?? ? ? ??1 1 2ho pU U hC xh ? ??? ? ? ??02CU?積分常數(shù)為：