【正文】 設(shè)備潤(rùn)滑基礎(chǔ) 主講：馮家麟 第一章 摩擦、磨損與潤(rùn)滑 ? 第一節(jié) 摩擦學(xué)簡(jiǎn)介 ? 一、摩擦學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 ： ? 摩擦學(xué)是 19世紀(jì) 60年代才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的。在這以前，摩擦、磨損、潤(rùn)滑及零件設(shè)計(jì)這 4個(gè)方面之間缺乏有機(jī)的聯(lián)系，以致零件的設(shè)計(jì)人員只限于力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)考慮問(wèn)題，很少了解摩擦磨損，潤(rùn)滑的知識(shí)，甚至缺乏這方面的基本知識(shí)，不單是中國(guó)如此，國(guó)外同樣也是這樣。英國(guó) 1964年組成以喬斯特為首的一個(gè)小組，受英國(guó)科研與教育部的委托，調(diào)查了潤(rùn)滑方面的科研與教育工作的現(xiàn)狀以及工業(yè)企業(yè)在這方面的情況。后于 1966年提出了一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告，這著名的‘‘喬斯特報(bào)告”。這項(xiàng)報(bào)告提到，通過(guò)充分利用現(xiàn)有的摩擦學(xué)理論，就可使英國(guó)工業(yè)每年節(jié)約 5億 1千多萬(wàn)英鎊，相當(dāng)于英國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的 1％。因而引起了英國(guó)政府和工業(yè)部門(mén)的重視。英國(guó)開(kāi)始抓了一下摩擦、磨損、潤(rùn)滑方面的科學(xué)技術(shù)工作，并因此而提出了一個(gè)新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的概念，我國(guó)正確翻譯為“摩擦學(xué)”。至于名詞，只是一個(gè)符號(hào)，并不重要，最要緊的是賦予這個(gè)名詞的，新內(nèi)容，新定義。 ? 摩擦學(xué)的定義：研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面及其有關(guān)理論的一門(mén)科學(xué)。 ? 摩擦學(xué)工作者的戰(zhàn)斗口號(hào)：同磨損作斗爭(zhēng)，控制摩擦。 二、摩擦學(xué)研究的內(nèi)容 ? 摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面及其有關(guān)理論和實(shí)踐的一門(mén)科學(xué)和技術(shù)，從這定義可知道，摩擦學(xué)是集中精力探討相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固體接合面上的承載力問(wèn)題。因此這門(mén)學(xué)科的內(nèi)容包括各種有用的知識(shí)，其所涉及的內(nèi)容很廣泛，有潤(rùn)滑、摩擦、磨損、接觸力學(xué)，表面物理和化學(xué)等方面的課題。摩擦學(xué)就是運(yùn)用了物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、材料學(xué)和工程學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)研究各種工程問(wèn)題；醫(yī)學(xué)問(wèn)題，日常生活方面的一切問(wèn)題。這門(mén)學(xué)科確實(shí)是一門(mén)多科性的學(xué)科。這就把摩擦、磨損、潤(rùn)滑，零件設(shè)計(jì)有機(jī)地聯(lián)系在一起了。因?yàn)樗强鐚W(xué)科的，所以引起了化學(xué)家、工程師、冶金學(xué)家、物理學(xué)家等專(zhuān)家們對(duì)摩擦和磨損的興趣。 三、摩擦學(xué)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài) ? 自從摩擦學(xué)這一新詞的提出之后，就很快得到世界的公認(rèn)。各國(guó)也相應(yīng)接受。首先在英國(guó)就成立了摩擦學(xué)研究中心，并開(kāi)展對(duì)各企業(yè)進(jìn)行咨詢(xún)服務(wù)，收到良好的效果，同時(shí)在幾所大專(zhuān)院校開(kāi)設(shè)了摩擦學(xué)專(zhuān)業(yè)課，培訓(xùn)人才。英國(guó)規(guī)定工科學(xué)生要學(xué)完 36學(xué)時(shí)的摩擦學(xué)課程，還規(guī)定有“摩擦學(xué)技術(shù)士”考試的摩擦學(xué)學(xué)位制度，并在里茲大學(xué)設(shè)有摩擦學(xué)專(zhuān)業(yè)，斯旺西大學(xué)設(shè)有摩擦學(xué)工業(yè)技術(shù)課程，全國(guó)設(shè)有 4個(gè)摩擦學(xué)開(kāi)發(fā)研究服務(wù)中心。隨后美、日等國(guó)都訂潤(rùn)滑辦法或潤(rùn)滑法規(guī)和潤(rùn)滑獎(jiǎng)懲制度，并制定了潤(rùn)滑考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)從事潤(rùn)滑工作人員規(guī)定有考核標(biāo)準(zhǔn)和專(zhuān)業(yè)技術(shù)職稱(chēng)。德國(guó)設(shè)有摩擦學(xué)通信教育，對(duì)考試合格者授潤(rùn)滑工程專(zhuān)家稱(chēng)號(hào)，各大工廠對(duì)職工規(guī)定有 31學(xué)時(shí)的摩擦學(xué)短期教育課程。我國(guó)清華大學(xué)、武漢工學(xué)院等學(xué)校設(shè)立了摩擦學(xué)教研室及摩擦學(xué)研究中心。開(kāi)設(shè)了摩擦學(xué)專(zhuān)業(yè)課程。并培養(yǎng)了這方面專(zhuān)業(yè)研究生。 四、摩擦學(xué)的重要性 動(dòng)力能屬于二次能源，是寶貴的能源。世界上能源總耗的 50%一 60％消耗在動(dòng)力機(jī)械上，而這些機(jī)械當(dāng)前的能源有效利用率平均只有 30％左右。德國(guó)福格爾波爾教授推測(cè)，估算出世界上能源的 1／ 3～ 1／ 2消耗在摩擦損失上。近年來(lái)喬斯特也指出，世界能源的30%一 40％消耗在摩擦損失中。當(dāng)然這些能源中為了克服摩擦阻力，消耗一部分是不可避免的，但是加強(qiáng)管理，采用 —些先進(jìn)技術(shù)，其中很大一部分能源是可以節(jié)約的。日本省能潤(rùn)滑設(shè)計(jì)及采用省能潤(rùn)滑油 (脂 )就取得了節(jié)能 5%～ 10%的效果。我國(guó)為了加強(qiáng)合理潤(rùn)滑技術(shù)，做到節(jié)約，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局已在 1992年頒發(fā)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) ——GB 13608 92《合理潤(rùn)滑技術(shù)通則》 摩擦學(xué)的重要性 2 ? 喬斯特在 1966年提出的調(diào)查報(bào)告中指出：英國(guó)的企業(yè)利用現(xiàn)有的摩擦學(xué)知識(shí)，每年可以節(jié)約 5億 l千多萬(wàn)英鎊，其分解項(xiàng)目如下： ? 1)減少維修和更新 230百萬(wàn)英鎊占44． 66％； ? 2)減少機(jī)器故障 115百萬(wàn)英鎊占 ? 22． 32％； ? 3)延長(zhǎng)機(jī)器壽命 100百萬(wàn)英鎊占 ? ％； ? 4)減少摩擦損耗 28百萬(wàn)英鎊占 ％； ? 5)節(jié)約投資 22百萬(wàn)英鎊占 ％； ? 6)節(jié)約潤(rùn)滑劑 10百萬(wàn)英鎊占 ％； ? 7)節(jié)約人力 10百萬(wàn)英鎊占 ％。 ? 在此之后，世界各國(guó)也相繼做了調(diào)查。 1 974年公布的數(shù)值如下： ? 英國(guó)每年節(jié)約 20． 4億美元； ? 美國(guó)每年節(jié)約 1 60億美元； ? 日本每年節(jié)約 27億日元； ? 原聯(lián)邦德國(guó)每年節(jié)約12億馬克。 第二節(jié) 摩 擦 ? 一、概述： ? 兩個(gè)相互接觸的物體在外力作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) (或具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì) )時(shí)，在接觸而間產(chǎn)生切向的運(yùn)動(dòng)阻力，叫摩擦力，這種現(xiàn)象叫摩擦。 ? 在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件或部件統(tǒng)稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)副。如：軸與軸承、齒輪嚙合、平面導(dǎo)軌、鏈桿與鉸鏈、蝸桿與蝸輪、鏈條與鏈輪、凸輪與頂桿、皮帶與皮帶輪等。這些運(yùn)動(dòng)副在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)都會(huì)發(fā)生摩擦，因此，我們也稱(chēng)這些運(yùn)動(dòng)副為摩擦副。 摩擦的有害方面主要是： ? 1)消耗大量的能量： ? 如機(jī)床的導(dǎo)軌、軸承副、齒輪副等，由于摩擦的存在，需要消耗大量的能量去克服摩擦阻力，因此，降低了機(jī)械效率。 ? 2)摩擦副嚴(yán)重磨損： ? 由于摩擦表面直接接觸，零件表面產(chǎn)生磨損。降低機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，間隙變大，出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲，不僅影響機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)還縮短了機(jī)械的壽命。 ? 3)產(chǎn)生熱量： ? 根據(jù)能量守恒和能量轉(zhuǎn)換的原理，機(jī)械運(yùn)動(dòng)因克服摩擦而消耗的那部分能量轉(zhuǎn)變成熱量散發(fā)出來(lái)。其中一部分熱量散發(fā)到大氣中去，另一部分使機(jī)械溫度升高，降低機(jī)械的強(qiáng)度，甚至產(chǎn)生熱變形、熱疲勞、熱磨損、導(dǎo)致機(jī)械精度破壞，影響機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起設(shè)備事故。 二、摩擦的類(lèi)型 ? (一 )按摩擦發(fā)生的部位分類(lèi)： ? 1．外摩擦： ? 外摩擦是指在兩個(gè)相互接觸的物體表面之問(wèn)發(fā)生的摩擦。外摩擦即一般所指的摩擦，只與接觸表面的作用有關(guān)，而與物體內(nèi)部狀態(tài)無(wú)關(guān)。 ? 2．內(nèi)摩擦： ? 內(nèi)摩擦是指在同一物體內(nèi)部各個(gè)部分之間發(fā)生的摩擦。內(nèi)摩擦一般發(fā)生在液體或氣體之類(lèi)的流體內(nèi)，但也可能發(fā)生在固體內(nèi)，如石墨、二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑內(nèi)。 (二 )按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類(lèi) ? ： ? 當(dāng)物體在外力作用下對(duì)另一物體產(chǎn)生微觀彈性位移，但尚未發(fā)牛相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦稱(chēng) 靜摩擦。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)即將開(kāi)始瞬間的靜摩擦即最大靜摩擦，又稱(chēng)極限靜摩擦。此時(shí)的摩擦系數(shù)，稱(chēng)為靜摩擦系數(shù)。 ? 2. 動(dòng)摩擦 ： ? 物體在外力作用下沿另一物體表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦，稱(chēng)為動(dòng)摩擦。此時(shí)的摩擦系數(shù)稱(chēng)為動(dòng)摩擦系數(shù)。 (三 )按摩擦系數(shù)副的運(yùn)動(dòng)形式分類(lèi)： ? ： ? 兩接觸物體作相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的摩擦稱(chēng)為滑動(dòng)摩擦，見(jiàn)圖 ? 2．滾動(dòng)摩擦 ? 物體在力矩的作用下沿接觸表面滾動(dòng)時(shí)的摩擦，稱(chēng)為滾動(dòng)摩擦，見(jiàn)圖 l—16。 ? 3．旋轉(zhuǎn)摩擦 ? 物體沿垂直于接觸表面的軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)摩擦，但分類(lèi)時(shí)有時(shí)不作為單獨(dú)摩擦形式出現(xiàn)。 ? 4．復(fù)合摩擦 ? 同時(shí)存在滾動(dòng)和滑動(dòng)或兩種以上的摩擦稱(chēng)為復(fù)合摩擦，如齒輪 l嚙合。 (四 )按摩擦副表面的潤(rùn)滑狀態(tài)分類(lèi) : ? 1．干摩擦 : ? 干摩擦在摩擦學(xué)名詞術(shù)語(yǔ)中是這樣定義的：無(wú)潤(rùn)滑的摩擦。而且只有既無(wú)潤(rùn)滑又無(wú)濕氣的摩擦，才能稱(chēng)為干摩擦； ? 2．邊界摩擦： ? 兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面被極薄的潤(rùn)滑膜隔開(kāi)，而潤(rùn)滑膜不遵從流體動(dòng)力學(xué)定律，且兩表面之間的摩擦磨損不是取決于潤(rùn)滑油的黏度而是取決于兩表面的特性和潤(rùn)滑劑的性能時(shí)的摩擦。 ? 3．流體摩擦： ? 兩物體的摩擦表面被一層連續(xù)的流體潤(rùn)滑劑薄膜完全隔開(kāi)的摩擦稱(chēng)為流體摩擦。這時(shí)的摩擦發(fā)生在界面的流體潤(rùn)滑劑膜內(nèi)。 ? 4．混合摩擦： ? 在摩擦表面上同時(shí)存在著流體摩擦，邊界摩擦和干摩擦的棍合狀態(tài)下的摩擦稱(chēng)為混合摩擦。混合摩擦一般以半干摩擦或半流體摩擦的形式出現(xiàn)。 第三節(jié)磨 損 ? 一、磨損的定義 ? 磨損是物體工作表面的物質(zhì)．由于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象。 ? 磨損是固體與其他物體或介質(zhì)相互問(wèn)發(fā)生機(jī)械作用時(shí)其表層的破壞過(guò)程。 二、磨損過(guò)程 ? (自然的 )磨損： ? 雖然機(jī)械摩擦表面大多數(shù)用潤(rùn)滑劑來(lái)潤(rùn)滑，但是，不可能在機(jī)械表面上永遠(yuǎn)保持 —層潤(rùn)滑油膜而將金屬完全隔開(kāi)。例如，當(dāng)機(jī)械剛啟動(dòng)時(shí)，在零件的摩擦表面上還沒(méi)有形成油膜，這時(shí)就會(huì)發(fā)生金屬之間的直接接觸。因此，不可避免的要發(fā)生磨損，這種磨損稱(chēng)為機(jī)械的正常磨損。 ? 2．意外的 (過(guò)早的或事故的 )磨損： ? 機(jī)件在工作期內(nèi)，因發(fā)生過(guò)早的磨損會(huì)提前損壞，或因機(jī)件產(chǎn)生缺陷造成強(qiáng)烈的破壞事故。一般情況是潤(rùn)滑不良會(huì)引起機(jī)件工作不正常。有時(shí)磨損雖在允許范圍內(nèi)，但磨損速度卻迅速的增快，縮短機(jī)械工作壽命 (周期 )，最后機(jī)件突然損壞造成事故。 3個(gè)階段 ? (1)初期磨損階段： ? 零件 (摩擦副 )由于制造和安裝誤差的原因，機(jī)件在運(yùn)動(dòng)初期磨損速度較快，并有輕微的振動(dòng)、噪聲和發(fā)熱，這個(gè)階段的磨損稱(chēng)為初期磨損。 ? (2)穩(wěn)定磨損階段： ? 在這個(gè)階段，磨損速度是比較緩慢和恒定的，在磨損量與時(shí)間關(guān)系的曲線上，具有基本不變的斜率。通常機(jī)械壽命的長(zhǎng)短就是指這一段時(shí)間的長(zhǎng)短。 ? (3)加速