摩擦、磨损与润滑概述

hs17

在机器系统中，机器构件的运动是最基本和最重要的功能。机器构件之间的相对运动和接触作用(约束)是通过运动副来实现的，同时也在运动副中两表面之间产生摩擦、磨损和润滑等物理现象，称作摩擦副。运动副主要分为低副(理论上为面接触，如滑动轴承、导轨、制动器、密封等)和高副(理论上是线、点接触，如齿轮、凸轮等)。机器中任何一个摩擦副故障(称为摩擦学失效)，都将使机器全部或相关部分产生超出设计允许的运动甚至造成功能的失效。而这种故障在概率上又远远超过由构件整体失效导致的功能丧失。同时，避免摩擦学失效，又要复杂和艰难得多。因此，摩擦副的设计就是摩擦学研究的基本问题和极其重大的课题，也是机器设计的关键技术之一。
        机器除了要消耗很大一部分的能量来克服摩擦阻力外，由于机器中的摩擦副往往会较早地损坏，相应的零部件(易损件)就需要定期更换。许多机器每年制造用以更换易损件的钢材量与制造整机的相当。再加上制造、运输、存储、维修维护的费用和维修时的停机损失，构成了机器运行成本中的一个很大的份额。具统计，汽车的维护费用与油料费用相当；机器的失效报废，有80%以上是由磨损造成的。常见的摩擦学失效如下：
        轴承因磨损而间隙变得过大，轴颈就偏离设计规定的位置，机器将失去预定的运动精度；当轴上作用有不稳定的载荷时，间隙过大直接导致轴颈与轴承表面的撞击和机器的振动；轴及轴上零件的变位，会导致许多不同类型的非法运动；摩擦形成的热膨胀使间隙变小或润滑不良，轴颈就可能与轴承咬死而完全不能旋转。
' w# _5 ~+ @' F1 [% f. B        齿轮齿面或凸轮表面因磨损几何形状发生变化，结果将破坏齿轮传动的平稳性和设计所规定的从动件的运动规律，磨损还造成齿轮轮齿强度的降低和断齿。
        运动副（如机床导轨等）的“爬行”是一个古典的非线性振动问题，其起因是静摩擦系数大于动摩擦系数而产生的特殊现象。解决的办法是通过改变润滑状态或表面材质匹配来改变这个问题。
        流体动力径向轴承在一定条件下会产生自激振动，或称油膜振荡。由此引起的毁机等重大事故的发生已屡见不鲜。
" N+ n# v( G  Z! ?/ \. C& g        在制动器、离合器、带传动或其他摩擦传动以及螺纹或其他借助摩擦力锁紧的联接中，又时常因为摩擦表面之间的摩擦力不足或不稳定而失效，甚至出现严重事故，例如因制动失灵造成的车辆、提升设备的重大事故。
7 r) b4 b2 o- K        利用接触（如内燃机的活塞环）或不接触（迷宫式）密封的表面副阻止流体泄漏时，发生碰撞、磨损使间隙增大和流体外流失控，造成机器故障甚至严重后果。
2 s/ [' B) k8 b        除此之外，工作物料对工作部件产生的磨损，也是摩擦学研究去解决的重要课题。例如：搅拌机叶片、水轮机叶片、球磨机磨球、破碎机工作件等。
. |9 x0 t/ O& J3 x       润滑的目的是在机械设备摩擦副相对运动的表面间加入润滑剂以降低摩擦阻力和能源消耗,减少表面磨损,延长使用寿命,保证设备正常运转。
       润滑的作用如下：降低摩擦；减少磨损；冷却，防止胶合；防止腐蚀。
  L8 W4 {# l* h       此外,润滑剂在某些场合可以起阻尼、减振或缓冲作用。润滑剂的流动，可将摩擦表面上污染物、磨屑等冲洗带走，起清洁作用。
       有些场合，润滑剂还可起到密封作用，减少冷凝水、灰尘及其他杂质的侵入。
       润滑的类型包括:
◇  液体润滑(摩擦)－－－两表面完全为润滑剂隔开，摩擦为流体内的粘性阻力形成。
◇  混合润滑(摩擦)－－－两表面之间又有液体润滑状态，又有边界润滑状态的混合情况。
1 A+ \: }5 y. q) H, _( ?6 u7 G◇  边界润滑(摩擦)－－－两表面之间由边界膜(吸附膜或化学膜等)形成的润滑。
4 Q0 x: }; }7 t4 E( a* J◇  无润滑(干摩擦)－－无或很少润滑剂的情况。
4 {; M8 g7 b6 Z& O8 Z. L5 R      流体润滑自然是最佳的润滑状态。
      形成液体润滑的方式主要有：流体动压润滑、弹性流体动压润滑、流体静压润滑等。