第8章 边界润滑理论要点
摩擦学原理(第8章润滑设计)
（8.3）
h C e cos
e ,ψ的定义见第七章，因此略去式（8.3）的高阶小量，有： R
（8.4）
式中， 角起始线为轴承中心O和轴颈轴心O’的连线，顺转动 方向度量，见图8.1。 因此，当=0和=180时，润滑膜为最厚和最薄，分别为：
hmin C e
（8.14）
轴承最小润滑膜厚位于轴承的圆柱部分，因此有：
hmin C e
（8.15）
4．齿轮与凸轮 gear and cam 对于齿轮与凸轮润滑的问题，通常可以用半径分别与接触点的曲率半径相等的两 个圆柱体的接触来近似表示，见图8.5a。并进一步通过数学变换转化为一个当量圆柱 与一个平面的接触，见图8.5b。因此齿轮、凸轮润滑时的油膜厚度为：
1．圆轴承
circular bearing 任意两圆弧表面间的膜厚表达式。图8.1为某一工作状态下的圆轴承，轴承半径为R， 轴颈半径为r，半径间隙为C=R-r，e为偏心距，h为任一点处的膜厚。
在图8.1的 OOM
中
R2 e2 (r h)2 - 2e(r h)cos
将式（8.1）两端分别减去 并整理可得：
T T ) 流 ( k ) n n 壁
p流 p壁
2．不同流体边界面上的边界条件 different fluid boundary condition 通常可认为两种润滑流体在分界面的速度、温度和压力是连续的，即
u1流 u2流
p1流 p2流
T1流 T2流
3．流体润滑膜上游和下游的边界条件 up and down boundary conditions of fluid film 流体润滑膜上游或下游边界条件一般是指该处流体润滑膜的压力和温度。其中上游 边界处的流体膜温度，通常可以取由外界供给润滑剂和经下游边界返回上游处润滑流 体的混合温度。压力边界条件中气体润滑由于气体的可膨胀性，气体润滑膜可以保持 连续而无破裂，液体润滑中由于液体通常认为是不可压缩的，因此液体润滑时润滑膜 下游常有破裂发生，变得较为复杂。
第9章 边界润滑
化学反应膜的作用还取决于膜的连接强度。只有当反应膜与母体金属
连接牢固时才能起保护金属的作用，否则反应膜反而加剧磨损。此外， 生成化学反应膜的添加剂的化学性质相当活泼，容易腐蚀金属，因此应
根据摩擦副材料和工况条件等因素来选择添加剂的品种和使用量。
9.2.2 化学反应膜
如图，对于高速重载的摩擦副在产生适当接触温度条件 下，润滑油中的成分，例如极压添加剂中的硫、磷、氯等 元素与金属表面进行化学反应，迅速地生成厚的无机物膜 。这种化学反应膜的熔点高，剪切强度低，与金属表面连 结牢固，可以保护表面不致发生粘着磨损。在滑动过程中 ，当反应膜被磨去以后将迅速生成新膜，有效地防止两摩 擦表面的直接接触。 化学反应膜主要是防止粘 着效应，适用于高温、高速 和重载条件，广泛应用于重 载齿轮和蜗轮传动的润滑。
长链结构的碳氢化合物都具有物理吸附能力，但物理吸附 力比较弱，并且物理吸附膜的形成是可逆的。如图，吸附膜 通常由三四层分子组成，每层分子紧密排列，依靠分子间的 内聚力使分子栅具有一定的承载能力。因此两摩擦表面能被 吸附膜隔开，滑动时，是吸附膜之间的外摩擦。
（2）化学吸附
当表面温度较高时，极性分子能与表面金属形成金属 皂。例如CnH2n＋1COOM，也是极性分子，依靠化学结合 被吸附在金属表面形成分子栅，称化学吸附。
（2）影响边界膜性能的因素
•速度：在平稳的摩擦状态下，边界润滑的摩擦系数一般不
随滑动速度改变而保持一定的数值。在由静摩擦向动摩擦转 变过程中，吸附膜的摩擦系数随滑动速度增加而下降，然后 达到一定数值；化学反应膜的摩擦系数随速度的升高而增加 ，然后趋于一定数值。
•载荷：通常载荷范围，吸附膜的摩擦系数不因载荷而变化
边界摩擦和润滑化学作用
二. 流体润滑和弹性流体 润滑 三. 油性添加剂在半流体 润滑中的减摩作用 四. 抗磨和极压添加剂对 边界和极压润滑的作用 五. 润滑剂对几种机械失 效形式的影响
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一、摩擦与润滑
1、基本概念 • 摩擦（ friction）－两个物体表面相互接触并做 相对运动时的受阻现象叫做摩擦。 • 摩擦力－摩擦时产生的阻力称为摩擦力。 • 摩擦系数－表现这种摩擦力的因数称为摩擦系数。 （机械负载大时摩擦系数也大，负载小时摩擦系 数也小） • 磨损（wear）－由于摩擦而产生的固体摩擦面失 重或损伤，称为磨损。 所以，摩擦是动力能源损失的重要原因。
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固体润滑添加剂作用机理：
• 将纳米技术应用于润滑领域，使 固体润滑添加剂的颗粒达到纳米 级，是解决现有添加剂存在问题 的一个有效的方法。 • (1)纳米材料粉末近似为球形，它 们起类似“微型球轴承” 的作用， 从而提高了摩擦副表面的润滑性 能(如图3a） 。 • (2)在重载和高温条件下，两摩擦 表面间的颗粒被压平，形成一滑 动系，降低了摩擦和磨损。 图3 纳米材料润滑作用模型
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（3）氯系极压剂
• 主要品种：含氯29～72％的氯化石蜡等。 • 性能特点：反应活性较高，摩擦系数较小，在极 压条件下可起润滑作用。但遇水即分解HCl，引 起金属腐蚀。 • 作用机理： • ① 有机氯化合物在摩擦下，在金属表面与铁反应 形成氯化亚铁保护膜（层状结构） →而达到减摩 抗磨的作用。 • 而且， 前述各种抗磨极压剂的载荷能力排序如下： 氯系<磷系<硫系
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2、边界膜分类
物理吸附膜
化学吸附膜 边界膜
化学反应膜
沉积膜 固体润滑剂膜
牺牲型化学反应膜
第8章 边界层理论基础及绕流运动
ux
∂ux ∂x
+ uy
∂ux ∂y
=
−
1 ρ
∂p ∂x
+
ν
∂ 2u x ∂y 2
∂ux ∂x
+
∂uy ∂y
=
0
边界条件： y =∞（或y = δ），ux = U0 y = 0，ux = 0， uy = 0
其中 U0 = U0(x) =边界层外界限上外部流动的流速 且 p = p(x) = 边界层外界限上外部流动的压强
=
1 2
δ
∫ ∫ δ2 =
δ 0
ux u0
⎜⎜⎝⎛1 −
ux u0
⎟⎟⎠⎞dy
=
δ
1η(1− η)dη = 1 δ
0
6
∫ ∫ ( ) δ3 =
δ 0
ux u0
⎜⎜⎝⎛1 −
ux 2 u0 2
⎟⎟⎠⎞dy
=
δ
1η 1− η2
0
dη = 1 δ 4
10
8.2 边界层微分方程
——利用边界层的性质对粘性流体基本方程（纳维－斯托克斯方 程）的简化。
⎟⎠⎞
=
−δ
dp dx
− τ0
其中: dp/dx和u0应由外部流动求出 → 三个未知量：τ0、δ、ux
应用动量积分方程求解边界层问题的步骤： (1) 补充 ux (x, y)、τ0(δ)关系式，积分方程转变为δ的常微分方程
（2）求解方程 → δ(x) →τ0(x) → 总阻力→ 计算位移厚度等其他 参数。
∫ ∫∫ ∑ 积分形式的动量方程
∂ ∂t
ρurdV
cv
+
cs
ρurundA
摩擦学基础知识
（1）表面被污染，摩擦系数主要取决于材料 组合、表面特征和环境条件。
（2）粘着起作用，摩擦系数开始上升，假如 微凸体断裂，产生旳磨粒将产生犁沟作用， 使摩擦系数升高。
（3）滑动表面旳磨粒数增长，犁沟作用增大， 摩擦系数急剧上升。
（4）进入和离开界面旳磨粒数相等时，摩擦 系数保持不变，即稳定摩擦状态。
摩擦学基础知识
概述
1. 摩擦旳定义：
2. 两个接触物体表面在外力 3. 作用下相互接触并作相对 4. 运动或有运动趋势时，在 5. 接触面之间产生旳切向运 6. 动阻力称为摩擦力，这种 7. 现象就是摩擦。
2 . 摩擦旳分类
1. 摩擦按摩擦副运动状态可分为：
静摩擦：两物体表面产生接触，有相对运动趋势但 还未产生相对运动时旳摩擦。 动摩擦：两相对运动表面之间旳摩擦。 2. 按相对运动旳位移特征分类：
（2）具有牵引力旳滚动---滚动元件受到法向 载荷和牵引力旳作用产生旳滚动形式。
（3）伴随滑动旳滚动---几何形状造成接触面 上切向速度不等时，必将伴有滑动。
3. 滚动摩擦系数
（1）有量纲滚动摩擦系数： 驱动力矩与法向载荷之比，即： μ=FR/W=W´e/W=e
（2）无量纲滚动摩擦系数：
称为滚动阻力系数，数值上等于驱动力矩 在单位距离所作旳功与法向载荷之比，即：
（4）无法解释脆性材料具有旳和金属材料相 同旳摩擦性能。
（5）粘着理论很好解释了“相溶性较大旳金 属之间轻易发生黏着,摩擦系数较大”现象.
对于大多数金属, τb =0.2σs ,计算旳摩擦系数 为 0.2左右.正常大气中测旳摩擦系数都高达 0.5 ,在真空中更高.
5.机械—粘着—犁沟综合作用理论
（了解）当刚性滚轮沿弹性平面滚动时，在 一整周内滚轮走过旳距离要不不小于圆周长。 （了解）当弹性滚轮沿刚性平面滚动时，在 一整周内滚轮走过旳距离要不小于圆周长。
摩擦与润滑基础知识
摩擦与润滑基础知识目录一、摩擦学概述 (3)1. 摩擦定义及分类 (4)2. 摩擦现象产生原因 (5)3. 摩擦学研究内容 (6)二、润滑基础 (7)1. 润滑概念及作用 (8)2. 润滑剂的种类与选择 (9)3. 润滑剂的性能指标 (11)三、摩擦与润滑原理 (13)1. 摩擦原理 (14)（1）干摩擦与湿摩擦 (15)（2）静摩擦与动摩擦 (16)（3）摩擦系数 (17)2. 润滑原理 (17)（1）液体润滑理论 (18)（2）边界润滑理论 (19)（3）混合润滑理论 (20)四、摩擦与润滑影响因素 (21)1. 材料性质影响 (22)2. 载荷影响 (23)3. 速度影响 (24)4. 温度影响 (24)5. 环境影响 (25)五、摩擦与润滑在机械设备中的应用 (26)1. 机械设备中的摩擦现象分析 (28)2. 润滑系统在机械设备中的作用 (29)3. 典型机械设备的润滑设计实例 (30)六、摩擦与润滑的试验方法及设备 (31)1. 摩擦试验方法及设备 (32)2. 润滑试验方法及设备 (33)3. 实验结果分析与评价 (34)七、摩擦与润滑的故障诊断及维护保养 (35)1. 摩擦故障类型及诊断方法 (36)2. 润滑系统故障分析及处理 (38)3. 设备维护保养策略与建议 (39)八、摩擦与润滑的未来发展趋势 (41)1. 新材料在摩擦与润滑领域的应用 (42)2. 智能润滑技术的发展趋势 (43)3. 绿色环保理念在摩擦与润滑领域的应用前景 (44)一、摩擦学概述摩擦学是研究摩擦现象及其产生机理、摩擦过程中的物理和化学变化、摩擦性能和润滑技术的一门科学。
它是机械工程、材料科学、物理学和化学等多个学科的交叉领域。
在现代工程实践中，摩擦学对于提高机械效率和可靠性、节约能源、减少磨损和延长设备寿命等方面具有至关重要的作用。
摩擦是一种普遍存在的物理现象，任何相互接触的物体在相对运动时都会产生摩擦。
摩擦与润滑基础知识【范本模板】
第八章摩擦和润滑第一节摩擦与润滑机理当两个紧密接触的物体沿着它们的接触面作相对运动时,会产生一个阻碍这种运动的阻力,这种现象叫摩擦，这个阻力就叫做摩擦力。
摩擦力与垂直载荷的比值叫做摩擦系数。
摩擦定律可描述如下：(1)摩擦力与法向载荷成正比：F∝P(2)摩擦力与表面接触无关，即与接触面积大小无关。
(3)摩擦力与表面滑动速度的大小无关。
(4)静摩擦力(有运动趋向时)F S大于动摩擦力F K，即Fs＞F K。
摩擦定律公式:F＝f·P或f＝F／P式中F——摩擦力f—-摩擦系数；P-—法向载荷，即接触表面所受的载荷；载荷机器中凡是互相接触和相互之间有相对运动的两个构件组成的联接称为“运动副”（也可称为“摩擦副”)，如滚动轴承里的滚珠与套环；滑动轴承的轴瓦与轴径等等。
任何机器的运转都是靠各种运动副的相对运动来实现，而相对运动时必然伴随着摩擦的发生.摩擦首先是造成不必要的能量损失，其次是使摩擦副相互作用的表面发热、磨损乃至失效。
磨损是运动副表面材料不断损失的现象，它引起了运动副的尺寸和形状的变化，从而导致损坏。
例如油在轴承内运转，轴承孔表面和轴径逐渐磨损，间隙逐渐扩大、发热，使得机器精度和效率下降，伴随着产生冲击载荷，摩擦损失加大,磨损速度加剧，最后使机器失效.润滑是在相对运动部件相互作用表面上涂有润滑物质，把两个相对运动表面隔开，使运动副表面不直接发生磨擦,而只是润滑物质内部分子与分子之间的摩擦。
所以，摩擦是运动副作相对运动时的物理现象,磨损是伴随摩擦而发生的事实，润滑则是减少摩擦、降低磨损的重要措施。
第二节摩擦分类摩擦有许多分类法。
1.按摩擦副运动状态分静磨擦:一个物体沿着另一个物体表面有相对运动趋势时产生的摩擦,叫做静摩擦。
这种摩接力叫做静摩擦力。
静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。
当外力克服了最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。
动磨擦：一个物体沿着另一个物体表面相对运动时产生的摩擦叫做动摩擦。
设备润滑常识
设备润滑常识1、润滑理论基础:1.1磨擦按润滑状态分类：1.1.1干摩擦：既无润滑又无湿气的摩擦，金属间的摩擦系数达0.3~1.5，磨损严重，发热很多，寿命相对很短。
1.1.2流体摩擦(流体润滑)：两相对运动表面间被一层具有压力的流体完全隔开的摩擦。
它的摩擦阻力很小，只与流体内部的分子运动阻力（即黏度）有关。
摩擦系数约0.01~0.001或更小，摩擦损耗功率小，几乎没有磨损，是一种非常理想的摩擦状态。
1.1.1.1.3边界摩擦（边界润滑）：在摩擦表面间存在一层即具有润滑性能，又能吸附在表面上的极薄的边界膜（一般在0.1um以下），使其处于干摩擦和流体摩擦的边界状态。
摩擦阻力的大小不取决于润滑剂的黏度，而与表面的吸附性质和边界膜有关。
摩擦系数一般为0.15~0.3，能比较有效的降低摩擦阻力和减轻磨损。
边界膜按结构形式分为吸附膜和反应膜a、吸附膜：润滑剂中的极性分子靠分子力吸附在金属表面上，形成定向排列的分子栅，亦称为物理吸附膜。
形成膜既可以是单分子层，也可以是多分子层。
分子间的内聚力使吸附膜具有一定承载能力，能有效的防止两摩擦表面直接接触，构成吸附膜之间的摩擦。
这种边界膜的润滑性能通常称润滑油的油性，在温度、速度和载荷不太高的情况下极易形成并起作用。
此外润滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属表面上，形成另一种熔点低、剪切强度小的化学吸附膜，可防止粘着和降低摩擦力。
在重载、高温时吸附膜很容易破裂，使金属摩擦面直接接触。
b、反应膜：在润滑剂中添加硫、氯、磷等与金属表面进行化学反应生成的膜，称为反应膜，它的熔点高、剪切强度和摩擦系数较低，主要用在重载、高滑动速度和高温作条件下。
1.1.4混合摩擦（混合润滑）：既有边界摩擦又有流体摩擦（即半流体摩擦）的混合状态。
摩擦系数一般为0.1~0.01，能较有效的降低摩擦阻力，减轻磨损。
是一般机械设备在实际工况下最为常见的摩擦方式，尤其是在设备开停车的阶段时通常会发生此类摩擦。
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2.3 化学膜 （1）表面的化学活有关 极性添加剂对不活泼金属（Pt,Ag,Ni,Cr)减 摩效果不明显。 （2）油性剂分子链长度：同系物中，一般随 着碳链的增长，润滑效果增强，碳原子 数须在12以上才的润滑效果。这主是分 子之间的侧向吸引力增加，油膜更加稳 定。 （3）极性功能团：耐磨效果而言，胺>酸> 醇>酯，双功能团>单功能团
– S+Fe→FeS2 – Cl-+ Fe→FeCl2或FeCl3 – PO43-+ Fe→FePO4
• 减摩抗磨机理在于反应膜 的剪切强度低，它用 膜之间的低剪切力替代了金属粘着点的高剪切 力，用缓慢的腐蚀磨损替代了剧烈的粘着磨损。 • 氧化膜：金属在空气中生成化学反应膜，干磨 擦条件下，能起瞬间润滑作用。
反应膜
1.4 固体表面应具备的特性
（1）高表面能：如金属； （2）良好的润湿性能：小接触角； （3）有化学活性，有极性功能团和悬挂键， 能与润滑油进行一定化学反应； （4）亲油疏水性；
二、润滑剂边界润滑膜行为
2.1 吸附膜 吸附膜能降低接触界面的表面能，减少摩 擦幅间的直接接触而减少摩擦。 如氧化膜、水气膜、有机膜 2.2 分子层数 随着吸附分子层数的增加，摩擦力下降。 当分子层到7~10层数时，液膜的切应力才 降到宏观值。
• 特点
– – – – 在金属表面膜，以降低固固接触时的表面损伤。 润滑的有效性由油膜的物理-化学性能所决定 边界润滑膜的形成还取决于运动工况。 边界润滑是一种综合复杂现象。在机械运转中，边 界润滑和流体动压润滑混合发生或交替发生。
一、形成边界膜的物理-化学机理
1.1 物理吸附：范德华 力作用下分子吸附在 金属表面（如矿物油 吸附）。吸附膜可以 是多分子层或单分子 层。吸附热小、吸附 强度低，临界温度约 为100℃，只能适用 于低载、低速、低温 条件。
物理吸附润滑模型
形成边界膜的物理-化学机理(2)
1.2 化学吸附：分子通 过化学键与金属表面 连接成一个单分子层 的吸附膜（如油酸吸 附）。吸附热较大、 吸附强度高，临界温 度约为200~ 300 ℃， 能适用于中载、中速、 中温条件。
形成边界膜的物理-化学机机理(3)
• 1.3 化学反应膜：含有S、P、Cl等活性原子的 添加剂在摩擦高温下与金属表面发生化学反应， 生成低剪切应力的化学反应膜。 反应膜的强度 高于吸附膜，可适用于高载、高速、高温条件。
边界润滑模型
三、边界润滑机理
• 在法向载荷作用下，相对运动的微凸体接触增加，部 分接触点处边界膜破裂，产生金属间的接触。摩擦力 等于粘附点的剪切力和边界膜分子的剪切力之和。 • 摩擦力： F=αArτ+(1- α) Arτα =Ar[ατ+(1- α) τα]
Ar:真实接触面积， α金属直接接触所占的比例 τ ：粘附点的剪切强度，τα：边界膜分子的强度
若α →0，即边界膜起决定作用时，
a s
边界润滑剂
• 非极性润滑剂：低W、T下，形成物理吸附膜 烃类物质、基础油 • 油性剂：中低W、T、V条件下，与金属表面形 成吸附膜，起边界润滑作用。含有极性基团， 如动植物油，脂肪酸、醇、酯、胺等。 • 抗磨剂：中等W、T条件下，与金属表面反应 生成化学反应膜，主要作用为减磨。磷酸酯， 硼酸酯胺盐和金属盐（如锌盐、铋盐） • 极压剂：高的W、T条件下，与金属表面反应 生成化学反应膜，主要作用为防胶后（烧结） 如含S、Cl、P的添加剂。
边界的协同效应
边界润滑理论
• • • • • 概述 边界润滑膜 边界润滑机理 边界润滑剂 提高边界膜性能的措施
概述
• 1922年英国学者HARDY第一次提出了“边界 润滑”的概念。他和达勃注意到当摩擦表面靠得很
近时，决定表面摩擦学性质的是润滑剂和表面之间相 互作用所生成的边界润滑膜的物理特性，他们称这种 润滑状态为“边界润滑”。
• 载荷：W=Ar[ασs+(1- α) σs f]
σs金属抗压强度，σs f边界膜的屈服极限，一般两种
相差不大，取一平均值
s , 使 s sW Ar s
可得摩擦因数为：
F Ar[ (1 ) a ] (1 ) a W Ar s s