摩擦学原理(第10章润滑状态转化)说课材料.ppt

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1、摩擦学原理(第10章润滑状态转化)图10.1经典润滑状态图Dowson提出根据膜厚由小到大依次为边界润滑（boundarylubrication）混合润滑（mixedlubrication）弹流润滑(elastic-hydrodynamiclubrication)流体动压润滑(hydrodynamiclubrication）并提出25nm为弹流润滑向混合润滑转变的膜厚值。图10.2动压、弹流流体润滑膜厚状态图由弹流润滑理论，点接触膜厚公式可简化为(10.1)式中，hc为接触区中心膜厚；u为卷吸速度；0为常压粘度；为粘压系数；k是为常数。可知，在已知润滑剂常压粘度0和

2、粘压系数的条件下，弹流润滑膜厚hc应与卷吸速度u在对数坐标系中构成直线变化关系。近年来新出现的薄膜润滑应是介于弹流润滑和边界润滑之间的状态，它包容混合润滑，并且出现在相当宽的范围内。从弹流润滑向薄膜润滑转化的条件主要取决于润滑膜厚度。当弹流膜厚减薄到一定数值时，膜厚变化规律偏离弹流润滑理论，该膜厚值即为转化膜厚。由于薄膜润滑以含有分子排列规律的有序液体膜为特征，有序液体膜的厚度与界面粘附能的大小及其作用范围密切相关。图10.4给出弹流润滑开始向薄膜润滑转化时的膜厚值与润滑剂等效粘度的关系。图10.4转化膜厚与粘度关系10.1.2薄膜润滑特征（thinfilmlubric

3、ationcharacteristics）薄膜润滑研究对于深化润滑和磨损理论有着重要意义，而且也是现代科学技术发展的需要，具有广泛的应用背景。英国著名学者Dowson教授总结润滑技术的发展指出，由于润滑设计和制造技术的不断完善，在20世纪中流体润滑系统的润滑膜厚度日益减小。年代典型实例最小膜厚m1900普通滑动轴承10-4~10-51950稳态载荷滑动轴承10-51980内燃机曲轴轴承、连杆大端轴承10-5~10-6齿轮传动、滚动轴承10-6~10-71990~2000粗糙峰润滑、低弹性模量表面、磁记录装置、塑性流体动压润滑10-7~10-8甚至10-9表10.120世纪

4、中最小润滑膜厚的发展实践表明，工业中广泛应用的水基润滑介质，由于其粘度值和粘压系数低而形成薄膜润滑；高温下工作的机械，由于润滑油粘度降低而润滑膜厚常处于纳米量级；某些抗磨添加剂的作用机理就是在表面生成极薄的润滑膜。此外，超低速或者特重载荷的摩擦表面也都处在薄膜润滑状态。弹流润滑以粘性流体膜为特征，它服从连续介质力学的规律，而边界润滑以液体分子有序排列的吸附膜为特征，以表面物理化学为基础。显然，作为中间状态的薄膜润滑兼有流体膜和吸附膜的特点，因此，润滑膜的有序化是薄膜润滑的首要特征。其次，剪切时间稀化是润滑油粘度随着剪切持续时间增加而降低；剪应变率稀化是粘度随着剪应变率增加

5、而降低，它们都使得流体动压润滑膜厚度减小。由于这两种效应对于润滑膜厚的影响并不明显，所以在常规润滑设计中通常不予考虑。而薄膜润滑涉及到润滑膜分子的再构造和表面力作用，剪切时间和剪切应变率对润滑性能的影响就成为了不可忽视的特征。图10.6给出10号机械油在不同速度下接触区中心截面上膜厚分布。线a为静态接触，线b为动态接触，由此可看出：由于卷吸速度产生的流体动压效应使膜厚增加。图10.6中心截面膜厚分布（10号机械油）1．薄膜润滑的特征膜厚厚度范围如图10.7所示，13602标准液在载荷4N、温度25C、钢球直径20mm时，不同卷吸速度的膜厚曲线，表明卷吸速度越高，膜厚曲线

6、弯曲程度越大即流体动压效应越强。图示还表明，当膜厚值大于15nm以后，膜厚曲线的弧形更为显著。由此可证明，当膜厚大于转化膜厚时，润滑膜的流体动压效应才比较显著。图10.7中心截面膜厚分布（13602标准液）图10.9为载荷4N、温度20C、钢球直径20mm条件下，静态和动态接触时的膜厚随润滑剂粘度的变化。该图采用对数坐标系。由图可知，静态和动态接触的膜厚都随粘度的增加而增加，即粘度增加对于形成有序分子膜和粘性流体膜都有利。图10.9中心膜厚与粘度关系2．薄膜润滑有序化现象(orderedphenomenaofthinfilmlubrication）亚微米或纳米量级润滑膜

7、由三种结构性能不同的膜组成，即吸附膜、有序液体膜和粘性流体膜。靠近摩擦表面的是吸附膜，吸附膜的总厚度为几个润滑油分子层，它与表面连接牢固，不具有流体性质，在润滑过程中不参加流动。吸附膜具有边界润滑特征，亦可称为边界润滑膜。处于润滑膜中央部分为粘性流体膜，它是依靠流体动压效应形成的，具有弹流润滑特征，或称为弹流润滑膜。图10.10薄膜润滑模型介于粘性流体膜与吸附膜之间的是有序液体膜。它是由于液体分子在摩擦过程中受到剪切和表面能作用促使分子有序排列而形成的。在从粘性流体膜向吸附膜方向上，分子排列的有序度越来越高，即有序液体膜的有序