摩擦与润滑

第十章 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：

摩擦力与法向载荷成正比：F∝P

摩擦力与表面接触无关，即与接触面积大小无关。 摩擦力与表面滑动速度的大小无关。

静摩擦力(有运动趋向时)FS大于动摩擦力FK，即Fs＞FK。 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P运动方向推动力摩擦力F

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。这时，产生的阻碍物体运动的切向力叫做动摩擦力。

2. 按摩擦副接触形式分

滑动摩擦：接触表面相对滑动时的摩擦叫做滑动摩擦。

滚动磨擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦叫做滚动摩擦。

3. 按摩擦副表面润滑状态分。

干摩擦：指既无润滑又无湿气的摩擦。

边界摩擦：指摩擦表面有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦。这时，摩擦不取决于润滑剂的粘度，而是取决于接触表面和润滑剂的特性。边界摩擦时，不能避免金属的直接接触，这时仍有微小的摩擦力产生，其摩擦系数通常约0.1左右。

混合摩擦：属于过度状态的摩擦，包括半干摩擦和半流体摩擦。半干摩擦是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。半流体摩擦是指同时有液体摩擦和干摩擦的情况。混合摩擦能有效的降低摩擦力，其摩擦系数要比边界摩擦小的多。但因表面间仍有轮廓峰的直接接触，所以

不可避免的仍有磨损存在。

流体摩擦：即流体润滑条件下的摩擦。这时两表面完全被液体油膜隔开，摩擦表现为由粘性流体引起。摩擦系数极小（油润滑时约为0.001－0.008），而且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。

炼油化工设备中的一些摩擦副的工作条件是复杂的，如处于高速、高温、或低温、真空等苛刻环境条件下工作，其摩擦、磨损情况也各有不同的特点。

第三节 产生摩擦的原因

对于接触表面作相对运动时产生摩擦力这一现象有各种各样的解释，综合起来有以下几点：

机械上发生相对运动的部位一般都经过加工，具有光滑的表面。但实际上，无论加工程度怎样精密，机件表面都不可能“绝对”平滑，在显微镜下看来，都是有高有低、凸凹不平的，如下图所示。

金属表面形状

如果摩擦表面承受载荷而又紧密接触的突起和陷下部分就会犬牙交错地嵌合在一起，两个接触表面作相对运动时，表面上的突起部分就会互相碰撞，阻碍表面间的相对运动。

另外，由于两个摩擦表面承受载荷并紧密接触，表面是由若干突起部分支撑着的，支撑点处两表面之间的距离极小，处于分子引力的作用范围之内，表面作相对运动时，突起部分也要跟着移动，因此就必须克服支撑点处的分子引力。

还有，出于碰撞点和支撑点都要承受极高的压力，这就便这些地方的金属表面发生严重的变形、一个表面上的突起就会嵌入另一表面中去。碰撞和塑性变形都会导致产生局部瞬间高温，而撕裂粘结点要消耗动力。

以上各点综合起来就表现为摩擦力。

第四节 磨损

物体工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象，叫做磨损。 机械零件正常运动的磨损过程一般分为三个阶段，如下图所示。

(1) 跑合阶段(又称磨合阶段) 新的摩擦副表面具有一定的粗糙度，真实接触面积较小。跑台阶段，表面逐渐磨平，真实接触面积逐渐增大，磨损速度减缓，如上图中o-a线段。人们有意利用跑台阶段的轻微磨损，为正常运行的稳定磨损创造条件。

选择合理的跑合规程、采取适当的磨擦副材料及加工工艺，使用含活性添加剂的润滑油(摩合油)等方法，都能缩短跑合期。跑合结束应重新换油。

(2) 稳定磨损阶段 这一阶段磨损缓慢稳定。如上图中a—b线。这一线段的斜率就是磨损速度，横坐标时间就是零件耐磨寿命。

(3) 剧烈磨损阶段 上图中b点以后，磨损速度急剧增长，机械效率下降，功率和润滑油的损耗增加，精度丧失，产生异常噪声及振动，摩擦副温度迅速升高，最终导致零件失效。有时也会发生下述情况：

ⅰ 转入稳定磨损阶段后，长时间内磨损甚微，并无明显的剧烈磨损阶段，零件寿命较长。

ⅱ 跑合阶段和稳定磨损阶段无明显磨损，当表层达到疲劳极限后，产生剧烈磨损。 ⅲ 磨损条件恶劣，跑台阶段后，立即转入剧烈磨损阶段，机器无法正常运转。 根据磨损的破坏机理及机械零件表面磨损状态，磨损可大体分为下列几种类型。

1. 粘着磨损

磨擦副相对运动时，由于固相粘结，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象，叫做粘着磨损，严重时摩擦副咬死。

润滑状态对粘着磨损值影响较大，边界润滑粘着磨损值大于流体动压润滑，而流体动压

润滑又大于流体静压润滑。润滑油、脂中加入油性和极压添加剂能提高润滑油吸附能力以及油膜强度，能成倍提高抗粘着磨损的能力。

2. 磨料磨损

硬的颗粒或硬的突起物，在摩擦过程中引起材料脱落，这种现象叫做磨料磨损。

3. 表面疲劳磨损

两接触表面作滚动或滑动复合摩擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生物质损失的现象叫做表面疲劳磨损。齿轮副、滚动轴承都能产生表面疲劳磨损。

表面疲劳磨损分为扩展性及非扩展性两种。当交变压应力较大时，由于材料塑性稍差或润滑选择不当而发生扩展性表面疲劳磨损。

4. 腐蚀磨损(或称腐蚀机械磨损)

在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生物质损失，这种现象成为腐蚀磨损。

由于介质的性质、介质作用在摩擦面上的状态及摩擦材料性能的不同，磨蚀磨损出现的状态也不同。分类见下表。 类别 氧化产生的基本条件 金属表面与氧化性介质的反应速度损坏特征 金属的摩擦表面沿滑动方向示例 曲轴轴径，铝合金零件等磨损 很快，形成的氧化膜从表面磨掉后，呈匀细磨痕，磨损产物为红褐其磨损速度较小。 特殊介质摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质作用，其磨蚀机理与氧化磨损相似，摩擦表面遍布点状或丝状磨蚀痕迹，一般比氧化磨损痕迹深，磨损产物为酸、碱、盐的金属化合物 微动腐蚀机械零件配合较紧的部位，在载荷和一定频率振动条件下，零件表面物 又很快形成氧化膜。一般在空气中，色的FeO或为黑色丝状Fe2O3 摩擦副表面。 化工设备中的零件 磨损 但磨蚀速度较大 摩擦表面有较集中的小凹坑，紧配合轴径、使紧配合部位松动，磨损产物为红褐色氧化铁细颗粒 螺母、螺栓及键槽处 磨损 产生微小滑动，其磨蚀产物为氧化5. 侵蚀

侵蚀是指含有颗粒的流体撞击在一物体上，使物体表面受到的损伤。侵蚀问题对一些在高速下工作的零件来说显得比较突出，例如强度大、密度小的用碳纤维强化的塑料涡轮叶片，要求叶片的前线应具有较高的抗侵蚀性。

（脂）产品分为19组，其分组及代号与ISO标准一致。如下表所示。

2 润滑油（脂）的命名

根据GB498－87和GB7631系列标准的规定，润滑油（脂）产品使用统一的命名格式。

润滑油（脂）的整体名称（用一组符号表示）组成如下：

类别—品种 数字

类别——润滑油（脂）产品的类别符号为L。

品种——类别符号用一组英文字母表示，第一个字母表示组别，组别字母的意义按照上

面的表格查询。其它后面的字母只有与第一个字母组合才表示一定的使用场合。

数字——一般来说，表示粘度等级。

例如：L—HM32，其中L表示润滑剂，HM表示抗磨型液压油，32为40℃下的运动粘

度。因此润滑油产品必须包含性能水平和粘度等级两方面的内容才能正确表达。

3 润滑油

润滑油是一种液体润滑剂，在工业生产中应用最广泛，用量也最大。润滑油质量的高低

对设备的工作效果和寿命油很大影响。通常，通过一些质量指标来衡量润滑油的质量特性。下面介绍润滑油的一些主要的质量指标。

3.1粘度

粘度就是油品的内摩擦力，表示油品油性和流动性的一项指标。粘度越大，油膜强度越

高，流动性越差。根据不同的量度方式，粘度有以下几类：

1）动力粘度。面积各为1cm2，相距1cm的两个油层，当其中一个油层对另一个油层

以1cm/s的速度作相对运动时所产生的阻力即动力粘度。动力粘度的符号是η，单位是Pa﹒s，常用单位是mPa﹒s。通常油品的低温粘度多以动力粘度表示。

2）运动粘度。油品的动力粘度与其同温度下的密度之比成为运动粘度，即运动粘度＝

动力粘度/密度。运动粘度的符号是ν，单位是m2/s，常用单位是mm2/s。运动粘度是最常用的润滑油粘度表示方式，并且是大多数润滑油牌号划分的依据。

我国的工业润滑油粘度号分类标准GB3141—82按照40℃时的运动粘度分18个等级，并在粘度号的前面加一“N”字，以同旧的50℃运动粘度划分的牌号相区别。

工业润滑油粘度号分类 GB3141-82

3) 恩式粘度。200ml试油在规定温度下流经恩式粘度计的时间，与20℃时200ml水流经时间之比值即为恩式粘度。其符号是Et（t表示温度），单位是恩式度（°E）。

4）雷式粘度。50ml试油在规定温度下流经雷式粘度计的时间（s）称为雷式粘度。单位是雷式秒（s）。由于粘度计孔径不同，又分为商用雷式粘度（Rt）和海军用雷式粘度（RAt）。

5）赛式粘度。60ml试油在规定温度下流经赛式粘度计的时间（s）称为赛式粘度。单位是赛式秒（s）。赛式粘度又分为赛式通用粘度（SUt）和赛式燃料油粘度（SFt）

3.2 凝点和倾点

油品的凝固和纯化合物的凝固有很大不同。纯化合物的凝点是一个物理常数，而油品是

由多种烃及少量氧、硫、氮等化合物组成的混合物，并没有明确的凝固温度。所谓凝固，只是作为整体来看失去了流动性，并不是所有组分都变成了固体。

油品凝点按GB/T510－83法测定，在规定的条件下将油品冷却到预定温度，将试管倾

斜45°，经过1min后，液面不移动时的最高温度即是油品凝点。

油品倾点按GB/T3353—83法测定，在规定的条件下冷却油品，每隔3℃将试管取出，

水平放置观察试样液面有无流动，直至5s取样液面不流动是的温度在加上3℃即为油品的倾点。

润滑油的倾点（凝点）是表示润滑油低温流动性的一个重要的质量指标。一般说来，润

滑油的凝点硬币使用环境的最低温度低5—7℃。

3.3 闪点

油品在规定条件下加热，温度升高，其中一些成分蒸发成或分解成可燃性气体，当升高

到一定温度，可燃蒸气与空气混合后并与火焰接触时能发生瞬间闪火的最低温度叫闪点。单位是℃。根据测定方法和仪器的不同，闪点又分为开口闪点和闭口闪点。通常，重质润滑油或深色石油产品使用开口闪点；蒸发性较大的燃料和轻质润滑油（一般闪点在150℃以下）使用闭口闪点。

闪点是表示油品蒸发性的一项指标。油品的危险等级是根据闪点划分的，闪点在45℃

以下为易燃品，45℃以上为可燃品，在油品的储运过程中严禁将油品加热到它的闪点温度。一般认为，闪点比使用温度高20—30℃，即可安全使用。

3.4 水分

润滑油产品指标中的水分指其含水量的质量百分数。按GB/T260－88测定。

润滑油中水分的存在会促使油品氧化变质，破坏润滑油形成的油膜，使润滑效果变差，

加速有机酸对金属的腐蚀，锈蚀设备，使油品容易产生沉渣。另外，润滑油中的水分在低温下使用时，由于温度接近冰点使润滑油流动性变差；当使用温度高时，水汽化，不但破坏油膜而且产生气阻，影响润滑油的循环。总之，润滑油中的水分越少越好。

3.5 酸值

润滑油的酸值是中和1g润滑油中的酸所消耗的氢氧化钾（KOH）的毫克数。其单位是

mgKOH/g。

润滑油经过长期使用或储存后，润滑油与空气中的氧发生化学反应会生成一定的“有机

酸”，随着时间的延长其酸值不断变化，引起润滑油变质。所以酸值是用来鉴别油品是否变质的方法之一。

3.6水溶性酸和碱

所谓水溶性酸和碱，是指润滑油溶于水的无机酸和的分子有机酸、碱和碱性化合物。一

般的讲，油品中不允许油水溶性酸和碱。因为润滑油含有水溶性算和碱，对于和水、汽接触的油品，特别容易引起氧化、酸化的化学反应，以致腐蚀设备。

3.7 润滑性（油性）

润滑性是润滑油中极性分子与金属表面吸附形成一层边界油膜，以减小摩擦和磨损的性

能。润滑性越好，油膜与金属表面的吸附能力越强。对于那些低速、重载或润滑不充分的场合，润滑性具有特别重要的意义。

3.8 极压性

极压性能是润滑油中加入含硫、磷、氯的有机极性化合物后，油中极性分子在金属表面

生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能。它在重载、高速、高温条件下，可改善边界润滑性能。

4 润滑脂

润滑脂是石油产品中的一大类。它是润滑油与稠化剂（如钙、锂、钠的金属皂）的膏状

混合物。俗称黄油、牛油。与润滑油相比，润滑脂使用温度范围广，不易滴油、溅油、流失，但是粘滞性较大，阻力较大，功率损失也较大，而且流动性差，不易清洗和更换。

4.1润滑脂的分类

钙基润滑脂

这种润滑脂具有良好的抗水性，但耐热能力差，工作温度不宜超过55－65℃。 钠基润滑脂

这种润滑脂有较高的耐热性，工作温度可达120℃，但抗水性差。由于它能与少量水乳

化，从而保护金属免遭腐蚀，比钙基润滑脂有更好的防锈能力。

锂基润滑脂

这种润滑脂具有良好的抗水性，耐高温（工作温度不宜超过145℃），而且具有较好的

机械安定性，是一种多用途的润滑脂。

铝基润滑脂

这种润滑脂具有良好的抗水性，对金属表面有高的吸附能力，故可起到很好的防锈作用。

4.2 润滑脂的主要质量指标

润滑脂的滴点

又称滴落点。在规定的条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度叫润滑

脂的滴点。润滑脂的滴点决定了它的工作温度。润滑脂的工作温度至少应低于滴点20℃。

润滑脂的锥（针）入度（或稠度）

在25℃下，用质量为150克的标准圆锥体，在5秒钟内沉入润滑脂试样中的深度，就是润滑脂的针入度。针入度是润滑脂软硬程度的一个指标，以1/10mm为单位。它标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。锥入度愈小表面润滑脂愈稠。锥入度是润滑脂的一项主要指标，润滑脂的牌号就是该润滑脂锥入度的等级。

第七节 润滑油（脂）的使用

1 严格按本单位《机泵设备润滑五定表》规定的用油品种和牌号领、用油。

设备润滑五定（即定人、定点、定质、定量、定时）的内容为： 定人：每台设备的润滑点都有固定的加、换油负责人； 定点：按五定指示中规定的设备润滑部位注油； 定质：按规定的润滑油（脂）品种、牌号注油； 定量：按五定指示表中规定的注油量注油；

定时：即按五定指示表中规定的时间定时加注、定期添油和定期换油。

2 油品在使用前必须经过“三级过滤”，所有滤网符合有关规定。严禁润滑油不经“三级过滤”直接加入设备润滑部位

设备润滑的三级过滤如下图所示。

设备润滑“三级过滤”滤网应符合下列条件：

a）中、低粘度油品，如透平油、冷冻机油、机械油、压缩机油、车用机油、以及

粘度相近的其它常用油品，滤网选用范围为60～100目。一般情况下，一级为60目，二级为80目，三级为100目。

b）高粘度油品，如汽缸油、齿轮油，以及粘度相近的其它油品，滤网选用范围为40～80目。一般情况下，一级为40目，二级为60目，三级为80目。 c）“三级过滤”用的滤网不得混用，不允许将1～3级滤网倒装使用。

d）当“三级过滤”滤网更新时需进行三级过滤而滤网级数不全时，可用比规定级数高一档的滤网，油站内应备齐三级过滤器具。 3设备润滑应按下列标准加油（脂）： 循环润滑

油箱油位应加至规定液位，油冷器出口油温不应超过49℃。 油环带油润滑

当油环内径D=25～40mm时，油位高度应保持在D/4； 当油环内径D=45～60mm时，油位高度应保持在D/5； 当油环内径D=70～130mm时，油位高度应保持在D/6。 浸油润滑

当n＞3000r.p.m，油位在轴承下部滚珠中心以下，但不得低于滚珠下缘；

当3000rpm≥n≥1500r.p.m，油位在轴承下部滚珠中心以上，但不得浸没滚珠上缘； 当n＜1500r.p.m时，油位在轴承下部滚珠的上缘或浸没滚珠。 减速机的润滑：

a）当为正斜齿轮减速机时，油面应浸没高齿轮副低齿高的2～3倍； b）当为伞形齿轮减速机时，油面应浸没其中一个齿轮的全齿宽；

c）当为蜗轮蜗杆减速时，若蜗杆在蜗轮上方时，则油面应浸没蜗轮齿高的2～3倍；若蜗杆在蜗轮下方或侧面时，则油位应浸没蜗杆螺纹高度。 强制润滑：

应按设备出厂说明书或实际标定后确定油位标准。 脂润滑：

当n＞3000r.p.m，加脂量为轴承1/3；

当1500rpm≤n≤3000r.p.m，加脂量为轴承的1/2。 4 其它

设备润滑作业的岗位人员，在设备润滑作业后应在交接班记录本上交接作业内容，并在

润滑油添加更换记录本上认真作好设备加换油记录。

做好废油收集工作，严禁将废油品倒入或排入雨水沟系统内。

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