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滑冰、摩擦、潤滑特性、潤滑機制

滑冰、摩擦、潤滑特性、潤滑機制

在有相對運動的兩個接觸表面之間加入潤滑劑,進而使兩磨擦面之間形成潤滑膜,将直接接觸的表面分隔開來,變幹磨擦為潤滑劑分子内磨擦,達到減少摩擦,降低磨損,延長機械裝置使用壽命的目的,即謂之潤滑。

不同工況下,潤滑的作用機制不同。下圖的縱坐标是(表觀)摩擦系數(因數), 即平時有正壓力N計算摩擦力F=μN中“摩擦系數”μ。

滑冰、摩擦、潤滑特性、潤滑機制

圖1

橫坐标為軸承特性數ηU/p, 其中:η為潤滑油粘度;U為滑動速度;p為機關面積載荷。

從圖1可以看出:

摩擦系數與相對速度大小有關。通常實體教學摩擦系數大小與速度無關,這隻是一種近似處理。

摩擦系數與壓力有關。通常實體教學中F=μN并沒有展現出接觸面積的影響。因為p在ηU/p的分母上,可推定在同樣壓力下,接觸面積越小,摩擦系數越大。

當然圖1是軸承特性,接觸面之間有潤滑油。平時實體題目:

一、沒有潤滑油;

二、低速。這種情形是向圖1左端趨近的極限。

圖1分三個工作區。最左邊是邊界潤滑,這對應于速度低、壓力大的情形,這種情形接觸間隙小。

最右邊是流體潤滑,它對應速度快、壓力小的情形,此時油膜厚度大(1.5~2微米以上)。

中間區域是混合潤滑。

最佳的工況是混合潤滑與流體潤滑的交界附近。在這個附近的油膜厚度最合适。超過這個厚度,估計油膜太厚而容易出現不穩定(甚至湍流),此不穩定又可增大了阻力。

如果油膜厚度低于最優厚度,即落入圖1中左邊的邊界潤滑區,有可能出現接觸面直接硬碰硬的摩擦,因而摩擦系數變大。也許是在這個區間,硬摩擦(幹摩擦)成為主導因素,于是其摩擦系數大小受速度、壓強影響不大,即接近實體教學中的庫侖定律的條件。

在邊界潤滑區,随着粘性系數增大,摩擦系數緩慢減小。滑冰、平時水磨石地面摔倒的情形應該在這個區。水磨石上的水膜和冰刀壓力形成的水膜都能起到潤滑作用。

水的黏度系數小、易浸潤,不容易在幾何曲率大表面挂上均勻膜,因而不适合機器的潤滑。相反,油脂就比較容易挂膜,故而潤滑油。

在邊界潤滑區,随速度越大,摩擦系數變小,也就越滑。是以在冰面和有水地闆上要慢慢地走,這樣摩擦力就大一些。當然,慢慢走神經-肌肉系統也要比較富裕的時間來應對失衡。

理想潤滑劑應該是這樣:容易形成抗壓膜層,沒有抗剪能力。

抗壓膜層将兩個接觸面隔開,進而後者的坑坑窪窪不會咬合起來。

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圖2

如果不密封,潤滑劑就會洩漏掉。如果有密封,潤滑劑内部必然壓力,而且兩個高速轉動的工作件也會帶來附加壓力。潤滑體必須能夠抗壓(體積不變), 否則體積在高壓下變小了,兩個坑坑窪窪的截面就會硬接觸。

沒有抗剪能力指一旦有剪力,兩個硬界面上附着的潤滑膜立即錯開。如果有明顯的抗剪力,就必然在互相運動工作态中做負功,表現出明顯的明顯的摩擦力。

但前面已經說過,能形成抗壓膜層的液體必然要有足夠的黏度,而這個黏度必然表現出抗剪力。是以現實隻能折中處理,通過深入理論分析和實驗探索進行優化。

除了潤滑外,潤滑油還有别的作用,大體有下面八個方面。

1、降低摩擦:在摩擦面加入潤滑劑,能使摩擦系數降低,進而減少了摩擦阻力節約能源消耗。

2、減少磨損:潤滑劑在磨擦面間可以減少表面磨損、表面疲勞、粘着磨損等所造成的損傷。

3、冷卻作用:潤滑劑可以吸熱、傳熱和散熱,因而能降低摩擦所造成的溫度上升。

4、防鏽作用:摩擦面上有潤滑劑存在,可防止因空氣、水滴、水蒸汽、腐蝕性氣體及液體、塵埃、氧化物引起的鏽蝕。

5、傳遞動力:在許多情況下潤滑劑具有傳遞動力的功能,如液壓傳動等。

6、密封作用:潤滑劑對某些外露的零部件形成密封能防止水分雜質侵入。

7、減震作用:在受到沖擊負荷時可以吸收沖擊能,如汽車減震器等。

8、清潔作用:通過潤滑油的循環可以帶走雜質,經過濾清器濾掉。

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