摩擦学原理第10章润滑状态转化
1．薄膜润滑的特征膜厚厚度范围
• 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）
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第十章 润滑状态转化 （lubrication status transition）
• 本章对润滑状态的转化进行了讨论，介绍了流体润滑到弹流润滑， 弹流润滑到薄膜润滑的发展过程，以及影响薄膜润滑的一些主要 因素，介绍了纳米尺度下的气体润滑的一些存在的问题和解决的 方法。还讨论了混合润滑问题，它是实际机械中最广泛存在的状 态。最后，介绍了边界润滑的基本理论。
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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
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由弹流润滑理论，点接触膜厚公式可简化为 (10.1)
度式；中，为h粘c为压接系触数区；中k心是膜为厚常；数u。为卷吸速度；0为常压粘
弹变可流化知润关，滑系在膜 。已厚知h润c应滑与剂hc卷常吸压ku 速粘0.度7度u00在.70 和对0粘.7数压坐系标数系中的构条成件直下线，
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10.1润滑状态的转化
（lubrication status transition）
• 10.1.1 弹流润滑向薄膜润滑的转变
（ transition from EHL to thin film lubrication）
根据摩擦系数f与无量纲参数/p的变化，将润
滑状态划分为流体动压润滑(hydrodynamic lubrication ）、混合润滑（mixed lubrication）、边界
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• 图10.9为载荷4N、温度20C、 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
• 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。
典型实例 普通滑动轴承 稳态载荷滑动轴承 内燃机曲轴轴承、连杆大端轴承 齿轮传动、滚动轴承
最小膜厚m 10-4~10-5 10-5 10-5~10-6 10-6~10-7
粗糙峰润滑、低弹性模量表面、磁
1990~2000
记录装置、塑性流体动压润滑
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10-7~10-8 甚至10-9
润滑（ boundary lubrication）三个区域。这里，为 润滑油粘度；为轴颈旋转角速度；p为单位投影面积
上的载荷。通常认为，流体动压润滑最小摩擦系数为 10-3量级，边界润滑的摩擦系数为0.1，而混合润滑状 态是流体膜与边界膜共存的润滑，随着流体膜的比例 增加，摩擦系数逐渐降低。
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• 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
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0.1.2 薄膜润滑特征 （thin film lubrication characteristics） • 薄膜润滑研究对于深化润滑和磨损理论有着重要意义，
• 如图10.7所示，13602标 准液在载荷4N、温度 25C、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
图10.7中心截面膜厚分布（13602标准液） 滑膜的流体动压效应才 比较显著。
图 10.1 经典润滑状态图
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Dowson提出根据膜厚由小到 大依次为
• 边界润滑（ boundary lubrication）
• 混合润滑（mixed lubrication）
• 弹流润滑(elastichydrodynamic lubrication)
• 流体动压润滑 (hydrodynamic lubrication ）
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。
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表10.1 20世纪中最小润滑膜厚的发展
年代
1900 1950
1980
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。
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• 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。
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• 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。