主推进动力装置第五章零件的摩擦与磨损教案Word格式.docx

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1．摩擦

2.磨损

3.润滑

●授课主要内容及课时分配

第一节摩擦

一、摩擦表面

相对运动零件相互作用的表面，即摩擦表面的摩擦与磨损情况与其表面的形貌、表面层结构、性能有密切的关系。

1．摩擦表面的形貌和表示方法

机械零件的表面都是经过各种机械加工形成的，表面上加工痕迹是一些大小不同、高低不等、形状各异的峰和谷，使表面粗糙不平。

例如，粗车外圆表面产生100～25μm的粗糙度，抛光或超精研磨的表面产生0.1～0.012μm的粗糙度。

各种加工方法的表面轮廓曲线如图2-1（a）所示。

零件表面的几何形态称为表面形貌，是由表面的最后加工方法、刀痕、切屑分裂时的变形、刀具与表面的摩擦和加工系统的振动等造成的。

零件表面形貌由宏观几何形状、表面波度和粗糙度（微观几何形状）构成，如图2-1（b）。

宏观几何形状是宏观表面轮廓线与名义几何形状的粗大偏差；

表面波度是表面上周期性的波浪形状，介于宏观与微观几何形状之间；

粗糙度是微观表面轮廓的几何形状偏差。

表面粗糙度直接影响零件摩擦表面的实际接触面积的大小和实际压强的大小。

两个表面接触时，实际接触面积远远小于名义接触面积，仅是名义接触面积的0.01%～0.1%。

零件表面粗糙度直接影响表面的耐磨性、疲劳强度、耐蚀性和配合性质的稳定性。

评定表面粗糙度的方法很多，常用的方法是轮廓算术平均偏差Ra。

Ra是表面轮廓在取样长度内各点的平均高度，反映了表面粗糙度的大小。

图2-2示出在取样长度l内轮廓表面上各点至轮廓中线OO的距离（y1，y2…yn）绝对值总和的算术平均值，即

近似为 

表面粗糙度分为14级，如表2-1所示。

2.金属表面层的结构

零件金属表面层的结构和性能均与基体不同。

经机械加工的表面层自表向里依次由污染层、吸附层、氧化层和加工硬化层构成，各层的厚度不同，如图2-3所示。

金属表面的性能与基体不同，如表面具有自由能，具有润湿性、吸附作用、化学作用和塑性变形等。

二、摩擦

两个接触物体在外力作用下产生相对运动（或运动趋势）时，接触表面间产生切向阻力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。

阻力和阻力矩分别称为摩擦力和摩擦力矩。

摩擦消耗能量，产生大量热使物体温度升高，使接触表面磨损。

大多数情况下摩擦是一种有害作用，但人类利用摩擦为生产和生活服务。

1．摩擦分类

（1）按摩擦副的运动状态分为动摩擦和静摩擦。

（2）按摩擦副的运动形式分为滑动摩擦和滚动摩擦。

（3）按摩擦表面的润滑状态分为：

干摩擦 

摩擦表面间没有任何润滑剂时的摩擦。

摩擦系数最大，约为0.1～1.5。

边界摩擦 

摩擦表面间有一层极薄的润滑油膜时的摩擦。

油膜的厚使为0.lμm，摩擦系数约为0.05～0.5。

流体摩擦 

摩擦表面间有一层边界膜和流体膜时的摩擦。

摩擦系数最小，约为0.001～0.01。

混合摩擦 

摩擦表面间同时存在边界摩擦和干摩擦的半干摩擦，或同时存在边界摩擦与流体摩擦的半液摩擦，均称为混合摩擦。

2．干摩擦机理

人类从15世纪就已开始研究摩擦，提出了各种理论阐明摩擦的本质，但观点至今未能统一，其中粘着理论较为广泛接受。

两个摩擦表面接触时，在外载荷作用下只有表面上少数微凸起处接触，接触点上的应力很大，产生弹性变形，进而产生塑性变形使接触面积增大。

接触点上的氧化膜被压碎，致使两个摩擦表面金属分子相互吸引和扩散而熔合，形成接触点处两种金属粘着，称为冷焊。

摩擦表面上未接触部分的峰谷相互嵌入呈犬牙交错状态，如图2-4所示。

当两个摩擦表面相对滑动时，冷焊点被剪断，犬牙交错的峰被剪切掉。

随后又在新的接触点粘着和冷焊点被剪断，直至实际接触面积增大到足以承受所加载荷为止。

摩擦过程就是粘着与滑动交替作用的过程，其结果造成表面的磨损。

干摩擦后的金属表面不仅被磨损，而且表面性质发生变化：

表面塑性变形引起加工硬化；

摩擦产生的热量使表面温度升高，以致使表面金属再结晶而又软化，甚至发生相变淬火而使表面硬度更高。

摩擦过程中环境因素对摩擦表面的作用将引起更大的磨损，例如空气中氧气的氧化作用，水分、润滑油中的酸和硫的腐蚀作用等。

3．边界摩擦机理

边界摩擦是极为普遍的摩擦形式，如气缸套与活塞环、机床导轨与刀架之间等均是处于此种摩擦中。

当润滑条件不充分时，摩擦表面间只有少量润滑剂，通过润滑剂及其添加剂的理化作用在摩擦表面上形成边界膜而减少摩擦与磨损。

边界摩擦取决于两个摩擦表面的特点和润滑剂的特性。

摩擦表面的粗糙度和表面性质影响边界摩擦。

边界膜的结构形式分为吸附膜和反应膜。

吸附膜是指由润滑剂中的极性分子吸附在摩擦表面上形成的边界膜。

它又分为物理吸附膜和化学吸附膜。

1）物理吸附膜

是润滑剂中的极性分子靠静电吸附在摩擦表面上形成极薄的边界膜。

由于分子与表面的结合力较弱，形成单层分子层或多层分子层，并且受热容易脱吸。

所以物理吸附膜适用于常温、低速和轻载的工作条件。

2）化学吸附膜

当润滑剂中的极性分子靠化学键力吸附在金属表面上时，形成化学吸附膜。

这种膜很薄，吸附较为稳定，吸附与脱吸不完全可逆。

化学吸附膜适用于中等的负荷、速度和温度的工作条件。

3）化学反应膜

为了满足高温、高压和高速的工作条件，常在润滑油中加入含硫、磷、氮等元素的添加剂，高温下这些元素与金属表面发生化学反应生成厚度较大的化学反应膜。

化学反应膜熔点高、吸附稳定，但不可逆，抗剪切强度低，具有良好的润滑性能。

所以，化学反应膜适用于重载、高速和高温的工作条件。

由于摩擦表面间的边界油膜的极性分子定向垂直排列在金属表面上，当摩擦副运动时，摩擦发生在极性分子的非极性端之间，起到润滑作用，如图2-5所示，当表面粗糙时，较大的尖峰将刺破边界膜而使金属发生直接接触，接触点处发生粘着而产生潜损。

润滑油在边界润滑中降低摩擦磨损的能力称为润滑油的油性。

润滑油的极性越强，油膜吸附越牢固，油性越好，反之油性差。

通常用加入油性添加剂来提高润滑油的油性。

在高温重载条件下，在润滑油中添加极压添加剂，可起缓和边界油膜破坏的作用和防粘着。

所以极压添加剂犹如增强油膜强度，故又称为油膜增强剂。

4.流体摩擦机理

在充分润滑条件下，摩擦表面间有极薄的边界膜和一定厚度的流体膜，摩擦发生在润滑剂流体膜内，摩擦系数最小，产生的磨损也最小。

利用摩擦表面的相对运动使润滑剂流体产生楔形油膜或挤压油膜来承受外部载荷并隔开摩擦表面，这种润滑称为流体动压润滑。

利用外部压力将具有一定压力的润滑剂流体不断地打入摩擦表面间使之隔开，这种润滑称为流体静压润滑。

例如低速二冲程柴油机十字头销轴承采用静压润滑，SulzerRTA38/48型柴油机十字头油承润滑油压力为1.2～1.6MPa。

流体动压润滑是依靠轴承或相动运动表面在运动方向上构成几何收敛楔形而产生的楔形效应。

为此，或者是相对运动零件结构上自然形成，如轴与轴承、推力块与推力环在运转时均能形成楔形油膜；

或者将相对运动零件的表面设计成一定的形状以便运转时产生楔形效应，建立楔形油膜。

在此基础上具备以下条件建立楔形油膜，实现流体动压润滑：

（1）摩擦表面应具有较高的加工精度和表面粗糙度等级；

（2）摩擦表面间具有一定的合适配合间隙；

（3）保证连续而又充分地供给一定温度下粘度合适的润滑油；

（4）相对运动的零件必须具有足够高的相对滑动速度。

船舶机械实际运转中，在起动、停车或不稳定工况运转时，摩擦副难以实现或保持流体动压润滑，而产生磨损。

第二节磨损

一、磨损概念

机器运转过程中，相对运动的摩擦表面的物质逐渐损耗，使零件尺寸、形状和位置精度以及表面质量发生变化的现象称为磨损。

零件磨损后将会改变配合件的性质，影响机器的性能和使用寿命。

据统计，大约80%的机器零件失效是磨损造成的。

船舶机械中，磨损同样是一种重要的故障模式。

例如，船舶主、副柴油机的可靠性直接受到活塞环-气缸套、曲轴—轴承等重要配合件磨损的影响。

1．磨损指标

零件磨损后的尺寸和几何形状误差直接影响机器的工作性能和可靠性。

在船上的轮机管理工作中，为了不使零件产生过大的磨损，通常采用定期测量零件来检查和控制其磨损量，使尺寸和几何形状误差在要求范围内保证配合件的间隙和工作性能。

1）磨损量

（1）磨损量Δ是用零件摩擦表面的尺寸变化量来衡量的。

零件直径方向上的磨损量Δ：

轴Δ=d。

一d孔Δ=D一D。

式中：

d。

、D。

——分别为轴、孔的名义直径，mm；

d、D——分别为运转一定时间后的轴、孔实测直径，mm。

（2）磨损率是指单位时间内零件半径方向上的最大磨损量Δmax：

mm/kh

t——工作时间，h。

零件的磨损量和磨损率可以用零件自投入使用至报废的时间间隔内两次测量值之差来计算，也可以任一段工作时间间隔内两次测量值之差来计算。

依测量值计算出的磨损量和磨损率应与机器说明书或有关标准、规范的数值比较，以便判断零件的磨损程度。

2）几何形状误差

（1）圆度t 

是指半径差为公差t 

的两个同心圆之间的区域。

圆度是用来衡量回转件横截面（垂直零件轴线的截面）的几何形状精度，限制回转件横截面的几何形状误差。

可采用圆度仪、千分尺或百分表测量零件的实际圆度，即圆度误差t'

。

圆度误差t’是用被测零件上指定横截面的两个相互垂直的直径差之半表示的:

mm

t'

——指定横截面的圆度误差，mm；

D1、D2——指定横截面上两个相互垂直的直径，mm。

测量并计算出被测零件上数个指定横截面的圆度误差值，取其中最大值t'

max与说明书、标准或规范的给定值t比较，判断零件横截面几何形状的变化情况，要求t'

max<

t。

（2）圆柱度u 

是指半径差为公差u的两个同心圆柱面间的区域。

圆柱度是用来衡量回转件纵截面（包含零件轴线的截面）的几何形状精度，限制回转件纵截面的几何形状误差。

采用圆度仪、千分尺或百分表测量零件的实际圆柱度，即圆柱度误差u'

圆柱度误差u'

是用被测零件上指定纵截面上数个测量直径中最大直径Dmax与最小直径Dmin差的一半表示。

测量并计算被测零件上两个相互垂直纵截面的圆柱度误差，取其中最大值u'

max与说明书、标准或规范的给定值u比较，要求u'

u。

（3）平面度v 

是指公差带是距离为公差值v的两个半行平面之间的区域。

平面度是用来衡量平面平直的几何精度指标。

生产中采用三点法测量，即将被测平面上相距最远三点上的基准靶调成等高，构成一理想平面或称基准平面，测量被测平面上各点至基准平面的距离，以其中最大（或最小）值与基准高的差值作为平面度误差V'

。

此外，还可采用水平仪、拉钢丝线等方法测量。

2．磨损规律

运动副在运转过程中产生磨损有一定规律。

图2-6为一正常运转运动副的磨损量与其运转时间的关系曲线，即磨损曲线。

图中横坐标表示运转时间，纵坐标表示磨损量。

磨损曲线反映了新造或修理的零件自投入运转到失效的三个工作阶段的磨损情况。

1）磨合期

曲线OA对应的工作时间为磨合期。

磨合期是零件运转初期，其特点是时间短，磨损量大，即磨损速度大。

磨合期的作用是使运动副摩擦表面的形貌和性质从初始状态过度到正常使用状态。

一般来说，磨合期越短，磨合质量越好，机器越早进入正常运转期。

所以，磨合是机器或运动副能否投入正常运转的前提。

2）正常磨损期

正常磨损期是机器正常运转阶段，是曲线AB对应