Chapter2船機(jī)零件的磨損

1、Chapter2 船機(jī)零件的磨損§2-1 摩 擦（Friction）摩擦磨損是船機(jī)零件的故障模式之一，是影響船舶機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)和船舶安全航行的主要因素。據(jù)資料介紹：世界能源的1312是以不同形式消耗在克服機(jī)械零件對偶表面相互作用的摩擦上。對于船用柴油機(jī)來說，目前無論是二沖程的低速機(jī)還是四沖程的中速機(jī)，燃油消耗率已降至163 g/(kW·h)左右，熱效率達(dá)到50 %以上，但能量消耗在運(yùn)動副的摩擦上約占10 %左右。摩擦磨損故障能源浪費(fèi)必須重視1 摩擦表面的性質(zhì)摩擦表面的形貌（Surface Layer morphology）和表示方法外圓表面粗車會使表面產(chǎn)生100m25m的粗糙

2、度，拋光或超精研磨加工產(chǎn)生m的粗糙度。零件表面的幾何形態(tài)稱為表面形貌。零件表面形貌分為宏觀幾何形狀、表面波度和粗糙度（微觀幾何形狀）三部分。宏觀幾何形狀宏觀所見表面的輪廓線產(chǎn)生偏離名義幾何形狀的粗大偏差；表面波度形成周期性的波狀表面峰和谷，是由于機(jī)床加工系統(tǒng)振動的結(jié)果，為介于形狀誤差與粗糙度之間的誤差；粗糙度表面輪廓微觀幾何形狀誤差。實(shí)際表面與理想表面存在一定的幾何形狀誤差，表現(xiàn)在兩個方面：（1）幾何形狀誤差（宏觀上）：用圓度、圓柱度、平面度表示。（2）表面微觀幾何形狀誤差：粗糙度。Ra評定表面粗糙度的方法很多，常用的一種方法是輪廓算術(shù)平均偏差Ra，表面粗糙度分為14級。表面層的結(jié)構(gòu)（Surf

3、ace Layer Composition）金屬表面一出現(xiàn)，就會與空氣中的各種其它起作用而形成各種膜，這些膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)對摩擦性能的影響很大。一般講，這些膜是有益的，有利于減少摩擦磨損。這些表面層為：污染層®氣體吸附層®氧化層®加工硬化層®基體 （外表層） （內(nèi)表層）結(jié)論： （1）實(shí)際表面是凹凸不平的； （2）接觸表面并非真正的全部接觸：實(shí)際接觸面積 £ 名義接觸面積； （3）即使在接觸點(diǎn)上，也可能有表面膜把金屬隔開。2 （滑動）摩擦機(jī)理（Principle）兩個接觸物體在外力作用下產(chǎn)生相對運(yùn)動（或運(yùn)動趨勢）時，接觸表面間產(chǎn)生切向阻力和阻力矩以阻

4、止運(yùn)動的現(xiàn)象稱為摩擦。阻力和阻力矩分別稱為摩擦力和摩擦力矩。對于摩擦力產(chǎn)生的原因有各種假說，如機(jī)械嚙合說、分子機(jī)械說、粘著說等。其中粘著說較為直觀，可解釋許多摩擦問題，為多數(shù)人接受。2.1 機(jī)械理論（凹凸說）1699年 產(chǎn)生摩擦的原因是由于表面凹凸不平的 交錯嚙合 作用而引起的。表面的粗糙度越大，摩擦力越大。2.2 分子理論（分子說）：1734年，基本觀點(diǎn)：產(chǎn)生摩擦的原因是由于表面分子間的相互作用。2.3 分子機(jī)械理論： 1939年，認(rèn)為：摩擦有兩重性（分子作用和機(jī)械作用）。2.4 粘著理論 1942年，比較公認(rèn)的理論。Bowden等人，基本觀點(diǎn)：實(shí)際接觸面積很小（名義接觸面積的千分之幾或萬分

5、之幾）®應(yīng)力大®接觸點(diǎn)上局部應(yīng)力很大，產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)接觸點(diǎn)上應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限s時，表面膜破裂并伴有塑性變形（變形熱）®粘著（稱為冷焊或固相焊合）®產(chǎn)生滑動阻力即摩擦力。當(dāng)配合件繼續(xù)運(yùn)動，即在切向力作用下滑動時，冷焊點(diǎn)被剪斷，犬牙交錯的微凸體被剪切掉。隨后又在新的接觸點(diǎn)粘著，產(chǎn)生新的冷焊點(diǎn)及被剪斷，直至實(shí)際接觸面積增大到足以承受所加載荷為止。摩擦過程中周圍介質(zhì)對摩擦表面的作用造成表面更大的磨損，例如空氣中的氧會使氧化膜破碎后的裸露金屬表面氧化；空氣中的水、潤滑油中的酸、硫分會使表面腐蝕等。3 摩擦類型 （1）按摩擦副的運(yùn)動狀態(tài)分為靜摩擦和動摩擦。

6、（2）按摩擦副的運(yùn)動形式分為滑動摩擦和滾動摩擦。 （3）按摩擦表面的潤滑狀態(tài)分為：純凈摩擦、干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦、混合摩擦。 純凈摩擦 (Pure Friction)： 摩擦表面間沒有任何吸附膜或化合物時的摩擦。3.2 干摩擦 (Dry Friction)：表面既無潤滑劑，又無濕氣時的摩擦。特點(diǎn)：摩擦系數(shù)大，。3.3 邊界摩擦 (Boundary Friction) 在摩擦副的表面間，存在一層極薄潤滑膜時的摩擦，稱為邊界摩擦m，摩擦系數(shù)為0.050.5。邊界膜分為吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜。 吸附膜：物理吸附膜（不穩(wěn)定）和化學(xué)吸附膜（僅僅是化學(xué)的結(jié)合，不形成新的化合物）。 化學(xué)反應(yīng)膜：可以很厚。

7、（2 ）特點(diǎn)： 邊界膜的厚度很?。ㄎ⒚祝钥墒鼓Σ料禂?shù)大大降低（）。 摩擦磨損特性不取決于潤滑劑的粘度，而是取決于表面膜的特性。（3）邊界膜的減磨機(jī)理（4）減少邊界摩擦的方法 在普通工作條件的機(jī)械的潤滑劑中，加入油性添加劑，如：油酸、甘油等。 在低速、重載的“極壓條件”下工作的潤滑劑中，加入極壓添加劑，如：酯。（5）邊界摩擦實(shí)例：氣缸套活塞環(huán)，凸輪挺桿等。3.4 液體摩擦（Liquid Friction）：摩擦副表面有一層具有壓力的流體將摩擦副隔開。特點(diǎn)：摩擦系數(shù)最小，約為0.010.001微米。類型：流體靜壓潤滑，利用摩擦表面的相對運(yùn)動使?jié)櫥瑒┝黧w產(chǎn)生楔形油膜或擠壓油膜來承受外部載荷并隔

8、開摩擦表面，需要一套專用的供油系統(tǒng)。例如低速二沖程柴油機(jī)十字頭銷軸承采用靜壓潤滑，Sulzer RND型柴油機(jī)的油壓為，RND-M型柴油機(jī)為。流體動壓潤滑，需要一定間隙、一定滑動速度、連續(xù)供給一定粘度的潤滑油等條件。如軸與軸承、推力塊與推力環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)時均能形成楔形油膜，或者在相對運(yùn)動零件的表面上設(shè)計成一定的形狀以便運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生楔形效應(yīng)，建立楔形油膜。船舶機(jī)器實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，在起動、停車或不穩(wěn)定工況運(yùn)轉(zhuǎn)時，摩擦副難以實(shí)現(xiàn)或保持流體動壓潤滑，而產(chǎn)生磨損。3.5 混合摩擦： 半干摩擦：介于邊界摩擦和干摩擦間的摩擦。 半液體摩擦：介于邊界摩擦和液體摩擦間的摩擦。小結(jié)： 力求維持液體潤滑;最低要維持邊界潤滑或混

9、合潤滑;避免出現(xiàn)干摩擦。（1）流體動壓潤滑區(qū)： ：為復(fù)合粗糙度（2）混合潤滑狀態(tài)區(qū)：（3）邊界潤滑狀態(tài)區(qū)：§2-2 磨 損 （Wear）1 磨損的概念 (Conception)據(jù)統(tǒng)計，大約80的零件失效是磨損造成的。船舶機(jī)械中，磨損同樣是一種重要的故障模式。例如，船舶主、副柴油機(jī)的可靠性直接受到活塞環(huán)氣缸套、曲軸軸承等重要配合件磨損的影響。1.1 定義：摩擦副的表面物質(zhì)，在摩擦的過程中逐漸損失的現(xiàn)象，稱為磨損?！皳p失”：包括物質(zhì)減少（尺寸、形狀、位置精度的變化）和表面層性質(zhì)的改變。1.2 磨損的表示方法： 1）幾何形狀指標(biāo)（1）平面度：公差帶是距離為公差值t 的兩個平行平面之間的區(qū)域

10、。生產(chǎn)中采用三點(diǎn)法來測量，即將被測平面上相距最遠(yuǎn)三點(diǎn)上的基準(zhǔn)靶調(diào)成等高，構(gòu)成一理想平面或稱基準(zhǔn)平面，測量被測平面上各點(diǎn)至此基準(zhǔn)平面的距離，以其中最大（或最?。┲蹬c基準(zhǔn)高度的差值作為平面度誤差v。此外，還可采用水平儀，拉鋼絲線等方法進(jìn)行測量。（2）圓度：半徑差為公差值t的兩個同心圓之間的區(qū)域。軸頸的圓度誤差可以采用外徑千分尺測量指定平面兩個相互垂直的直徑，其半徑差就是圓度誤差。圓度誤差t是用被測零件上指定橫截面的兩個相互垂直直徑差之半表示。t（D1D2）2 mm式中：t指定橫截面的圓度誤差，mm；D1、D2指定橫截面的兩個相互垂直的直徑，mm?？刹捎脠A度儀、千分尺或百分表測量零件的實(shí)際圓度，即圓

11、度誤差t。（3）圓柱度：其公差帶是半徑差為公差值t的兩個同心圓柱面之間的區(qū)域。測量軸或孔的同一縱向截面（包含軸線）內(nèi)數(shù)個直徑，其中最大與最小直徑的半徑差即為圓柱度誤差。u（DmaxDmin）2 mm采用圓度儀、千分尺和百分表測量零件的實(shí)際圓柱度，即圓柱度誤差u。2）磨損量指標(biāo)零件磨損量是用其摩擦表面的尺寸變化量來衡量。直徑方向上的磨損量：軸：d0d 孔：DD0式中：d0、D0分別為軸、孔的名義直徑，mm；d、D分別為運(yùn)轉(zhuǎn)后的軸、孔的實(shí)測直徑，mm。（4）磨損率：指單位時間內(nèi)零件半徑方向上的最大磨損量max。maxt式中：t工作時間，h。零件的磨損量或磨損率可以用零件自投入使用至報廢的時間間隔內(nèi)

12、兩次測量值之差來計算，也可以任一段工作時間間隔內(nèi)兩次測量值之差來計算。依測量值計算出的磨損量或磨損率應(yīng)與機(jī)器說明書或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的數(shù)值比較，以便判斷零件磨損程度。（主動力設(shè)備拆裝時測量）2 磨損機(jī)理粘著磨損（Adhesive wear） 粘著®粘著點(diǎn)剪切®材料轉(zhuǎn)移®反復(fù)作用后脫落，形成磨粒。（1） 輕微磨損：（2） 涂抹： 剪切發(fā)生在較軟金屬的淺層內(nèi)。（3）擦傷與劃痕：拉缸（活塞裙、活塞環(huán)和氣缸套內(nèi)圓表面出現(xiàn)擦傷、劃傷、撕脫或咬死的現(xiàn)象），嚴(yán)重的粘著磨損。分為：“輕微拉缸”和“嚴(yán)重拉缸（咬死）”（4）撕脫： 剪切發(fā)生在較軟金屬的深處。（5）咬死：粘著區(qū)域大，外力

13、小于粘著點(diǎn)的結(jié)合力。如咬缸。減少粘著磨損的方法：（1）合理選材；（2）合理選擇潤滑劑與添加劑：油性劑、極壓劑等。（3）采用表面處理：鍍鉻環(huán)。（4）降低表面粗糙度：（5）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計：有利于形成油膜、散熱等。2.2 磨粒磨損（Abrasion wear）：由于固體磨粒的作用而引起的磨損。（1）微量切削假說：（2）壓痕假說：磨粒圓滑，導(dǎo)致表面被犁皺，形成犁溝。（3）疲勞破壞假說；（4）斷裂起主要作用的假說。磨粒的來源：外來的和內(nèi)部產(chǎn)生的。減磨措施：（1）提高材料的硬度、強(qiáng)度和韌性；（2）表面處理；（3）采用保護(hù)措施；防止外界磨粒的侵入，“三濾”。2.3 腐蝕磨損（Corrosive Wear）摩

14、擦副表面的機(jī)械摩擦作用再加上表面與周圍介質(zhì)間的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而造成的磨損。 （1）氧化磨損： 干摩擦?xí)r主要的磨損形式。（2）特殊介質(zhì)中的腐蝕磨損： 有酸、堿、鹽等介質(zhì)存在時。減小磨損的措施：（1）選擇耐腐蝕能力強(qiáng)的材料。（2）涂保護(hù)層；（3）提高表面材料的屈服強(qiáng)度；（4）降低表面溫度；（5）在潤滑劑中加入抗氧化劑、抗腐蝕劑。2.4 微動磨損（Fretting wear） 兩接觸表面在載荷的作用下，由于微幅（微米）振動而引起的機(jī)械化學(xué)磨損。是一種復(fù)合（粘著、氧化、磨粒）磨損形式。機(jī)理：粘著®由于振動發(fā)生剪切®氧化膜脫落®形成磨粒。特征：摩擦副表面存在大量的磨屑，且

15、磨屑由大量的氧化物組成。減磨措施：（1）選擇抗粘著的材料；（2）涂二硫化鉬；（固體潤滑劑）；（3）加入抗氧化、抗腐蝕、極壓劑等；（4）降低應(yīng)力集中。2.5 疲勞磨損（Fatigue wear）定義：摩擦副的表面在交變接觸應(yīng)力的作用下，因疲勞而不斷損失的現(xiàn)象。場合：滾動、滾動滑動。機(jī)理：“油楔理論”主要觀點(diǎn)： 裂紋產(chǎn)生® 潤滑油鍥入® 裂紋擴(kuò)展成懸臂梁形狀®斷裂形成凹坑?；偷恼扯葘@種磨損影響很大。3 磨損規(guī)律 3.1 “OA”段磨合期：特點(diǎn)：磨損量增大速度快，“走順”作用：保證機(jī)械在正式使用時正常工作，良好的磨合是重要的。柴油機(jī)磨合時的注意點(diǎn)：（1）確保氣缸良好

16、的潤滑；（2）表面形貌及材料要有利于磨合；初始的粗糙度要合理。（3）運(yùn)轉(zhuǎn)時間與負(fù)荷分配；一般原則是：轉(zhuǎn)速、負(fù)荷由小到大，先升速后加負(fù)荷。3.2 “AB”正常磨損期：特點(diǎn)：磨損率小，增加緩慢。應(yīng)設(shè)法延長。缸套正常磨損率3.3 “BC”急劇磨損期：應(yīng)停機(jī)檢修，恢復(fù)技術(shù)狀態(tài)。§2-3 活塞環(huán)與氣缸套的摩擦磨損1 摩擦形式 典型的滑動摩擦形式?！巴鶑?fù)運(yùn)動”油膜只可能在活塞行程的中部形成，上死點(diǎn)（Top dead center=“TDC”）、下死點(diǎn)（Bottom dead center“BDC”）處不可能建立油膜。2 氣缸套的磨損2.1 磨損類型（1）正常磨損；（2）磨粒磨損：特征是沿內(nèi)圓表面

17、有縱向的直線劃痕，肉眼可見，有手感。（3）粘著磨損：一般出現(xiàn)在磨合期和長期運(yùn)轉(zhuǎn)后（幾千小時）。特點(diǎn)是：沿運(yùn)動方向出現(xiàn)條紋狀的磨痕；并伴有暗紅色或發(fā)蘭色（氧化物）；磨損率高。 缸套與活塞環(huán)之間發(fā)生：磨合期發(fā)生。 缸套與活塞裙部（Piston skirt）之間發(fā)生：長期運(yùn)轉(zhuǎn)后，因間隙過大引起。（4）腐蝕磨損影響因素： 冷卻水溫度低，會使缸壁溫度低； 滑油中的堿值太低等都會造成嚴(yán)重磨損； 此外還應(yīng)控制燃油的S。磨損狀態(tài)分析 橫截面上產(chǎn)生圓度誤差；縱向截面產(chǎn)生圓柱度誤差。正常情況下：鑄鐵缸套的磨損率£0.1%mm/kh;鍍鉻缸套為：0.03 mm/kh。異常時，磨損率可達(dá)1015mm/kh。正常壽命是指上死點(diǎn)附近磨損到極限的時間。3 減磨措施（重點(diǎn)）3.1 加強(qiáng)燃油和燃燒的管理；3.2 保證氣缸的良好潤滑：潤滑油的質(zhì)量（堿值）、