第二章零件的摩擦及磨損

第二章

零件的摩擦與磨損

考試大綱:6%

3‘2.1摩擦

2.1.1摩擦表面形貌,摩擦分類

2.1.2摩擦的機(jī)理

3’2.2磨損

2.2.1磨損與磨損指標(biāo)

2.2.2磨損種類

知識結(jié)構(gòu)(二)

摩擦定義.分類.

干摩擦機(jī)理.

邊界摩擦機(jī)理

液體摩擦機(jī)理

摩擦學(xué):磨損定義.表面形貌結(jié)構(gòu).磨損

指標(biāo).磨損規(guī)律.磨合.

磨損機(jī)理:粘著,腐蝕(氧化,特

殊介質(zhì),微動)磨粒,疲勞磨損

潤滑(潤滑和潤滑劑)

一、摩擦學(xué)概述（P.16）1.零件的表面：零件表面的幾何形態(tài)稱為表面形貌。表面形貌是由宏觀幾何形狀、表面波度和粗糙度(或稱微觀幾何形狀)構(gòu)成。零件摩擦表面的形貌受到形成表面的最后加工方法、刀痕、切屑分裂時(shí)的變形、刀具與表面的摩擦和加工系統(tǒng)的振動等因素的影晌。

Ra稱為輪廓算術(shù)平均偏差，用來評定表面粗糙度等級。Ra是絕對值總和的算術(shù)平均值(總是正值、大于0)零件金屬表面層的結(jié)構(gòu)是自表向里依次由外表層(污染層、吸附氣體層、氧化層)和內(nèi)表層(加工硬化層、金屬基體)構(gòu)成,如圖所示。表面層的結(jié)構(gòu)、性能與基體不同，如表面具有自由能、潤濕性、吸附作用、化學(xué)作用和加工硬化等性能。

2.摩擦學(xué)概述

摩擦學(xué)是研究摩擦、磨損和潤滑之間關(guān)系的科學(xué)與技術(shù)的總稱。3.摩擦及其分類：(P.17)兩個(gè)物體在外力作用下產(chǎn)生相對運(yùn)動或有相對運(yùn)動趨勢時(shí)，接觸表面間產(chǎn)生切向阻力和阻力矩以阻止運(yùn)動的現(xiàn)象稱為摩擦。按摩擦副的運(yùn)動狀態(tài)：動摩擦、靜摩擦。按摩擦副的運(yùn)動形式：滑動摩擦、滾動摩擦。按摩擦表面潤滑狀態(tài)將摩擦分為干摩擦、邊界摩擦、液體摩擦和混合摩擦(半干摩擦和半液體摩擦)。

摩擦表面間沒有任何潤滑劑時(shí)的摩擦，稱為干摩擦，摩擦系數(shù)最大。在邊界潤滑條件下，摩擦表面間有一層極薄的(～0.1μm)潤滑油膜(如物理吸附膜、化學(xué)吸附膜或化學(xué)反應(yīng)膜)時(shí)的摩擦稱為邊界摩擦。

液體摩擦是指摩擦表面間有一層邊界膜和流體膜的潤滑劑時(shí)，摩擦表面不能直接接觸，摩擦發(fā)生在潤滑劑的分子之同的摩擦。

解釋干摩擦產(chǎn)生的機(jī)理有四種：機(jī)械嚙合理論、分子理論、分子—機(jī)械理論、粘著理論。人們較為公認(rèn)：粘著理論。(P.17-18)兩個(gè)摩擦表面實(shí)際接觸面積很小(只有名義接觸面積的0.01-0.1%)，只在少數(shù)微凸處形成點(diǎn)接觸，其上局部應(yīng)力很大，當(dāng)超過零件材料的σs時(shí),產(chǎn)生塑性變形,實(shí)際接觸面積增大并使接觸點(diǎn)上的氧化膜被壓碎，兩種金屬分子相互擴(kuò)散而溶合在一起形成冷焊點(diǎn)。摩擦表面未接觸部分可能相互嵌人形成犬牙交錯(cuò)狀。當(dāng)配合件運(yùn)動時(shí)，在切向力作用下冷焊點(diǎn)被剪斷，相互嵌人部分被剪切掉。隨后又在新的接觸點(diǎn)粘著，形成新的冷焊點(diǎn)和被剪斷，直至實(shí)際接觸面積增大到足以承受外加載荷為止。

干摩擦造成的影響：干摩擦造成表面磨損,其次是使金屬表面性能發(fā)生變化。如表面塑性變形使表面產(chǎn)生加工硬化;摩擦熱使表面溫度升高而產(chǎn)生再結(jié)晶，表面又被軟化，甚至發(fā)生相變淬火,表面硬度更高。

吸附膜是指由潤滑劑中的極性分子吸附在摩擦表面上形成的邊界膜。它又分為物理吸附膜和化學(xué)吸附膜。(P.19-20)物理吸附膜是潤滑劑中的極性分子靠靜電吸附在摩擦表面上形成極薄的邊界膜。膜的結(jié)合力較弱，受熱容易脫吸。物理吸附膜適用于常溫、低速和輕載的工作條件?；瘜W(xué)吸附膜是潤滑劑中的極性分子靠化學(xué)鍵力吸附在金屬表面上，形成的邊界膜。這種膜很薄，吸附較為穩(wěn)定,吸附與脫吸不完全可逆?；瘜W(xué)吸附膜適用于中等負(fù)荷、速度和溫度的工作條件。

化學(xué)反應(yīng)膜是指為了滿足高溫、高壓和高速的工作條件，在潤滑油中加人含硫、磷、氮等元素的添加劑,高溫下這些元素與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成厚度較大的邊界膜?；瘜W(xué)反應(yīng)膜熔點(diǎn)高、吸附穩(wěn)定、不可逆,但抗剪切強(qiáng)度低，具有良好的潤滑性能?；瘜W(xué)反應(yīng)膜適用于重載、高速和高溫的工作條件。

邊界摩擦是極為普遍的摩擦形式。當(dāng)潤滑條件不充分時(shí)，摩擦表面間只有少量潤滑劑,通過潤滑劑及其添加劑的理化作用在摩擦表面上形成邊界膜，從而減少摩擦與磨損。由于摩擦表面間的邊界油膜的極性分子定向垂直排列在金屬表面上，當(dāng)摩擦副運(yùn)動時(shí)，摩擦發(fā)生在極性分子的非極性端之間，起到潤滑作用。當(dāng)表面粗糙時(shí)，較大的尖鋒將刺破邊界膜而使金屬發(fā)生直接接觸，接觸點(diǎn)處發(fā)生粘著而產(chǎn)生磨損。

潤滑：為了減少摩擦與磨損，在摩擦副間加入某種物質(zhì)使摩擦阻力降低的技術(shù)措施，稱之為潤滑。潤滑油的組成為基礎(chǔ)油＋添加劑添加劑(油性添加劑、極壓添加劑、抗氧化添加劑、清凈分散劑、抗泡劑)。(P.18-22)液體摩擦（潤滑）分為流體動壓潤滑與流體靜壓潤滑流體動壓潤滑是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載并隔開摩擦表面。也可以利用外部壓力將具有一定壓力的潤滑劑不斷地打入摩擦表面間而形成—流體靜壓潤滑。

實(shí)現(xiàn)流體動壓潤滑的前提是建立楔形油膜。

實(shí)現(xiàn)流體動壓潤滑的條件也就是建立楔形油膜的條件。

實(shí)現(xiàn)流體動壓潤滑的條件:1)摩擦表面應(yīng)具有較高的加工精度和表面粗糙度等級;2)摩擦表面間具有一定的合適配合間隙;3)保證連續(xù)而又充分地供給一定溫度下粘度合適的潤滑油;4)相對運(yùn)動的零件必須具有足夠高的相對滑動速度。

磨損的概念：磨損是機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，相對運(yùn)動的摩擦表面的物質(zhì)逐漸損耗，使零件的尺寸、幾何形狀和位置精度以及表面質(zhì)量發(fā)生變化的現(xiàn)象。運(yùn)動副磨損后使其配合間隙增大,配合性質(zhì)改變，進(jìn)而影響了機(jī)器的工作性能和使用壽命。(P.22)據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約80%的機(jī)器零件失效是由磨損造成的。

磨損量的指標(biāo)：磨損量Δ等于軸運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間前后的直徑差，即Δ=d0-d,d0為軸的名義直徑,d為磨損后軸的直徑；或磨損量Δ等于零件運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間前后孔的直徑差，即Δ=D-D0，D0為孔的名義直徑，D為磨損后孔的直徑。圓度誤差是被測量零件的實(shí)際圓度?？刹捎脠A度儀、千分尺或百分表進(jìn)行測量。

t’=1/2(D1-D2)式中t’—指定橫截面的圓度誤差，mm;D1，D2—指定橫截面上兩個(gè)相互垂直的直徑,mm

圓柱度誤差是被測零件的實(shí)際圓柱度，可采用圓度儀、千分尺或百分表進(jìn)行測量。圓柱度誤差u’是用被測零件上指定縱截面上數(shù)個(gè)測量直徑中最大直徑Dmax與最小直徑Dmin差的一半表示，即

u’=1/2(Dmax-Dmin),mm.磨損率φ是指單位時(shí)間內(nèi)零件半徑方向上的最大磨損量Δmax，即

φ=Δmax/t,(mm/kh)式中t—工作時(shí)間，h。

3.磨損規(guī)律和磨損曲線(P.23-24)磨損是船舶機(jī)械中一種重要的故障模式。大約80%的機(jī)器零件失效是由磨損造成的磨損都有一定的規(guī)律，該規(guī)律用運(yùn)動副的磨損量隨其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的變化曲線，即磨損曲線表示磨損曲線反映了新造或修理的機(jī)器零件自投人運(yùn)轉(zhuǎn)到失效的三個(gè)工作階段的磨損情況。

磨損曲線

磨合期是零件運(yùn)轉(zhuǎn)初期,其特點(diǎn)是時(shí)間短磨損量大，即磨損速度大。使運(yùn)動副摩擦表面的形貌和性質(zhì)從初始狀態(tài)過渡到正常使用狀態(tài)。正常磨損期是機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段，是曲線上AB對應(yīng)的工作時(shí)間。這個(gè)階段的特點(diǎn)是磨損速度降低，磨損量小且穩(wěn)定。AB的斜率越小，磨損也越緩慢，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長。磨合是運(yùn)動副摩擦表面的形貌和性質(zhì)從初始狀態(tài)過渡到使用狀態(tài)必經(jīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)階段，是投人正常使用不可缺少的技術(shù)措施。磨合可以提高摩擦表面質(zhì)量，有效地承載;提高機(jī)器和運(yùn)動副的可靠性和延長使用壽命;發(fā)現(xiàn)和排除檢修和裝配中的缺陷;在磨合過程中調(diào)整參數(shù)和修整機(jī)器，使之相互協(xié)調(diào)，獲得最好的動力性和經(jīng)濟(jì)性。機(jī)器或運(yùn)動副投人正常運(yùn)轉(zhuǎn)前應(yīng)獲得良好磨合。

運(yùn)動副磨合良好的要求是(P.23-24)1)消除摩擦表面的初始粗糙度,使實(shí)際接觸面積增大達(dá)80%以上;2)運(yùn)動副工作表面形成彼此適應(yīng)、服帖的形貌;3)建立工作條件下耐久的潤滑油膜,使運(yùn)動副獲得穩(wěn)定，有效地潤滑。磨合良好的標(biāo)志是:1)磨合后的工作表面光滑、潔凈和明亮，無加工痕跡和損傷、變色等;2)短時(shí)間內(nèi)完成初期有效的磨損;3)工作表面的摩擦系數(shù)、磨損率和溫度均在較低的水平。

促進(jìn)良好的磨合，主要的措施有:1)使運(yùn)動副的材料和摩擦表面的初始祖糙度有利于磨合;2)保證磨合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的良好潤滑;3)制定科學(xué)合理的磨合程序，保證順利磨合。在磨合過程不同階段，使用不同堿值氣缸油。磨損是由工作表面相對運(yùn)動的摩擦所造成的。

摩擦不是造成磨損的唯一原因，還與系統(tǒng)中的各種因素，如環(huán)境、運(yùn)動副的材料、運(yùn)動形式和受力狀態(tài)以及表面形貌等有關(guān)

例如，在摩擦條件下，應(yīng)力相互作用將會導(dǎo)致磨粒磨損和疲勞磨損，而材料相互作用將會導(dǎo)致粘著磨損和腐蝕磨損。對于不同類型的磨損將有不同的機(jī)理。(P.24-27)

磨損分粘著,磨粒,腐蝕,疲勞磨損4種:1.按粘著磨損破壞程度可分為：輕微磨損、涂抹、擦傷、撕裂(膠合)、咬死五種。對氣缸套前四種為拉缸，咬死又稱咬缸主要影響因素：摩擦副材料相同。

2.磨粒磨損是在摩擦副相對運(yùn)動時(shí),由于硬的摩擦表面或硬的磨粒對軟的摩擦表面的微切削和刮擦作用，造成摩擦表面金屬材料損失的現(xiàn)象。工業(yè)生產(chǎn)中，磨粒（料）磨損約占50%左右。主要影響因素：磨粒硬度大于摩擦副材料。

二次磨粒磨損是指在腐蝕磨損發(fā)生時(shí)，由于運(yùn)動副摩擦過程中使腐蝕產(chǎn)物自摩擦表面脫落，而脫落的腐蝕產(chǎn)物又成為磨粒使運(yùn)動副摩擦表面產(chǎn)生的磨粒磨損。3.運(yùn)動副相對運(yùn)動時(shí)，由于摩擦表面金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)和機(jī)械作用而使摩擦表面金屬損失的現(xiàn)象稱為腐蝕磨損.它有分氧化磨損,特殊介質(zhì)磨損和微動磨損。3.1)氧化磨損是運(yùn)動副在相對運(yùn)動時(shí)，摩擦表面與空氣或潤滑油中的氧、氧化性介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氧化膜。摩擦過程中摩擦使氧化膜脫落，隨之又會生成新的氧化膜。摩擦表面的氧化膜不斷生成和脫落而使運(yùn)動副零件表面金屬損失的現(xiàn)象。3.2)運(yùn)動副在相對運(yùn)動時(shí)，摩擦表面與周圍的酸堿鹽等特殊介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用，生成各種腐蝕產(chǎn)物并在摩擦過程中脫落，使摩擦表面金屬不斷損失，這種現(xiàn)象稱為特殊介質(zhì)的腐蝕磨損。

3.3)微動磨損是兩個(gè)緊密接觸表面之間發(fā)生微小振幅的振動所引起的機(jī)械化學(xué)磨損。微動磨損是一種復(fù)合的磨損，存在四種機(jī)理：粘著、腐蝕、磨粒和疲勞磨損。4.疲勞磨損是兩個(gè)接觸表面發(fā)生相對滑動或滾動時(shí)，在接觸區(qū)形成周期性的交變應(yīng)力，當(dāng)其超過材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)接觸表面產(chǎn)生變形和微裂紋，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展和金屬剝落，接觸表面金屬疲勞產(chǎn)生金屬損失。

二、氣缸套－活塞環(huán)、曲軸－軸承的摩擦、磨損分析：(P.27-32)1.氣缸套－活塞環(huán)、的摩擦、磨損分析(P.27)氣缸套上活塞行程的中部實(shí)現(xiàn)液體摩擦，在上、下止點(diǎn)附近形成邊界摩擦。

氣缸套可能存在的摩擦形式：液體摩擦、邊界摩擦、干摩擦。正常磨損可能存在的形式有：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損。

在活塞行程中部活塞環(huán)-氣缸套運(yùn)動到的相對運(yùn)動速度最大;氣缸套正常磨損的特征是最大磨損部位在氣缸套上部，通常是活塞位于上止點(diǎn)時(shí)第一、二道活塞環(huán)對應(yīng)缸壁處，并沿缸壁向下磨損量逐漸減小，使氣缸內(nèi)孔呈喇叭狀。在缸套左右方向磨損較大，大于首尾方向。鑄鐵缸套磨損率＜0.1mm/kh,鍍鉻缸套在0.01%～0.03mm/kh,缸套最大允許磨損范圍：0.4%～0.8%D,鑄鐵環(huán)在0.1～0.5mm/kh。

氣缸套發(fā)生異常磨損時(shí)，氣缸套工作表面臟污，有明顯的劃痕，擦傷等拉缸痕跡，甚至發(fā)生咬缸;磨損產(chǎn)物的顆粒較大和磨損率較高，一般鑄鐵缸套磨損率可超過0.lmm/kh，活塞環(huán)磨損率超過0.5mm/kh。減少氣缸套磨損主要(P.28)加強(qiáng)燃油、燃燒的管理，保證燃油的質(zhì)量和燃燒的質(zhì)量;加強(qiáng)潤滑，保證氣缸良好的潤滑條件;注意冷卻水的溫度變化和調(diào)節(jié);保證活塞與氣缸套之間的正常配合間隙，使之對中性良好等.

活塞環(huán)-氣缸套磨合運(yùn)轉(zhuǎn)后，可盤車從氣口觀察或吊缸檢查，具有以下特征視為良好磨合:1)缸壁表面潤濕、光亮、清潔,無油污和積炭,或油污不嚴(yán)重且易清除;2)工作表面無明顯磨損、拉痕等;3)環(huán)表面上有一圈發(fā)亮的磨合帶,環(huán)在環(huán)槽中活動自如。2.曲軸－軸承的摩擦、磨損分析(P.31)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸頸與主軸承形成流體動壓潤滑。主軸瓦燒熔—發(fā)生干摩擦，產(chǎn)生了嚴(yán)重的粘著磨損。軸瓦上開油槽會影響其承載能力，在主軸承下瓦與連桿大端軸承上瓦上不開油槽，該兩種軸瓦磨損也較大。曲軸軸頸軸向和周向磨損不均勻，產(chǎn)生圓度誤差與圓柱度誤差。三、減小磨損的措施(P.30-31)減少缸套磨損的有效途徑包括：制造工藝,安裝工藝,使用管理制造工藝方面減少或防止缸套磨損的途徑有：特種加工,電鍍Cr,表面熱處理,表面淬火,滲N,表面激光強(qiáng)化，珩磨,波紋切削,超精磨。

安裝方面：1）可以防止或減少缸套的磨損：固定部件位置正確,對中良好,運(yùn)動部件的配合間隙滿足要求。2）軸承安裝時(shí)保證防止或減少發(fā)生過度磨損應(yīng)保證：