機械基礎(chǔ)(陳長生)PPT-13 潤滑與密封

在機械傳動過程中，零、部件的相對運動會在接觸表面產(chǎn)生摩擦，造成傳動的能量損耗和機械磨損，影響機械運動精度和使用壽命。潤滑則是減少摩擦、磨損的有效措施。當(dāng)然，對一些靠摩擦原理工作的零、部件如帶傳動、摩擦離合器、制動器等，設(shè)計時應(yīng)設(shè)法加大摩擦，減少摩損。

第十三章機械的潤滑和密封

第一節(jié)摩擦、磨損和潤滑

一、摩擦的類型

按相對運動表面潤滑情況，摩擦可分為干摩擦、邊界摩擦、液體摩擦和混合摩擦。其摩擦狀態(tài)示意圖如圖13-1所示。

圖13-1摩擦狀態(tài)

1、干摩擦兩摩擦表面微觀凸峰直接接觸，中間不存在任何潤滑劑的摩擦，稱為干摩擦（如圖13-1a）。其摩擦性質(zhì)取決于摩擦表面的材料。干摩擦的摩擦功損耗大，磨損嚴(yán)重，溫升很高，零件使用壽命短。在機械傳動零件接觸中不允許出現(xiàn)干摩擦。

2、邊界摩擦潤滑劑在摩擦表面由吸附作用或化學(xué)反應(yīng)（例如金屬氧化物、硫化物）生成一層邊界膜。當(dāng)兩摩擦表面的邊界膜直接接觸傳遞載荷時，就處于邊界摩擦狀態(tài)（如圖13-1b）。邊界膜厚度很薄，約為幾個分子到10-2μm的數(shù)量級，厚度小于摩擦表面的不平度，因此摩擦表面仍會有一定的摩擦功耗和磨損。

3、液體摩擦如果油膜厚度較大，兩摩擦表面被液體層完全隔開，表面微觀凸峰不直接接觸，形成液體摩擦（如圖13-1C）。此時可避免發(fā)生磨損，摩擦也只發(fā)生在油層液體內(nèi)部。摩擦因數(shù)很小。

4、混合摩擦當(dāng)摩擦表面間有潤滑油，但不足以保證液體摩擦?xí)r，就可能有部分接觸處是邊界摩擦，其余部分是液體摩擦；也可能在局部粗糙凸峰接觸處是干摩擦，其余部分則為邊界摩擦與液體摩擦（圖13-1d）。這兩種狀態(tài)，統(tǒng)稱為混合摩擦。混合摩擦在機器中是很常見的。二、磨損

摩擦表面在相對運動過程中，表層材料不斷損失或轉(zhuǎn)移的觀象稱為磨損。通常應(yīng)當(dāng)設(shè)法避免或減少磨損，以能較長時期保持機器的精度，從而延長使用壽命。按照失效機理，可將磨損分為以下四種基本類型：

1、粘著磨損當(dāng)摩擦副表面的邊界油膜被微凸體的峰尖刺破時，微凸體的峰尖便會發(fā)生粘著形成冷焊結(jié)點。當(dāng)摩擦副相對滑動時，冷焊點遭到剪斷。如果被剪斷面不是原來的界面，則發(fā)生材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面的磨損現(xiàn)象。粘著磨損是金屬摩擦副間較為普遍的一種磨損類型。特別在高溫、重載容易使接觸表面潤滑不良時，粘著磨損的程度比較嚴(yán)重。

2、磨料磨損摩擦面間落入游離的硬顆粒（如塵土或磨損的金屬碎屑）或表面上具有硬質(zhì)的突出物，由此而在摩擦面上造成不斷的微切削而產(chǎn)生的磨損稱為磨料磨損。

3、疲勞磨損反復(fù)作用的接觸應(yīng)力會使金屬表面產(chǎn)生疲勞點蝕，點蝕使表層金屬材料剝落導(dǎo)致疲勞磨損。

4、腐蝕磨損大多數(shù)金屬表層材料會與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而在摩擦面上生成化學(xué)反應(yīng)物，該化學(xué)反應(yīng)物在摩擦表面相對運動中發(fā)生破碎導(dǎo)致脫落的過程稱為腐蝕磨損。

磨損類型可隨工作條件的改變而轉(zhuǎn)化。實際上，大多數(shù)的磨損是上述幾種磨損類型的復(fù)合形式出現(xiàn)的。粘著磨損與疲勞磨損產(chǎn)生的磨屑若不及時從潤滑劑中清除出去，將使摩擦表面產(chǎn)生磨料磨損。

三、潤滑的作用

潤滑的主要作用大致可歸納為以下幾點：

（1）減少摩擦，減輕磨損加入潤滑劑后，在摩擦表面形成一層薄膜，可防止金屬直接接觸，從而大大減少摩擦磨損和機械功率的損耗。

（2）降溫冷卻摩擦表面經(jīng)潤滑后其摩擦因數(shù)大為降低，使摩擦發(fā)熱量減少；對于液體潤滑劑，潤滑油流過摩擦表面帶走部分摩擦熱量，起散熱降溫作用，保證運動副的溫度不會升溫得過高。

（3）清洗作用潤滑油流過摩擦表面時，帶走磨損落下的金屬磨屑和污物。

（4）防止腐蝕潤滑劑中都含有防腐、防銹添加劑，吸附于零件表面的油膜，可避免或減少由腐蝕引起的損壞。

（5）緩沖減振作用潤滑劑都有在金屬表面附著的能力，且本身的剪切阻力小，所以在運動副表面受到?jīng)_擊載荷時，具有吸振的能力。

（6）密封作用半固體潤滑劑具有自封作用，一方面可以防止?jié)櫥瑒┝魇В硪幻婵梢苑乐顾趾碗s質(zhì)的侵入。

生產(chǎn)中常用的潤滑劑包括潤滑油、潤滑脂、固體潤滑劑和氣體潤滑劑等幾大類。其中礦物油和皂基潤滑脂性能穩(wěn)定，成本低，應(yīng)用廣。

一、潤滑油

（一）潤滑油的性能指標(biāo)

1、粘度粘度是潤滑油最重要的物理性能指標(biāo)。它反映了液體內(nèi)部產(chǎn)生相對運動時分子間內(nèi)摩擦阻力的大小。潤滑油粘度越大，承載能力也越大。潤滑油的粘度并不是固定不變的，而是隨著溫度和壓強而變化的。當(dāng)溫度升高是，粘度降低；壓力增大時，粘度增高。潤滑油的粘度分為動力粘度、運動粘度和相對粘度，各粘度的具體含義及換算關(guān)系可參看有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

第二節(jié)常用潤滑劑的選擇

2、油性又稱潤滑性，是指潤滑油潤濕或吸附于摩擦表面構(gòu)成邊界油膜的能力。這層油膜如果對摩擦表面的吸附力大，不易破裂，則潤滑油的油性就好。油性受溫度的影響較大，溫度越高，油的吸附能力越低，油性越差。

3、閃點潤滑油在火焰下閃爍時的最低溫度稱為閃點。它是衡量潤滑油易燃性的一項指標(biāo)，另一方面閃點也是表示潤滑油蒸發(fā)性的指標(biāo)。油蒸發(fā)性越大，其閃點越低。潤滑油的使用溫度低于閃點20～30°C。

4、凝點、傾點凝點是指在規(guī)定的冷卻條件下，潤滑油冷卻到不能流動時的最高溫度，潤滑油的使用溫度應(yīng)比凝點高5～7°。傾點是潤滑油在規(guī)定的條件下，冷卻到能繼續(xù)流動的最低溫度，潤滑油的使用應(yīng)高于傾點3°C以上。

(二)、常用潤滑油

常用潤滑油主要分為礦物潤滑油、合成潤滑油和動植物滑油三類。

礦物潤滑油主要是石油制品，具有規(guī)格品種多、穩(wěn)定性好、防腐蝕性強、來源充足且價格較低等特點，因而應(yīng)用廣泛。主要有機械油、齒輪油、汽輪機油、機床專用油等。

合成潤滑油具有獨特的使用性能，主要用于特殊條件下，如高溫、低溫、防燃以及需要與橡膠、塑料接觸的場合。

動植物油產(chǎn)量有限，且易變質(zhì)，故只用于有特殊要求的設(shè)備或用作潤滑添加劑。

潤滑油的選用原則：載荷大或變載、沖擊場合、加工粗糙或未經(jīng)跑合的表面，選粘度較高的潤滑油；轉(zhuǎn)速高時，為減少潤滑油內(nèi)部的摩擦功耗，或采用循環(huán)潤滑、芯捻潤滑等場合，宜選用粘度低的潤滑油；工作溫度高時，宜選用粘度高的潤滑油。二、潤滑脂

潤滑脂也稱為黃油，是一種稠化的潤滑油。其油膜強度高，粘附性好，不易流失，易密封，使用時間長，但散熱性差，摩擦損失大。它常用于不易加油、重載低速的場合。

（一）、潤滑脂的性能指標(biāo)

1、錐入度錐入度是衡量潤滑脂粘稠程度的指標(biāo)。它是指用一個標(biāo)準(zhǔn)的錐形體，在其自重作用下，置于25°C的潤滑脂表面，經(jīng)5S后，該錐形體沉入脂內(nèi)的深度（以0.1mm為單位）。國產(chǎn)潤滑脂都是按錐入度的大小來編號的，一般使用2，3，4號。錐入度越大的潤滑脂，其稠度越小，編號的順序數(shù)字也越小。

2、滴點滴點是指在規(guī)定的條件下，將潤滑脂加熱至從標(biāo)準(zhǔn)的測量杯孔滴下第一滴時的溫度。它反映潤滑脂的耐高溫能力。選擇潤滑脂時，工作溫度應(yīng)低于滴點15°～20°C。

（二）、常用潤滑脂

潤滑脂的選擇：根據(jù)稠化劑量皂基的不同，潤滑脂主要有：鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂、鋰基潤滑脂、鋁基潤滑脂等類型。潤滑脂類型的選用主要根據(jù)潤滑零件的工作溫度、工作速度和工作環(huán)境條件。常用潤滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)及用途見表13-2。三、固體潤滑劑用固體粉末代替潤滑油膜的潤滑，稱為固體潤滑。最常見的固體潤滑劑有石墨、二硫化鉬、二硫化鎢、聚四氟乙烯等。固體潤滑劑耐高溫、高壓，因此適用于速度很低、載荷特重或溫度很高、很低的特殊條件及不允許有油、脂污染的場合。此外，還可以作為潤滑油或潤滑脂的添加劑使用。一、滑動軸承的潤滑大部分的潤滑軸承都采用油潤滑?？筛鶕?jù)軸頸速度和工況，參照表13-3選取。第三節(jié)常用傳動裝置的潤滑對于要求不高，速度v＜5m/s，不便經(jīng)常加油的非液體摩擦滑動軸承，可用脂潤滑。脂潤滑的選擇可參照表13-4。

二、滾動軸承的潤滑

滾動軸承可采用油潤滑或脂潤滑。潤滑方式可按軸承類型與dn值由表13-5中選取。

在dn值較高或具備潤滑油源的裝置（如變速器、減速器等），可采用油潤滑。潤滑油粘度按dn值及工作溫度，由圖13-2中選出，然后從潤滑油產(chǎn)品目錄中選取相應(yīng)的潤滑油牌號。

在dn值較小時，采用脂潤滑。它具有不易流失，密封性好，使用周期長等優(yōu)點。在使用時，潤滑脂的填充量不得超過軸承空隙的1/3～1/2，過多會引起軸承發(fā)熱。

圖13-2潤滑油粘度的選擇滾動軸承潤滑脂選擇：首先根據(jù)速度、工作溫度、工作環(huán)境選擇潤滑脂的類型，比如工作溫度70°C以下可以選用鈣基脂，100～120°C可選鈉基脂或鈣鈉基脂，150°C以上高溫或dn＞400000mm·r/min時可選二硫化鉬鋰基脂，潮濕環(huán)境選鈣基脂等等。

然后根據(jù)載荷及供油方式選擇潤滑脂牌號，比如中載、中速球軸承常選２號潤滑脂，滾子軸承摩擦大，可選０號或１號潤滑脂，重載或有強烈振動的軸承可選３號及３號以上的潤滑脂，集中潤滑要求流動性好，常選０號或１號潤滑脂等。

三、齒輪傳動潤滑

１、閉式齒輪傳動的潤滑大部分的閉式齒輪傳動

靠邊界油膜潤滑，因此要求潤滑油有較高的粘度和較好

的油性。潤滑油的粘度可根據(jù)齒輪的材料和圓周速度，

在表13-6中查取，然后由機械設(shè)計手冊選定潤滑油的牌號。

齒輪潤滑方式包括浸油潤滑、飛濺潤滑、壓力潤滑等，潤滑方式選擇及注意事項見表13-7。

（２）開式、半開式齒輪傳動的潤滑開式齒輪傳

動一般速度較低、載荷較大、接觸灰塵和水分、工作條

件差且油膜易流失。為維持潤滑油膜，應(yīng)采用粘度很高、防銹性好的開式齒輪油。速度不高的開式齒輪也可采用

脂潤滑。開式齒輪傳動的潤滑可用手動、滴油、油池浸

油等方式供油。

機械裝置密封有兩個主要作用：

1）阻止液體、氣體工作介質(zhì)、潤滑劑泄漏；

2）防止灰塵、水分進入潤滑部位。

第四節(jié)機械裝置的密封

第四節(jié)機械裝置的密封

機械裝置密封有兩個主要作用：

1）阻止液體、氣體工作介質(zhì)、潤滑劑泄漏；

2）防止灰塵、水分進入潤滑部位。

密封裝置的類型很多，兩個具有相對運動的結(jié)合面必然有間隙（比如減速器外伸軸與軸承端蓋之間），它們之間的密封稱為動密封。兩個相對靜止不動的結(jié)合面之間的密封稱為靜密封，比如減速器箱體與軸承端蓋、減速器箱體與減速器箱蓋等。所有的靜密封和大部分的動密封都是靠密封面互相靠近或嵌入以減少或消除間隙，達到密封的目的。這類密封方式稱為接觸式密封。密封面間有間隙，依靠各種方法減少密封間隙兩側(cè)的壓力差而阻漏的密封方式，稱為非接觸式密封。

一、靜密封

1、研磨面密封如圖13-3a所示，要求結(jié)合面研磨加工，間隙小于5μm，在螺栓預(yù)緊力的作用下貼緊密封。

圖13-3靜密封

3、密封膠密封如圖13-3c所示，密封膠有一定的流動性，容易充滿結(jié)合面的間隙，粘附在金屬面上能大大減少泄漏，即使在較粗糙的表面上密封效果也很好。密封膠型號很多（如鐵錨602），使用時可查機械設(shè)計手冊。

4、O形圈密封如圖13-3d所示，在結(jié)合面上開密封圈槽，裝入O形密封圈，利用其在結(jié)合面間形成嚴(yán)密的壓力區(qū)來達到密封的目的。

2、墊片密封如圖13-3b所示，在結(jié)合面間加墊片，螺栓壓緊使墊片產(chǎn)生彈塑性變形填滿密封面上的不平，從而消除間隙，達到密封的目的。在常溫、低壓、普通介質(zhì)工作時可用紙、橡膠等墊片；在高壓及特殊高溫和低溫場合可用聚四氟乙烯墊片；一般高溫、高壓下可用金屬墊片。

（一）接觸式密封

1、氈圈密封如圖13-4所示，矩形斷面的氈圈，安裝在梯形的槽中，受變形壓縮而對軸產(chǎn)生一定的壓力，消除間隙，達到密封的目的。氈圈密封結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝、加工，一般用于軸的圓周速v＜4～5m/s，工作溫度t＜90°C的脂潤滑處，主要起防塵作用。二、動密封

兩個具有相對運動的結(jié)合面之間的密封稱為動密封。在回轉(zhuǎn)軸的動密封中，有接觸式、非接觸式和組合式三種類型。

圖13-4氈圈密封

2、密封圈密封密封圈用耐油橡膠、塑料或皮革等彈性材料制成，靠材料本身的彈力及彈簧的作用，以一定壓力緊套在軸上起密封作用。唇形密封應(yīng)用較多。圖13-5所示密封圈唇口朝內(nèi)，目的是防漏油；唇口朝外，主要目的是防灰塵、雜質(zhì)侵入。這種密封廣泛用于油密封，也可用于脂密封和防塵。一般用于軸的圓周速度v＜7m/s，工作溫度范圍在-40～100°C的場合。

圖13-5密封圈密封

3、機械密封機械密封又稱端面密封。圖13-6所示的是一種簡單的機械密封，動環(huán)1與軸一起轉(zhuǎn)動；靜環(huán)2固定在機座端蓋上，動環(huán)與靜環(huán)端面在彈簧3的彈簧力作用下互相貼緊，起到很好的密封作用。

圖13-6機械密封機械密封的優(yōu)點是動靜環(huán)端面相對滑動，摩擦及磨損集中在密封元件上，對軸沒有損傷；密封環(huán)若有磨損，在彈簧力的作用下仍能保持密封，密封性能可靠，使用壽命長。缺點是零件多，加工質(zhì)量要求高，裝配較復(fù)雜。這種密封方式適用于軸的圓周速度v≤18～30m/s，溫度在-196～400°C，工作環(huán)境惡劣的場合。如用于與灰塵、沙泥、污水等接觸的工程機械、拖拉機、汽車的輪轂軸承處。

（二）、非接觸式密封