第4章 机械零件的摩擦、磨损、润滑及密封

第4章机械零件的摩擦、磨损、润滑及密封1.摩擦具有普遍性和不可避免性•摩擦引起发热、温度升高和能量损耗，导致接触表面物质的损失和转移，即造成接触表面的磨损。•磨损使零件的表面形状和尺寸遭到破坏，使机械的效率及可靠性降低，直至丧失原有的工作性能，甚至导致零件突然破坏。2.摩擦和磨损往往相伴发生3.摩擦和磨损都具有两面性4.减少摩擦磨损的最有效方法是润滑5.减摩和耐磨材料在工业中的应用6.为防止润滑剂泄漏并阻止外部杂质、灰尘、空气和水分等的入侵，防止因润滑剂泄漏而产生的污染，改善工作环境,在润滑系统中需设置密封装置，•目前世界上工业领域中大约有1／3～1／2的能源以各种方式最终消耗于摩擦；•机械零件的损坏约有80％是由各种形式的磨损引起的。•4.1摩擦原理•摩擦分内摩擦和外摩擦两大类;•发生在物质内部阻碍分子间相对运动的摩擦称为内摩擦。相互接触的两个物体作相对运动或有相对运动趋势时，在接触表面上产生的阻碍相对运动的摩擦称为外摩擦;•仅有相对运动趋势时的摩擦称为静摩擦，产生相对运动时的摩擦称为动摩擦;•按摩擦性质的不同，动摩擦又分滑动摩擦和滚动摩擦，两者的机理与规律完全不同。干摩擦边界摩擦流体摩擦混合摩擦摩擦特性曲线典型摩擦特性曲线干摩擦及摩擦系数•干摩擦是指两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜而直接接触的纯净表面间的摩擦•库仑公式•干摩擦力的形成原因:早期的机械摩擦啮合理论分子——机械理论粘着理论•粘着理论又称为现代粘着理论，是目前较为广泛接受的摩擦形成理论NFsrNAbrbiiAAFFsbsrbrbrAANANF边界摩擦机理•边界摩擦：摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。•边界膜可以是物理吸附膜、化学吸附膜和化学反应膜。•物理吸附膜是指由润滑油中的极性分子与金属表面相互吸引而形成的吸附膜；•化学吸附膜是指润滑油中的分子靠分子键与金属表面形成的化学吸附膜；•化学反应膜是指在润滑油中加入硫、磷、氯等元素的化合物（添加剂）与金属表面进行化学反应而生成的膜。a)物理吸附膜b)化学吸附膜c)化学反应膜物理吸附膜润滑油中的脂肪酸是一种极性化合物，其分子能吸附在金属表面，形成物理吸附膜。吸附在金属表面上的分子分为单层和多层结构，距离表面愈远的分子，其吸附能力愈低，剪切强度愈小，到了若干层以后，就不再受约束。多层物理吸附膜模型化学吸附膜和化学反应膜•化学吸附膜比物理吸附膜的吸附强度高，稳定性也优于物理吸附膜，受热后的熔化温度也高，化学吸附膜适用于中等载荷、中等速度、中等温度下工作。•化学反应膜具有厚度大、熔点高、剪切强度低、稳定性好等优点。它适宜用于重载、高速和高温下工作的摩擦副。•工作温度是影响边界膜性能的关键参数，当工作温度达到软化温度时，吸附膜发生软化、乱向和脱吸现象，在具体应用过程中应注意限制pv值。不同添加剂的减摩作用4.2磨损•机械设计时应考虑如何避免或减缓磨损，以保证零件和机械达到预期的寿命；•磨损量可用体积、重量或厚度来衡量，通常把单位时间内材料的磨损量称为磨损率，用ε表示；•耐磨性是指磨损过程中材料抵抗脱落的能力，通常用磨损率的倒数1/ε来表示；•磨损过程可分为磨合、稳定磨损和剧烈磨损三个阶段；典型磨损过程磨损的分类•粘着磨损•磨粒磨损•疲劳磨损•腐蚀磨损由于工作条件的复杂性，磨损经常以复合形式出现。磨损的控制•粘着磨损：①合理选择配对材料，同种金属比异种金属易于粘着，脆性材料比塑性材料的抗粘着能力强，进行表面处理（如表面热处理、电镀、喷涂等）可防止粘着磨损的发生；②限制摩擦表面的温度；③采用含油性和极压添加剂的润滑剂；④控制压强。•磨粒磨损：金属材料的硬度应至少比磨粒的硬度大30%。但材料并不是愈硬愈好，有时选用较便宜的材料，定期更换易磨损的零件，更经济。•疲劳寿命：①合理选择零件接触面的表面粗糙度，一般情况下表面粗糙度值愈小，疲劳寿命愈长；②合理选择润滑油粘度，适当提高润滑油的粘度有利于接触应力均匀分布，提高抗疲劳磨损的能力。在润滑油中加入极压添加剂或固体润滑剂，能提高接触表面的抗疲劳性能；③合理选择零件接触面的硬度。4.3润滑材料•润滑剂可分为气体、液体、半固体和固体四种基本类型；•在液体润滑剂中应用最广泛的是润滑油，包括矿物油、动植物油、合成油和各种乳剂；•半固体润滑剂主要是指各种润滑脂，它是润滑油和稠化剂的稳定混合物；•固体润滑剂是指可以形成固体膜以减少摩擦阻力的物质，如石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等；•任何气体都可作为气体润滑剂，其中用得最多的是空气，它主要用在气体轴承中。•在摩擦面间加入润滑剂不仅可以降低摩擦，减轻磨损，保护零件不发生锈蚀，而且还能起到散热降温的作用；•对于液体润滑剂，润滑油膜还具有缓冲、吸振的能力；•膏状的润滑脂，既可防止内部的润滑剂外泄，又可阻止外部杂质侵入，同时具有润滑和密封作用。润滑油•用作润滑剂的油类可概括为三类：一是有机油，通常是动植物油；二是矿物油，主要是石油产品；三是化学合成油；•矿物油来源充足，成本低廉，适用范围广，而且稳定性好，故应用最多；•动植物油中因含有较多的硬脂酸，在边界润滑时有很好的润滑性能，但因其稳定性差且易氧化，所以使用不多；•化学合成油是通过化学合成方法制成的新型润滑油，它能满足矿物油所不能满足的某些特殊要求，如高温、低温、高速、重载和其他条件。由于它多系针对某种特定需要而制，适用面较窄、成本又很高，故一般机械应用较少；•润滑油的主要指标有以下几个：粘度、润滑性（油性）、极压性、闪点、凝点、氧化稳定性动力粘度•动力粘度•动力粘度单位：长、宽、高各为lm的液体，上、下平面发生lm/s相对滑动速度需要的切向力为1N时，该液体的动力粘度为1N·s／m2或1Pa·s（帕·秒）。Pa·s是国际单位制（SI）的粘度单位。在绝对单位制（C.G.S.制）中，把动力粘度的单位定为ldyn·s/cm2，叫lP（泊），百分之一P称为cP（厘泊），即1P＝100cP。yuτ＝－η运动粘度•运动粘度：工程中常用动力粘度η（单位为Pa·s）与同温度下该流体密度ρ(单位为kg／m3)的比值表示粘度，称为运动粘度ν（单位为m2／s）•在C.G.S.制中运动粘度的单位是St（斯），1St＝lcm2／s。百分之一St称为cSt（厘斯），它们之间有下列关系：1St＝1cm2／s＝100cSt＝10－4m2／s，1cSt＝10－6m2／s＝1mm2／sGB／T3141－1994规定采用润滑油在40ºC时的运动粘度中心值的cSt值作为润滑油的粘度等级。润滑油实际运动粘度在相应中心粘度值的10％偏差以内。v=条件粘度•条件粘度是在一定条件下、利用某种规格的粘度计，通过测定润滑油穿过规定孔道的时间来进行计量的粘度。我国常用恩氏度（ºEt）作为条件粘度单位，美国习惯用赛氏通用秒（SUS），英国习惯用雷氏秒（R）作为条件粘度单位。•平均温度t时的运动粘度νt（单位为mm2/s）与恩氏粘度ηE（单位为ºEt）可按下列关系进行换算EEEEEEE41.72.160.46.72.364.80.8时3.21.35ttt，时当，时当，当E粘温特性——粘度随温度变化的特性。润滑油粘度受温度影响的程度可用粘度指数（VI）表示；粘度指数值越大，表明粘度随温度的变化越小，即粘-温性能越好；VI≤35为低粘度指数润滑油，VI35～85为中粘度指数润滑油，VI85～110为高粘度指数润滑油。粘压特性——粘度随压力变化的特性。压力对流体的影响：流体的密度随压力增高而加大，压力对流体粘度的影响，这只有在压力超过20MPa时，粘度才随压力的增高而加大，高压时则更为显著。对于一般矿物油的粘-压关系，可用下列经验式表示：润滑性（油性）：润滑性是指润滑油中极性分子与金属表面吸附形成边界油膜，以减小摩擦和磨损的性能。极压性：极压性是润滑油中加入含硫、磷、氯等的有机极性化合物后，油中极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能；闪点：闪点是指当油在标准仪器中加热所蒸发出的油汽，一遇火焰即能发出闪光时的最低温度。凝点：凝点是指润滑油在规定条件下，不能自由流动时的最高温度。氧化稳定性：氧化稳定性是指润滑油在使用或贮存保管期间，性质安定、不易产生氧化变质的性能。抗乳化性、抗泡性、灰份、残炭润滑脂：除润滑油以外应用最多的一类润滑剂；润滑油与稠化剂（如钙、钠、锂、铝的金属皂）的膏状混合物；润滑脂主要有以下几类：钙基润滑脂：具有良好的抗水性，但耐热能力差；钠基润滑脂：有较高的耐热性，工作温度可达110℃，但抗水性差；锂基润滑脂：既能抗水、耐高温（工作温度不宜高于120℃），也有较好的机械安定性，是一种多用途的润滑脂。铝基润滑脂：具有良好的抗水性，对金属表面有高的吸附能力，故可起到很好的防锈作用。润滑脂的主要质量指标有：锥（针）入度：衡量润滑脂稠度的指标。用一个重1.5N的标准锥体，在25℃恒温下，由润滑脂表面经5s后刺入的深度(以0.lmm计)进行检验；滴点：滴点是指在规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度。水份、灰份、机械杂质等添加剂：为了提高油的品质和使用性能，常加入某些分量虽少（从百分之几到百万分之几）但对润滑剂性能改善起巨大作用的物质，这些物质称为添加剂。添加剂的作用有：l）提高润滑剂的油性、极压性和在极端工作条件下有效工作的能力。2）推迟润滑剂的老化变质，延长其正常使用寿命。3）改善润滑剂的物理性能，如降低凝点、消除泡沫、提高粘度、改进其粘-温特性等。添加剂的种类：油性添加剂、极压添加剂、分散净化剂、消泡添加剂、抗氧化添加剂、降凝剂、增粘剂等。4.4机械零件的润滑方式•边界润滑：所谓边界润滑，就是两摩擦面间通过一层边界膜实现润滑的一种润滑方式。•流体润滑：当摩擦副始终被一层具有一定压力和一定厚度的流体膜完全隔开、相互运动的阻力只是流体内部的摩擦力时，这种润滑状态称为流体润滑。•混合润滑：当摩擦副两表面间的油膜不够厚时，局部表面的轮廓峰仍可穿透润滑油膜而发生接触，而其他区域仍处于流体润滑状态，这种兼有边界润滑和流体润滑的状态称为混合润滑；•润滑状态的转化：改变某些参数如压强p、两接触面间相对滑动速度v、流体粘度η，边界润滑、混合润滑和流体润滑状态可以相互转化。Ⅰ边界润滑，Ⅱ部分弹流、混合润滑，Ⅲ完全弹流、流体润滑膜厚比、润滑状与相对寿命λ≤1时呈边界润滑状态；1＜λ＜3时呈混合润滑状态或部分弹性流体动力润滑状态；λ≥3时呈流体润滑状态或完全弹性流体动力润滑状态4.5流体润滑原理及方法•流体动压润滑：两个作相对运动物体的摩擦表面，用借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的动压力来平衡外载荷，这种流体润滑状态称为流体动压润滑。•流体动压润滑的主要优点：摩擦力小（仅为流体内部的摩擦阻力）、磨损小甚至没有，并可缓和振动与冲击。•流体静压润滑：流体静压润滑是将液压泵等外界设备提供的压力流体送入摩擦表面之间，以静压力来平衡外载荷，使摩擦表面分离而达到流体润滑的目的。•流体静压润滑技术已成熟应用于静压轴承、静压导轨、静压丝杠等摩擦副零部件。•润滑油的润滑方法及润滑系统润滑系统的选择和设计：润滑剂的输送、控制（分配、调节）、冷却、净化，以及压力、流量、温度等参数的监控。机械设备使用的润滑方法：有分散润滑和集中润滑两大类型。•集中润滑又可分为全损耗系统、循环系统及静压系统等三种基本类型。4.6密封装置•密封是为了阻止润滑油从轴承中流失，也是为了防止外界灰尘、水分等侵入轴承。•根据密封元件间有无相对运动通常把密封分为静密封和动密封两大类。密封结合面间没有相对运动的密封称为静密封，密封元件间彼此有相对运动的密封称为动密封。•对于动密封，根据轴的运动形式可分为两种基本类型，即旋转轴密封和往复轴密封。也可根据密封元件之间是否接触而分为接触密封和非接触密封。•静密封直接接触密封：垫片、垫圈密封自紧式密封•接触式旋转轴密封