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LOGO第二章船机的摩擦与磨损第一章船机零件的摩擦与磨损摩擦学（Tribology）定义：研究相互运动物体的相互作用表面及其有关理论和实践的科学技术。内容：摩擦、磨损与润滑主要研究对象：摩擦表面，摩擦机理，磨损机理，润滑理论和摩擦学的应用等内容统计数据：一般机器中因磨损导致失效的零部件大约占全部报废零部件的80％。一、摩擦表面1、摩擦表面形貌§2-1摩擦（Friction）零件表面粗糙度直接影响摩擦表面的实际接触面积的大小和实际压强的大小。通常，实际接触面积只有名义接触表面的0.01%~0.1%。粗糙度直接影响零件表面的耐磨性、疲劳强度、耐蚀性和配合性质的稳定性。零件表面的几何形态称为表面形貌。影响配合表面的摩擦、磨损的主要因素：摩擦表面的形貌、表面层的结构和性能零件表面形貌分为宏观几何形状、表面波度和粗糙度（微观几何形状）三部分。宏观几何形状——宏观所见表面的轮廓线偏离名义几何形状的粗大偏差；表面波度——周期性的波状表面峰和谷，因机床加工系统振动的引起，为介于形状误差与粗糙度之间的误差；粗糙度——微观表面轮廓的几何形状偏差。§2.1摩擦零件表面形貌的构成实际表面与理想表面存在一定的几何形状误差，表现在两个方面：（1）几何形状误差（宏观上）：用圆度、圆柱度、平面度表示。（2）微观表面几何形状偏差：粗糙度Ra，单位μm评定表面粗糙度的方法很多，优先选用的是轮廓算术平均偏差Ra，分为14级。§2.1摩擦niiaynR112、金属表面层的结构金属的表面层在结构上和性能上均与基体不相同。金属表面层的具体结构：§2.1摩擦污染层吸附气体层氧化层加工硬化层基体外表层内表层金属表面层的性能表面层的硬度高于基体，提高表面的耐磨性。表面层晶粒较细使晶界增加，对腐蚀介质中工作的摩擦副不利，耐蚀性下降。表面层中存在着物理、化学和应力缺陷，会成为磨损的应力集中源。最薄的一层为吸附气体层。结论（1）实际表面是凹凸不平的；（2）接触表面并非真正的全部接触：实际接触面积名义接触面积；（3）即使在接触点上，也可能有表面膜把金属隔开。§2.1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，接触表面产生切向力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。摩擦是各种机械运动副相对运动时，在相互作用表面间产生的一种不可避免的物理现象。2、摩擦的分类1、摩擦的概念按摩擦副的运动状态分：静摩擦和动摩擦按摩擦副的运动形式分：滑动摩擦和滚动摩擦按摩擦表面的润滑状态分：纯净摩擦：干摩擦、边界摩擦、液体摩擦、混合摩擦二、摩擦§2.1摩擦§2.1摩擦纯净摩擦——摩擦表面间没有任何吸附膜或化合物的摩擦干摩擦——摩擦表面间没有任何润滑剂时的摩擦，摩擦系数大，0.1～1.5。边界摩擦——在摩擦副的表面间，存在一层极薄边界膜时的摩擦。摩擦系数约为0.05~0.5，边界膜的厚度约为0.1μm液体摩擦——摩擦副表面有一层具有压力的流体将摩擦副隔开，摩擦表面不直接接触，摩擦发生在润滑剂的分子之间，摩擦系数最小，约0.01~0.001混合摩擦——摩擦表面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和液体摩擦的半液摩擦。一般机械中摩擦副的摩擦状态大多为半液体摩擦3、（滑动）摩擦机理对于摩擦力产生的原因有各种假说，如机械啮合说、分子机械说、粘着说等。其中粘着说较为直观，可解释许多摩擦问题，为多数人接受。机械理论（凹凸说）1699年：认为产生摩擦的原因是由于表面凹凸不平的交错啮合作用而引起的。表面的粗糙度越大，摩擦力越大。分子理论（分子说）1734年：认为产生摩擦的原因是由于表面分子间的相互作用。分子-机械理论，1939年，认为：摩擦有两重性（分子作用和机械作用）。粘着理论，1942年，比较公认的理论。基本观点认为实际接触面积很小（名义接触面积的千分之几或万分之几）应力大接触点上局部应力很大，产生弹性变形；当接触点上应力达到材料的屈服极限σs时，表面膜破裂并伴有塑性变形（相互嵌入）粘着（称为冷焊或固相焊合）产生滑动阻力即摩擦力。§2.1摩擦摩擦表面间的相互作用包括机械、化学和氧化作用。其中，机械作用主要是剪切和挤压，当配合件继续运动，即在切向力作用下滑动时，冷焊点被剪断，犬牙交错的微凸体被剪切掉。随后又在新的接触点粘着，产生新的冷焊点及被剪断，直至实际接触面积增大到足以承受所加载荷为止。摩擦过程中周围介质对摩擦表面的作用造成表面更大的磨损，例如空气中的氧会使氧化膜破碎后的裸露金属表面氧化；空气中的水、润滑油中的酸、硫分会使表面腐蚀等。粘着理论关于（滑动）摩擦机理的解释§2.1摩擦4、各种摩擦的机理分析（1）干摩擦的机理机械作用：接触面积小→塑性变形→氧化膜被压碎或剪切→分子吸引和扩散→冷焊→焊点被剪切分子作用：塑性变形→晶格歪扭破碎→加工硬化→表面温度升高，高于再结晶温度→硬化层发生再结晶→温度继续升高→表面金属软化，发生粘结和相变→继续运动→接触部分脱开→冷却淬火→进一步提高硬度化学作用：氧化膜被压碎或剪切→裸露的金属氧化→形成新的氧化膜。§2.1摩擦§2.1摩擦（2）边界摩擦机理边界摩擦的边界膜按其结构形式分为吸附膜和反应膜，具体有物理吸附膜、化学吸附膜和化学反应膜三种。物理吸附膜——靠分子吸引力（即静电吸附）使极性分子定向排列吸附于金属表面上形成吸附膜。其厚度可以是一个或几个润滑剂分子厚度，越厚越牢固，越能保护摩擦表面。擦表面相对运动时，剪切仅发生在膜内的各分子层间，避免金属之间的直接接触摩擦。物理吸附膜的吸附与脱附完全可逆，受热容易产生脱吸，由于物理吸附膜的分子与摩擦表面的结合力较弱，所以此膜不牢固，所以适用于常温、低速、轻载的摩擦副。§2.1摩擦化学吸附膜——润滑剂中的极性分子靠化学键吸附在金属表面上形成化学吸附膜。即一些极性分子的有价电子与金属或其氧化表面的交换电子产生新的化合物，定向排列吸附于金属表面。化学吸附膜很薄（相当于一个分子厚度），吸附较稳定，且吸附与脱吸不完全可逆，受热发生脱吸。适合在中速、中载的条件下工作。化学反应膜——在润滑油中加入硫、磷、氮等元素的添加剂（极压添加剂），在高温下这些元素与金属发生化学反应生成厚度较大的化学反应膜。这种膜熔点高，抗剪强度低，摩擦系数小，但稳定且反应不可逆，用于高温、重载、高滑动速度的摩擦副。§2.1摩擦边界摩擦机理摩擦副有相对运动时，边界油膜内的极性分子定向排列在金属表面上，摩擦发生在极性分子的非极性端之间，起润滑作用。当表面粗糙不平时，较大微凸体的凸峰剌破边界膜发生金属直接接触，局部压力大、温度高而发生粘着而产生磨损。减少边界摩擦的方法——润滑A、润滑油的组成：基础油+添加剂，性能取决于基础油的质量和添加剂的性质B、润滑油的油性——润滑油在边界润滑中降低摩擦和磨损的能力。润滑油极性超强，极性油膜吸附越牢，油性越好。常用的油性添加剂：油酸、甘油等C、抗磨剂——氧、硫、氯化石蜡、磷和有机铅的化合物抗磨剂的作用：在边界润滑条件下，在金属表面形成化学或物理吸附的表面膜，以降低摩擦副的摩擦和磨损。D、极压添加剂——在高温重载的“极压条件”下工作的润滑剂中，加入极压添加剂（又称油膜增强剂，如：酯），可起缓和边界油膜破坏的作用和防粘着。边界摩擦实例：气缸套—活塞环，凸轮—挺杆等。§2.1摩擦§2.1摩擦（3）液体摩擦的机理流体静压润滑：利用外部压力将具有一定压力的润滑油不断地打入摩擦表面间并使之隔开。需要一套专用的供油系统。例如低速二冲程柴油机十字头轴承为液体摩擦，采用静压润滑（相对滑动速度低，无法进行动压润滑）。流体动压润滑：需要合适的间隙、一定滑动速度、连续供给一定粘度的润滑油等条件。如轴与轴承、推力块与推力环在运转时均能形成楔形油膜，或者在相对运动零件的表面结构上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。船舶机器实际运转中，在起动、停车或不稳定工况运转时，摩擦副处于混合摩擦状态，难以实现或保持流体动压润滑，而产生磨损。建立液体摩擦油膜必须具备的条件摩擦表面应具有较高的加工精度和表面粗糙度等级。摩擦副零件的配合间隙要合适。保证连续而又充分地供给一定温度下粘度合适的润滑油。摩擦副零件必须具有足够高的相对滑动速度。小结：力求维持液体润滑；最低要维持边界润滑或混合润滑；避免出现干摩擦。§2.1摩擦§2.2磨损一、磨损的概念定义：摩擦副的表面物质，在摩擦的过程中逐渐损失，使其尺寸、形状和位置精度及表面质量发生改变的现象，称为磨损。危害：零件磨损改变了配合件的配合性质，影响机器的性能的使用寿命磨损指标：磨损量指标：磨损量、磨损率几何形状指标：平面度、圆度、圆柱度§2.2磨损1、磨损量指标磨损量——摩擦表面的尺寸变化量。直径方向上的磨损量Δ：轴：Δ＝d0－d孔：Δ＝D－D0式中：d0、D0——分别为轴、孔的名义直径，mm；d、D——分别为运转后的轴、孔的实测直径，mm。船机零件磨损后的尺寸和形状直接影响机器的工作性能和可靠性，通常采用定期测量零件来检查和控制磨损量，使尺寸的形状误差在要求范围内，以保证配合件的间隙和工作性能。磨损率φ：指单位时间内零件半径方向上的最大磨损量Δmax。φ＝Δmax／t（mm/kh）式中：t——工作时间，h。零件的磨损量或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或磨损率应与机器说明书或有关标准、规范的数值比较，以便判断零件磨损程度。（主动力设备拆装时测量）§2.2磨损2、几何形状指标平面度——公差带是距离为公差值t的两个平行平面之间的区域。圆度——半径差为公差值t的两个同心圆之间的区域。圆柱度——其公差带是半径差为公差值t的两个同心圆柱面之间的区域。§2.2磨损§2.2磨损圆度误差测量：轴颈的圆度误差可以采用外径千分尺测量指定平面两个相互垂直的直径，其半径差就是圆度误差。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。t′＝（D1－D2）/2mm式中：t′——指定横截面的圆度误差，mm；D1、D2——指定横截面的两个相互垂直的直径，mm。可采用圆度仪、千分尺或百分表测量零件的实际圆度。圆柱度误差测量：测量轴或孔的同一纵向截面（包含轴线）内数个直径，其中最大与最小直径的半径差即为圆柱度误差。u′＝（Dmax－Dmin）／2mm采用圆度仪、千分尺和百分表测量零件的实际圆柱度。平面度误差测量：生产中采用三点法来测量，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此基准平面的距离，以其中最大（或最小）值与基准高度的差值作为平面度误差v′。此外，还可采用水平仪，拉钢丝线等方法进行测量。§2.2磨损§2.2磨损常规吊缸常规测量时，对气缸套磨损情况的检测通常取四个部位进行内直径测量后，由计算可得到：8个磨损量、1个磨损率、4个圆度误差和2个圆柱度误差。例：主机投入运行10000h后，今测得Sulzer6S20型船用柴油机某缸气缸套缸径测量结果为：D1x＝200.26mm，D1y＝200.50mm，D2x＝200.16mm，D2y＝200.30mm，气缸套最大内径增量为2mm，则本次气缸内径增量为0.50mm；气缸的磨损率为0.025mm/kh；最大圆度误差为0.12mm；最大圆度误差为0.10mm§2-2磨损二、磨损规律运动副的磨损量总是随摩擦时间延续而逐渐增加，船机零件的磨损规律一般按磨合期、正常磨损期和急剧磨损期三个阶段进行。正常磨损期（AB）特点：磨损速度低，磨损率最小，增加缓慢。应设法延长，多做维护保养工作。急剧磨损期（BC）特点：磨损较大，配合间隙增大。应尽早安排停机检修，恢复技术状态。§2-2磨损磨合期（OA）特点：磨损量大，磨损速度快，时间短，磨损率最大，“走顺”原因：新造零件工作表面高低不平，实际接触面积小而应力大。润滑油膜在开始运转阶段因转速低而难于建立。即使形