第二章船机零件的磨损.doc

第二章
零件的摩擦与磨损
一、摩擦学概述（P.16）
• 1. 零件的表面：
• 零件表面的几何形态称为表面形貌。
• 表面形貌是由宏观几何形状、表面波度和粗糙度(或称微观几何形状)构成。
• 零件摩擦表面的形貌受到形成表面的最后加工方法、刀痕、切屑分裂时的变形、刀具与表面的摩擦和加工系统的振动等因素的影晌。

• Ra称为轮廓算术平均偏差，用来评定表面粗糙度等级。
• Ra是绝对值总和的算术平均值(总是正值、大于0)

• 零件金属表面层的结构是自表向里依次由外表层(污染层、吸附气体层、氧化层)和内表层(加工硬化层、金属基体)构成,如图所示。
• 表面层的结构、性能与基体不同，如表面具有自由能、润湿性、吸附作用、化学作用和加工硬化等性能。

• 2. 摩擦学概述
• 摩擦学是研究摩擦、磨损和润滑之间关系的科学与技术的总称。
• 3.摩擦及其分类：(P.17)
• 两个物体在外力作用下产生相对运动或有相对运动趋势时，接触表面间产生切向阻力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。

• 按摩擦副的运动状态：动摩擦、静摩擦。
• 按摩擦副的运动形式：滑动摩擦、滚动摩擦。
• 按摩擦表面润滑状态将摩擦分为干摩擦、边界摩擦、液体摩擦和混合摩擦(半干摩擦和半液体摩擦)。

• 摩擦表面间设有任何润滑剂时的摩擦，称为干摩擦，摩擦系数最大。

• 在边界润滑条件下，摩擦表面间有一层极薄的(～0.1μm)润滑油膜(如物理吸附膜、化学吸附膜或化学反应膜)时的摩擦称为边界摩擦。
• 液体摩擦是指摩擦表面间有一层边界膜和流体膜的润滑剂时，摩擦表面不能直接接触，摩擦发生在润滑剂的分子之同的摩擦。

• 解释干摩擦产生的机理有四种：机械啮合理论、分子理论、分子—机械理论、粘着理论。
• 人们较为公认：粘着理论。(P.17-18)
• 两个摩擦表面实际接触面积很小(只有名义接触面积的0.01-0.1%)，只在少数微凸处形成点接触，其上局部应力很大，当超过零件材料的σs时,产生塑性变形,实际接触面积增大并使接触点上的氧化膜被压碎，两种金属分子相互扩散而溶合在一起形成冷焊点。

• 摩擦表面未接触部分可能相互嵌人形成犬牙交错状。当配合件运动时，在切向力作用下冷焊点被剪断，相互嵌人部分被剪切掉。随后又在新的接触点粘着，形成新的冷焊点和被剪断，直至实际接触面积增大到足以承受外加载荷为止。

• 干摩擦造成的影响：
• 干摩擦造成表面磨损,其次是使金属表面性能发生变化。
• 如表面塑性变形使表面产生加工硬化;
• 摩擦热使表面温度升高而产生再结晶，表面又被软化，甚至发生相变淬火,表面硬度更高。

• 吸附膜是指由润滑剂中的极性分子吸附在摩擦表面上形成的边界膜。
• 它又分为物理吸附膜和化学吸附膜。P.19-20)
• 物理吸附膜是润滑剂中的极性分子靠静电吸附在摩擦表面上形成极薄的边界膜。
• 膜的结合力较弱，受热容易脱吸。
• 物理吸附膜适用于常温、低速和轻载的工作条件。

• 化学吸附膜是润滑剂中的极性分子靠化学键力吸附在金属表面上，形成的边界膜。
• 这种膜很薄，吸附较为稳定,吸附与脱吸不完全可逆。
• 化学吸附膜适用于中等负荷、速度和温度的工作条件。

• 化学反应膜是指为了满足高温、高压和高速的工作条件，在润滑油中加人含硫、磷、氮等元素的添加剂,高温下这些元素与金属表面发生化学反应生成厚度较大的边界膜。
• 化学反应膜熔点高、吸附稳定、不可逆,但抗剪切强度低，具有良好的润滑性能。
• 化学反应膜适用于重载、高速和高温的工作条件。

• 边界摩擦是极为普遍的摩擦形式。
• 当润滑条件不充分时，摩擦表面间只有少量润滑剂,通过润滑剂及其添加剂的理化作用在摩擦表面上形成边界膜，从而减少摩擦与磨损。
• 由于摩擦表面间的边界油膜的极性分子定向垂直排列在金属表面上，当摩擦副运动时，摩擦发生在极性分子的非极性端之间，起到润滑作用。当表面粗糙时，较大的尖锋将刺破边界膜而使金属发生直接接触，接触点处发生粘着而产生磨损。

• 润滑：为了减少摩擦与磨损，在摩擦副间加入某种物质使摩擦阻力降低的技术措施，称之为润滑。
• 润滑油的组成为基础油＋添加剂
• 添加剂(油性添加剂、极压添加剂、抗氧化添加剂、清净分散剂、抗泡剂)。(P.18-22)

• 液体摩擦（润滑）分为流体动压润滑与流体静压润滑
• 流体动压润滑是利用摩擦表面的相对运动使润滑剂流体产生楔形油膜或挤压油膜来承载并隔开摩擦表面。
• 也可以利用外部压力将具有一定压力的润滑剂不断地打入摩擦表面间而形成—流体静压润滑。
• 实现流体动压润滑的前提是建立楔形油膜。
• 实现流体动压润滑的条件也就是建立楔形油膜的条件。

• 实现流体动压润滑的条件:
• 1)摩擦表面应具有较高的加工精度和表面粗糙度等级;
• 2)摩擦表面间具有一定的合适配合间隙;

• 3)保证连续而又充分地供给一定温度下粘度合适的润滑油;
• 4)相对运动的零件必须具有足够高的相对滑动速度。

• 磨损的概念：
• 磨损是机器在运转过程中，相对运动的摩擦表面的物质逐渐损耗，使零件的尺寸、几何形状和位置精度以及表面质量发生变化的现象。
• 运动副磨损后使其配合间隙增大,配合性质改变，进而影响了机器的工作性能和使用寿命。(P.22)
• 据统计，大约80%的机器零件失效是由磨损造成的。

• 磨损量的指标：
• 磨损量Δ等于轴运转一段时间前后的直径差，即Δ=d0-d,d0为轴的名义直径,d为磨损后轴的直径；
• 或磨损量Δ等于零件运转一段时间前后孔的直径差，即Δ=D-D0，D0为孔的名义直径，D为磨损后孔的直径。
• 圆度误差是被测量零件的实际圆度。可采用圆度仪、千分尺或百分表进行测量。
• t’=1/2(D1-D2)
• 式中t’ — 指定横截面的圆度误差，mm;
• D1，D2—指定横截面上两个相互垂直的直径,mm

• 圆柱度误差是被测零件的实际圆柱度，可采用圆度仪、千分尺或百分表进行测量。
• 圆柱度误差u’是用被测零件上指定纵截面上数个测量直径中最大直径Dmax与最小直径Dmin差的一半表示，即
• u’=1/2(Dmax-Dmin),mm.

• 磨损率φ是指单位时间内零件半径方向上的最大磨损量Δmax，即
• φ=Δmax/t ,(mm/kh)
• 式中t—工作时间，h。

• 3. 磨损规律和磨损曲线(P.23-24)
• 磨损是船舶机械中一种重要的故障模式。
• 大约80%的机器零件失效是由磨损造成的
• 磨损都有一定的规律，该规律用运动副的磨损量随其运转时间的变化曲线，即磨损曲线表示
• 磨损曲线反映了新造或修理的机器零件自投人运转到失效的三个工作阶段的磨损情况。

• 磨损曲线

• 磨合期是零件运转初期,其特点是时间短磨损量大，即磨损速度大。
• 使运动副摩擦表面的形貌和性质从初始状态过渡到正常使用状态 。
• 正常磨损期是机器正常运转阶段，是曲线上AB对应的工作时间。这个阶段的特点是磨损速度降低，磨损量小且稳定。AB的斜率越小，磨损也越缓慢，正常运转时间越长。
• 磨合是运动副摩擦表面的形貌和性质从初始状态过渡到使用状态必经的运转阶段，是投人正常使用不可缺少的技术措施。

• 磨合可以提高摩擦表面质量，有效地承载;提高机器和运动副的可靠性和延长使用寿命;发现和排除检修和装配中的缺陷;在磨合过程中调整参数和修整机器，使之相互协调，获得最好的动力性和经济性。
• 机器或运动副投人正常运转前应获得良好磨合。

• 运动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,使实际接触面积增大达80%以上;
• 2)运动副工作表面形成彼此适应、服帖的形貌;
• 3)建立工作条件下耐久的润滑油膜,使运动副获得稳定，有效地润滑。

• 磨合良好的标志是:
• 1)磨合后的工作表面光滑、洁净和明亮，无加工痕迹和损伤、变色等;
• 2)短时间内完成初期有效的磨损;
• 3) 工作表面的摩擦系数、磨损率和温度均在较低的水平。

• 促进良好的磨合，主要的措施有:
• 1)使运动副的材料和摩擦表面的初始祖糙度有利于磨合;
• 2)保证磨合运转时的良好润滑;
• 3)制定科学合理的磨合程序，保证顺利磨合。在磨合过程不同阶段，使用不同碱值气缸油。
• 磨损是由工作表面相对运动的摩擦所造成的。
• 摩擦不是造成磨损的唯一原因，还与系统中的各种因素，如环境、运动副的材料、运动形式和受力状态以及表面形貌等有关
• 例如，在摩擦条件下，应力相互作用将会导致磨粒磨损和疲劳磨损，而材料相互作用将会导致粘着磨损和腐蚀磨损。对于不同类型的磨损将有不同的机理。(P.24-27)

• 按其破坏程度可分为：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕裂(胶合)、咬死五种。
• 对气缸套前四种为拉缸，咬死又称咬缸
• 主要影响因素：摩擦副材料相同。
• 磨粒磨损是在摩擦副相对运动时,由于硬的摩擦表面或硬的磨粒对软的摩擦表面的微切削和刮擦作用，造成摩擦表面金属材料损失的现象。
• 工业生产中，磨粒（料）磨损约占50%左右。
• 主要影响因素：磨粒硬度大于摩擦副材料。

• 二次磨粒磨损是指在腐蚀磨损发生时，由于运动副摩擦过程中使腐蚀产物自摩擦表面脱落，而脱落的腐蚀产物又成为磨粒使运动副摩擦表面产生的磨粒磨损。
• 运动副相对运动时，由于摩擦表面金属与周围介质发生化学、电化学和机械作用而使摩擦表面金属损失的现象称为腐蚀磨损。

• 氧化磨损是运动副在相对运动时，摩擦表面与空气或润滑油中的氧、氧化性介质发生化学反应形成氧化膜。摩擦过程中摩擦使氧化膜脱落，随之又会生成新的氧化膜。摩擦表面的氧化膜不断生成和脱落而使运动副零件表面金属损失的现象。
• 运动副在相对运动时，摩擦表面与周围的酸碱盐等特殊介质发生电化学作用，生成各种腐蚀产物并在摩擦过程中脱落，使摩擦表面金属不断损失，这种现象称为特殊介质的腐蚀磨损。

• 微动磨损是两个紧密接触表面之间发生微小振幅的振动所引起的机械化学磨损。
• 它是一种复合的磨损，存在四种机理：粘着、腐蚀、磨粒和疲劳磨损。
• 疲劳磨损是两个接触表面发生相对滑动或滚动时，在接触区形成周期性的交变应力，当其超过材料的疲劳强度时接触表面产生变形和微裂纹，进而裂纹扩展和金属剥落，接触表面金属疲劳产生金属损失。
二、 气缸套－活塞环、曲轴－轴承的摩擦、磨损分析：(P.27-32)
• 1. 气缸套－活塞环、的摩擦、磨损分析(P.27)
• 气缸套上活塞行程的中部实现液体摩擦，在上、下止点附近形成边界摩擦。
• 气缸套可能存在的摩擦形式：液体摩擦、边界摩擦、干摩擦。
• 正常磨损可能存在的形式有：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损。

• 一是因为在活塞行程中部活塞环-气缸套运动到的相对运动速度最大;
• 二是缸内虽然温度很高，但油膜在下一个行程被更新之前在高温中停留的时间极短,且现代气缸油的抗氧化安定性已大大提高使油膜在高温中保持的能力增强
• 使运动副相对运动时获得充分的液体动压润滑。

• 气缸套正常磨损的特征是最大磨损部位在气缸套上部，
• 通常是活塞位于上止点时第一、二道活塞环对应缸壁处，并沿缸壁向下磨损量逐渐减小，使气缸内孔呈喇叭状。
• 在缸套左右方向磨损较大，大于首尾方向。
• 铸铁缸套磨损率＜0.1mm/kh,
• 镀铬缸套在0.01%～0.03mm/kh,
• 缸套最大允许磨损范围：0.4%～0.8%D,
• 铸铁环在0.1～0.5mm/kh。

• 气缸套发生异常磨损时，
• 气缸套工作表面脏污，有明显的划痕，擦伤等拉缸痕迹，甚至发生咬缸;
• 磨损产物的颗粒较大和磨损率较高，一般铸铁缸套磨损率可超过0.lmm/kh，
• 活塞环磨损率超过0.5mm/kh。

• 减少气缸套磨损主要(P.28)
• 加强燃油、燃烧的管理，保证燃油的质量和燃烧的质量;
• 加强润滑，保证气缸良好的润滑条件;
• 注意冷却水的温度变化和调节;
• 保证活塞与气缸套之间的正常配合间隙，使之对中性良好等
• 就可有效地减少气缸套的磨损，延长其使用寿命。

• 活塞环-气缸套磨合运转后，可盘车从气口观察或吊缸检查，
• 具有以下特征视为良好磨合:
• 1)缸壁表面润湿、光亮、清洁,无油污和积炭,或油污不严重且易清除;
• 2) 工作表面无明显磨损、拉痕等;
• 3)环表面上有一圈发亮的磨合带,环在环槽中活动自如。

• 2. 曲轴－轴承的摩擦、磨损分析(P.31)
• 正常运转时，主轴颈与主轴承形成流体动压润滑。主轴瓦烧熔—发生干摩擦，产生了严重的粘着磨损。
• 轴瓦上开油槽会影响其承载能力，在主轴承下瓦与连杆大端轴承上瓦上不开油槽，该两种轴瓦磨损也较大。
• 曲轴磨损的特点：直列式柴油机曲柄销较主轴颈大，V型柴油机反之。
• 曲轴轴颈轴向和周向磨损不均匀，产生圆度误差与圆柱度误差。
三、减小磨损的措施(P.30-31)
• 减少缸套磨损的有效途径包括：制造工艺,安装工艺,使用管理
• 制造工艺方面减少或防止缸套磨损的途径有：

• 特种加工,
• 电镀Cr,
• 表面热处理,表面淬火,渗N,表面激光强化，
• 珩磨,波纹切削,超精磨。

• 安装方面：
• 1）可以防止或减少缸套的磨损：固定部件位置正确,对中良好,
• 运动部件的配合间隙满足要求。
• 2）轴承安装时保证防止或减少发生过度磨损应保证：
• 瓦背与轴承座的接触质量良好,
• 瓦面与轴颈的接触质量良好,
• 适当的轴承间隙。

• 与船舶柴油机气缸套磨损密切相关的是：
• 燃油和燃烧的质量,
• 冷却水的温度,
• 润滑质量。
• 柴油机燃用重质燃油时，气缸油的：粘度应与其匹配,碱值应与其匹配,闪点应与其匹配。
• 燃油净化质量,燃油进机温度,燃油的S份,滑油的粘度,滑油的粘度指数,总碱值（TBN）,润滑油中的机械杂质数量,润滑油中金属磨粒的数量与大小,润滑油的供给数量。

• 为了防止出现低温腐蚀磨损，
• 船舶柴油机气缸套冷却水出口温度一般应控制在：85℃-95℃,
• 冷却水温过低、冷却水温过高、气缸冷却水腔结垢严重均会增加磨损。
• 从关注气缸套冷却的角度可采用的措施有：
• 加强冷却水定期投药软化处理,
• 注意水温的变化调节水温使之保持在要求的温度范围内。

• 从管理的角度可采用的措施有：
• 保持活塞与气缸套之间的正常配合进行,保证气缸润滑条件良好,
• 控制气缸冷却水温度,
• 加强燃油和燃烧的管理,保证气缸润滑条件良好。
• 从保证气缸润滑条件良好的角度可采用的措施有：正确选择气缸油的牌号,控制缸壁温度,合理控制气缸油供给量。

• 当燃油的含硫量为1.5%时，其所采用的气缸油的总碱值（TBN）应在：30—40，
• 当燃油的含硫量为0.5%时，其所采用的气缸油的总碱值（TBN）应在：10—20。
• 为了保证滑动轴承形成液体润滑，要求轴与轴瓦：
• 保持一定的相对运动速度,
• 具有适当的轴承间隙,
• 保持相适应的滑油品质和数量。