《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課件第2章

2.1摩擦和磨損2.2潤滑2.3密封裝置思考題和習(xí)題

第2章摩擦、磨損及潤滑

2.1摩擦和磨損

2.1.1摩擦及其分類

在外力作用下，一物體相對于另一物體運(yùn)動或有運(yùn)動趨勢時，兩物體接觸面間產(chǎn)生的阻礙物體運(yùn)動的切向阻力稱為摩擦力。這種在兩物體接觸區(qū)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動并消耗能量的現(xiàn)象，稱為摩擦。摩擦?xí)斐赡芰繐p耗和零件磨損，在一般情況下是有害的，因此應(yīng)盡量減少摩擦。但有些情況下卻要利用摩擦來工作，如帶傳動、摩擦制動器等。根據(jù)摩擦副表面間的潤滑狀態(tài)，將摩擦分為四種；干摩擦、液體摩擦、邊界摩擦和混合摩擦。

1.干摩擦如果兩物體的滑動表面為無任何潤滑劑或保護(hù)膜的純金屬，則這兩個物體直接接觸時的摩擦稱為干摩擦，如圖2-1(a)所示。干摩擦狀態(tài)可產(chǎn)生較大的摩擦功耗及嚴(yán)重的磨損，應(yīng)嚴(yán)禁出現(xiàn)這種摩擦。圖2-1摩擦副的表面潤滑狀態(tài)

2.液體摩擦

兩摩擦表面不直接接觸，被油膜(油膜厚度一般在1.5～2μm以上)隔開的摩擦稱為液體摩擦，如圖2-1(b)所示。

3.邊界摩擦

兩摩擦表面被吸附在表面的邊界膜(油膜厚度小于1μm)隔開，使其處于干摩擦與液體摩擦之間的狀態(tài)，這種摩擦稱為邊界摩擦，如圖2-1(c)所示。

4.混合摩擦在實(shí)踐中有很多摩擦副處于干摩擦、液體摩擦與邊界摩擦的混合狀態(tài)，稱為混合摩擦，如圖2-1(d)所示。由于液體摩擦、邊界摩擦、混合摩擦都必須在一定的潤滑條件下才能實(shí)現(xiàn)，因此這三種摩擦又分別稱為液體潤滑、邊界潤滑和混合潤滑。2.1.2磨損及其過程在機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，磨損過程大致可分為以下三個階段。

1.跑合(磨合)磨損階段在這一階段中磨損速度由快變慢，而后逐漸減小到一穩(wěn)定值。這是由于新加工的零件表面呈尖峰狀態(tài)，使運(yùn)轉(zhuǎn)初期摩擦副的實(shí)際接觸面積較小，單位接觸面積上的壓力較大，因而磨損速度較快。如圖2-2中磨損曲線的Oa段。跑合磨損到一定程度后，尖峰逐漸被磨平，磨損速度即逐漸減慢。

2.穩(wěn)定磨損階段在這一階段中磨損緩慢、磨損率穩(wěn)定，零件以平穩(wěn)而緩慢的磨損速度進(jìn)入零件正常工作階段，如圖2-2中的ab段。這個階段的長短即代表零件使用壽命的長短。磨損曲線的斜率即為磨損率，斜率愈小，磨損率就愈低，零件的使用壽命就愈長。經(jīng)此磨損階段后，零件進(jìn)入劇烈磨損階段。

圖2-2零件的磨損過程

3.劇烈磨損階段此階段的特征是磨損速度及磨損率都急劇增大。當(dāng)工作表面的總磨損量超過機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求的某一允許值后，摩擦副的間隙增大，零件的磨損加劇，精度下降，潤滑狀態(tài)惡化，溫度升高，從而產(chǎn)生振動、沖擊和噪聲，導(dǎo)致零件迅速失效，如圖2-2中的bc段。上述磨損過程中的三個階段，是一般機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都存在的。必須指出的是，在跑合磨損階段結(jié)束后應(yīng)清洗零件，更換潤滑油，這樣才能正常地進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。2.1.3磨損分類按照磨損的機(jī)理以及零件表面磨損狀態(tài)的不同，一般工況下把磨損分為磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損等。

1.磨粒磨損由于摩擦表面上的硬質(zhì)突出物或從外部進(jìn)入摩擦表面的硬質(zhì)顆粒，對摩擦表面起到切削或刮擦作用，從而引起表層材料脫落的現(xiàn)象，稱為磨粒磨損。這種磨損是最常見的一種磨損形式，應(yīng)設(shè)法減輕這種磨損。為減輕磨粒磨損，除注意滿足潤滑條件外，還應(yīng)合理地選擇摩擦副的材料、降低表面粗糙度值以及加裝防護(hù)密封裝置等。

2.粘著磨損當(dāng)摩擦副受到較大正壓力作用時，由于表面不平，其頂峰接觸點(diǎn)受到高壓力作用而產(chǎn)生彈、塑性變形，附在摩擦表面的吸附膜破裂、溫升后使金屬的頂峰塑性面牢固地粘著并熔焊在一起，形成冷焊結(jié)點(diǎn)。在兩摩擦表面相對滑動時，材料便從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面，成為表面凸起，促使摩擦表面進(jìn)一步磨損。這種由于粘著作用引起的磨損稱為粘著磨損。粘著磨損按程度不同可分為五級:輕微磨損、涂抹、擦傷、撕脫、咬死。如氣缸套與活塞環(huán)、曲軸與軸瓦、輪齒嚙合表面等，皆可能出現(xiàn)不同粘著程度的磨損。涂抹、擦傷、撕脫又稱為膠合，往往發(fā)生于高速、重載的場合。合理地選擇配對材料(如選擇異種金屬)，采用表面處理(如表面熱處理、噴鍍、化學(xué)處理等)，限制摩擦表面的溫度，控制壓強(qiáng)及采用含有油性極壓添加劑的潤滑劑等，都可減輕粘著磨損。

3.疲勞磨損(點(diǎn)蝕)兩摩擦表面為點(diǎn)或線接觸時，由于局部的彈性變形形成了小的接觸區(qū)，這些小的接觸區(qū)形成的摩擦副如果受變化接觸應(yīng)力的作用，則在其反復(fù)作用下，表層將產(chǎn)生裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展與相互連接，表層金屬脫落，形成許多月牙形的淺坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損，也稱點(diǎn)蝕。合理地選擇材料及材料的硬度(硬度高則抗疲勞磨損能力強(qiáng))，選擇黏度高的潤滑油加入極壓添加劑或MoS2及減小摩擦面的粗糙度值等，可以提高抗疲勞磨損的能力。

4.腐蝕磨損

在摩擦過程中，摩擦面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生物質(zhì)損失的現(xiàn)象，稱為腐蝕磨損。腐蝕磨損可分為氧化磨損、特殊介質(zhì)腐蝕磨損和氣蝕磨損等。腐蝕也可以在沒有摩擦的條件下形成，這種情況常發(fā)生于鋼鐵類零件。2.2潤滑

在摩擦副間加入潤滑劑，以降低摩擦、減輕磨損，這種措施稱為潤滑。潤滑的主要作用是：(1)減小摩擦系數(shù)，提高機(jī)械效率；(2)減輕磨損，延長機(jī)械的使用壽命。同時，潤滑還可起到冷卻、防塵以及吸振等作用。2.2.1潤滑劑的性能與選擇常用的潤滑劑除了潤滑油和潤滑脂外，還有固體潤滑劑(如石墨、二硫化鉬等)、氣體潤滑劑(如空氣、氫氣、水蒸氣等)。

1.潤滑油潤滑油是目前使用最多的潤滑劑，主要有礦物油、合成油、動植物油等，其中應(yīng)用最廣泛的為礦物油。黏度可用動力黏度、運(yùn)動黏度、條件黏度(恩氏黏度)等表示。我國的石油產(chǎn)品常用運(yùn)動黏度來標(biāo)定。

(1)動力黏度η:對于1m3的液體，如果其上下表面發(fā)生相對速度為1m/s的相對運(yùn)動時所需的切向力為1N，則稱該液體的黏度為1Pa·s(=1N·s/m2)。

(2)運(yùn)動黏度ν:液體的動力黏度與液體在相同溫度下密度ρ的比值稱為該液體的運(yùn)動黏度，即式中：η為動力黏度，單位為Pa·s；ρ為密度，單位為kg/m3；ν為運(yùn)動黏度，單位為m2/s。

(3)條件黏度:在規(guī)定的溫度下從恩氏黏度計(jì)流出200ml樣品所需的時間與同體積蒸餾水在20℃時所需時間的比值稱為該液體的條件黏度。潤滑油的主要物理性能指標(biāo)還有凝點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃點(diǎn)和油性等。潤滑油的黏度并不是固定不變的，而是隨著溫度和壓強(qiáng)的變化而變化的。黏度隨溫度的升高而降低，而且變化很大，因此，在注明某種潤滑油的黏度時，必須同時標(biāo)明它的測試溫度，否則便毫無意義。黏度隨壓強(qiáng)的升高而加大，但當(dāng)壓強(qiáng)小于20MPa時，其影響甚小，可不予考慮。

2.潤滑脂潤滑脂是在潤滑油中加入稠化劑(如鈣、鈉、鋰等金屬皂基)而形成的脂狀潤滑劑，又稱為黃油或干油。潤滑脂的主要物理性能指標(biāo)為滴點(diǎn)、錐入度和耐水性等。潤滑脂的流動性小，不易流失，所以密封簡單，不需經(jīng)常補(bǔ)充。潤滑脂對載荷和速度變化不是很敏感，有較大的適應(yīng)范圍，但因其摩擦損耗較大，機(jī)械效率較低，故不宜用于高速傳動的場合。

(1)滴點(diǎn):潤滑脂受熱后從標(biāo)準(zhǔn)測量杯的孔口滴下第一滴油時的溫度。滴點(diǎn)標(biāo)志著潤滑脂的耐高溫能力。潤滑脂的工作溫度應(yīng)比滴點(diǎn)低20℃～30℃。

(2)錐入度:潤滑脂的稠度。將重量為1.5N的標(biāo)準(zhǔn)錐體在25℃恒溫下，由潤滑脂表面自由沉下，經(jīng)5s后該錐體可沉入的深度值(以0.1mm為單位)，即為潤滑脂的錐入度。錐入度表明潤滑脂內(nèi)阻力的大小和流動性的強(qiáng)弱。錐入度越小，表明潤滑脂越稠，承載能力越強(qiáng)，密封性越好，但摩擦阻力也越大，流動性越差，因而不易填充較小的摩擦間隙。2.2.2潤滑方法和潤滑裝置機(jī)械設(shè)備的潤滑主要集中在傳動件和支承件上。各種零、部件的潤滑將在相關(guān)各章節(jié)中介紹，這里僅作簡單概述。油潤滑的方法多種多樣，其分類標(biāo)準(zhǔn)大概有四種:集中潤滑或分散潤滑，連續(xù)潤滑或間歇潤滑，壓力潤滑或無壓力潤滑，循環(huán)式潤滑或非循環(huán)式潤滑。分散潤滑比集中潤滑簡便。集中潤滑需要一個多出口的潤滑裝置供油，而分散潤滑中各摩擦副的潤滑裝置則是各自獨(dú)立的。對于輕載、低速的摩擦副可采用間歇無壓力潤滑或間歇壓力潤滑，可利用油壺、油槍將油注入油杯進(jìn)行潤滑。油杯可采用GB1152-89～GB1157-89中的適當(dāng)形式。連續(xù)無壓力潤滑可采用油繩、油墊、針閥式油杯、油環(huán)、油輪等潤滑裝置。而連續(xù)壓力潤滑需采用油泵、噴嘴裝置，高速時還可采用油霧發(fā)生器實(shí)現(xiàn)油霧潤滑。2.3密封裝置

為了使?jié)櫥掷m(xù)、可靠、不漏油，同時為了防止外界臟物進(jìn)入機(jī)體，必須采用相應(yīng)的密封裝置。密封裝置從總體上可分為兩大類:一類是固定密封，即密封后密封件之間固定不動；另一類是動密封，即密封后兩密封件之間有相對運(yùn)動。固定密封可采用各種墊片，包括金屬、非金屬墊片以及密封膠等。動密封又分為接觸式、非接觸式、半接觸式密封。其中應(yīng)用較廣的是接觸式密封，它主要是利用各種密封圈或氈圈密封。各種密封件都已標(biāo)準(zhǔn)化，可查閱手冊選取適當(dāng)?shù)男问健７墙佑|式密封有迷宮式密封、螺旋式密封(將在滾動軸承的密封中論述)等;半接觸式密封有活塞環(huán)密封、機(jī)械密封等，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要用于重要部件的密封。在一般常用的機(jī)械中，用得較多的密封裝置是密封圈和填料。密封圈有各種形式，有帶骨架的和不帶骨架的，有普通型和雙口型等，應(yīng)根據(jù)使用條件查閱手冊進(jìn)行選擇。密封圈也可作防塵密封件使用，但粉塵嚴(yán)重時，應(yīng)使用專門的防塵密封圈。采用脂潤滑時，可使用氈圈密封。綜上所述，在設(shè)計(jì)機(jī)械時，選擇適當(dāng)?shù)臐櫥b置和密封裝置是必不可少的，而在使用機(jī)械時，更應(yīng)注意機(jī)械的潤滑和維護(hù)。應(yīng)按使用說明的規(guī)定加潤滑油，經(jīng)常保持潤滑油的清潔，注意油溫不能過高，定期更換潤滑油等。還應(yīng)注意密封情況，如有漏油現(xiàn)象，應(yīng)查找