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、光滑及密封1.摩擦具有普遍性和不可防止性摩擦引起发热、温度升高和能量损耗，导致接触外表物质的损失和转移，即呵斥接触外表的磨损。磨损使零件的外表外形和尺寸遭到破坏，使机械的效率及可靠性降低，直至丧失原有的任务性能，甚至导致零件忽然破坏。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光滑5.减摩和耐磨资料在工业中的运用6.为防止光滑剂走漏并阻止外部杂质、灰尘、空气和水分等的入侵，防止因光滑剂走漏而产生的污染，改善任务环境,在光滑系统中需设置密封安装，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耗费于摩擦；机械零件的损坏约有80％是由各种方式的磨损引起的。

4.1摩擦原理摩擦分内摩擦和外摩擦两大类;发生在物质内部妨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，在接触外表上产生的妨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。干摩擦边境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外表间无任何光滑剂或维护膜而直接接触的纯真外表间的摩擦库仑公式干摩擦力的构成缘由:早期的机械摩擦啮合实际分子——机械实际粘着实际粘着实际又称为现代粘着实际，是目前较为广泛接受的摩擦构成实际边境摩擦机理边境摩擦：摩擦外表被吸附在外表的边境膜隔开，摩擦性质取决于边境膜和外表的吸附性能时的摩擦。边境膜可以是物理吸附膜、化学吸附膜和化学反响膜。物理吸附膜是指由光滑油中的极性分子与金属外表相互吸引而构成的吸附膜；化学吸附膜是指光滑油中的分子靠分子键与金属外表构成的化学吸附膜；化学反响膜是指在光滑油中参与硫、磷、氯等元素的化合物〔添加剂〕与金属外表进展化学反响而生成的膜。a)物理吸附膜b)化学吸附膜c)化学反响膜物理吸附膜光滑油中的脂肪酸是一种极性化合物，其分子能吸附在金属外表，构成物理吸附膜。吸附在金属外表上的分子分为单层和多层构造，间隔外表愈远的分子，其吸附才干愈低，剪切强度愈小，到了假设干层以后，就不再受约束。多层物理吸附膜模型化学吸附膜和化学反响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、中等温度下任务。化学反响膜具有厚度大、熔点高、剪切强度低、稳定性好等优点。它适宜用于重载、高速和高温下任务的摩擦副。任务温度是影响边境膜性能的关键参数，当任务温度到达软化温度时，吸附膜发生软化、乱向和脱吸景象，在详细运用过程中应留意限制pv值。不同添加剂的减摩作用4.2磨损机械设计时应思索如何防止或减缓磨损，以保证零件和机械到达预期的寿命；磨损量可用体积、分量或厚度来衡量，通常把单位时间内资料的磨损量称为磨损率，用ε表示；耐磨性是指磨损过程中资料抵抗零落的才干，通常用磨损率的倒数1/ε来表示；磨损过程可分为磨合、稳定磨损和猛烈磨损三个阶段；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任务条件的复杂性，磨损经常以复合方式出现。磨损的控制粘着磨损：①合理选择配对资料，同种金属比异种金属易于粘着，脆性资料比塑性资料的抗粘着才干强，进展外表处置〔如外表热处置、电镀、喷涂等〕可防止粘着磨损的发生；②限制摩擦外表的温度；③采用含油性和极压添加剂的光滑剂；④控制压强。磨粒磨损：金属资料的硬度应至少比磨粒的硬度大30%。但资料并不是愈硬愈好，有时选用较廉价的资料，定期改换易磨损的零件，更经济。疲劳寿命：①合理选择零件接触面的外表粗糙度，普通情况下外表粗糙度值愈小，疲劳寿命愈长；②合理选择光滑油粘度，适当提高光滑油的粘度有利于接触应力均匀分布，提高抗疲劳磨损的才干。在光滑油中参与极压添加剂或固体光滑剂，能提高接触外表的抗疲劳性能；③合理选择零件接触面的硬度。4.3光滑资料光滑剂可分为气体、液体、半固体和固体四种根本类型；在液体光滑剂中运用最广泛的是光滑油，包括矿物油、动植物油、合成油和各种乳剂；半固体光滑剂主要是指各种光滑脂，它是光滑油和稠化剂的稳定混合物；固体光滑剂是指可以构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光滑剂，其中用得最多的是空气，它主要用在气体轴承中。在摩擦面间参与光滑剂不仅可以降低摩擦，减轻磨损，维护零件不发生锈蚀，而且还能起到散热降温的作用；对于液体光滑剂，光滑油膜还具有缓冲、吸振的才干；膏状的光滑脂，既可防止内部的光滑剂外泄，又可阻止外部杂质侵入，同时具有光滑和密封作用。光滑油用作光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，本钱低廉，适用范围广，而且稳定性好，故运用最多；动植物油中因含有较多的硬脂酸，在边境光滑时有很好的光滑性能，但因其稳定性差且易氧化，所以运用不多；化学合成油是经过化学合成方法制成的新型光滑油，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求而制，适用面较窄、本钱又很高，故普通机械运用较少；光滑油的主要目的有以下几个：粘度、光滑性〔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相对滑动速度需求的切向力为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。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〕，它们之间有以下关系：1St＝1cm2／s＝100cSt＝10－4m2／s，1cSt＝10－6m2／s＝1mm2／sGB／T3141－1994规定采用光滑油在40ºC时的运动粘度中心值的cSt值作为光滑油的粘度等级。光滑油实践运动粘度在相应中心粘度值的10％偏向以内。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，经过测定光滑油穿过规定孔道的时间来进展计量的粘度。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〕可按以下关系进展换算粘温特性——粘度随温度变化的特性。光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，阐明粘度随温度的变化越小，即粘-温性能越好；VI≤35为低粘度指数光滑油，VI>35～85为中粘度指数光滑油，VI>85～110为高粘度指数光滑油。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，这只需在压力超越20MPa时，粘度才随压力的增高而加大，高压时那么更为显著。对于普通矿物油的粘-压关系，可用以下阅历式表示：光滑性〔油性〕：光滑性是指光滑油中极性分子与金属外表吸附构成边境油膜，以减小摩擦和磨损的性能。极压性：极压性是光滑油中参与含硫、磷、氯等的有机极性化合物后，油中极性分子在金属外表生成抗磨、耐高压的化学反响边境膜的性能；闪点：闪点是指当油在规范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：凝点是指光滑油在规定条件下，不能自在流动时的最高温度。氧化稳定性：氧化稳定性是指光滑油在运用或储存保管期间，性质安定、不易产生氧化蜕变的性能。抗乳化性、抗泡性、灰份、残炭光滑脂：除光滑油以外运用最多的一类光滑剂；光滑油与稠化剂〔如钙、钠、锂、铝的金属皂〕的膏状混合物；光滑脂主要有以下几类：钙基光滑脂：具有良好的抗水性，但耐热才干差；钠基光滑脂：有较高的耐热性，任务温度可达110℃，但抗水性差；锂基光滑脂：既能抗水、耐高温〔任务温度不宜高于120℃〕，也有较好的机械安定性，是一种多用途的光滑脂。铝基光滑脂：具有良好的抗水性，对金属外表有高的吸附才干，故可起到很好的防锈作用。光滑脂的主要质量目的有：锥〔针〕入度：衡量光滑脂稠度的目的。用一个重1.5N的规范锥体，在25℃恒温下，由光滑脂外表经5s后刺入的深度(以0.lmm计)进展检验；滴点：滴点是指在规定的加热条件下，光滑脂从规范丈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：为了提高油的质量和运用性能，常参与某些分量虽少〔从百分之几到百万分之几〕但对光滑剂性能改善起宏大作用的物质，这些物质称为添加剂。添加剂的作用有：l〕提高光滑剂的油性、极压性和在极端任务条件下有效任务的才干。2〕推迟光滑剂的老化蜕变，延伸其正常运用寿命。3〕改善光滑剂的物理性能，如降低凝点、消除泡沫、提高粘度、改良其粘-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机械零件的光滑方式边境光滑：所谓边境光滑，就是两摩擦面间经过一层边境膜实现光滑的一种光滑方式。流体光滑：当摩擦副一直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，这种光滑形状称为流体光滑。混合光滑：当摩擦副两外表间的油膜不够厚时，部分外表的轮廓峰仍可穿透光滑油膜而发生接触，而其他区域仍处于流体光滑形状，这种兼有边境光滑和流体光滑的形状称为混合光滑；光滑形状的转化：改动某些参数如压强p、两接触面间相对滑动速度v、流体粘度η，边境光滑、混合光滑和流体光滑形状可以相互转化。Ⅰ边境光滑，Ⅱ部分弹流、混合光滑，Ⅲ完全弹流、流体光滑膜厚比、光滑状与相对寿命λ≤1时呈边境光滑形状；1＜λ＜3时呈混合光滑形状或部分弹性流体动力光滑形状；λ≥3时呈流体光滑形状或完全弹性流体动力光滑形状4.5流体光滑原理及方法流体动压光滑：两个作相对运动物体的摩擦外表，用借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦外表完全隔开，由流体膜产生的动压力来平衡外载荷，这种流体光滑形状称为流体动压光滑。流体动压光滑的主要优点：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。流体静压光滑：流体静压光滑是将液压泵等外界设备提供的压力流体送入摩擦外表之间，以静压力来平衡外载荷，使摩擦外表分别而到达流体光滑的目的。流体静压光滑技术已成熟运用于静压轴承、静压导轨、静压丝杠等摩擦副零部件。光滑油的光滑方法及光滑系统光滑系统的选择和设计：光滑剂的保送、控制〔分配、调理〕、冷却、净化，以及压力、流量、温度等参数的监控。机械设备运用的光滑方法：有分散光滑和集中光滑两大类型。集中光滑又可分为全损耗系统、循环系统及静压系统等三种根本类型。4.6密封安装密封是为了阻止光滑油从轴承中流失，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，根据轴的运动方式可分为两种根本类型，即旋转轴密封和往复轴密封。也可根据密封元件之间能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在装配形状下使密封件与密封面之间产生一个初始接触压力，使密封件资料的外表产生适量的变形，与密封面相互接触，堵塞流体通道，阻止液体的进出。为了减小密封件与密封面之间的摩擦，必需使二者之间坚持一层适当厚度的油膜，以防止产生干摩擦。因此，一切接触式动密封均要在一定的光滑方式下任务。毡圈密封在端盖或壳体上开出梯形槽，将矩形截面的毡圈放置在槽中与旋转轴密合接触，用于低速、脂光滑的场所。油封密封油封是依托有弹性的唇部进展密封的规范密封件。油封密封，因构造简单、价钱廉价、检修方便，是目前运用最广泛的一种接触式旋转轴的密封方式机械密封机械密封是由一对或数对动环与静环组成的平面摩擦副构成的密封安装机械密封通常由以下四个部分组成：1〕由动、静环组成的摩擦副；2〕由弹性元件为主要零件的补偿缓冲件；3〕辅助密封圈；4〕带动动环和轴一同回转的构件。1一弹簧座；2一弹簧；3一旋转环(动环)；4一压盖；5一静环密封圈；6一防转销；7一静止环(静环)；8一