《机械设计基础》-第１７章

１７.１润滑１７.１.１润滑的概念及作用１.润滑概念机械中的可动零部件，在压力下接触而做相对运动时，其接触表面间就会产生摩擦，造成能量损耗和机械磨损，影响机械运动精度和使用寿命。因此，在机械设计中，考虑降低摩擦，减轻磨损，是非常重要的问题，其措施之一就是采用润滑。润滑是在相互接触、相对运动的两固体摩擦表面间，引入润滑剂（流体或固体等物质），将摩擦表面分开。下一页返回１７.１润滑润滑剂能够牢固地吸附在机器零件的摩擦面上，形成一定厚度的润滑膜，它与摩擦表面的结合力很强，但其本身分子间的摩擦系数很小。当摩擦副被润滑膜隔开时，它们在做相对运动时就不会直接接触，使两摩擦副之间的摩擦转变成润滑剂的本身间摩擦，摩擦系数大大减少，达到减小摩擦、磨损的目的。２.润滑的作用（１）减少摩擦，减轻磨损。（２）降温冷却。（３）防止腐蚀。（４）冲洗、密封作用。上一页下一页返回１７.１润滑（５）缓冲减振作用。１７.１.２常用润滑剂及其性能指标合理选择和使用润滑剂，是保证机器正常运行的重要技术措施。在相对运动的摩擦面间加入润滑剂不仅可以降低摩擦，减少磨损，提高效率，延长机件的寿命，同时还能起到冷却、传力、绝缘、防腐、密封和排污等作用。机械中所用的润滑剂有气体、液体、半固体和固体物质。常用的润滑剂有液体的润滑油和半固体的润滑脂。１.润滑油润滑油主要有矿物油（石油制品）、动物油、植物油和合成油。上一页下一页返回１７.１润滑矿物油主要是石油产，因其来源充足，成本低廉，适用范围广，且稳定性好，故应用最多。无论是哪类润滑，若从润滑观点考虑，主要是从以下几个理化性能指标评判它们的优劣。（１）黏度。黏度是表示润滑油黏性的指标，即流体抵抗变形的能力，它表征油层间内摩擦阻力的大小。黏度大的内部阻力大，承载后不易被挤出，有利于油膜的保持，但内部摩擦损耗也大。黏度分动力黏度和运动黏度。润滑油采用运动黏度，单位是ｍｍ２／ｓ。油的黏度会随温度高低而变化，用黏度指数（ＶＩ）表示黏度随温度变化的幅度。上一页下一页返回１７.１润滑ＶＩ值越大，黏度越稳定。通常润滑油的黏度是指一定温度（４０℃）、一定黏度指数（ＶＩ＝９５）条件下的黏度。润滑油按用途划分油的品种，按黏度值列牌号，并制定标准，如全损耗系统用油（原名机械油）在４０℃测定的运动黏度值为２８.８～３５.２ｍｍ２／ｓ，中心值为３２ｍｍ２／ｓ，其黏度牌号为３２，标记为：全损耗系统用油Ｌ—ＡＮ３２ＧＢ４４３—１９８９。常用润滑油的牌号、主要性能和用途见表１７－１.（２）油性。油性是指润滑油在金属表面上的吸附能力。油性好的润滑油其油膜吸附力大且不易破。上一页下一页返回１７.１润滑（３）极压性能。极压性能是指润滑油中的活性分子与金属表面形成化学反应膜的能力。极压性强，油膜化学稳定性好。极压性对低速重载的运动副特别重要。另外，油的凝点是限制低温的依据，闪点为限制高温、防火的依据，酸值为防腐蚀金属表面的依据。２.润滑脂与润滑油相比，润滑脂流动性差，内部阻力大，性能也不稳定，只适用于非液体润滑、重载、低速的场合；但润滑脂的使用周期长、污染轻，特别适合加油不便的场合。润滑脂的性能指标有以下几个方面。上一页下一页返回１７.１润滑（１）锥入度。锥入度表征润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。它是指一个质量为１５０ｇ的标准锥体，于２５℃恒温下，由润滑脂表面经５ｓ后刺入的深度（以０.１ｍｍ计）。锥入度越小，表示流动性越差，内部阻碍力越大。重载、低速的场合选用锥入度小的润滑脂。（２）滴点。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叫润滑脂的滴点。它标志着润滑脂耐高温的能力。一般使用温度应低于滴点２０℃～３０℃，甚至４０℃～５０℃。（３）氧化安定性。上一页下一页返回１７.１润滑氧化安定性是指润滑脂抵抗空气氧化的能力。氧化安定性差的润滑脂在储存过程中，易与空气中的氧接触而生成各种有机酸，对金属表面起腐蚀作用，同时失去润滑作用。润滑脂是由润滑油与稠化剂合成的膏状混合物。稠化剂有钠、钙、锂、铝等金属皂基。根据调制润滑脂所用皂基的不同，润滑脂主要有以下几类。①钙基润滑脂。用途最广，呈黄色，具有良好的抗水性，但耐热能力差。②钠基润滑脂。呈褐色或黑色，具有较高的耐热性，工作温度可达１２０℃，但抗水性差。上一页下一页返回１７.１润滑由于它能与少量水乳化，从而保护金属免遭腐蚀，比钙基润滑脂有更好的防锈能力。③锂基润滑脂。呈白色，既能抗水、耐高温（工作温度不宜高于１４５℃），而且有较好的机械安定性，是一种多用途的润滑脂。④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。３.固体润滑剂固体润滑剂呈粉末状。其材料有无机化合物、有机化合物、金属以及金属化合物，其中以石墨和二硫化钼应用最广。上一页下一页返回１７.１润滑１７.１.３润滑剂的选用润滑油与润滑脂的品种牌号很多，要合理选择必须要考虑很多因素，如摩擦副的类型、规格、工况条件、环境及润滑方式与条件等，不同情况有不同选择方法。润滑油的选用原则是：载荷大或变载、冲击载荷、加工粗糙或未经跑合的表面选黏度较高的润滑油；转速高时，为减少润滑油内部的摩擦功耗，或采用循环润滑芯捻润滑等场合，宜选用黏度低的润滑油；工作温度高时，宜选用黏度高的润滑油。其在选用时可参照表１７－１。１７.１.４常用机械零部件的润滑润滑方法有分散润滑和集中润滑两大类。上一页下一页返回１７.１润滑分散润滑是各个润滑点用独立的分散的润滑装置来润滑，这种润滑可以是连续的或间断的，有压的或无压的；集中润滑则是一台机器或一个车间的许多润滑点由一个润滑系统来同时润滑。选择润滑方法主要考虑机器零部件的工作状况、采用的润滑剂及供油量要求。低速、轻载或不连续运转的机械需要油量少，一般采用简单的手工定期加油、加脂、滴油或油绳、油垫润滑。中速、中载较重要的机械，要求连续供油并起一定的冷却作用，常用油浴（浸油）、油环、溅油润滑或压力供油润滑。高速、轻载齿轮及轴承发热大，用喷雾润滑效果较好。高速、重载、供油量要求大的重要部件应采用循环压力供油润滑。上一页下一页返回１７.１润滑当机械设备中有大量润滑点或建立车间自动化润滑系统时可使用集中润滑装置。１.齿轮传动润滑（１）闭式齿轮润滑。对于闭式齿轮传动，一般根据齿轮圆周速度大小确定润滑方式，分为浸油润滑和喷油润滑如图１７－１所示。当齿轮的圆周速度υ＜１２ｍ／ｓ时，通常将大齿轮浸入油池中进行润滑，如图１７－１（ａ）所示。浸入油中深度约为一个齿高，但不应小于１０ｍｍ，浸入过深会增大齿轮运动阻力并使油温升高。上一页下一页返回１７.１润滑在多级齿轮传动中，可采用带油轮将油带到未浸入油池内的齿轮齿面上，并且丢到齿轮箱壁上的油，能散热使油温下降。当齿轮圆周速度υ＞１２ｍ／ｓ时，由于圆周速度大，齿轮搅油剧烈，且离心力大，会使黏附在齿面上的油被丢掉，不宜采用浸油润滑，可采用喷油润滑［如图１７－１（ｂ）所示］，即用油泵将具有一定压力的油经喷油嘴喷到啮合齿面上。对于开式齿轮传动的润滑，由于速度较低，通常采用人工定期加油润滑。（２）开式、半开式齿轮润滑。开式齿轮传动一般速度较低、载荷较大、接触灰尘和水分，工作条件差且油易流失。上一页下一页返回１７.１润滑为维持润滑油膜，应采用黏度很高、防锈性好的开式齿轮油。速度不高的开式齿轮也可采用脂润滑。开式齿轮传动的润滑可用手工、滴油、油池浸油等方式供油。齿轮传动用的润滑油，首先根据齿轮材料和圆周速度查表，如表１７－２所示，确定运动黏度值，再根据运动黏度值确定润滑油的牌号。２.蜗杆传动的润滑蜗杆传动的润滑不仅能避免轮齿的胶合、减少磨损，而且能有效地提高传动效率。上一页下一页返回１７.１润滑闭式蜗杆传动的润滑黏度和给油方式，一般根据相对滑动速度、载荷类型等参考表１７－３选择，压力喷油润滑还是改善蜗杆传动散热条件的方法之一，保证蜗杆传动的工作温度不超过许可温度。为提高蜗杆传动抗黏合性能，以选用黏度较高的润滑油。对于青铜蜗轮，不允许采用抗胶合能力强的活性润滑油，以免腐蚀青铜齿面。３.滚动轴承的润滑滚动轴承可采用油润滑或脂润滑。润滑方法可按轴承类型与ｄｎ值由表１７－４中选取。在ｄｎ值较小时，可采用润滑脂润滑。上一页下一页返回１７.１润滑优点是润滑脂不易流失，便于密封和维护，一次填充可运转较长时间。装填润滑脂时一般不超过轴承内空隙的１／３～１／２，以免因润滑脂过多引起轴承发热，影响轴承的正常工作。在ｄｎ值较大时可采用润滑油润滑。润滑油润滑不仅摩擦阻力小，还可起到散热、冷却作用。一般采用浸油或飞溅润滑方式，浸油润滑时，油面不应高于最下方滚动体中心，以免因搅油能量损失较大，使轴承过热。高速轴承可采用喷油或喷雾润滑。上一页返回１７.２密封１７.２.１密封的作用机械装置密封的主要作用是：阻止液体、气体工作介质以及润滑剂泄漏；防止灰尘、水分及其他杂质进入润滑部位。１７.２.２密封的种类密封分两大类，静密封和动密封。静密封指相对静止的结合面间的密封；动密封指相对运动的结合面间的密封。动密封按其形式与结构又分接触式密封和非接触式密封。接触式密封指两密封结合面间相互接触，并做相对运动（或填料与结合面间做相对运动）。非接触式密封指两密封结合面间有一定间隙，并做相对运动。如图１７－２列出各种密封的类别。下一页返回１７.２密封１７.２.３常见的密封装置及密封方法在机械结构中应用最广泛密封型式有：法兰连接、压紧式填料密封、Ｏ形密封圈、唇形密封圈、油封、毛毡密封、涨圈密封等。这些密封形式的工作原理、使用范围、密封效果及品种、规格、型号等，均可查看在关的机械零件手册。下面将介绍几种常见的密封装置。１.毛毡圈密封毛毡圈密封如图１７－３（ａ）所示，在轴承端盖上的梯形断面槽内装入毛毡圈，使其与轴在接触处径向压紧达到密封。密封处轴颈的速度υ＜４～５ｍ／ｓ。２.密封圈密封上一页下一页返回１７.２密封密封圈密封如图１７－３（ｂ）所示，密封圈由耐油橡胶式皮革制成。安装时密封唇应朝向密封的部位，密封效果比毛毡圈好，密封处轴颈的速度υ＜５～６ｍ／ｓ。接触式密封要求轴颈接触部分表面粗糙度Ｒａ＜１.６～０.８μｍ。３.油沟密封油沟密封属于非接触式密封，如图１７－４所示，在油沟内填充润滑脂，端盖与轴颈的间隙为０.１～０.３ｍｍ，油沟密封结构简单，适用于轴颈转速υ＜５～６ｍ／ｓ。４.迷宫密封上一页下一页返回１７.２密封迷宫密封的结构是在泄漏的通道上，依次排列环形密封齿，在齿与转子间形成了一系列节流间隙与膨胀空腔，隙缝宽度为０.２～０.５ｍｍ，产生节流效应，从而起到密封作用，如图１７－５（ａ）所示。在压力差的作用下，工作介质气流经间隙ｈ，高速进入环形腔室，突然膨胀而产生强烈的漩涡，使气流的绝大部分动能转化为热能，被腔室中的气流所吸收。而只有一小部分动能仍以余速进入下一个间隙，一级一级地重复上述过程，产生节流效应，来增加泄漏流动中的阻力，使造成泄漏的压差急骤地损失，因而起到密封作用。迷宫密封有很多优点。由于它是非接触式密封，对一般密封所不能胜任的高温、高压、高速和大尺寸密封部位特别有效。上一页下一页返回１７.２密封它具有不需润滑，允许热膨胀，功率消耗低，使用寿命长，维修简单等优点。但也存在一定缺点，泄漏量大，加工精度高，装配比较困难等，因而限制其应用范围。迷宫密封按其齿片与结构形式不同，可分为凹凸形间隙迷宫［图１７－５（ｂ）、（ｃ）］、直通形迷宫、参差形迷宫、复合直通形迷宫、阶梯形迷宫等。上一页返回１７.３密封材料常用密封材料有４大类，分别如下。１.纤维这类材料具有低的弹性模量，在较低的密封力作用下，即能获得一定的弹性变形，对泄漏间隙产生较强的密封作用。这类材料适用于制成各种形式的填片、软填料、成型填料等，如与金属配制将会大大提高其抗压抗磨能力。植物纤维———软木、麻、纸、棉。动物纤维———毛、皮革、毡。矿物纤维———石棉。下一页返回１７.３密封材料人造纤维———有机合成纤维、玻璃纤维、石墨纤维、碳石墨纤维、陶瓷纤维。２.高分子材料高分子材料是以橡胶与树脂为主要材料，它具有较高弹性，其耐磨性能一般高于纤维材料，变形量大，能耐较高压力。但其耐温性能较低，使用寿命不长，适用于制成各种形式的成型垫料、油封、填片及全密封件。按化学组成分为：树脂型———热塑性树脂、热固性树脂。橡胶———天然橡胶、合成橡胶。塑料———尼龙、氟塑料、聚苯等合成制品。上一页下一页返回１７.３密封材料复合型———高分子与高分子组合，高分子与非高分子组合。３.无机材料无