机械设计教程－2摩擦、磨损及润滑概述

　　 一、教学目标

　　 (一）能力目标 1.会分析摩擦副类型，会选择润滑方式及润滑剂类型 2.会选择密封方式 (二)知识目标 1.掌握摩擦副分类及基本性质、磨损过程及润滑的类型及润滑剂类型 2.掌握密封方式的选择 二、教学内容 1.摩擦与磨损 2.润滑 3.密封方法及装置 三、教学的重点与难点 (一）重点 1.润滑方式及润滑剂类型的选择。 2.密封方法的确定。 (二)难点 密封方法的确定。 四、教学方法与手段 应用工程实例讲解，总结归纳式教学。 2.1 摩擦与磨损 随着现代科学技术的发展，对摩擦、磨损的研究已经形成一门新的学科领域——摩擦学。为了节约能源、提高效率及延长机械零件的寿命，润滑是必不可少的。 摩擦：两接触的物体在接触表面间相对运动或有相对运动趋势时产生阻碍其发生相对运动的现象叫摩擦 磨损：由于摩擦引起的摩擦能耗和导致表面材料的不断损耗或转移，即形成磨损。使零件的表面形状与尺寸遭到缓慢而连续破坏→精度、可靠性↓效率↓直至破坏。 润滑：减少摩擦、降低磨损的一种有效手段。 2.1.1摩擦及其分类 按运动状态，摩擦分静摩擦和动摩擦 。 根据摩擦面间存在润滑剂的状况，摩擦分干摩擦、边界摩擦、液体摩擦、混合摩擦。 (如图所示)。 1、干摩擦 两摩擦表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦。 干摩擦状态产生较大的摩擦功耗及严重的磨损，因此应严禁出现这种摩擦。 2、液体摩擦 摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓完全隔开时，即形成了全液体摩擦，是理想摩擦状态。 3、边界摩擦 两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，使其处于干摩擦和液体摩擦之间的状态。边界膜起润滑作用。 4、混合摩擦 处于干摩擦、液体摩擦与边界摩擦的混合状态。 2.1.2磨损及其过程 磨损是摩擦的直接结果，使材料损耗↓，工作精度↓，可靠性↓。 典型的磨损过程： 1、磨合磨损过程：形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小。 2、稳定磨损阶段：经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓习——该段时间长短反映零件的寿命。 3、急剧磨损阶段：经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载、振动→润滑状态改变→温升↑→使磨损速度急剧上升→直至零件失效 注意：实际机械零件在使用过程中，这三个过程无明显界限。 若不经跑合，压力过大，v过高或润滑不良等，则经跑合直接进入剧烈磨损阶段。 2.1.3磨损分类 按照磨损的机理以及零件表面磨损状态的不同，一般工况下把磨损分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等。 1、磨粒磨损 由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用，从而引起表层材料脱落的现象，称为磨粒磨损。这种磨损是最常见的一种磨损形式，应设法减轻这种磨损。为减轻磨粒磨损，除注童满足润滑条件外，还应合理地选择摩擦副的材料，降低表面粗糙度值以及加装防护密封装置等。 2、粘着磨损 当摩擦副受到较大正压力作用时，由于表面不平，其顶峰接触点受到高压力作用而产生弹、塑性变形，附在摩擦表面的吸附膜破裂、温升后使金屑的顶峰塑性面牢固地粘着并熔焊在一起，形成冷焊结点。在两摩擦表面相对滑动时，材料便从一个表面转移到另一个表面，成为表面凸起，促使摩擦表面进一步磨损。这种由于粘着作用引起的磨损，称为粘着磨损。 粘着磨损按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死。如气缸套与活塞环、曲轴与轴瓦、轮齿啮合表面等，皆可能出现不同粘着程度的磨损。涂抹、擦伤、撕脱又称为胶合，往往发生于高速、重载的场合。 合理地选择配对材料(如选择异种金属)，采用表面处理(如表面热处理、喷镀、化学处理等)，限制摩擦表面的温度，控制压强及采用含有油性极压添加剂的润滑剂等，都可减轻粘着磨损。 3、疲劳磨损(点蚀) 两摩擦表面为点或线接触时，由于局部的弹性变形形成了小的接触区。这些小的接触区形成的摩擦副如果受变化接触应力的作用，则在其反复作用下，表层将产生裂纹。随着裂纹的扩展与相互连接．表层金属脱落，形成许多月牙形的浅坑．这种现象称为疲劳磨损，也称点蚀。 合理地选择材料及材料的硬度(硬度高则抗疲劳磨损能力强)，选择粘度高的润滑油，加入极压添加剂及减小摩擦面的粗糙度值等，可以提高抗疲劳磨损的能力。 4、腐蚀磨损 在摩擦过程中，摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应而产生物质损失的现象，称为腐蚀磨损。腐蚀磨损可分为氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、气蚀磨损等。腐蚀也可以在没有摩擦的条件下形成，这种情况常发生于钢铁类零件，如化工管道、泵类零件、柴油机缸套等。 应该指出的是，实际上大多数磨损是以上述四种磨损形式的复合形式出现的。 2.2 润滑 在摩擦副间加入润滑剂，以降低摩擦、减轻磨损，这种措施称为润滑。润滑的主要作用是：（1）减小摩擦系数，提高机械效率；（1）减轻磨损，延长机械的使用寿命。同时润滑还可起到冷却、防尘以及吸振等作用。 2.2.1润滑剂及主要性能 润滑剂分液体、单固体、固体和气体润滑剂等。 常用的润滑剂有润滑油和润滑脂。 1、润滑油 润滑油是目前使用最多的润滑剂，主要有矿物油、合成油、动植物油等，其中应用最广的为矿物油。润滑油最重要的一项物理性能指标为粘度，它是选择润滑油的主要依据。粘度的大小表示了液体流动时其内摩擦阻力的大小，粘度愈大，内摩擦阻力就愈大，液体的流动性就愈差。粘度可用动力粘度、运动粘度、条件粘度(恩氏粘度)等表示。 （1）动力粘度η 长、宽、高各为1m的液体，如果使上、下平面发生1m/s的相对滑动速度，所需施加的力F为1N时，该液体的粘度为1N·s/m2或1Pa·s（帕·s）（国际单位制） 1dyn·s/cm2—1P（泊），称为CP（厘泊） 1Pa·s=10P=1000CP （2）运动粘度v：动力粘度η与同温度下该液体的密度ρ的比值。 (m2/s) 物理单位：cm2/s，—1St（斯），（厘斯） 换算关系：1m2/s=104St=106Cst，1cSt=1mm2/s 润滑油的牌号即是以运动粘度以厘斯为单位的平均值为其牌号 （3）条件粘度（相对粘度）：恩氏粘度°Et 我国采用恩氏粘度作为相对粘度单位，即把200cm3试油在规定温度下（一般为20℃，50℃，100℃），流过恩氏粘度计的小孔所需的时间（S）与同体积蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需时间（S）的比值，以符号°Et表示。其中下标t表示测定时的温度。 运动粘度与条件粘度的换算关系为： 常用润滑油性能和应用见表2－1。 2、润滑脂 润滑脂是在润滑油中加人稠化剂(如钙，钠。锂等金属皂基)而形成的脂状润滑剂，又称黄油或干油。按皂基不同分为钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑脂，此外，还有复合基润滑脂及特种润滑脂。 润滑脂的主要性能指标： （1）针入度——表示润滑脂稀周度的指标，是润滑脂的一项主要指标，润滑脂牌号即为其针入度的等级，牌号越小，针入度等级越高。 （2）滴点——反映润滑脂的耐高温性能，润滑脂的工作温度应低于滴点20~30℃。 （3）安全性——反映润滑脂在贮存和使用过程中维持润滑性能的能力，包括抗水性，抗氧化性和机械安定性。 常用润滑脂的牌号、性能及应用见表2-2。 3、固体润滑剂 用固体粉末代替润滑油膜，称为固体润滑剂。 常用的固体润滑剂有石墨、二硫化钼、氮化硼、蜡、聚氟乙烯、酚醛树脂、金属及金属化合物等。一般用于不适合用油脂润滑的情况 4、气体润滑剂 包括空气、氢气、氦气、水蒸汽及液体金属蒸汽。 5、润滑剂的选择 润滑剂的选择原则：在低速、重载、高温和间隙大的情况下，应选用粘度较大的润滑油；高速、轻载、低温和间隙小的情况下应选用粘度较小的润滑油。润滑脂主要用于速度低、载荷大，不需经常加油、使用要求不高或灰尘较多的场合。气体、固体润滑剂主要用于高温、高压、防止污染等一般润滑剂不能适用的场合。 2.2.2润滑方法和润滑装置 机器的润滑方法有分散润滑和集中润滑。 1、油润滑装置 包括手工给油润滑装置、滴油润滑装置、油浴润滑装置、飞溅润滑装置、油绳、油垫润滑装置、油环、油链润滑装置、喷油润滑装置、油雾润滑装置。 2、脂润滑装置 包括手工润滑装置、滴下润滑装置、集中润滑装置。 3、固体润滑装置 4、气体润滑装置 2.3密封方法及装置 在机器设备中，为了阻止润滑剂泄漏及防止灰尘、水分进入润滑部位，必须采用相应密封装置，以保证持续、清洁的润滑，使机器正常工作，并减少对环境的污染，提高机器的工作效率，降低生产成本。 2.3.1密封装置的分类 根据密封处的零件之间是否有相对运动，密封可以分为静密封和动密封，动密封又可以分为接触式密封和非接触式密封。 2.3.2常用密封装置 1、回转运动密封装置 （1）密封圈密封装置 包括O形密封圈、J形、U形密封圈、毡圈密封圈。 （2）端面密封装置 （3）曲路密封装置 （4）隙缝密封装置 2、移动运动密封装置 （1）O形密封圈 （2）V形密封圈 （3）Y形和U形密封圈 （4）L形密封圈 3、静密封装置 2.3.3密封装置的选择 小结： 1. 摩擦与磨损 2. 润滑 3. 密封方法及装置 作业与思考： 1、按摩擦副表面间的润滑状态，摩擦可分为那几类？各有何特点？ 2、典型的磨损分哪三个阶段？磨损按机理分哪几种类型？ 3、润滑油和润滑脂的主要性能指标有哪些？ 4、如何选择适当的润滑剂？ 5、粘度的常用单位有哪些？影响粘度的主要因素是什么？如何影响？ 6、接触式密封中常用的密封件有哪些?