第二章船機(jī)零件的摩擦與磨損

1、第二章船機(jī)零件的摩擦與磨損§2-1 摩 擦（Friction）摩擦磨損是船機(jī)零件的故障模式之一，是影響船舶機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)和船舶安全航行的主要因素。據(jù)資料介紹：世界能源的1312是以不同形式消耗在克服機(jī)械零件對(duì)偶表面相互作用的摩擦上。對(duì)于船用柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，目前無(wú)論是二沖程的低速機(jī)還是四沖程的中速機(jī)，燃油消耗率已降至163 g/(kW·h)左右，熱效率達(dá)到50 %以上，但能量消耗在運(yùn)動(dòng)副的摩擦上約占10 %左右。摩擦磨損故障能源浪費(fèi)必須重視1 摩擦表面的性質(zhì)1.1摩擦表面的形貌（Surface Layer morphology）和表示方法外圓表面粗車會(huì)使表面產(chǎn)生100m25m的粗糙

2、度，拋光或超精研磨加工產(chǎn)生0.1m0.012m的粗糙度。零件表面的幾何形態(tài)稱為表面形貌。零件表面形貌分為宏觀幾何形狀、表面波度和粗糙度（微觀幾何形狀）三部分。宏觀幾何形狀宏觀所見表面的輪廓線產(chǎn)生偏離名義幾何形狀的粗大偏差；表面波度形成周期性的波狀表面峰和谷，是由于機(jī)床加工系統(tǒng)振動(dòng)的結(jié)果，為介于形狀誤差與粗糙度之間的誤差；粗糙度表面輪廓微觀幾何形狀誤差。實(shí)際表面與理想表面存在一定的幾何形狀誤差，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）幾何形狀誤差（宏觀上）：用圓度、圓柱度、平面度表示。（2）表面微觀幾何形狀誤差：粗糙度。Ra評(píng)定表面粗糙度的方法很多，常用的一種方法是輪廓算術(shù)平均偏差Ra，表面粗糙度分為14級(jí)。1.

3、2表面層的結(jié)構(gòu)（Surface Layer Composition）金屬表面一出現(xiàn)，就會(huì)與空氣中的各種其它起作用而形成各種膜，這些膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)摩擦性能的影響很大。一般講，這些膜是有益的，有利于減少摩擦磨損。這些表面層為：污染層®氣體吸附層®氧化層®加工硬化層®基體 （外表層） （內(nèi)表層）結(jié)論： （1）實(shí)際表面是凹凸不平的； （2）接觸表面并非真正的全部接觸：實(shí)際接觸面積 £ 名義接觸面積； （3）即使在接觸點(diǎn)上，也可能有表面膜把金屬隔開。2 （滑動(dòng)）摩擦機(jī)理（Principle）兩個(gè)接觸物體在外力作用下產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)（或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)）時(shí)，接觸表面間

4、產(chǎn)生切向阻力和阻力矩以阻止運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為摩擦。阻力和阻力矩分別稱為摩擦力和摩擦力矩。對(duì)于摩擦力產(chǎn)生的原因有各種假說(shuō)，如機(jī)械嚙合說(shuō)、分子機(jī)械說(shuō)、粘著說(shuō)等。其中粘著說(shuō)較為直觀，可解釋許多摩擦問(wèn)題，為多數(shù)人接受。2.1 機(jī)械理論（凹凸說(shuō)）1699年 產(chǎn)生摩擦的原因是由于表面凹凸不平的 交錯(cuò)嚙合 作用而引起的。表面的粗糙度越大，摩擦力越大。2.2 分子理論（分子說(shuō)）：1734年，基本觀點(diǎn)：產(chǎn)生摩擦的原因是由于表面分子間的相互作用。2.3 分子機(jī)械理論： 1939年，認(rèn)為：摩擦有兩重性（分子作用和機(jī)械作用）。2.4 粘著理論 1942年，比較公認(rèn)的理論。Bowden等人，基本觀點(diǎn)：實(shí)際接觸面積很小（名義

5、接觸面積的千分之幾或萬(wàn)分之幾）®應(yīng)力大®接觸點(diǎn)上局部應(yīng)力很大，產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)接觸點(diǎn)上應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限s時(shí)，表面膜破裂并伴有塑性變形（變形熱）®粘著（稱為冷焊或固相焊合）®產(chǎn)生滑動(dòng)阻力即摩擦力。當(dāng)配合件繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，即在切向力作用下滑動(dòng)時(shí)，冷焊點(diǎn)被剪斷，犬牙交錯(cuò)的微凸體被剪切掉。隨后又在新的接觸點(diǎn)粘著，產(chǎn)生新的冷焊點(diǎn)及被剪斷，直至實(shí)際接觸面積增大到足以承受所加載荷為止。摩擦過(guò)程中周圍介質(zhì)對(duì)摩擦表面的作用造成表面更大的磨損，例如空氣中的氧會(huì)使氧化膜破碎后的裸露金屬表面氧化；空氣中的水、潤(rùn)滑油中的酸、硫分會(huì)使表面腐蝕等。3 摩擦類型 （1）按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀

6、態(tài)分為靜摩擦和動(dòng)摩擦。 （2）按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦。 （3）按摩擦表面的潤(rùn)滑狀態(tài)分為：純凈摩擦、干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦、混合摩擦。3.1 純凈摩擦 (Pure Friction)： 摩擦表面間沒(méi)有任何吸附膜或化合物時(shí)的摩擦。3.2 干摩擦 (Dry Friction)：表面既無(wú)潤(rùn)滑劑，又無(wú)濕氣時(shí)的摩擦。特點(diǎn)：摩擦系數(shù)大，0.11.5。3.3 邊界摩擦 (Boundary Friction) 在摩擦副的表面間，存在一層極薄潤(rùn)滑膜時(shí)的摩擦，稱為邊界摩擦。此時(shí)的潤(rùn)滑油膜稱為邊界膜。邊界油膜的厚度約為0.01m，摩擦系數(shù)為0.050.5。邊界膜分為吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜。 吸附膜：

7、物理吸附膜（不穩(wěn)定）和化學(xué)吸附膜（僅僅是化學(xué)的結(jié)合，不形成新的化合物）。 化學(xué)反應(yīng)膜：可以很厚。（2 ）特點(diǎn)： 邊界膜的厚度很?。?.1微米），但仍可使摩擦系數(shù)大大降低（0.050.5）。 摩擦磨損特性不取決于潤(rùn)滑劑的粘度，而是取決于表面膜的特性。（3）邊界膜的減磨機(jī)理（4）減少邊界摩擦的方法 在普通工作條件的機(jī)械的潤(rùn)滑劑中，加入油性添加劑，如：油酸、甘油等。 在低速、重載的“極壓條件”下工作的潤(rùn)滑劑中，加入極壓添加劑，如：酯。（5）邊界摩擦實(shí)例：氣缸套活塞環(huán)，凸輪挺桿等。3.4 液體摩擦（Liquid Friction）：摩擦副表面有一層具有壓力的流體將摩擦副隔開。特點(diǎn)：摩擦系數(shù)最小，約為0

8、.010.001微米。類型：流體靜壓潤(rùn)滑，利用摩擦表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使?jié)櫥瑒┝黧w產(chǎn)生楔形油膜或擠壓油膜來(lái)承受外部載荷并隔開摩擦表面，需要一套專用的供油系統(tǒng)。例如低速二沖程柴油機(jī)十字頭銷軸承采用靜壓潤(rùn)滑，Sulzer RND型柴油機(jī)的油壓為0.4MPa，RND-M型柴油機(jī)為1.6Mpa。流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，需要一定間隙、一定滑動(dòng)速度、連續(xù)供給一定粘度的潤(rùn)滑油等條件。如軸與軸承、推力塊與推力環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)均能形成楔形油膜，或者在相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件的表面上設(shè)計(jì)成一定的形狀以便運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生楔形效應(yīng)，建立楔形油膜。船舶機(jī)器實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，在起動(dòng)、停車或不穩(wěn)定工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦副難以實(shí)現(xiàn)或保持流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，而產(chǎn)生磨損。3.5 混合摩

9、擦： 半干摩擦：介于邊界摩擦和干摩擦間的摩擦。 半液體摩擦：介于邊界摩擦和液體摩擦間的摩擦。小結(jié)： 力求維持液體潤(rùn)滑;最低要維持邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑;避免出現(xiàn)干摩擦。（1）流體動(dòng)壓潤(rùn)滑區(qū)： ：為復(fù)合粗糙度（2）混合潤(rùn)滑狀態(tài)區(qū)：（3）邊界潤(rùn)滑狀態(tài)區(qū)：§2-2 磨 損 （Wear）1 磨損的概念 (Conception)據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約80的零件失效是磨損造成的。船舶機(jī)械中，磨損同樣是一種重要的故障模式。例如，船舶主、副柴油機(jī)的可靠性直接受到活塞環(huán)氣缸套、曲軸軸承等重要配合件磨損的影響。1.1 定義：摩擦副的表面物質(zhì)，在摩擦的過(guò)程中逐漸損失的現(xiàn)象，稱為磨損?！皳p失”：包括物質(zhì)減少（尺寸、形狀、

10、位置精度的變化）和表面層性質(zhì)的改變。1.2 磨損的表示方法： 1）幾何形狀指標(biāo)（1）平面度：公差帶是距離為公差值t 的兩個(gè)平行平面之間的區(qū)域。生產(chǎn)中采用三點(diǎn)法來(lái)測(cè)量，即將被測(cè)平面上相距最遠(yuǎn)三點(diǎn)上的基準(zhǔn)靶調(diào)成等高，構(gòu)成一理想平面或稱基準(zhǔn)平面，測(cè)量被測(cè)平面上各點(diǎn)至此基準(zhǔn)平面的距離，以其中最大（或最小）值與基準(zhǔn)高度的差值作為平面度誤差v。此外，還可采用水平儀，拉鋼絲線等方法進(jìn)行測(cè)量。（2）圓度：半徑差為公差值t的兩個(gè)同心圓之間的區(qū)域。軸頸的圓度誤差可以采用外徑千分尺測(cè)量指定平面兩個(gè)相互垂直的直徑，其半徑差就是圓度誤差。圓度誤差t是用被測(cè)零件上指定橫截面的兩個(gè)相互垂直直徑差之半表示。t（D1D2）2

11、mm式中：t指定橫截面的圓度誤差，mm；D1、D2指定橫截面的兩個(gè)相互垂直的直徑，mm?？刹捎脠A度儀、千分尺或百分表測(cè)量零件的實(shí)際圓度，即圓度誤差t。（3）圓柱度：其公差帶是半徑差為公差值t的兩個(gè)同心圓柱面之間的區(qū)域。測(cè)量軸或孔的同一縱向截面（包含軸線）內(nèi)數(shù)個(gè)直徑，其中最大與最小直徑的半徑差即為圓柱度誤差。u（DmaxDmin）2 mm采用圓度儀、千分尺和百分表測(cè)量零件的實(shí)際圓柱度，即圓柱度誤差u。2）磨損量指標(biāo)零件磨損量是用其摩擦表面的尺寸變化量來(lái)衡量。直徑方向上的磨損量：軸：d0d 孔：DD0式中：d0、D0分別為軸、孔的名義直徑，mm；d、D分別為運(yùn)轉(zhuǎn)后的軸、孔的實(shí)測(cè)直徑，mm。（4）磨

12、損率：指單位時(shí)間內(nèi)零件半徑方向上的最大磨損量max。maxt式中：t工作時(shí)間，h。零件的磨損量或磨損率可以用零件自投入使用至報(bào)廢的時(shí)間間隔內(nèi)兩次測(cè)量值之差來(lái)計(jì)算，也可以任一段工作時(shí)間間隔內(nèi)兩次測(cè)量值之差來(lái)計(jì)算。依測(cè)量值計(jì)算出的磨損量或磨損率應(yīng)與機(jī)器說(shuō)明書或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的數(shù)值比較，以便判斷零件磨損程度。（主動(dòng)力設(shè)備拆裝時(shí)測(cè)量）2 磨損機(jī)理2.1粘著磨損（Adhesive wear） 粘著®粘著點(diǎn)剪切®材料轉(zhuǎn)移®反復(fù)作用后脫落，形成磨粒。（1） 輕微磨損：（2） 涂抹： 剪切發(fā)生在較軟金屬的淺層內(nèi)。（3）擦傷與劃痕：拉缸（活塞裙、活塞環(huán)和氣缸套內(nèi)圓表面出現(xiàn)擦傷、劃傷

13、、撕脫或咬死的現(xiàn)象），嚴(yán)重的粘著磨損。分為：“輕微拉缸”和“嚴(yán)重拉缸（咬死）”（4）撕脫： 剪切發(fā)生在較軟金屬的深處。（5）咬死：粘著區(qū)域大，外力小于粘著點(diǎn)的結(jié)合力。如咬缸。減少粘著磨損的方法：（1）合理選材；（2）合理選擇潤(rùn)滑劑與添加劑：油性劑、極壓劑等。（3）采用表面處理：鍍鉻環(huán)。（4）降低表面粗糙度：（5）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：有利于形成油膜、散熱等。2.2 磨粒磨損（Abrasion wear）：由于固體磨粒的作用而引起的磨損。（1）微量切削假說(shuō)：（2）壓痕假說(shuō)：磨粒圓滑，導(dǎo)致表面被犁皺，形成犁溝。（3）疲勞破壞假說(shuō)；（4）斷裂起主要作用的假說(shuō)。磨粒的來(lái)源：外來(lái)的和內(nèi)部產(chǎn)生的。減磨措施：（1

14、）提高材料的硬度、強(qiáng)度和韌性；（2）表面處理；（3）采用保護(hù)措施；防止外界磨粒的侵入，“三濾”。2.3 腐蝕磨損（Corrosive Wear）摩擦副表面的機(jī)械摩擦作用再加上表面與周圍介質(zhì)間的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而造成的磨損。 （1）氧化磨損： 干摩擦?xí)r主要的磨損形式。（2）特殊介質(zhì)中的腐蝕磨損： 有酸、堿、鹽等介質(zhì)存在時(shí)。減小磨損的措施：（1）選擇耐腐蝕能力強(qiáng)的材料。（2）涂保護(hù)層；（3）提高表面材料的屈服強(qiáng)度；（4）降低表面溫度；（5）在潤(rùn)滑劑中加入抗氧化劑、抗腐蝕劑。2.4 微動(dòng)磨損（Fretting wear） 兩接觸表面在載荷的作用下，由于微幅（<0.25微米）振動(dòng)而引起的機(jī)械化學(xué)

15、磨損。是一種復(fù)合（粘著、氧化、磨粒）磨損形式。機(jī)理：粘著®由于振動(dòng)發(fā)生剪切®氧化膜脫落®形成磨粒。特征：摩擦副表面存在大量的磨屑，且磨屑由大量的氧化物組成。減磨措施：（1）選擇抗粘著的材料；（2）涂二硫化鉬；（固體潤(rùn)滑劑）；（3）加入抗氧化、抗腐蝕、極壓劑等；（4）降低應(yīng)力集中。2.5 疲勞磨損（Fatigue wear）定義：摩擦副的表面在交變接觸應(yīng)力的作用下，因疲勞而不斷損失的現(xiàn)象。場(chǎng)合：滾動(dòng)、滾動(dòng)滑動(dòng)。機(jī)理：“油楔理論”主要觀點(diǎn)： 裂紋產(chǎn)生® 潤(rùn)滑油鍥入® 裂紋擴(kuò)展成懸臂梁形狀®斷裂形成凹坑?；偷恼扯葘?duì)這種磨損影響很大。3 磨

16、損規(guī)律 3.1 “OA”段磨合期：特點(diǎn)：磨損量增大速度快，“走順”作用：保證機(jī)械在正式使用時(shí)正常工作，良好的磨合是重要的。柴油機(jī)磨合時(shí)的注意點(diǎn)：（1）確保氣缸良好的潤(rùn)滑；（2）表面形貌及材料要有利于磨合；初始的粗糙度要合理。（3）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間與負(fù)荷分配；一般原則是：轉(zhuǎn)速、負(fù)荷由小到大，先升速后加負(fù)荷。3.2 “AB”正常磨損期：特點(diǎn)：磨損率小，增加緩慢。應(yīng)設(shè)法延長(zhǎng)。缸套正常磨損率0.1mm/kh.3.3 “BC”急劇磨損期：應(yīng)停機(jī)檢修，恢復(fù)技術(shù)狀態(tài)。§2-3 活塞環(huán)與氣缸套的摩擦磨損1 摩擦形式 典型的滑動(dòng)摩擦形式?！巴鶑?fù)運(yùn)動(dòng)”油膜只可能在活塞行程的中部形成，上死點(diǎn)（Top dead c

17、enter=“TDC”）、下死點(diǎn)（Bottom dead center“BDC”）處不可能建立油膜。2 氣缸套的磨損2.1 磨損類型（1）正常磨損；（2）磨粒磨損：特征是沿內(nèi)圓表面有縱向的直線劃痕，肉眼可見，有手感。（3）粘著磨損：一般出現(xiàn)在磨合期和長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后（幾千小時(shí)）。特點(diǎn)是：沿運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)條紋狀的磨痕；并伴有暗紅色或發(fā)蘭色（氧化物）；磨損率高。 缸套與活塞環(huán)之間發(fā)生：磨合期發(fā)生。 缸套與活塞裙部（Piston skirt）之間發(fā)生：長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后，因間隙過(guò)大引起。（4）腐蝕磨損影響因素： 冷卻水溫度低，會(huì)使缸壁溫度低； 滑油中的堿值太低等都會(huì)造成嚴(yán)重磨損； 此外還應(yīng)控制燃油的S。2.2磨損狀態(tài)分析 橫截面上產(chǎn)生圓度誤差；縱向截面產(chǎn)生圓柱度誤差。正常情況下：鑄鐵缸套的磨損率£0.1%mm/kh;鍍鉻缸套為：0.010.03 mm/kh。異常時(shí)，磨損率可達(dá)1015mm/kh。正常壽命是指上死點(diǎn)附近磨損到極限的時(shí)間。3 減磨措施（重點(diǎn)）3.1 加強(qiáng)燃油和燃燒的管理；3.2 保證氣缸的良好潤(rùn)滑：潤(rùn)滑油的質(zhì)量（堿值）