任務四 認識摩擦、磨損現象及潤滑方案確定

摩擦是造成能量損失的主要原因，據估計，在全世界工業部門所使用的能源中，大約有1/3～1/2最終以各種形式損耗在克服摩擦上。摩擦會導致磨損，而磨損所造成的損失更是驚人。據統計，磨損造成的損失是摩擦損失的12倍，約有80%的損壞零件是因磨損而報廢的。由摩擦所引起的能量損耗和磨損所引起的材料損耗，在經濟上造成了巨大的損失。磨損是摩擦的結果，潤滑則是減少摩擦和磨損的有力措施，這三者是相互聯系不可分割的。

一、摩擦與磨損

1．摩擦及其分類

在外力作用下，一物體相對另一物體具有運動趨勢時，兩物體接觸面間產生的阻礙物體運動的切向阻力稱為摩擦力。這種在兩物體接觸區產生阻礙運動并消耗能量的的現象，稱為摩擦。摩擦會造成能量損耗和零件磨損，在一般情況下是有害的，因此應盡量減少摩擦。但有些情況下卻要利用摩擦工作，如摩擦型帶傳動，摩擦制動器等。

根據摩擦副表面間的潤滑狀態將摩擦狀態分為四種：干摩擦、邊界摩擦（潤滑）、液體摩擦（潤滑）和混合摩擦（潤滑），如圖0-3所示。

（1）干摩擦

兩摩擦表面間無任何潤滑劑或保護膜的純凈金屬接觸時的摩擦，稱為干摩擦。在工程實際中沒有真正的干摩擦，因為暴露在大氣中的任何零件的表面，不僅會因氧氣而形成氧化膜，且或多或少也會被潤滑油所濕潤或受到“污染”，這時，其摩擦系數將顯著降低。在機械設計中，通常把不出現顯著潤滑的摩擦，當做干摩擦處理。

（2）邊界摩擦

兩摩擦表面各附有一層極薄的邊界膜（油膜厚度小于1μm），兩表面仍是凸峰接觸的摩擦狀態稱為邊界摩擦。與干摩擦相比，摩擦狀態有很大改善，其摩擦和磨損程度取決于邊界膜的性質、材料表面機械性能和表面形貌。

（3）液體摩擦

兩摩擦表面完全被油膜（油膜厚度一般在1.5～2μm）隔開、表面凸峰不直接接觸的摩擦。此種潤滑狀態亦稱液體潤滑，摩擦是在液體內部的分子之間進行，故摩擦系數極小。

（4）混合摩擦

兩表面間同時存在干摩擦、邊界摩擦和液體摩擦的狀態稱為混合摩擦。

2．摩損及其過程

運動副之間的摩擦將導致零件表面材料的逐漸損失，這種現象稱為磨損。單位時間內材料的磨損量稱為磨損率。磨損量可以用體積、質量或厚度來衡量。

機械零件嚴重磨損后，將降低機器的工作效率和可靠性，使機器提早報廢。因此，預先考慮如何避免或減輕磨損，是設計、使用、維護機器的一項重要內容。但另一方面，磨損也并非全都是有害的，工程上常利用磨損的原理來減小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、刨、拋光、跑合等。

在機械的正常運轉中，磨損過程大致可分為以下三個階段。

（1）跑合（磨合）磨損階段

由于機械加工的表面具有一定的不平度存在。運轉初期，摩擦副的實際接觸面積較小，單位面積上的實際載荷較大，因此，磨損速度較快。經跑合后尖峰高度降低，峰頂半徑增大，實際接觸面積增加，磨損速度降低。

（2）穩定磨損階段

機件以平穩緩慢的速度磨損，這個階段的長短就代表機件使用壽命的長短。

（3）劇烈磨損階段

經穩定磨損階段后，使精度降低，間隙增大，從而產生沖擊、振動和噪聲，磨損加劇，溫度升高，短時間內使零件迅速報廢。

3．磨損分類

按破壞的機理，磨損主要有四種基本類型，即黏著磨損、接觸疲勞磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損。

（1）黏著磨損

當摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各點產生結點后再相對滑移時，材料從運動副的一個表面轉移到另一個表面，便形成了黏著磨損。滑動軸承中的“抱軸”和高速重載齒輪的“膠合”現象均是嚴重的黏著磨損。

（2）接觸疲勞磨損

受變應力的摩擦副，在其表面上形成疲勞點蝕，使小塊金屬剝落，這種現象稱為疲勞磨損。接觸疲勞磨損常發生在滾動軸承、齒輪、凸輪等零件上。

（3）磨粒磨損

從外部進入摩擦面間的游離硬質顆粒或摩擦表面上的硬質凸峰，在摩擦過程中引起材料脫落的現象稱為磨粒磨損。

（4）腐蝕磨損

在摩擦過程中，摩擦表面與周圍介質發生化學反應或電化學反應的磨損稱為腐蝕磨損，腐蝕可在沒有摩擦的條件下形成，而相對運動消除了化學反應的生成物，接著表面又受到腐蝕，如此不斷反復。

實際上，大多數的磨損都以復合形式出現，即以上幾種磨損相伴存在。微動磨損就是一種典型的復合磨損。微動磨損發生在相對靜止的摩擦副上，但須在環境振動影響下，使結合面間沿表面方向有微幅振擺，才能產生。

4．減少磨損的措施

為了減少摩擦表面的磨損，設計時，除了必須滿足一定的磨損約束條件之外，還必須采取必要的減少磨損的措施。

（1）正確選用材料

正確選用摩擦副的配對材料，是減少磨損的重要途徑。如當以黏著磨損為主時，應當選用互溶性小的材料；當以磨粒磨損為主時，則應當選用硬度高的材料，或設法提高所選材料的硬度，也可以選用抗磨料磨損的材料。

（2）進行有效的潤滑

潤滑是減少磨損的重要措施。應根據不同的工況條件，正確選用潤滑方式，使摩擦表面盡可能在液體摩擦或混合摩擦的狀態下工作。

（3）采用適當的表面處理

為了降低磨損，提高摩擦副的耐磨性，可采用各種表面處理。

（4）改進結構設計

提高加工和裝配精度的結構設計可以減少摩擦磨損。例如，設計出來的結構，應該有利于表面膜的形成與恢復，壓力的分布應當是均勻的，而且，還應有利于散熱和磨屑的排出等。

（5）正確的使用、維修與保養

新機器使用之前的正確“磨合”，可以延長機器的使用壽命。經常檢查潤滑系統的油壓、油面密封情況，對軸承等部位定期潤滑，定期更換潤滑油和濾油器芯，以阻止外來磨料的進入等，對減少磨損都十分重要。

二、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。潤滑的主要作用是改善摩擦、減輕磨損，同時潤滑劑還能起減振、防銹等作用，液體潤滑劑還能帶走摩擦熱、污物等。

（一）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、動植物油、合成油三大類，其中應用最廣泛的為礦物油。

（1）黏度

潤滑油最重要的一項物理性能指標為黏度，它是選擇潤滑油的主要依據。黏度的大小表示了流體流動時其內摩擦阻力的大小，黏度愈大，內摩擦阻力就愈大，流體的流動性就愈差。

黏度可用動力黏度、運動黏度、條件黏度（恩氏黏度）等表示。我國的石油產品常用運動黏度來標定。

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

② 運動黏度 液體的動力黏度與液體在相同溫度下密度的比值稱為該液體的運動黏度

式中，η為動力黏度，單位為Pa·s; ρ為密度，單位為kg/m3; ν為運動黏度，單位為m2/s。

一般潤滑油的牌號就是該潤滑油在40℃（100℃）時的運動黏度（mm2/s）的平均值，如L—AN46是全損耗系統用油在40℃時的運動黏度。

③ 條件黏度 在規定的溫度下從恩氏黏度計流出200ml樣品所需的時間與同體積蒸餾水在20℃時流出所需的時間之比值稱為該液體的條件黏度，以°E表示。

運動黏度和恩氏黏度之間可通過下式進行換算：

當1.35≤ oE≤ 3.2時，

當oE＞3.2時，

黏度隨壓強的升高而增大，但當壓強小于20MPa時，其影響甚小，可不予考慮。

（2）黏—溫特性

潤滑油的黏度隨溫度變化的情況十分明顯。溫度升高，黏度降低，黏度增大。潤滑油受溫度影響的程度可用黏度指數V.I（Viscosity Index）表示。黏度指數越大，表明黏度隨溫度的變化越小，即黏—溫特性越好。

（3）凝點、傾點

凝點是指在規定的冷卻條件下，潤滑油停止流動的最高溫度，潤滑油的使用溫度應比凝點高5℃～7℃。傾點是潤滑油在規定的條件下冷卻到能繼續流動的最低溫度，潤滑油的使用溫度應高出傾點3℃以上。

（4）閃點

閃點是表示潤滑油蒸發性的指標。油蒸發性越大，其閃點越低。同時，閃點也是表示著火危險性的指標。對于高溫下工作的機器，閃點是潤滑油的一個十分重要的指標，通常應使潤滑油的使用溫度低于閃點20℃～30℃。

常用潤滑油的主要質量指標和用途見表0-4。

2．氣體潤滑劑

最常用的是空氣，此外還有氫氣、水蒸氣及液態金屬蒸氣等均可作為氣體潤滑劑。其特點是黏度低，功耗少，溫升小，其黏度隨溫度變化小，故適于高溫和低溫環境下的高速場合，但承載能力低。

3．潤滑脂

為使潤滑劑易于保持在摩擦表面，用稠化劑將潤滑油稠化成膏狀，即潤滑脂。稠化劑是各種金屬皂，如鉀皂、鈉皂、鈣皂等，從而可形成不同皂類的潤滑脂。有時為提高抗氧化能力和潤滑性能，還常常加入添加劑。

潤滑脂是除潤滑油外應用最多的一類潤滑劑。它是潤滑油（基礎油）與稠化劑（如鈣、鋰、鈉的金屬皂）的膏狀混合物，習慣上稱為黃油或干油。根據調制潤滑脂所用皂基之不同，主要有以下幾類：一是鈣基潤滑脂，它具有良好的抗水性，但耐熱能力差，工作溫度不宜超過55℃～65℃；二是鈉基潤滑脂，它有較高的耐熱性，工作溫度可達120℃，但抗水性差，由于它能與少量水乳化，從而保護金屬免遭腐蝕，比鈣基潤滑脂有更好的防銹能力；三是鋰基潤滑脂，它既能抗水，耐高溫（工作溫度不宜高于145℃），而且有較好的機械安定性，是一種多用途的潤滑脂。無論哪類潤滑脂，均常用于不易加油、重載低速的場合。其性能指標主要有兩個。

（1）錐入度

錐入度（或稠度）是指在規定條件下，將重量為1.5N的標準錐體在25℃恒溫下，由潤滑脂表面自由沉下，經5s后可沉入的深度值（以0.1mm為單位）。它標志著潤滑脂內阻力的大小和流動性的強弱，主要取決于稠化劑的性質，與基礎油無關。錐入度越小，潤滑脂越稠，附著性、密封性越好，承載能力越高，但同時摩擦阻力較大，流動性差，而且不易填充較小的摩擦間隙。

（2）滴點

指在規定的加熱條件下，潤滑脂從標準測量杯的孔口滴下第一滴油時的溫度叫潤滑脂的滴點，它標志著潤滑脂耐高溫的能力。選擇潤滑脂時，工作溫度應低于滴點15℃～20℃。

常用潤滑脂的主要質量指標及用途見表0-5。

4．固體潤滑劑

固體潤滑劑有無機化合物（石墨、二硫化鉬、硼砂等）與有機化合物（金屬皂、動物脂等），使用時常將潤滑劑粉末與膠黏劑混合起來應用，也可與金屬或塑料等混合后制成自潤滑復合材料使用。固體潤滑劑適用于高溫、大載荷，以及不宜采用液體潤滑劑和潤滑脂的場合，如宇航設備及衛生要求較高的機械設備中。

（二）選用潤滑劑的原則

（1）考慮工作載荷

對承受大負荷（或壓強大）的邊界摩擦副應選黏度高，油性及極壓性好的潤滑油；對受沖擊載荷或往復運動的零件，因不易形成液體膜，可選潤滑脂或固體潤滑劑；在液體潤滑中，潤滑油黏度越高，其油膜的承載能力越高。

（2）考慮相對滑動速度

對相對滑動速度較高的運動副，因易形成油膜，宜選黏度較小的潤滑油，以減小油膜間由于內摩擦而引起的功率損耗。

（3）考慮工作溫度

對在低溫下工作的機械應選黏度較小、凝點較低的潤滑油；對在高溫下工作的機械應選黏度較大和閃點較高的潤滑油；對在特低溫下工作的機械可選用抗凝添加劑的潤滑油或固體潤滑劑；對工作溫度變化大的機械應選溫度變化對黏度影響較小的潤滑油。

（4）考慮特殊工作環境

對在多塵環境中工作的機械，可選潤滑脂，以利于密封。對有火花產生的場所，應采用高閃點的潤滑油。

（三）潤滑方法和潤滑裝置

機械設備的潤滑，主要集中在傳動件和支撐件上。油潤滑的方法多種多樣，其分類標準大概有四種：集中潤滑或分散潤滑，連續潤滑或間歇潤滑，壓力潤滑或無壓力潤滑，循環式潤滑或非循環式潤滑。

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，而分散潤滑中摩擦副的潤滑裝置則是各自獨立的。對輕載、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行潤滑。連續無壓力潤滑可采用油繩、油墊、針閥式油杯、油環、油輪等潤滑裝置。而連續壓力潤滑需采用油泵、噴嘴裝置，高速時還可以采用油霧發生器實現油霧潤滑。

脂潤滑的裝置較為簡單，加脂方式有人工加脂、脂杯加脂和集中潤滑系統供脂等。對于單機設備上的軸承、鏈條等部位，由于潤滑點不多，大多采用人工加脂或涂抹潤滑脂。對于潤滑點多的大型設備，如礦山機械、船舶機械等，則采用潤滑系統。

三、密封裝置

為了使潤滑持續、可靠、不漏油，同時為了防止外界臟物進入機體，必須采用相應的密封裝置。密封裝置從總體上可分為兩大類：一類是固定密封，即密封后兩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動。

固定密封可采用各種墊片，包括金屬、非金屬墊片及密封膠等。動密封又分為接觸式、非接觸式密封，其中應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。各種密封件都已標準化，可查閱手冊選取。非接觸式密封有迷宮式密封、螺旋式密封等，半接觸式密封有活塞環密封、機械密封等，其結構較復雜，主要用于重要部件的密封。

在一般常用的機械中，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，應根據使用條件查閱手冊進行選擇。密封圈也可做防塵密封件使用，但粉塵嚴重時，應使用專門的防塵密封圈。采用脂潤滑時，可使用氈圈密封。