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摩擦和磨损

各类机器在工作时,其各零件相对运动的接触部分都存在着摩擦,摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。摩擦不仅消耗能量,而且使零件发生磨损,甚至导致零件失效。据统计,世界上1/3—1/2的能源消耗在摩擦上,而各种机械零件因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。磨损是摩擦的结果,润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施,这三者是相互联系不可分割的。
.1摩擦及其分类
   在外力作用下,一物体相对于另一物体运动或有运动趋势时,两物体接触面间产生的阻碍物体运动的切向阻力称为摩擦力。这种在两物体接触区产生阻碍运动井消耗能量的现象,称为摩擦。摩擦会造成能量损耗和零件磨损,在一般情况下是有害的,因此应尽量减少摩擦。但有些情况下却要利用摩擦工作,如带传动,摩擦制动器等。
根据摩擦副表面问的润滑状态将摩擦状态分为四种:干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦(如图所示)。1.干摩擦
   如果两物体的滑动表面为尤任何润滑剂或保护膜的纯金属,这两个物体直接接触时的摩擦称为干摩擦,如图所示。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
   两摩擦表面不直接接触,被油膜(油膜厚度一般在1.5——2μm以上)隔开的摩擦称为液体摩擦,如图所示。
3.边界摩擦
   两摩擦表面被吸附在表面的边界膜(油膜厚度小于1μm)隔开,使其处于干摩擦与液体摩擦之间的状态,这种摩擦称为边界摩擦,如图所示。
4.混合摩擦
    在实践中有很多摩擦副处于干摩擦、液体摩擦与边界摩擦的混合状态,称为混合摩擦,如图所示。
   由于液体摩擦、边界摩擦、混合摩擦都必须在一定的润滑条件下才能实现,因此这三种摩擦又分别称为液体润滑、边界润滑和混合润滑。
2磨损及其过程
   运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐损失,这种现象称为磨损。单位时间内材料的磨损量称为磨损率。磨损量可以用体积、质量或厚度来衡量。
   机械零件严重磨损后,将降低机器的工作效率和可靠性,使机器提早报废。因此,预先考虑如何避免或减轻磨损,是设计、使用、维护机器的一项重要内容。但另一方面,磨损也并非全都是有害的,工程上常利用磨损的原理来减小零件表面的粗糙度,如磨削、研磨、抛光、跑合等。
    在机械的正常运转中,磨损过程大致可分为以下三个阶段。
1.跑合(磨合)磨损阶段
   在这一阶段中,磨损速度由快变慢,而后逐渐减小到一稳定值。这是由于新加工的零件表面呈尖峰状态,使运转初期摩擦副的实际接触面积较小,单位接触面积上的压力较大,因而磨损速度较快,如图中磨损曲线的oa段。
    跑合磨损到一定程度后,尖峰逐渐被磨平,磨损速度即逐渐减慢。
2.稳定磨损阶段
   在这一阶段中磨损缓慢、磨损率稳定,零件以平稳而缓慢的磨损速度进入零件正常工作阶段,如图中的ab段。这个阶段的长短即代表零件使用寿命的长短,磨损曲线的斜率即为磨损率,斜率愈小磨损率就愈低,零件的使用寿命就愈长。经此磨损阶段后零件进入剧烈磨损阶段。
3.剧烈磨损阶段
   此阶段的特征是磨损速度及磨损率都急剧增大。当工作表面的总磨损量超过机械正常运转要求的某一允许值后,摩擦副的间隙增大,零件的磨损加剧,精度下降,润滑状态恶化,温度升高,从而产生振动、冲击和噪声,导致零件迅速失效,如图中的bc段。
    上述磨损过程中的三个阶段,是一般机械设备运转过程中都存在的。必须指出的是,在跑
合阶段结束后应清洗零件,更换润滑油,这样才能正常地进入稳定磨损阶段。
.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*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
 
 

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