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摩擦与磨损
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。

2007-11-9  
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