轮机维护与修理 第二章(培训教材)

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Chapter 2 船机零件的摩擦与磨损重点： 摩擦、磨损的概念。

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难点： 活塞环与气缸套的摩擦磨损、曲轴和轴承的摩擦磨损。

要求掌握的知识点： 摩擦、摩擦分类及机理、磨损、磨损规律及磨损机理

解决的问题 怎样减少船机零件的磨损？重庆交通大学航海学院 20:25轮机维护与修理

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Chapter 2 船机零件的摩擦与磨损概述：

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摩擦磨损是船机零件的故障模式之一，是影响船舶机器正常运转和船舶 安全航行的主要因素。 据资料介绍：世界能源的1/3~1/2是以不同形式消耗在克服机械零件表 面相互作用的摩擦上。 对于船用柴油机来说，目前无论是二冲程的低速机还是四冲程的中速机， 燃油消耗率已降至163 g/(kW· h)左右，热效率达到50 %以上，但能量消 耗在运动副的摩擦上约占10 %左右。

结论： 摩擦磨损→故障→能 源浪费重庆交通大学航海学院 20:25

→必须重视

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Chapter 2 船机零件的摩擦与磨损§2-1 摩擦 (Friction) §2-2 磨损 (Wear, rub )

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§2-3活塞环(Piston ring)与气缸套(Cylinder)的摩擦磨损 §2-4 曲轴(Crankshaft)与轴承(bearing)的摩擦磨损

☆练习题

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§2-1 摩擦 (Friction)

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摩擦学 ——是研究具有相对运动的相互作用表面的有关理论与实践 的科学。 主要内容：研究摩擦表面、摩擦、磨损机理、润滑理论和摩 擦学的应用等。 一、摩擦表面1.摩擦表面的形貌和表示方法 2.金属表面层的结构

二、摩擦1.摩擦的定义及危害 2.干摩擦机理 3.摩擦的分类重庆交通大学航海学院 20:25轮机维护与修理

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一、摩擦表面

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1、摩擦表面形貌及表示方法(Surface Layer morphology)1)定义： 零件表面几何形态称为表面形 貌。 由表面最后加工的方法、刀痕、 切屑分裂时的变形、刀具与表 面摩擦和加工系统的振动等因 素造成。

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1、摩擦表面形貌及表示方法(Surface Layer morphology)

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2)表示方法： 用宏观几何形状、表面坡度和粗糙度(微观几何形状)表示。 宏观几何形状: 宏观所见表面轮廓线产生偏离名义几何形状的粗大偏差； 表面波度: 形成周期性波状表面峰和谷，是机床加工系统振动的结果， 介于形状误差与粗糙度之

间的误差； 粗糙度: 表面轮廓微观几何形状误差。以微观几何形状粗糙度为主， 由算术平均差Ra表示，单位为微米。重庆交通大学航海学院 20:25轮机维护与修理

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1、摩擦表面形貌及表示方法(Surface Layer morphology)

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粗糙度分14个等级，数字小者粗糙度低。(外圆粗车表面产生 100μm~25μm粗糙度；抛光或超精研磨加工产生0.1μm~ 0.012μm的粗糙度。) 粗糙度影响摩擦表面接触面积，影响接触压强的大小；影响 耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀性和配合性质的稳定性。 摩擦表面实际接触面积，仅为名义接触面积的0.01%~0.1%.

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2、金属表面层的结构(Surface Layer Composition)

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金属表面一出现，就会与空气中各种 其它起作用而形成各种膜，这些膜的 结构性质对摩擦性能的影响很大。

这些膜有利于减少摩擦磨损。 外表层：污染层5μm微米；吸附气体 层0.5μm;氧化层10μm。

内表层：加工硬化层5μm;小结： 金属表面性能与基体不同，具有自由 能，具有润湿性、吸附作用、化学作 用和塑性变形等。重庆交通大学航海学院 20:25轮机维护与修理

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结论：(1)摩擦表面的实际表面是凹凸不 平的； (2)接触表面并非全部接触： 实际接触面积 远远小于名义接触 面积； (3)即使在接触点上，也可能有表 面膜把金属隔开。

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二、摩擦(Friction)1.摩擦定义及危害

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摩擦： 两接触物体在外力作用下产生相对运动(或运 动趋势)时，接触表面产生切向阻力和阻力矩

以阻止运动的现象。 阻力和阻力矩分别称为摩擦力和摩擦力矩。

危害： 摩擦→能量消耗↑→热量→物体温度↑。 →表面磨损。

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二、摩擦(Friction)2.摩擦的机理 (Principle)

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有各种假说，如机械啮合说、分子机械说、粘着说等。其中粘着说较为 直观，可解释许多摩擦问题，为多数人所接受。 机械理论(凹凸说)1699年 产生摩擦的原因是由表面凹凸不平的“交错啮合”作用而引起。表面的 粗糙度越大，摩擦力越大。 分子理论(分子说) 1734年 基本观点：产生摩擦的原因，由表面分子间的相互作用而引起。

分子—机械理论 1939年 认为：摩擦有两重性(分子作用和机械作用)。 粘着理论 1942年，比较公认的理论。20:25轮机维护与修理

认为：干摩擦过程是一种粘着与剪切交

替作用的过程。重庆交通大学航海学院

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粘着理论基本观点： 实际接触面积小(名义接触面积的0.01%~ 0.1%) 局部应力大 弹性变形； 应力达材料屈服极限σs 表面膜破裂、塑性变 形(变形热) 粘着(冷焊或固相焊合) 滑动阻 力即摩擦力。如p31图2-3。 配合件运动，在切向力作用 冷焊点剪断。新 的接触点粘着，又被剪断 实际接触面积增 大到足以承受所加载荷为止。 周围介质对摩擦表面作用 表面更大磨损。 如空气中氧 氧化膜破碎后裸露金属氧化； 空气中水、润滑油中酸、硫分 表面腐蚀等。重庆交通大学航海学院 20:25

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3. 摩擦的分类1)按摩擦副运动状态分：动、静摩擦；

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2)按运动形式分：滑动、滚动摩擦3)按润滑状态分： ①纯净摩擦：(Pure Friction) ②干摩擦 (Dry Friction) ③边界摩擦 (Boundary Friction) ④流体摩擦(Liquid Friction) ⑤混合摩擦

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①纯净摩擦：(Pure Friction): 定义：摩擦表面间没有任何 吸附膜或化合物时的摩擦。

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由金属表面层结构可知，金属表面 存在污染层、吸附气体层、氧化层、 加工硬化层，所以纯净摩擦在现实 中少见。——仅为理论上的摩擦。

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②干摩擦 (Dry Friction)定义： 表面既无润滑剂，又无湿气时的摩擦。

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特点： 摩擦系数最大，约0.1~1.5。

机理： 粘着理论

结果： 干摩擦→磨损 →表面性质变化(塑性变形→加工硬化； 摩擦热→表面金属再结晶软化，或淬火表面变 硬)20:25轮机维护与修理

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③边界摩擦(Boundary Friction)边界摩擦：在摩擦副的表面间，存在一层极薄润滑膜时的摩擦。 边界膜：边界油膜的厚度约为0.1μm,摩擦系数为0.05~0.5。边界膜类别： 特点：吸附膜和化学反应膜。

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a.边界膜的厚度很小(0.1μm),可使摩擦系数大大降低(0.05~0.5)。b.摩擦磨损特性不取决于润滑剂的粘度，而是取决于表面膜的特性。 减少边界摩擦的方法： a.在普通工作条件的润滑剂中，加入油性添加剂，如：油酸、甘油等。 b.在低速、重载的“极压条件”下的润滑剂中，加入极压添加剂，如： 酯。 边界摩擦实例：

气缸套—活塞环(上死点附近),凸轮 —挺杆等。 重庆交通大学航海学院 20:25

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边界摩擦的边界膜

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1)吸附膜 ①物理吸附膜(不稳定)

原理：润滑油中的极性分子依靠静电吸附在金属表面上。 特点：结合力较弱、受热易脱吸。 应用： 用于常温、低速和轻载工作条件。(如机床导轨) ②化学吸附膜(仅是化学的结合，不形成新的化合物) 原理：润滑油中的极性分子依靠化学键力吸附在金属表面上。 特点：吸附较稳定、不完全可逆。 应用：用于中等负荷、速度和温度的工作条件。 2)化学反应膜(可以较厚) 原理：在滑油中加入含S、P、N等元素的 添加剂 ，高温下这些元素与金属 表面发生化学反应→反应膜(厚度较大) 特点：吸附稳定、耐温性好、润滑性能好。 应用：用于重载、高温、高速工作条件。重庆交通大学航海学院 20:25轮机维护与修理

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油性剂、极压剂(抗磨剂)

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油性剂、极压剂都能在边界润滑条件下起到减磨作用。各自机理是： 1)油性剂： 带极性基团的活性物质，能定向吸附在金属表面上形成不易破坏的边界 吸附薄膜，以降低磨损。常用油性剂：硫化鲸鱼油、硫化棉子油等； 主要用于增加零件的油性，避免零件干摩擦。 2)极压剂：

能在高温和高负荷下分解产生活性化合物，在金属表面生成低熔点化合 物，形成反应薄膜，有减少摩擦、防止擦伤、降低磨损、加强油膜承载 能力的作用。主要组成为含氯、硫、磷的有机化合物，如硫氯化石蜡、 磷酸酯等。 主要用于强载度很高的柴油机重庆交通大学航海学院 20:25轮机维护与修理

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④流体摩擦(Liquid Friction)

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定义： 摩擦表面有油膜的摩擦。摩擦发生在润滑剂流体内，摩擦系数和磨损都 最小，约0.001~0.01。 类型： ☆流体静压润滑： 将一定压力润滑剂流体不断打入摩擦表面，使之隔开的润滑。如低速二 冲程柴油机十字头销轴承采用静压润滑，Sulzer RND型柴油机的油压为 0.4MPa,RND-M型柴油机为1.6Mpa。 ☆流体动压润滑： 楔形效应——由零件结构形状决定。如轴与轴承、推力块与推力环等在 运转时均能形成楔形油膜。船舶机器实际运转中，在起动、停车或不稳 定工况运转时，摩擦副难以实现或保持流体动压润滑，而产生磨损。 动压润滑油膜形成的条件：1、足够高的相对运动速度；2、粘度合适的滑 油(温度);3、合适的配合间隙；4、较高的 加工精度和粗糙度；5、负荷不过大重庆交通大学航海学院 20:25轮机维护与修理