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第2章： 船机零件的磨损
Chapter2 船机零件的磨损
§2-1 摩 擦（Friction）
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对偶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。
摩擦磨损→故障→能源浪费→必须重视

1 摩擦表面的性质
1.1摩擦表面的形貌（Surface Layer morphology）和表示方法
外圆表面粗车会使表面产生100μm～25μm的粗糙度，抛光或超精研磨加工产生0.1μm～0.012μm的粗糙度。
零件表面的几何形态称为表面形貌。零件表面形貌分为宏观几何形状、表面波度和粗糙度（微观几何形状）三部分。
宏观几何形状——宏观所见表面的轮廓线产生偏离名义几何形状的粗大偏差；
表面波度——形成周期性的波状表面峰和谷，是由于机床加工系统振动的结果，为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。
实际表面与理想表面存在一定的几何形状误差，表现在两个方面：
（1）几何形状误差（宏观上）：用圆度、圆柱度、平面度表示。
（2）表面微观几何形状误差：粗糙度。Ra
评定表面粗糙度的方法很多，常用的一种方法是轮廓算术平均偏差Ra，表面粗糙度分为14级。
1.2表面层的结构（Surface Layer Composition）
金属表面一出现，就会与空气中的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。一般讲，这些膜是有益的，有利于减少摩擦磨损。
这些表面层为：污染层®气体吸附层®氧化层®加工硬化层®基体
（外表层） （内表层）
结论：
（1）实际表面是凹凸不平的；
（2）接触表面并非真正的全部接触：实际接触面积 £ 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。

2 （滑动）摩擦机理（Principle）
两个接触物体在外力作用下产生相对运动（或运动趋势）时，接触表面间产生切向阻力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。阻力和阻力矩分别称为摩擦力和摩擦力矩。
对于摩擦力产生的原因有各种假说，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，为多数人接受。
2.1 机械理论（凹凸说）1699年
产生摩擦的原因是由于表面凹凸不平的 交错啮合 作用而引起的。表面的粗糙度越大，摩擦力越大。
2.2 分子理论（分子说）：1734年，基本观点：产生摩擦的原因是由于表面分子间的相互作用。
2.3 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）。
2.4 粘着理论 1942年，比较公认的理论。
Bowden等人，基本观点：实际接触面积很小（名义接触面积的千分之几或万分之几）®应力大®接触点上局部应力很大，产生弹性变形；当接触点上应力达到材料的屈服极限σs时，表面膜破裂并伴有塑性变形（变形热）®粘着（称为冷焊或固相焊合）®产生滑动阻力即摩擦力。
当配合件继续运动，即在切向力作用下滑动时，冷焊点被剪断，犬牙交错的微凸体被剪切掉。随后又在新的接触点粘着，产生新的冷焊点及被剪断，直至实际接触面积增大到足以承受所加载荷为止。
摩擦过程中周围介质对摩擦表面的作用造成表面更大的磨损，例如空气中的氧会使氧化膜破碎后的裸露金属表面氧化；空气中的水、润滑油中的酸、硫分会使表面腐蚀等。

3 摩擦类型
（1）按摩擦副的运动状态分为静摩擦和动摩擦。
（2）按摩擦副的运动形式分为滑动摩擦和滚动摩擦。
（3）按摩擦表面的润滑状态分为：
纯净摩擦、干摩擦、边界摩擦、流体摩擦、混合摩擦。
3.1 纯净摩擦 (Pure Friction)： 摩擦表面间没有任何吸附膜或化合物时的摩擦。
3.2 干摩擦 (Dry Friction)：表面既无润滑剂，又无湿气时的摩擦。
特点：摩擦系数大，0.1～1.5。
3.3 边界摩擦 (Boundary Friction)
在摩擦副的表面间，存在一层极薄润滑膜时的摩擦，称为边界摩擦。此时的润滑油膜称为边界膜。边界油膜的厚度约为0.01μm，摩擦系数为0.05～0.5。边界膜分为吸附膜和化学反应膜。
★吸附膜：物理吸附膜（不稳定）和化学吸附膜（仅仅是化学的结合，不形成新的化合物）。
★化学反应膜：可以很厚。
（2 ）特点：
★ 边界膜的厚度很小（0.1微米），但仍可使摩擦系数大大降低（0.05～0.5）。
★ 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。
（3）边界膜的减磨机理
（4）减少边界摩擦的方法
★在普通工作条件的机械的润滑剂中，加入油性添加剂，如：油酸、甘油等。
★在低速、重载的“极压条件”下工作的润滑剂中，加入极压添加剂，如：酯。
（5）边界摩擦实例：气缸套—活塞环，凸轮—挺杆等。
3.4 液体摩擦（Liquid Friction）：摩擦副表面有一层具有压力的流体将摩擦副隔开。
特点：摩擦系数最小，约为0.01～0.001微米。
类型：☆流体静压润滑，利用摩擦表面的相对运动使润滑剂流体产生楔形油膜或挤压油膜来承受外部载荷并隔开摩擦表面，需要一套专用的供油系统。例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，需要一定间隙、一定滑动速度、连续供给一定粘度的润滑油等条件。如轴与轴承、推力块与推力环在运转时均能形成楔形油膜，或者在相对运动零件的表面上设计成一定的形状以便运转时产生楔形效应，建立楔形油膜。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。
3.5 混合摩擦：
半干摩擦：介于边界摩擦和干摩擦间的摩擦。
半液体摩擦：介于边界摩擦和液体摩擦间的摩擦。

小结：

力求维持液体润滑;最低要维持边界润滑或混合润滑;避免出现干摩擦。
（1）流体动压润滑区： ：为复合粗糙度
（2）混合润滑状态区：
（3）边界润滑状态区：
§2-2 磨 损 （Wear）
1 磨损的概念 (Conception)
据统计，大约80％的零件失效是磨损造成的。船舶机械中，磨损同样是一种重要的故障模式。例如，船舶主、副柴油机的可靠性直接受到活塞环——气缸套、曲轴——轴承等重要配合件磨损的影响。
1.1 定义：摩擦副的表面物质，在摩擦的过程中逐渐损失的现象，称为磨损。
“损失”：包括物质减少（尺寸、形状、位置精度的变化）和表面层性质的改变。
1.2 磨损的表示方法：
1）几何形状指标
（1）平面度：公差带是距离为公差值t 的两个平行平面之间的区域。
生产中采用三点法来测量，即将被测平面上相距最远三点上的基准靶调成等高，构成一理想平面或称基准平面，测量被测平面上各点至此基准平面的距离，以其中最大（或最小）值与基准高度的差值作为平面度误差v′。此外，还可采用水平仪，拉钢丝线等方法进行测量。
（2）圆度：半径差为公差值t的两个同心圆之间的区域。
轴颈的圆度误差可以采用外径千分尺测量指定平面两个相互垂直的直径，其半径差就是圆度误差。圆度误差t′是用被测零件上指定横截面的两个相互垂直直径差之半表示。
t′＝（D1－D2）／2 mm
式中：t′——指定横截面的圆度误差，mm；
D1、D2——指定横截面的两个相互垂直的直径，mm。
可采用圆度仪、千分尺或百分表测量零件的实际圆度，即圆度误差t′。
（3）圆柱度：其公差带是半径差为公差值t的两个同心圆柱面之间的区域。测量轴或孔的同一纵向截面（包含轴线）内数个直径，其中最大与最小直径的半径差即为圆柱度误差。
u′＝（Dmax－Dmin）／2 mm
采用圆度仪、千分尺和百分表测量零件的实际圆柱度，即圆柱度误差u′。
2）磨损量指标
零件磨损量是用其摩擦表面的尺寸变化量来衡量。直径方向上的磨损量Δ：
轴：Δ＝d0－d 孔：Δ＝D－D0
式中：d0、D0——分别为轴、孔的名义直径，mm；
d、D——分别为运转后的轴、孔的实测直径，mm。
（4）磨损率φ：指单位时间内零件半径方向上的最大磨损量Δmax。
φ＝Δmax／t
式中：t——工作时间，h。
零件的磨损量或磨损率可以用零件自投入使用至报废的时间间隔内两次测量值之差来计算，也可以任一段工作时间间隔内两次测量值之差来计算。依测量值计算出的磨损量或磨损率应与机器说明书或有关标准、规范的数值比较，以便判断零件磨损程度。（主动力设备拆装时测量）

2 磨损机理
2.1粘着磨损（Adhesive wear）
粘着®粘着点剪切®材料转移®反复作用后脱落，形成磨粒。
（1） 轻微磨损：
（2） 涂抹： 剪切发生在较软金属的浅层内。
（3）擦伤与划痕：拉缸（活塞裙、活塞环和气缸套内圆表面出现擦伤、划伤、撕脱或咬死的现象），严重的粘着磨损。分为：“轻微拉缸”和“严重拉缸（咬死）”
（4）撕脱： 剪切发生在较软金属的深处。
（5）咬死：粘着区域大，外力小于粘着点的结合力。如咬缸。
减少粘着磨损的方法：
（1）合理选材；（2）合理选择润滑剂与添加剂：油性剂、极压剂等。（3）采用表面处理：镀铬环。（4）降低表面粗糙度：（5）合理的结构设计：有利于形成油膜、散热等。
2.2 磨粒磨损（Abrasion wear）：由于固体磨粒的作用而引起的磨损。
（1）微量切削假说：
（2）压痕假说：磨粒圆滑，导致表面被犁皱，形成犁沟。
（3）疲劳破坏假说；
（4）断裂起主要作用的假说。磨粒的来源：外来的和内部产生的。
减磨措施：（1）提高材料的硬度、强度和韧性；（2）表面处理；（3）采用保护措施；防止外界磨粒的侵入，“三滤”。
2.3 腐蚀磨损（Corrosive Wear）
摩擦副表面的机械摩擦作用再加上表面与周围介质间的化学或电化学反应而造成的磨损。
（1）氧化磨损： 干摩擦时主要的磨损形式。
（2）特殊介质中的腐蚀磨损： 有酸、碱、盐等介质存在时。
减小磨损的措施：（1）选择耐腐蚀能力强的材料。（2）涂保护层；（3）提高表面材料的屈服强度；（4）降低表面温度；（5）在润滑剂中加入抗氧化剂、抗腐蚀剂。
2.4 微动磨损（Fretting wear）
两接触表面在载荷的作用下，由于微幅（<0.25微米）振动而引起的机械化学磨损。是一种复合（粘着、氧化、磨粒）磨损形式。
机理：粘着®由于振动发生剪切®氧化膜脱落®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组成。
减磨措施：（1）选择抗粘着的材料；（2）涂二硫化钼；（固体润滑剂）；
（3）加入抗氧化、抗腐蚀、极压剂等；（4）降低应力集中。
2.5 疲劳磨损（Fatigue wear）
定义：摩擦副的表面在交变接触应力的作用下，因疲劳而不断损失的现象。
场合：滚动、滚动＋滑动。
机理：“油楔理论”主要观点： 裂纹产生® 润滑油锲入® 裂纹扩展成悬臂梁形状®断裂形成凹坑。滑油的粘度对这种磨损影响很大。

3 磨损规律

3.1 “OA”段—磨合期：
特点：磨损量增大速度快，“走顺”
作用：保证机械在正式使用时正常工作，良好的磨合是重要的。
柴油机磨合时的注意点：
（1）确保气缸良好的润滑；
（2）表面形貌及材料要有利于磨合；初始的粗糙度要合理。
（3）运转时间与负荷分配；一般原则是：转速、负荷由小到大，先升速后加负荷。
3.2 “AB”正常磨损期：特点：磨损率小，增加缓慢。应设法延长。
缸套正常磨损率≤0.1mm/kh.
3.3 “BC”急剧磨损期：应停机检修，恢复技术状态。
§2-3 活塞环与气缸套的摩擦磨损
1 摩擦形式 典型的滑动摩擦形式。“往复运动”
油膜只可能在活塞行程的中部形成，上死点（Top dead center=“TDC”）、下死点（Bottom dead center＝“BDC”）处不可能建立油膜。
2 气缸套的磨损
2.1 磨损类型
（1）正常磨损；
（2）磨粒磨损：特征是沿内圆表面有纵向的直线划痕，肉眼可见，有手感。
（3）粘着磨损：一般出现在磨合期和长期运转后（几千小时）。特点是：沿运动方向出现条纹状的磨痕；并伴有暗红色或发兰色（氧化物）；磨损率高。
★缸套与活塞环之间发生：磨合期发生。
★缸套与活塞裙部（Piston skirt）之间发生：长期运转后，因间隙过大引起。
（4）腐蚀磨损
影响因素：
★ 冷却水温度低，会使缸壁温度低；
★ 滑油中的碱值太低等都会造成严重磨损；
★ 此外还应控制燃油的S％。
2.2磨损状态分析
横截面上产生圆度误差；纵向截面产生圆柱度误差。正常情况下：铸铁缸套的磨损率£0.1%mm/kh;镀铬缸套为：0.01～0.03 mm/kh。异常时，磨损率可达10～15mm/kh。正常寿命是指上死点附近磨损到极限的时间。

3 减磨措施（重点）
3.1 加强燃油和燃烧的管理；
3.2 保证气缸的良好润滑：润滑油的质量（碱值）、注油量（太多、太少都不好）等。
3.3 注意冷却水温度：75～80℃
3.4 装配质量（监修、监造、航修、吊缸时注意的问题）：
★ 气缸与活塞间隙；
★ 活塞与气缸中心线“对中”。
§2—4 曲轴与轴承的摩擦磨损
★曲轴（Crankshaft）主轴颈与主轴承（bearing），
★曲柄销颈（Crankpin）与连杆大端轴承是作回转运动的摩擦副。
1 运动副的摩擦情况
★ 主轴颈与主轴承可以形成液体动压润滑；
★ 曲柄销颈与连杆大端轴承之间很难形成楔形油膜，仅能形成边界油膜。
2 曲轴与轴承的磨损
磨损结果：
⊙ 轴颈尺寸变小，并产生圆度、圆柱度误差； ⊙ 轴承磨损、擦伤和熔化。

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