浅析机械设备润滑的重要性

63

X

浅析机械设备润滑的重要性

张子林

(神华集团准能设备维修中心,内蒙古薛家湾　010300)

　　摘　要:机械设备是企业生产的物质基础,为了使企业的生产能正常进行,就必须保证机械设备经常处于良好的技术状态。任何机械设备都是由若干零部件组合而成的,在机械设备运转过程中,可动零部件会按规定的接触表面作相对运动,有接触表面的相对运动就有摩擦,就会消耗能量并造成零部件的磨损。润滑是贯穿始终的重要环节。

关键词:磨损;润滑;使用寿命;维修费用;管理制度

　　中图分类号:TH17　　文献标识码:A　　文章编号:1006—7981(2012)03—0063—041　概述

机械设备是企业生产的物质基础,不论企业的规模大小,为了保障企业的经济效益,为了企业安全生产,就必须保证机械设备经常处于良好的技术状态。这也就需要在机械设备设计阶段正确进行结构和润滑系统设计,选择适当的摩擦副材料及表面处理工艺;在生产阶段应注意保证机械设备的制造质量;而在使用期间则必须重视机械设备的维护保养。润滑是贯穿始终的重要环节。任何机械设备都是由若干零部件组合而成的,在机械设备运转过程中,可动零部件会按规定的接触表面作相对运动,有接触表面的相对运动就有摩擦,就会消耗能量并造成零部件的磨损。加强机械设备润滑,对提高摩擦副的耐摩性和机械设备的可靠性,延长关键零部件的使用寿命,降低机械设备使用维修费用,减少机械设备故障,都有着重大意义。2　磨损概述

摩擦副两对偶表面因相对运动而出现材料不断迁移或损失的过程,称为磨损。

机械设备中磨损通常是有害的,它损伤零件工作表面,影响机械设备性能,消耗材料和能源,并使设备使用寿命缩短。因此,避免和控制有害的磨损是十分必要的。但磨损有时却是有益的,如新机器的跑合、机械加工中的磨削、研磨等。2.1　磨损的分类

磨损的分类方法很多,可从不同的角度进行分类,但比较常用的方法是根据磨损机理将磨损分为粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损四种基本类型。此外,有些磨损形式是基本类型的派生和复合,如侵蚀磨损是一种派生形式的磨损,微动磨损是一种复合形式的磨损。

X

2.2　表征材料磨损性能的参量

为了反映零件的磨损,常常需要用一些参量来表征材料的磨损性能。常用的参量有以下几种:2.2.1　磨损量。由于磨损引起的材料损失量称为磨损量,它可通过测量长度、体积或质量的变化而得到,并相应称它们为线磨损量、体积磨损量和质量磨损量。

2.2.2　磨损率。以单位时间内材料的磨损量表示,即磨损率I=dV/dt(V为磨损量,t为时间)。2.2.3　磨损度。以单位滑移距离内材料的磨损量来表示,即磨损度E=dV/dL(L为滑移距离)。

2.2.4　耐磨性。指材料抵抗磨损的性能,它以规定摩擦条件下的磨损率或磨损度的倒数来表示,即耐磨性=dt/dV或dL/dV。2.2.5　相对耐磨性。指在同样条件下,两种材料(通常其中一种是Pb-Sn合金标准试样)的耐磨性之比

试样/E标样。值,即相对耐磨性Ew=E

2.3　磨损失效过程

机械零件的磨损失效常经历一定的磨损阶段。图1a所示为典型的磨损过程曲线,图1b表示磨损过程曲线的斜率,即磨损率曲线。根据磨损率曲线,可以将磨损失效过程分为三个阶段。

2.3.1　跑合磨损阶段(图中0a段)。新的摩擦副在运行初期,由于对偶表面的表面粗糙度值较大,实际接触面积较小,接触点数少而多数接触点的面积又较大,接触点粘着严重,因此磨损率较大。但随着跑合的进行,表面微峰峰顶逐渐磨去,表面粗糙度值降低,实际接触面积增大,接触点数增多,磨损率降低,为稳定磨损阶段创造了条件。为了避免跑合磨损阶段损坏摩擦副,因此跑合磨损阶段多采取在空车或低负荷下进行;为了缩短跑合时间,也可采用含添加

收稿日期:2011-12-15

64

内蒙古石油化工　　　　　　　　　　2012年第3期　

不正确引起的。3.1　润滑的作用

润滑的目的是在机械设备摩擦副相对运动的表面间加入润滑剂以降低摩擦阻力和能源消耗,减少表面磨损,延长使用寿命,保证设备正常运转。润滑的作用如下:

3.1.1　控制摩擦

对摩擦副进行润滑后,由于润滑剂介于对偶表面之间,使摩擦状态改变,相应摩擦因数及摩擦力也随之改变。试验证明:摩擦因数和摩擦力的大小,是剂和固体润滑剂的润滑材料,在一定负荷和较高速度下进行跑合。跑合结束后,应进行清洗并换上新的润滑材料。

2.3.2　稳定磨损阶段(图中ab段)。这一阶段磨损缓慢且稳定,磨损率保持基本不变,属正常工作阶段,图中相应的横坐标就是摩擦副的耐磨寿命。2.3.3　剧烈磨损阶段(图中bc段)。经过长时间的稳定磨损后,由于摩擦副对偶表面间的间隙和表面形貌的改变以及表层的疲劳,其磨损率急剧增大,使机械效率下降、精度丧失、产生异常振动和噪声、摩擦副温度迅速升高,最终导致摩擦副完全失效。

有时也会出现下列情况:在跑合磨损阶段与稳定磨损阶段无明显磨损。当表层达到疲劳极限后,就产生剧烈磨损,滚动轴承多属于这种类型。跑合磨损阶段磨损较快,但当转入稳定磨损阶段后,在很长的一段时间内磨损甚微,无明显的剧烈磨损阶段。一般特硬材料的磨损(如刀具等)就属于这一类。某些摩擦副的磨损,从一开始就存在着逐渐加速磨损的现象,如阀门的磨损就属于这种情况。

图1　磨损曲线及磨损率曲线

3　润滑的重要性

在机械设备运转过程中,可动零部件会按规定的接触表面作相对运动,有接触表面的相对运动就有摩擦,就会消耗能量并造成零部件的磨损。有人估计世界能源的1/3～1/2消耗于摩擦发热,大约有80%的零件损坏是由于磨损而引起的。由此可见,由于摩擦与磨损所造成的损失是十分惊人的。因此,加强机械设备润滑,对提高摩擦副的耐摩性和机械设备的可靠性,延长关键零部件的使用寿命,降低机械设备使用维修费用,减少机械设备故障,都有着重大意义。据统计,约有40%的机械设备故障是由于润滑

随着半干摩擦、边界摩擦、半流体摩擦、流体摩擦的顺序递减的,即使在同种润滑状态下,因润滑剂种类及特性不同也不尽相同。3.1.2　减少磨损

摩擦副的粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损以及腐蚀磨损等,都与润滑条件有关。在润滑剂中加入抗氧化和抗腐蚀添加剂,有利于抑制腐蚀磨损;而加入油性和极压抗磨添加剂,可以有效地减轻粘着磨损和表面疲劳磨损;流体润滑剂对摩擦副具有清洗作用,也可减轻磨粒磨损。3.1.3　冷却,防止胶合

降低摩擦副的温度是润滑的一个重要作用。众所周知,摩擦副运动时必须克服摩擦力而作功,消耗在克服摩擦力上的功全部转化为热量,其结果将引起摩擦副温度上升。摩擦热的大小与润滑状态有关,干摩擦热量最大,流体摩擦热量最小,而边界摩擦的热量则介于两者之间。因此,润滑是减少摩擦热的有效措施。用液体润滑剂不仅可以实现液润滑,减少摩擦热的产生,而且还可以将摩擦热及时地带走。3.1.4　防止腐蚀

摩擦副不可避免地要与周围介质接触,引起腐蚀、锈蚀而破坏。在摩擦副对偶表面上,若有含防腐、防锈添加剂的润滑剂覆盖时,就可避免或减少由腐蚀而引起的损坏。上述四点是润滑的主要作用。对于某些润滑而言,还有如下所述的独特作用。3.1.5　密封作用

半固体润滑剂具有自封作用,它不仅可以防止润滑剂流失,而且还可以防止水分和杂质等的侵入。使用在蒸汽机、压缩机和内燃机等设备上的润滑剂,不仅能保证润滑,而且也使气缸与活塞之间处于高度密封的状态,使之在运动中不漏气,起到密封作用并提高了效率。3.1.6　传递动力

有不少润滑剂具有传递动力的作用,如齿轮在啮合时,其动力不是齿面间直接传递,是通过一层润滑膜传递。液压传动、液力传动都是以润滑剂作传动介质而传力的。

　2012年第3期　　　　　　张子林　浅析机械设备润滑的重要性3.1.7　减振作用

所有润滑剂都有在金属表面附着的能力,且本身的剪切阻力小,所以在摩擦副对偶表面受到冲击载荷时,也都具有吸振的能力。如汽车的吸振器就是利用油液减振的,当汽车车体上下振动时,就带动吸振器中的活塞在密封液压缸中上下移动,缸中的油液则逆着活塞运方向,从活塞的一端流向另一端,通过液体摩擦将机械能吸收而达到稳定车体的目的。3.2　润滑原理

65

状特征及所产生的动压效应。当下表面相对上表面

以速度u运动时,沿运动方向的间隙逐渐减小,剪切流动引起的润滑剂从大口流向小口的流量也逐渐减小,不符合流量连续条件,只有产生如图所示的润滑膜压力分布,由压差流动减小大口流入流量和增大小口流出流量,才能保证流过各断面的流量相等,从而满足流量连续条件。

图2b可以说明伸缩效应。当对偶b.伸缩效应。

表面由于弹性变形或其它原因使其速度沿运动方向磨擦副在全膜润滑状态下运行,这是一种理想的状况。但是,如何创造条件,采取措施来形成和满足全膜润滑状态则是比较复杂的工作。人们长期生产实践中不断对润滑原理进行了探索和研究,有的比较成熟,有的还正在研究。现就常见到的动压润滑、静压润滑、动静压润滑、边界润滑、极压润滑、固体润滑、自润滑等的润滑原理,作一简单介绍。3.2.1　动压润滑。通过轴承副轴颈的旋转将润滑油带入磨擦表面,由于润滑油的黏性和油在轴承副中的楔形间隙形成的流体动力作用而产生油压,即形成承载油膜,称为流体动压润滑。流体动压润滑理论的假设条件是润滑剂的黏性,即润滑油的黏度在一定的温度下,不随压力的变化而改变;其次是假定了相对磨擦运动的表面是刚性的,即在受载及油膜压力作用下,不考虑其弹性变形。在上述假定条件下,对一般非重载(接触压力在15MPa)的滑动轴承,这种假设条件接近实际情况。但是,在滚动轴承和齿轮表面接触压力增大至400～1500MPa时,上述假定条件就与实际情况不同。这时磨擦表面的变形可达油膜厚度的数倍,而且润滑的金属磨擦表面的弹性变形和润滑油黏度随压力改变这两个因素,来研究和计算油膜形成的规律及厚度、油膜截面形状和油膜内的压力分布更为切合实际这种润滑就称为弹性流体动压润滑。

流体动压润滑膜压力,通常由以下4个效应决定。

图2　润滑膜压力形成机

a)动压效应　b)伸缩效应　c)变密度效应　d)挤压效应

a.动压效应。

图2a可说明流体动压润滑膜的形逐渐减小时,剪切流动引起的流量沿运动方向也逐渐减小,因流量连续必然会产生如图所示的润滑膜压力分布(在通常的润滑间题中,伸缩效应并不显著)。

c.变密度效应。图2c可以说明变密度效应。当润滑剂密度沿运动方向逐渐降低时,即使各断面的体积流量相同,其质量流量沿运动方向仍是逐渐减小的,因质量守恒,则必然产生如图所示的润滑膜压力分布。密度的变化可以是润滑剂通过间隙时由于温度逐渐升高而造成的,也可以是外加热源使表面温度变化而产生的。虽然变密度效应产生的润滑膜压力并不高,但是这种作用可以使相互平行的对偶表面具有一定的承载能力。

d.挤压效应。图2d表示两个平行表面在法向力作用下相互接近,使润滑膜厚度逐渐减小而产生压差流动,此称挤压效应。当两个表面相互分离时,将导致润滑膜破坏和产生空穴现象。动压效应和挤压效应通常是形成润滑膜压力的两个主要因素。3.2.2　静压润滑。通过一套高压的液压供油系统,将具有一定压力的润滑油以过节流阻尼器,强行供到运动副磨擦表面的间隙中(如在静压滑动轴承的间隙中、平面静压滑动导轨的间隙中、静压丝杆的间隙中等)。磨擦表面在尚未开始运动之前,就被高压油分隔开,强制形成油膜,从而保证了运动副能在承受一定工作载荷条件下,完全处于液体润滑状态,这种润滑称为液体静压润滑。3.2.3　动、静压润滑。随着科学技术的发展,近年来在工业生产中出现了新型的动、静压润滑的轴承。液体动、静压联合轴承充分发挥了液体动压轴承和液体静压轴承二者的优点,克服了液体动压轴承和液体静压轴承二者的不足。主要工作原理:当轴承副在启动或制动过程中,采用静压液体润滑的办法,将高压润滑油压入轴承承载区,把轴劲浮起,保证了液体润滑条件,从而避免了在启动或制动过程中因速度变化不能形成动压油膜而使金属磨擦表面(轴颈表面与轴瓦表面)直接接触产生的磨擦与磨损。当轴承副进入全速稳定运转时,可将静压供油系统停止,和用动压润滑供油形成动压油膜,仍能保持住轴颈在

66

内蒙古石油化工　　　　　　　　　　2012年第3期　

中浸入固体润滑剂;或是用固体润滑剂直接压制成材,作为磨擦表面。这样在整个磨擦过程中,不需要加入润滑剂,仍能具有良好的润滑作用。自润滑的机理包括固体润滑、边界润滑,或两者皆有的情况。例如聚四氟乙烯制品做成的压缩机活塞环、轴瓦、轴套等都属自润滑,因此在这类零件的过程中,它不需再加任何润滑剂也能保持良好的润滑作用。4　设备管理制度

4.1　设备润滑管理的任务

设备润滑管理是用科学的管理手段,按技术规轴承中的液体润滑条件。这样的方法,从理论上来讲,在轴承副启动、运转、制动、正反转的整个过程中,完全避免了半液体润滑和边界润滑,成为液体润滑。因此,磨擦系数很低,只要克服润滑油黏性所具有的液体内部分子间的磨擦阻力就行。此外,磨擦表面完全被静压油膜和动压油膜分隔开,所以,若情况正常,则几乎没有磨损产生,从而大大地延长了轴承的工作寿命,节约了动能消耗。3.2.4　边界润滑(即边界磨擦)。边界润滑是从磨擦面间的润滑剂分子与分子间的内磨擦(即液体润滑)过渡到磨擦表面直接接触之前的临界状态。这时磨擦界面上存在着一层吸附的薄膜,厚度通常为0.1Lm左右,具有一定的润滑性能。这层薄膜称为边界膜。边界膜的润滑性能主要取决于磨擦表面的性质;取决于润滑剂中的油性添加剂、极压添加剂对金属磨擦表面形成的边界膜的结构形成,而与润滑油口的黏度关系不大。3.2.5　极压润滑。极压润滑是属于边界润滑的一种特殊情况,也就是磨擦副处在重载(或高接触应力)、高速、高温条件下,润滑油中的极压添加剂与金属磨擦表面起反应生成一层化学反应膜,将两磨擦表面分隔开,并起到降低磨擦系数、减缓磨损(或改变金属表面直接接触的严重磨损),达到润滑的作用,就称为极压润滑。3.2.6　固体润滑。在磨擦面之间放入固体粉状物质的润滑剂,同样也能起到良好的润滑效果。在两磨擦面之间有固体润滑剂,它的剪切阻力很小,稍有外力,分子间就会产生滑移。这样就把两磨面之间的外磨擦转变为固体润滑剂分子间的内磨擦。固体润滑有两个必要条件,首先是固体润滑剂分子间应具有低的剪切强度,很容易产生滑移;其次是固体润滑剂要能与磨擦面有较强的亲和力,在磨擦过程中,总是使磨擦面上始终保持着一层固体润滑剂,而且这一层固体润滑剂不腐蚀磨擦表面。一般在金属表面上是机械附着,但也有形成化学结合的。具有上述性质的固体物质很多,例如石墨、二硫化钼,滑石粉等。对于非层状结构固体润滑剂或软金属来说,主要是以其剪切力低,起到润滑作用,然后使它附着在磨擦表面形成润滑膜。对于已经形成的固体润滑膜的润滑机理,可以按边界润滑机理近似的解释其润滑作用。

3.2.7　自润滑　以上所讲的几种润滑,在磨擦运动过程中,都需要向磨擦表面间加入润滑剂。而自润滑则是将具有润滑性能的固体润滑剂粉末与其他固体材料相混合并经压制、烧结成材,或是在多孔性材料

范要求,实现设备的合理润滑和节约用油,以达到设备安全、正常运行的目的。4.2　设备润滑管理工作的“五定”与“三过滤”

润滑“五定”,所谓“五定”,即定点、定质、定

量、定时、定人。润滑“三过滤”所谓“三过滤”,即油品入库过滤、发放过滤和加油过滤,以减少油液中的杂质含量,防止尘屑等杂质随油进入设备。4.3　设备润滑管理的职责

设备管理部门润滑技术管理组的职责;润

滑工程技术人员的职责;润滑工的职责;操作工的润滑工作职责。

4.4　现场设备漏油的预防与管理

设备漏油不仅影响产品的生产和质量,也是能源的浪费。设备漏油的预防与治理,已列入了企业现场文明生产和安全生产的重要内容。由于造成设备漏油、渗油的原因较多,涉及设计、制造、操作、维护、修理等各个方面,所以预防与治理设备漏油必须领导重视,充分发动群众,组织各方面协作,实行专群结合,分工负责,严格管理,有章可循,才能取得较好效果。制定防漏治漏的主要措施,出台现场生产设备漏油治理标准。5　小结

为了挖掘机械设备潜力,提高劳动生产率,对机械设备的摩擦副及润滑系统进行技术改造,制定一套科学的管理制度,技术规范实现机械设备的合理润滑和节约用油,已达到设备安全、正常运行的目的有着十分重要的意义。机械设备润滑是一件非常重要的大事,涉及面很广泛,有着广阔的发展前景,值得每个有识之士共同探讨、共同研究。

[参考文献]

[1]　设备润滑手册[M].北京:.机械工业出版社,

2009.

[2]　润滑原理及润滑油[M].北京:中国石化出版

社,1998.