机械设备的润滑和密封

1第三章机械设备的润滑和密封第一节摩擦、磨损和润滑概述摩擦－两个接触的物体在外力作用下发生相对运动时，在接触表面上产生切向运动阻力的一种物理现象；磨损－是摩擦的结果；润滑－是降低、减少磨损的重要措施。摩擦的类型：按相对运动表面润滑情况，摩擦分为：干摩擦、边界摩擦、液体摩擦和混合摩擦。1.干摩擦：两摩擦表面直接接触，表面间无任何润滑剂的摩擦。实际工程中不存在真正的干摩擦，表面有氧化膜、多少也会是有润滑剂分子的气体润滑；机械技术中，通常把未经人为润滑的摩擦状态看做干摩擦。2.边界摩擦：两摩擦表面间被吸附在表面的边界膜所隔开的摩擦。润滑剂在摩擦面有吸附或化学反应生成一层边界膜，边界膜直接传递载荷时摩擦；两摩擦面由吸附着的很簿的边界膜隔开，摩擦表面仍会有一定的摩擦功耗和磨损；边界膜很薄，小于摩擦面的不平度；边界膜：物理吸附膜、化学吸附膜化学反应膜。3.流体摩擦：两摩擦表面间被流体完全隔开的摩擦。如油膜厚度较大，两摩擦面被液体层完全隔开，表面微观凸峰不直接接触，形成液体摩擦；可避免磨损，摩擦仅发生在油层内部，摩擦因素很小。（理想的摩擦--液体膜）4.混合摩擦：两摩擦表面间处于边界摩擦与流体摩擦之间的混合状态。摩擦面有润滑油，但不足形成液体摩擦，就可能形成边界、液体摩擦并存；或局部粗糙凸峰接触，形成干摩擦，其余为边界、液体摩擦，则干、边界、液体摩擦共存。典型的磨损过程（三阶段）：磨合磨损过程：在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小；稳定磨损阶段：经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓,该段时间长短反映零件的寿命；剧烈磨损阶段：经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载、振动→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效。磨损分类：根据磨损机理可分为1）粘着磨损形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，表面尖峰接触。现象：形成材料转移。2）磨粒磨损、磨削形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。现象：表面划伤或犁沟现象。3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）形成：接触应力反复作用。轴承、齿轮。现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。4）流体磨粒、冲蚀磨损形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片。现象：表面疲劳，材料损失。5）腐蚀磨损-电化学作用形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生化学作用或电化学作用。2现象：表面腐蚀并磨损。6）微动磨损形成：小振幅、大频率、点或线接触。现象：磨损面积小。润滑的作用：减少摩擦、减轻磨损（润滑剂，形成一层膜）；降温冷却（润滑剂带走摩擦产生的热量）；清洗作用（带走表面磨削下金属磨削或污物）；防止腐蚀（润滑剂中含防腐、防锈剂）；缓冲减振作用（油膜有一定的刚度）；密封作用（半固体润滑剂，防止水分、杂质侵入）。常用润滑剂及其选择：润滑油→液体润滑脂→润滑油＋稠化剂（硬脂酸＋氢氧化物）固体润滑剂→石墨、ＭoS2、聚四氟乙稀气体润滑剂矿物油、皂基润滑脂性能稳定、成本低，应用广泛。油膜厚度依赖：运动副尺寸运动速度油液粘度一．润滑油1.性能指标润滑油的性能指标主要有：粘度、油性、闪点、凝点、倾点等。粘度－反映了润滑油在外力作用下抵抗剪切变形的能力，也是分子间内摩擦力大小的标志。粘度大，承载能力越大；粘度不是固定的，而是随着温度和压力而变化；温度↑→粘度↓→润滑效果↓；压力↑→粘度↑；油性—又称润滑性，反映在摩擦表面的吸附性能；是在摩擦表面构成边界油膜的能力；油膜吸附大，不易破裂，则油性好；闪点—在火焰下闪烁时的最低温度（即瞬时燃烧和碳化的温度）；燃点—长时间连续燃烧的温度（高温性能）；凝点—在规定的冷却条件下，由液体转变为不能流动的临界温度；－低温启动性能；倾点－润滑油在规定的条件下，冷却到能继续流动的最低温度，润滑油的使用高于倾点3℃。润滑油：矿物润滑油、合成润滑油、动植物润滑油三类。二.润滑脂润滑脂也称黄油，是一种稠化的润滑油；其油膜强度高，粘附性好，不易流失，易密封，使用时间常；但散热性差，摩擦损失大；常用于不易加油、重载低速的场合。性能指标：锥入度--软硬程度；滴点－固体→流体的温度转折点，表示耐热性。三.固体润滑剂用固体粉末代替润滑油膜的润滑。常见的固体润滑剂有：MoS2（二硫化钼），PTFE（聚四氟乙烯），石墨，氟化石墨，WS2（二硫化钨）、纳米材料等。四.气体润滑剂采用空气、氮气、氦气等某些惰性气体作为润滑剂；摩擦系数几乎等于零，用于精密设备与高速轴承的润滑（静压气体轴承）。3第三节常用传动装置的润滑一.润滑方式分散/集中润滑；间歇/连续润滑；无压/压力润滑；不循环润滑、循环润滑和混合式。润滑方式选用原则：1.低速、轻载、工作时间短或不连续运转等需油量较少的机械，一般采用手工定期加油、加脂，滴油或油绳、油垫润滑。尽可能选用各种标准油嘴、油杯、油枪等。2.中速、中载、较重要的机械，要求连续供油并起一定冷却作用，常用油浴、油环、飞溅润滑或压力供油润滑。3.高速、轻载机械零部件，如齿轮、轴承等，发热量较大，采用喷雾润滑效果较好。4.高速、重载、供油量大的重要零部件，应采用压力供油循环润滑。5.当有大量润滑点和自动化程度较高的重要机械设备，车间或工厂可建立自动化润滑系统，使用集中润滑装置。润滑装置：1.人工加油（脂）润滑一般只适用于低速、轻载的简易机械装油杯，油枪。旋套式注油杯、压配式注油杯、旋盖式油杯、压力油杯。2.滴油油杯润滑（1）手动滴油油杯（主要用于间歇工作机器的轴承（多为滑动轴承）。）手柄、活塞杆、弹簧。（2）针阀式注油油杯利用手柄竖直或放平来操纵针阀的开闭，用调节螺母控制针阀提升高度，从而调节油孔开口大小和滴油量。供油可靠。3.油绳、油垫润滑油绳、毡垫、或泡沫塑料等浸在油中，利用毛细管的虹吸作用进行供油。靠弹簧压在轴上的毛毡油垫润滑、油绳式油杯。4.油环、油链润滑油环润滑适合于转速为50～3000r/min的中低速水平轴。油链与轴、油的接触面积较大，低速时能随轴转动和带起较多的油，因此油链润滑最适合低速机械。5.浸油（油浴）及飞溅润滑将需要润滑的零部件（齿轮、滚动轴承等）一部分浸在油池中，转动时可将油带到润滑部4位。（齿轮传动、链传动）如润滑部位不能直接被油溅到时，则可以利用齿轮转动时将油飞溅到箱盖内壁上，并使之沿特制的沟槽进入轴承。浸油润滑及飞溅润滑都能保证开车后自动连续的供油，停车时自动停止供油，润滑可靠、耗油少，维护简单，在闭式传动中应用较多。6.油雾润滑利用压缩空气把润滑油从喷嘴喷出，润滑油雾化后随空气弥散到需润滑的表面。由于压缩空气和油雾一起被送到润滑部位，因此有较好的冷却和清洗效果。排出的油雾会造成一定污染。主要用于高速轴承的闭式齿轮传动中。7.压力供油润滑用油泵将油压送到润滑部位，供油量充分可靠且易于控制，可带走摩擦热起冷却作用，因此润滑效果好。广泛应用与大型、重型、高速、精密、自动化的各种机械设备中。8.集中自动供油润滑系统新颖的润滑技术，能按规定的周期、规定的油量，自动地对设备各个润滑点进行供油。润滑油不回收循环使用，摩擦面始终得到清洁的润滑油，提高了润滑质量；润滑可靠，系统较为复杂。组成：由润滑液压站、定量阀和控制保护等三个基本部分组成。按定量阀的给油方式分：并列和顺序给油系统。三.典型零部件润滑方式的选择1.滚动轴承一般高速时采用油润滑；低速时采用油脂润滑；需注意以下几点：脂润滑易密封，能够承受较大的载荷，但润滑脂的装填量一般不超过轴承空间的1/3～1/2，装脂量过多将会引起摩擦发热，影响正常工作；浸油润滑油面不应高于最下方滚动体的中心，立轴的轴承油面不超过轴承宽度的70％～80％，否则搅油能量损失大，易使轴承过热。如果温升过高，还可适当降低油面。滴油润滑常用于中速小轴承。油量一般是每分钟5～6滴，控制供油量使轴承温度不超过70～90ºC。喷油润滑是将压力油通过喷嘴喷射到润滑点，润滑及冷却效果好，适用于高速、重载荷轴承。2.齿轮传动喷油或喷雾润滑：当齿轮的圆周速度大于12m/s时不宜采用油池润滑（因搅油损失和发热大，且离心力甩油造成齿面润滑不足），常用喷油或喷雾润滑。开式齿轮的润滑可以采用涂抹润滑脂、滴油、油槽浸油等方式供油。3.蜗杆传动蜗杆圆周速度小于10m/s，用浸油润滑；当油面符合后一条件而蜗杆未能浸入油中时，可5以在蜗杆上设置溅油轮，利用飞溅油来进行润滑。当蜗杆圆周速度大于10m/s时，必须采用压力喷油润滑才能保证润滑和散热，润滑油应喷至全齿宽，喷油方向应顺着蜗杆啮入侧。第四节机械密封装置密封装置的作用：防止润滑剂的泄漏并防止外部杂质、灰尘、空气和水分等浸入润滑部位。密封不仅能大量节约润滑剂，保证机器正常工作，提高机器寿命，同时防止污染，改善环境。密封装置分类：静密封和动密封动密封又可以按照运动分为移动密封及旋转密封两类按接触形式分为非接触密封和接触密封两类按密封位置分为端面密封和圆周密封两类。接触式密封：在动静接合面间安放减磨材料，以填充及利用其弹性变形来实现消除接合面之间间隙，如毡圈密封等。非接触式密封：允许动静接合面之间有间隙，但设法尽可能增大液体介质通过此间隙时的阻力，或使液体介质通过隙缝时产生压力降，使介质难以流出，这是，如迷宫密封等。对液体介质做功，以挡住液体漏出的出路，例如离心甩油盘等；或强迫液体介质向相反的方向流动，例如螺旋密封。动密封1.接触式旋转密封装置（1）毡圈密封属填料密封，在端盖或壳体上开出梯形槽，将矩形截面的毡圈放置在槽中以与旋转轴相接触。（2）密封圈属填料密封，常用耐油橡胶制成。结构简单、摩擦阻力小、安装方便，密封可靠等O形密封圈：圆形截面胶圈，双向密封能力，标准化，常用于静密封和往复密封中。这种随着介质压力升高而提高密封效果的性能叫做“自紧作用”。（3）唇形油封又称皮碗密封，常用的有J形和U形截面两种；具有唇形的结构。J形有骨架型油封一般是由弹性橡胶唇、金属骨架和箍紧弹簧组成。油封可以组合使用。J形无骨架油封：刚性较差，装入壳体后需要用压盖进行固定；U形唇形油封：一般用于剖分式机壳中。（4）机械密封机械密封又称为端面密封。主要特点是密封面垂至于旋转轴线，依靠两个密封元件，即动环与静环端面在介质静压力和弹簧力的作用下，相互贴紧来阻止和减少泄漏而达到密封的目的。2.非接触式旋转密封装置（1）迷宫密封非接触密封中最常用的一种，即旋转部件和静止部件之间是没有接触的。由旋转和静止的密封零件之间拼合成许多曲折的隙缝所形成的，使流体经多次节流而难以渗漏。常采用径向曲路。曲路式迷宫密封可以用于脂润滑和油润滑，在隙缝中填满润滑脂，防尘和防漏效果都很好6（2）离心式密封利用轴旋转时的离心力，将液体介质沿半径方向甩出来阻止泄漏，从而达到密封的目的。（3）甩油盘密封离心式密封不受高速高温的限制，转速越高则甩油密封效果越好。反之，如果速度太低或静止不动，则甩油密封无效。（4）螺旋密封在密封的轴（或孔）表面上车制螺纹，当轴旋转时，螺纹槽对液体介质有一定的推进作用，可以将液体赶回箱内，从而阻止液体的泄漏。3.组合式密封装置滚动轴承的几种组合密封结构接触式与非接触式密封的组合：毡圈密封与迷宫密封、甩油盘密封与唇形密封。两种非接触密封组合：甩油盘密封与迷宫密封。静密封1.研磨面密封靠接合面加工平整、光洁，在螺栓固紧压力下贴紧密封；加工要求高；接合面精密研磨加工，如气缸盖、阀板等的接合面。辅助密封措施：密封胶与泄油沟槽。2.垫片、垫圈密封在接合面间加垫片，用螺栓压紧使垫片产生塑性变形填塞接合面的不平，消除间隙而起密封作用。在法兰接合面的密封则称为垫圈密封。3.密封胶密封密封胶有一定的流动性，易充满接合面的缝隙，粘贴在金属面上，能大大减少泄漏，密封效果较好。密封胶的主要成分是合成树脂或合成橡胶，能耐压1.6MPa及300℃的温度。在法兰接合面或螺纹接合面处常使用“厌氧密封胶；厌氧胶在常态下为液体，进入密封面间隔绝空气后会发生聚合反应而固化，形成粘附性能的胶层，不但能密封同时还起联接密封面的作用，耐压30～50MPa。4.自紧式密