刘正林 能源与动力工程学院 2007.11

1. 发动机摩擦磨损及修理 Friction and wear in power engineering 刘正林能源与动力工程学院2007.11

2. 1 绪 论 • 船舶机械（包括发动机及甲板机械）70％左右的损伤、失效与摩擦磨损有关，所以应了解摩擦磨损机理以及控制措施，以提高设备的使用寿命，减少营运成本。 • *************************************************** • 1. 摩擦学定义 • 摩擦学（ Tribology）是研究相对运动表面摩擦、磨损和润滑三者互相关联的科学与技术的总称。 • 定义：研究相对运动表面之间相互作用的有关理论与实践的一门科学技术。 • 1)相对运动表面：固体——固体（滑动、滚动、冲击）；固体——液体（冲刷）；固体——气体；液体——液体（内摩擦）；气体——气体（内摩擦）

3. 2) 相互作用（表面）： • 1) 机械作用—应力断裂、塑性变形、犁沟、转移、疲劳、热应力、冷作硬化。 • 2) 物理、化学作用—粘附（分子）、氧化、吸附、腐蚀（滑油中含水、氧；气缸中燃料S→SO2→H2SO4）滑加剂中S、P、O反应膜。

4. 2．摩擦学特点 • 1)普通性 • 摩擦无处不在，如人体心脏、关节。人类赖以生存的客观世界和物质生产，如滑冰、滑雪、甚至在宇航中都存在太空处于超高真空条件，其真空度为10-19torr数量级。 • 这种条件下，润滑油或润滑脂之类的润滑剂，不管液体或固体都有被蒸发的可能，因而成为烧伤的原因。

5. 2)二重性 • 摩擦力既有害，又有利。 • 例：对运行的摩擦副产生磨损；刹车时需依靠摩擦力，（既有变形过程,又有粘附过程）这种具有二重性：分子——机械概念——现代粘附理论。

6. 3) 物质第一性 • 存在决定意识，客观需要是科学技术发展的原动力。十五世纪意大利文艺复兴时期雷纳德·达·芬奇，lenardo da vinci是第一个研究摩擦基本概念的人，提出了库仑定律的主要内容： • F摩∝W， F摩与A无关， F摩=W/4，而且对多种材料都一样。 • 第一个提出：在两摩擦表面之间介入一层薄薄的第三物质，摩擦力则发生很大的变化）。

7. 雷纳德·达·芬奇以后200年无多大进展。 • 17世纪末期到18世纪前半期，摩擦学发展迅速，1785年法国物理和工程学家库仑——库仑定律（摩擦）， • 阿蒙顿（法国）在此100年前已基本确认了这些定律存在，也称阿蒙顿——库仑定律，其共同理论为“凹凸说”。

8. ４) 继承与发扬 • 雷纳德·达·芬奇→阿蒙顿（Amonotons）→库仑，百家争鸣３００多年。 • ５)事物是发展的，永远不会提留在一个水平上。 • 牛顿力学体系在１７世纪末以前形成，英国物理学家德萨古利埃（J·T·Desaguliers）首创“分子说”（早期粘附理论）——２半铅球粘附原因是由于摩擦面之间分子引力相互作用结果。 • ２０世纪英国科学家哈迪（W·Hardy）证实。

9. 摩擦力与接触面积成正比与许多摩擦试验结果不相符合。摩擦力与接触面积成正比与许多摩擦试验结果不相符合。 • 一般条件下，试验时摩擦力与表现接触面积无关。上述矛盾到1940年前后才弄清楚。 • 霍尔姆Holm,欧恩斯特 Erust,默琴特Merchant,鲍登Bowden,和泰博Tabor指出： • 表观几何接触面积与两个表面上微凸体接触形成的“真空”接触面积相差很大，而只有实际接触面积决定摩擦力的大小，鲍登和泰博两人假定只有在微凸体接点上作用有分子粘附力。

10. ６)科学技术是第一生产力 • 18—19世纪，欧洲工业发展，突出解决轴承问题。英国托尔（Beauchamp Tower）1883年发表轴承实验结果，迎来了润滑时代； • 雷诺（Reynolds）在1886年发表的论文“润滑理论与托尔氏实验应用，即流体动压润滑理论基础——雷诺方程。

11. ７)偶然→必然→自由 • ①托尔润滑实验； • ②苹果落地——牛顿万有引力； • ③水壶冒气——瓦特发明蒸汽机。 • 条件：①完成→②发散思维→③收敛思维→④再完成。

12. ８)研究方法 • 宏观→微观； • 定性→定量； • 静态→动态； • 孤立现象→系统工程 • 作为个人：知识面广才能思路开阔，才有可能综合，作为一个大工程——多类专家协同作战，多个学科发展也要走向联合、综合，如摩擦学。

13. 3.关于磨损，本世纪５０年代前后才有所进展。3.关于磨损，本世纪５０年代前后才有所进展。 • 雷纳德·达·芬奇→1930年前后Fuchsel：干磨损为一种变形过程，继而以金属变形部分的分离（剥落）过程； • Fink，Mailander和Dies：金属变形产生氧化。 • ５０年代Feng、Burwell和Strang发现金属转移；Kerridge:转移金属会发生氧化。

14. Archard:干金属滑动表面在缓和磨损情况下的经验法则，即磨损体积与载荷和滑动距离成正比，而与两个相互作用金属中较软者的硬度成反比。Archard:干金属滑动表面在缓和磨损情况下的经验法则，即磨损体积与载荷和滑动距离成正比，而与两个相互作用金属中较软者的硬度成反比。 • 1957年Burwell对磨损的主要物理机理进行分类： • 粘附磨损 • 磨耗磨损 • 腐蚀磨损 • 表面疲劳磨损

15. 1973年N·P·Suh（苏）提出金属剥层理论，其与传统的粘着磨损机理不同它是建立在塑性变形时位错交互作用及断裂理论基础之上。1973年N·P·Suh（苏）提出金属剥层理论，其与传统的粘着磨损机理不同它是建立在塑性变形时位错交互作用及断裂理论基础之上。 • 总结：磨损的研究尚缺乏成熟和系统的理论。往往一种磨损形成下还伴有其它的磨损形式。

16. 4. 摩擦学学科发展较快的原因（自1966年以来） • １）摩擦、磨损、润滑问题普遍性 工业化国家能源的３０％消耗于摩擦，一个高度工业化国家，每年因摩擦磨损所造成的损失差不多占因此经济年产值的１～２％。 据我国大庆油田估计，油田每年总能耗的1/3～1/2是因无功而消耗掉的。 • ２）现代科学技术的发展及现代机械设备的工件条件苛刻 核动力、宇航、潜艇 • ３）能源与材料节约的重视

17. 2 船舶动力装置1.船舶种类(vessel class) dredger Oil tanker Container ship Passenger liner

18. 红点为摩擦副 2. 船舶动力装置示意图

19. 3. 船用柴油机(marine diesel)

20. 6 1 5 2 4 3 四冲程柴油机摩擦副示意图four stroke diesel 1- 气门杆与气门杆衬套； 2- 活塞环与气缸套； 3- 活塞销与连杆小头轴承孔、活塞销孔；4- 曲柄销与连杆大头轴承孔； 5- 曲轴主轴颈与主轴承孔；6- 气阀与阀座

21. The internals of this engine are a bit different than most automotive engines.    The top of the connecting rod is not attached directly to the piston.  The top of the connecting rod attaches to a "crosshead" which rides in guide channels.  A long piston rod then connects the crosshead to the piston.

23. The crank sitting in the block (also known as a "gondola-style" bedplate).  This is a 10 cylinder version. Note the steps by each crank throw that lead down into the crankcase:  

24. A piston & piston rod assembly.  The piston is at the top.  The large square plate at the bottom is where the whole assembly attaches to the crosshead

25. Some pistons and some piston rods

26. piston, piston ring, linkage

27. linder deck (10 cylinder version).  Cylinder liners are die-cast ductile cast iron.  Look at the size of those head studs!:

28. 4. 发动机主要摩擦副 • 1) 滑动轴承 • (1) 轴承结构

29. 轴承的主要损伤为偏磨、划痕(伤)、嵌入异物、磨损、刹落、烧熔、疲劳、穴蚀、化学腐蚀等。在这些损伤中有的损伤在不出现功能性损坏时实际上还在继续使用。轴承的主要损伤为偏磨、划痕(伤)、嵌入异物、磨损、刹落、烧熔、疲劳、穴蚀、化学腐蚀等。在这些损伤中有的损伤在不出现功能性损坏时实际上还在继续使用。 • 从磨损角度来划分，有正常磨损损伤和非正常磨损损伤两种情况。 • 一般常将：工作达4500h的轴承损伤归于正常磨损损伤，低干2000h或行驶里程在16000km内的则属于非正常磨损损伤。

30. (2) 异物嵌入

31. (3)表面擦伤、磨损、剥落、烧熔

32. 2)活塞的典型结构及环组

33. 活塞损伤主要是： 顶烧穿、头部烧熔、热裂、顶被气门撞穿、活塞敲打气缸盖、顶邵腐蚀； • 头部和环区过热拉伤、粘结，环岸损坏或严重磨损；裙部划伤、断裂、穿孔、腐蚀和综合性的整体损伤。

34. 活塞顶部热裂纹与腐蚀

35. 3) 曲轴 • 曲轴主要损伤形式为主轴颈、连杆相颈磨损和划伤．连扦轴颈弯曲和扭转疲劳疲劳裂纹。

36. 4) 连杆 • 连杆的主要损伤为小头处断裂、杆身疲劳、连杆螺钉断裂等。

38. 5) 气缸套 • (1)结构及内壁网纹

39. (2) 气缸套台肩裂纹 • (3) 气缸套划伤

40. 6)气缸盖 • 积炭、裂纹、侵入异物、镶块裂纹

41. 工况：疲劳磨损及磨料磨损等。 基体材质：40Cr、球墨铸铁等。 涂层材料：马氏体不锈钢（如3Cr13）、Ni基合金、Fe基合金等。 5.典型件修理1)曲轴耐磨涂层设计

42. 涂层制备方法：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂。涂层制备方法：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂。 • 涂层使用效果：对于大型曲轴，曲轴修复费用为新件5-10%，并同时提高了曲轴的使用寿命。 • 应用领域：柴油机、汽油机等。

43. 2）柴油机气缸盖再制造及涂层设计 • 工况：高温腐蚀及磨损。 • 基体材质：灰口铸铁。 • 涂层材料：NiCrBSi自熔性合金。 • 涂层制备方法：火焰喷熔。 • 涂层使用效果： • 将零件再制造及表面强化相结合，其成本不到新件的30%，同时提高了气缸盖的使用寿命。 • 应用领域： • 船舶。

44. end 谢谢！ 2007.11.20