10_trib_design摩擦學(xué)

1、 第十章 摩擦學(xué)設(shè)計的基本原理 關(guān)于摩擦學(xué)設(shè)計的概念和它所包含的內(nèi)容,目前尚無統(tǒng)一的認(rèn) 識。摩擦學(xué)設(shè)計作為一個正在發(fā)展的摩擦學(xué)的新的學(xué)科分支,至今還 沒有建立起為大家所公認(rèn)的理論框架,而且也還沒有形成一套通用的 設(shè)計原理與方法,甚至連統(tǒng)一的設(shè)計原則都還沒有。這可能是因為, 國內(nèi)外學(xué)者對摩擦學(xué)設(shè)計的理解還不統(tǒng)一。因此,本章只是介紹我們 在多年教學(xué)與科研實踐中所取得的一些認(rèn)識,而沒有包括某些應(yīng)用已 相當(dāng)成熟的典型機械零件的潤滑設(shè)計的內(nèi)容,這部分可參看文獻(xiàn)1,2 中的有關(guān)內(nèi)容。 第一節(jié) 概述 一、摩擦學(xué)設(shè)計的重要性一、摩擦學(xué)設(shè)計的重要性 所謂摩擦學(xué)設(shè)計,就是根據(jù)摩擦學(xué)的觀點,運用摩擦學(xué)的理論和知 識

2、進(jìn)行設(shè)計工作,主要是機械設(shè)計,但也應(yīng)包括人工關(guān)節(jié)的設(shè)計。事 實上,在摩擦學(xué)出現(xiàn)之前,人們在機械設(shè)計中已在某些方面考慮了機 器與機器零件的摩擦及磨損問題。例如,運動副的潤滑條件的保證和 機器潤滑系統(tǒng)的設(shè)計,在滑動摩擦副中采用 或 設(shè)計準(zhǔn)則來保證 其正常工作,以及齒輪和滾動軸承中接觸疲勞強度條件的保證等等。 但是,直到80年代初,人們才逐漸認(rèn)識到運用摩擦學(xué)觀點考慮機械設(shè) 計,并將摩擦學(xué)知識系統(tǒng)地應(yīng)用于機械設(shè)計中的重要性。 p pv 通常,評價一臺機器設(shè)備質(zhì)量好壞的三項重要指標(biāo)是: (1)技術(shù)性能的先進(jìn)性。 (2)運行的可靠性,包括元件、部件的可靠性和系統(tǒng)的可靠性。 (3)能量利用率。 為了保證機器

3、設(shè)備運行的可靠性,傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法基本上是 建立在機械零件強度計算的基礎(chǔ)上,而且它主要著眼于零件的整體強 度。這種方法的理論基礎(chǔ)是經(jīng)典的固體力學(xué)。 目前,這種方法已相當(dāng)成熟,尤其是有限元素法等數(shù)值計算方法和 電子計算機的出現(xiàn),可以對各種零件的強度進(jìn)行十分精確的計算,因 此,一般零件往往很少由于強度不夠而失效。 近十幾年來對機器損壞原因的統(tǒng)計分析表明,其中 是由于摩 擦副的磨損而引起的。而目前,世界上能源的 消耗有是由于 摩擦而產(chǎn)生的。因此,隨著機器設(shè)備工作負(fù)荷的增大、工作速度的提 高以及驅(qū)動功率的增大,人們越來越認(rèn)識到這些摩擦學(xué)現(xiàn)象所固有的 破壞性,以及摩擦副性能與時間的相關(guān)性。顯然,提高摩

4、擦副的耐磨 性是提高設(shè)備可靠性的根本措施之一。而降低傳動件的摩擦則是提 高設(shè)備能量利用率的有效措施。為此,必須用摩擦學(xué)設(shè)計的原則和方 法來補充、豐富和發(fā)展摩擦學(xué)設(shè)計工作,甚至在一定程度取代傳統(tǒng)的 機械設(shè)計方法。 3/1 2/13/1 1988年9月在英國召開了第一屆國際性的摩擦學(xué)設(shè)計學(xué)術(shù)討論 會,世界上許多大企業(yè)(如美國的 和 ,荷蘭的 和 瑞典的 公司)的研究人員在會上發(fā)表了重要論文。其內(nèi)容涉及 到發(fā)電、宇航、汽車、鐵道運輸、石化、電子、核能、生物醫(yī)學(xué)、 信息工程等行業(yè)的軸承、凸輪、活塞環(huán)、密封、離合器、制動器、 鏈條、皮帶、摩擦輪、導(dǎo)軌、鉆頭、刀具、模具、計算機磁頭、人 工關(guān)節(jié)等零部件。

5、1989年4月我國在南京由中國機械工程學(xué)會召開了全國摩擦學(xué) 設(shè)計研討會。隨后,中國機械工程學(xué)會下屬的機械設(shè)計分會與摩擦 學(xué)分會聯(lián)合組建了摩擦學(xué)設(shè)計學(xué)會,并于1991年10月在沈陽召開了 全國第一屆摩擦學(xué)設(shè)計學(xué)術(shù)會議。從此,摩擦學(xué)設(shè)計越來越引起國 內(nèi)外摩擦學(xué)界的重視。 二、摩擦學(xué)設(shè)計的特點二、摩擦學(xué)設(shè)計的特點 與一般常規(guī)機械設(shè)計相比,摩擦學(xué)設(shè)計的主要特點見表10l。 而著眼于表面特性的設(shè)計是摩擦學(xué)設(shè)計最主要的特點。 GEC IBMPhilips SKF 表面特性是摩擦學(xué)設(shè)計中的一個重要概念,它一般包含以下內(nèi)容: (1)微觀接觸特性 一般來說,微觀接觸是非單一的彈性接觸或塑性接觸,其真實接觸點是各

6、向異性、非均質(zhì),而 且隨機分布;其真實接觸面積隨表面粗糙度、比壓、表面膜的性質(zhì)以及溫度等因素而變化。 (2)時變特性(與時間的相關(guān)性) 其表面形貌,真實接觸面積的大小,真實接觸點的數(shù)量及其分布,接觸間隙和轉(zhuǎn)移膜的特性均 隨時間發(fā)生變化。 (3)破壞特性(磨損特性) 破壞特性取決于不同的磨損形式和磨損機理。 (4)匹配特性(與系統(tǒng)的相關(guān)性) 這是指與對偶表面構(gòu)成一對相互作用、相互影響和相互聯(lián)系的整體特性,包括材料冶金的 相容性。 表10l 摩擦學(xué)設(shè)計與常規(guī)機械設(shè)計的對比 設(shè)計方法摩擦學(xué)設(shè)計常規(guī)機械設(shè)計 主要目標(biāo)（任務(wù)） （1）確保與摩擦學(xué)行為有關(guān)的設(shè)備 的可靠性，并延長其使用壽命； （2）降低制

7、造、運行、維護(hù)成本： （3）提高能量利用率 （1）確保設(shè)備的可靠 性； （2）降低制造成本 設(shè)計重點面特性（耐磨、減磨和潤滑等特性） 整體特性（強度、剛度、 疲勞和振動等） 主要理論基礎(chǔ)摩擦學(xué)，表面工程固體力學(xué) 三、摩擦學(xué)設(shè)計的主要內(nèi)容和方法三、摩擦學(xué)設(shè)計的主要內(nèi)容和方法 根據(jù)摩擦學(xué)設(shè)計的主要任務(wù),摩擦學(xué)設(shè)計的主要內(nèi)容有以下四個 方面: (1)材料選擇。主要是耐磨材料的選擇。 (2)表面層設(shè)計。其主要內(nèi)容是根據(jù)機器零件的表面特性和質(zhì)量 的要求,正確選用表面技術(shù)。 (3)耐磨性結(jié)構(gòu)設(shè)計。包括通過結(jié)構(gòu)設(shè)計提高機器與運動件的接 觸表面的耐磨性,以及機件磨損后的補償與調(diào)節(jié)措施;潤滑系統(tǒng)與潤 滑方式的設(shè)

8、計;易損件設(shè)計等。 (4)磨損計算與預(yù)測。其主要任務(wù)就是要估算機器零件經(jīng)過一定 時間運行后的磨損量,在設(shè)計階段作出這種預(yù)測,有助于正確選擇材 料、設(shè)計結(jié)構(gòu)和制定合理的工況,從而達(dá)到使機器設(shè)備在規(guī)定工況下 按允許的磨損率長期可靠地運行。 由于磨損是一種非常復(fù)雜的綜合的動態(tài)過程,影響因素非常多,而 且現(xiàn)有的各種典型的磨損類型的磨損方程都還只能用于定性分析,這 就為磨損計算與預(yù)塒造成很大的困難。因而,到目前為止,所提出的 各種方法都在很大程度上依賴于試驗.如 法以及磨損系數(shù)法與磨 損圖等方法。 IBM 第二節(jié) 耐磨材料的選擇與表面層設(shè)計 一、耐磨性材料的選擇一、耐磨性材料的選擇 目前,國內(nèi)外應(yīng)用的耐

9、磨材料已有上百種,而且還在不斷地增加,要 想從如此眾多的材料中,通過綜合考慮材料的特性、工況條件、磨損 類型、經(jīng)濟(jì)性和資源等多種因素實現(xiàn)最佳的選擇,這是一件非常復(fù)雜 的工作。何況材料的耐磨性又不僅僅是材料本身的固有特性,而是與 它所在的摩擦學(xué)系統(tǒng)密切相關(guān)的一種系統(tǒng)特性,這就使耐磨材料的選 擇更加困難。因此,目前在很大程度上還是參照己發(fā)表的有關(guān)資料, 憑經(jīng)驗或反復(fù)試驗來進(jìn)行選擇。 1.材料選擇的主要原則材料選擇的主要原則 (1)查清影響其使用壽命的主要因素,確定起主導(dǎo)作用的磨損類型 與磨損機理,選擇適用的耐磨材料。 表102給出了幾種磨損類型對材料的基本性能的要求,而表10 3則是針對磨損類型選

10、用材料的一般指南。但是應(yīng)當(dāng)注意,在某些情 況下,有的磨損形式是允許的。例如,汽車制動器中的剎車片和早期 石油鉆機帶剎車中的剎車塊所產(chǎn)生的磨粒磨損就是允許的,因為它在 工作過程中,可磨掉制動鼓(或剎車鼓)上的微小裂紋,從而可防止熱疲 勞破壞。 另外,發(fā)動機中的套筒軸承,在正常情況下,應(yīng)設(shè)計成抗表面疲勞磨損。然而,在某 些情況下,其腐蝕條件可能會大大加速表面疲勞磨損,這時就應(yīng)選用抗腐蝕能力強而 抗疲勞磨損能力較差的軸承材料。這些例子說明,明確允許的磨損形式,可有不同的 材料選擇方法,從而使磨損最小。 表102 幾種磨摜類型對材料基本性能的要求 序號磨損類型耍求材料具備的基本性能 1粘著磨損 相互配

11、對材料的溶解度低；在工作表面膃度條件下，抗熱軟化能力好； 表面能低 2磨粒磨損表面硬度高于磨料硬度；加工硬化性能好 3接觸疲勞 高硬度，高韌性；精加工的加工性能好：流線性好；無硬的非金屬夾雜 物；表面無微裂紋 4腐蝕磨損無鈍化作用時，具有較高的抗腐蝕能力；防肩與耐磨性能好 5微動磨損 較高的抗環(huán)境腐蝕與抗磨粒磨損的豁力；麇損時形成軟的廊蝕產(chǎn)物；相 互配對材料具有不相容性 6侵蝕磨損 在小角度沖擊條件下，材料硬度耍高.在大角度沖擊條件下，材料韌性 要好。 序 號 磨損類型可考慮選用的材料 1 粘著磨損： 氧化或輕微磨損 嚴(yán)重磨損 含鉻 的合金鑄鐵或含鉻 的鎳基合金 鈷或鎳基合金 2 磨粒磨損：

12、低應(yīng)力擦傷型 高應(yīng)力碾壓型 鑿削型（加沖擊） 含有碳化物顆粒的合金鑄鐵 含碳 的高鉻鑄鐵；含碳 高鉻馬氏體 鑄鐵；含碳 馬氏體合金鋼 奧氏體錳鋼：含碳 高鉻鑄鐵 3微動腐蝕 鈷或鎳基合金 4 侵蝕磨損： 小角度沖擊； 大角度沖擊； 氣蝕沖刷 含有碳化鎢顆粒的合金鑄鐵（鈷或鎳）； 含碳 的高鉻鑄鐵；過共晶鈷或鎳基合金 含碳 的高鉻鑄鐵；過共晶鈷基合金 5腐蝕沖刷 鈷或鎳基合金 6氧化熱腐蝕 相鎳或鈷基合金 表10-3 針對磨損類型選擇材料的一般指南 Laves %4%5 . 3 %5 . 3%2 %16%6%30%15 %5 . 4%5 . 3 %5 . 3%2 %5 . 1%4 . 0 %5

13、. 3%0 . 2 (2)針對零件的功能與工況條件，選擇最能滿足工作要求的耐磨材料 在選擇耐磨材料時，不僅要考慮材料的耐磨性,還要考慮所需的其他性能。例如.對干制動器 材料,就必須綜合考慮耐磨性與摩擦性能的要求,對于工況條件,要考慮到材料所承受的載荷與 接觸應(yīng)力以及滑動速度的限制。此外,溫度對一些摩擦學(xué)系統(tǒng)的使用壽命有強烈的影響，它既 會影響到滑動零件的機械性能（高溫使大多數(shù)材料軟化，低溫則會使某些材料脆化）還會影 響到潤滑材料的性能（高溫使大多數(shù)潤滑劑的性能下降，而低溫將使液體潤滑劑固化而失 效)。 表104給出了根據(jù)機器零件的工作條件選擇耐磨材料的建議。 表104 幾種典型工作條件下材料的

14、選擇 工作條件要求的性能選用材料 高應(yīng)力、沖擊韌性高、加工硬化性能好奧氏體錳鋼、適當(dāng)厚度的橡膠 低應(yīng)力、滑動 高硬度、韌性稍低 高耐磨性（允許成本較高） 陶瓷 碳化鎢 低應(yīng)力、少量細(xì)磨料低摩擦系數(shù) 聚乙烯；聚四氟乙烯； 表面光滑的金屬 濕、腐蝕耐腐蝕防銹金屬；陶瓷；橡膠；塑料 高溫 具有抗開裂、剝落和熱沖擊的能力 以及耐高溫他特性 含鉻的合金鋼或鋼；高溫陶瓷 (3)根據(jù)使用要求與工作環(huán)境,選擇綜合性能最佳的耐磨材料 這方面除了考慮材料的加工工藝性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保等要求外,某些零件還有特 殊的使用要求,如:人工關(guān)節(jié)材料與人體的相容性,核反應(yīng)堆用的耐磨材料不能含鈷 以及高摩擦材料等。 2.材料選擇的

15、一般步驟材料選擇的一般步驟 通常采用淘汰法.即列出諸多具有良好耐磨性的材料,逐步篩選出少數(shù)幾種符合 其多種使用性能要求的可用材料。具體步驟如下。 (l)判別所需的一般性能和特殊性能。一般性能是指幾乎在所有應(yīng)用場合都要 考慮的性能,如強度、韌性、工藝性、成本等。同時還應(yīng)包括環(huán)境約束條件,即環(huán) 境對性能所附加的物理的(如溫度)和化學(xué)的(如環(huán)境介質(zhì)、潤滑劑等)以及其他方 面的約束條件。而特殊性能則是針對該零件的功能和工況條件等使用要求所必須 考慮的性能(包括摩擦學(xué)性能),并排出其考慮的先后順序。 (2)選出可用的材料種類。選出最接近滿足所需的一般性能和特殊性能要求的 少數(shù)幾種材料。 (3)考慮上述已

16、選材料的摩擦學(xué)特性(包括摩擦系數(shù)、磨損率、相容性和使用壽 命等)。 (4)選出一種適用的材料。 (5)必要時,通過臺架或樣機試驗對上述材料進(jìn)行鑒定。 通常,在選擇耐磨材料時,還可利用一些公開出版的手冊、指南和 文獻(xiàn)等有關(guān)資料 二、表面層設(shè)計二、表面層設(shè)計 在摩擦學(xué)系統(tǒng)中,摩擦副的摩擦學(xué)特性主要取決于其表面層的性 能與質(zhì)量,因此,表面層的設(shè)計成為摩擦學(xué)設(shè)計中的一項十分重要的 內(nèi)容。表面層設(shè)計就是通過合理地選擇表面技術(shù)(包括復(fù)合表面技 術(shù)),以滿足零件表面性能(包括摩擦學(xué)性能)和使用質(zhì)量的要求。 在選擇表面技術(shù)時,還應(yīng)針對零件的磨損類型。對于以粘著磨損為 主的磨損形式,應(yīng)采用軟的或冷焊強度低和剪切

17、應(yīng)力小的涂層;對于 以磨粒磨損為主的磨損形式,則應(yīng)采用硬涂層(如碳化鈦等);而對于以 表面疲勞磨損起主導(dǎo)作用的磨損形式,則可采用表面噴丸強化處理, 它可在金屬表面產(chǎn)生冷作硬化層和較大的殘余應(yīng)力,從而可提高其疲 勞強度(如6 缸柴油機的鍛鋼曲軸,經(jīng)噴丸處理后,疲勞強度可提高)和 抗表面疲勞磨損的能力。表105介紹了幾種表面技術(shù)的主要特 點，而圖10l給出了幾種表面技術(shù)可能獲得的涂層厚度和硬度的范 圍，可供表面層設(shè)計參考。 在進(jìn)行表面層設(shè)計時,應(yīng)把它作為摩擦學(xué)系統(tǒng)的一個組成部分,即同時要考慮其對偶及 環(huán)境的相互作用影響。因此,在設(shè)計潤滑條件下的表面層時,必須將弱化劑和添加劑的選用 包括在表面層的設(shè)

18、計內(nèi)容之中。 表105 幾種表面技術(shù)的主要特性 a Pp/ CT / CVD400 1100900 5 10 32 1010 42 1010 550150 200150 1100 100mm1 . 0 10050 mm1 . 0 PCPNAC igu 0 , 類型環(huán)境壓力母材溫度膜厚 涂層特 性 成本可涂敷物質(zhì) 常壓（反應(yīng)溫度） 幾十微米 （最大值） 很好中 金屬及其合金； 碳化物；氮化物； 硼化物；氧化物 真空鍍 等于或大于常 溫 幾微米差高 金屬及其合金； 絕大多數(shù)無機物； 少數(shù)有機物 陰極濺 射 等于或大于常 溫 幾微米中高 金屬及其合金； 絕大多數(shù)無機物 離子鍍 幾十微米 （最大值）

19、很好高金屬；筒單的化合物 噴涂常壓 溶化處理 任意差低 金屬及其合金； 氧化物 電鍍常壓 常壓中低金屬；合金 化學(xué)鍍常壓好中 第三節(jié) 磨損計算與預(yù)測法 為了提高機器的可靠性,延長其使用壽命,在設(shè)計機械零件時要 預(yù)測其磨損率,使它在規(guī)定的工況下按照允許的磨損率進(jìn)行運轉(zhuǎn)。然 而磨損是一種十分復(fù)雜的動態(tài)過程,到目前為止，對各類磨損的研究 還很不深入,尚未充分地揭示出其磨損機理,甚至對于一般性的磨損 規(guī)律也還沒有完全掌握,這就給磨損計算與預(yù)測帶來很大的困難。迄 今為止,各種磨損方程大都只能用于對磨損作定性分析。 本節(jié)主要介紹一種比較實用的方法,即20世紀(jì)60年代初由美國國 際商用機器公司 以拜耶爾 為

20、首的一批科學(xué)家所創(chuàng)立的一種理論與實踐相 結(jié)合的磨損計算及預(yù)測的方法,簡稱 法。此法可適用于邊界潤 滑或無潤滑的點接觸、線接觸和面接觸的各種機構(gòu),以及塑料、黑色 及有色金屬、燒結(jié)金屬和復(fù)合材料等各種材料,此法巳通過室內(nèi)試驗 和實際機器的驗證。 法主要包括零磨損計算和可測磨損計算兩部分。 IBM IBM IBM )sin(nCorporatioMashinesessBunalInternatio ).(BayerGR IBM 一、基本概念一、基本概念 1.零磨損零磨損 它是指磨損深度與原始表面粗糙度處于同一個數(shù)量級的磨損,由 于其磨損量處于表面輪廓儀圖形中磨損的起點級 ,故稱零 磨損。 2、可測磨

21、損可測磨損 或非零磨損或非零磨損 這是指磨損深度超過原始表面粗糙度的高度的一種磨損。 3.行程行程 和行程數(shù)和行程數(shù) 滑動距離的單位以行程表示。它是 指沿著滑動方向摩擦副相互接觸的長 度,即單位壽命。而行程數(shù) 則用來表 示摩擦副中零件的壽命,它是時間、表 面幾何特性、運動和接觸尺寸的函數(shù)。 例如,對于從動桿與旋轉(zhuǎn)的凸輪發(fā)生相 對滑動的情況(圖102),其從動桿的行 程等于 ,而當(dāng)凸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時,從動桿 的行程數(shù)為 。 )(wearZero )(levelZero )(wearMeasurable )(wearzeroNon )(Pass )(PassofNumber N l lr /2 二、零

22、磨損計算與預(yù)測的基本原理和方法二、零磨損計算與預(yù)測的基本原理和方法 1.零磨損因素的概念零磨損因素的概念 大量試驗表明，摩擦副的磨損狀態(tài)與其負(fù)荷接觸區(qū)的最大剪應(yīng)力 和材料的剪切屈服極限 的比值有關(guān)。為了保證摩擦副在規(guī)定 的工作期限(壽命)內(nèi)維持零磨損狀態(tài),必須滿足以下條件: (10l) 或 (102) 式中,系數(shù) 取決于零件的材料和壽命以及潤滑狀況。 今把 時仍能保持零磨損狀態(tài)的系數(shù) 作為統(tǒng)一指標(biāo),并 以 表示, 稱為零磨損因素 。取 來確 定系數(shù) ,這是因為經(jīng)過這段時間,可以更好地顯示磨損的類型和特 性。 通過試驗得到的 數(shù)值如下:在流體動力潤滑條件下為1;在干摩 擦條件下為 ;在邊界潤滑條

23、件下可取為 或 (潤滑油中加有活 性添加劑)。 max s s r max r s max r 2000N r R r R r R r R r 2000N )(factorwearZero 2 . 02 . 0 54. 0 2.計算模型計算模型 為了使這種方法能在實際中應(yīng)用,必須導(dǎo)出一個方程,將 時的比值 外推到更高的行程數(shù)。為此,研究了一些在球軸承設(shè)計中所采用的負(fù) 荷壽命關(guān)系式。 通常,與球軸承失效有關(guān)的磨損形式是表面疲勞磨損、微動磨損 和徽動腐蝕。因此,與此有關(guān)的一些經(jīng)驗方程可外推用于計算滑動摩 擦副的壽命。 今選用帕朗金 負(fù)荷壽命關(guān)系式: (103) 式中, 和 是分別相當(dāng)于壽命 和 的

24、負(fù)荷。 考慮到在球軸承中,球與滾道的接觸屬于赫茲接觸,其接觸應(yīng)力 與負(fù)荷的立方根成正比,所以: 與 的立方根有關(guān),因而可將上式 中的負(fù)荷 與壽命 分別用 和 取代,即 (104) 或 (105) 2000N s r max )(Palangien 2 3 21 3 1 LPLP 1 P 2 P 1 L 2 L max P PL max N 2 9 2max1 9 1max NN 1max 9/1 2 1 2max )( N N 在 時, ,即 ,代入式(105)即可得 到在保證零磨損條件下的 與 的一般關(guān)系式: (106) 式(106)可用于計算在零磨損條件下,對應(yīng)于任意預(yù)定行程數(shù)的 允許最大

25、剪應(yīng)力 。這個方程已對 的數(shù)值進(jìn)行過驗證。 它建立了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計參數(shù)與零磨損的聯(lián)系,這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計參數(shù)包括 和 以及 等。它們分別反映了摩擦副的負(fù)荷與幾何特性、材料特 性以及運動特性。式(106)的等號右邊類似于材料的疲勞持久極限, 但它并不是材料的無限壽命,而是相當(dāng)于材料組合的有限壽命。它是 根據(jù)材料組合達(dá)到規(guī)定的磨損量(而不是完全失效)來確定的.故可稱 之為磨損持久極限,以 表示,即: (107) 由式(106)和式(107),可得到以下兩個用于校核零磨損的表達(dá)式: (108) (109) 2000 1 N 21600N R s r max sR r 1max max N sR r N 9/1

26、max ) 2000 ( max s , max R r N W sRW r N 9/1 ) 2000 ( R s W r N 9/1 ) 2000 ( sW max 3.計算方法及步驟計算方法及步驟 根據(jù)式(10-6)預(yù)測摩擦副保證零磨損的壽命,可按以下步驟進(jìn)行: (1)根據(jù)摩擦副的摩擦系數(shù)和接觸特性等計算 。 (2)把摩擦副所預(yù)期的工作壽命折算成每個零件的行程數(shù)。 通常,把相配零件分為承載零件與非承載零件。前者是指那種與其對偶件接觸 的相互作用過程中不卸載的零件,如圖102中的從動桿;而后者則是指零件上某一 點在用過程中同期性承載和卸載的這種零件,如圖102中的凸輪,因為在它表面上 的任何

27、一點都是周期性的承載和卸載。承載零件在一個循環(huán)內(nèi)的行程數(shù)為: (1010) 式中, 為一個循環(huán)內(nèi)的摩擦路程;而 是沿滑動方向上名義接觸面積的長度(即一 個行程)。 非承載零件的行程數(shù)取決于相互作用的次數(shù)。 (3)確定零件的剪切屈服極限 。 (4)參考有關(guān)資料或通過試驗確定 。 (5) 按式(108)和式(109)進(jìn)行校核。 對于新設(shè)計的摩擦副所選擇的設(shè)計參數(shù)，它必須滿足式(108)，才能保證在 預(yù)定的工作期限內(nèi)維持零磨損狀態(tài)；而在評定一項已設(shè)計出的摩擦副，則必須滿 足式(109)，才能維持零磨損狀態(tài)；否則，要修改設(shè)計，并重新計算磨損持久極 限，再次進(jìn)行校核。 s R r l max s s l

28、 N 4.計算實例計算實例 將零磨損計算法用于設(shè)計圖102所示的一對鋼對鋼的運動 副凸輪和從動桿，要求凸輪（半徑 ）在 的載荷 作用下旋轉(zhuǎn) 周之后,其磨損深度不小于原始的表面粗糙度。 首先，運用赫茲理論,求得其接觸處的最大剪應(yīng)力 為 ,接觸面積沿滑動方向的行程 為 。 由于從動桿處于連續(xù)的接觸狀態(tài),而凸輪在一轉(zhuǎn)中僅接觸 次, 因此,得到凸輪的行程數(shù) 次，而從動順行程 。 今假設(shè) ,而凸輪與從動桿的剪切屈服極限的數(shù)值分別 為: 和 。將這兩個數(shù)值代入（10 7），即可算出從動桿和凸輪的磨損持久極限的數(shù)值如下： 從動桿為: ;凸輪為: 6 10 g35.28 max MPa8 .54 l mm05

29、1. 0 l r2 6 10 輪 N 9 106.28 桿 N 0.54 R r MPa s 275.8 輪 MPa s 1034 桿 107MPa) 2000 ( 9/1 桿 桿 sR r N MPa2 .75) 2000 ( 9/1 輪 輪 sR r N 以上兩個磨損持久極限的數(shù)值均大于其相應(yīng)的值,因此,所設(shè)計 的凸輪及從動桿均符合要求。 mmR51 三、可測磨損計算及預(yù)測的基本原理和方法三、可測磨損計算及預(yù)測的基本原理和方法 通常，按零磨損設(shè)計是保守的，因為許多機構(gòu)的磨損量超過零磨損的數(shù)量后 仍能有效地工作。因此，可測磨損計算及預(yù)測的任務(wù)則是針對另一種情況，即摩 擦副中一個零件的磨損量超

30、過表面粗糙度的大小，而另一個仍維持在表面粗糙度 的數(shù)量級之內(nèi)。 1.計算模型計算模型 在零磨損計算模型中,主要是確定應(yīng)力和磨損之間的關(guān)系;而在可測磨損計算 模型中,則是要建立所消耗的能量和磨損之間的關(guān)系建立可測磨損計箅模型的基本 前提是:可測磨損是在一個行程中,磨損消耗的能量 和滑動行程數(shù) 這兩個變量的 函數(shù),因此,可測磨損計算是建立在能量的基礎(chǔ)上。 于是,其計算模型可用下列微分方程表示: (10-11) 式中, 是可測磨損量,即單位滑動距離的體積磨損。 按照一個行程內(nèi)磨損消耗的能量變化與否,可測磨損可分為兩種類型,即:能耗 不變的可測磨損,稱為 型磨損;能耗改變的可測磨損,稱為 型磨損。 E

31、 N Q A B dN N Q dE E Q dQ)()( (1) 型磨損 這類磨損,在一次行程中其磨損消耗的能量始終保持不變,就是使最大剪應(yīng)力 和一次行程中的滑動距離 隨著磨損而改變。此時, 是常數(shù),由式(1011)可 得其計算模型: (1012) 對于給定的摩擦學(xué)系統(tǒng),上式中的 是常數(shù),但它也會隨材料性質(zhì)和環(huán)境條件 而改變。這類計算模型適用于干摩擦以及擦傷和材料轉(zhuǎn)移等重載條件下的磨損。 (2) 型磨損 這類磨損消耗的能量隨行程數(shù)而改變,由式(1011)可得到 型磨損的計算模 型如下: (1013) 假定磨損所消耗的能量與 和 的乘積成正比,由于 是該乘積和變量 的函數(shù), 則: (1014)

32、 最后,得到下列微分方程: (1015) 這類計算模型適用于潤滑表面發(fā)生摩擦和輕載條件下的磨損,例如:表面疲 勞磨損。 對式(1012)和式(1013)進(jìn)行積分,即可得出磨損量與行程數(shù)的關(guān)系,從而可 對磨損進(jìn)行計算與預(yù)測。 A B B E s max CdNdQ C CdN s Q d )( 2/9 max max sQN dN N Q sd s Q dQ )( )( max max dNsCsd s Q dQ 2/9 maxmax max )()( )( 2.計算方法計算方法 現(xiàn)引入允許負(fù)荷的概念,即在確定設(shè)計參數(shù)時,應(yīng)使其實際負(fù)荷 不大于以下兩種允許負(fù)荷:摩擦副中符合零磨損條件的一類零件的

33、允 許負(fù)荷;允許產(chǎn)生可測磨損的另一類零件的允許負(fù)荷。 對于產(chǎn)生可測磨損的零件,其磨損應(yīng)遵循下列方程: (1016) 式中: 經(jīng)過 次運行后的磨痕的深度; 相應(yīng)于零磨損的深度, ,其中 代表表面輪廓的谷 底到峰頂之間的距離; 預(yù)定的運行次數(shù),它應(yīng)不小于反映零磨損壽命的運行次數(shù) ; 指數(shù),取決于表面幾何特性、運動方式和磨損形式。 為了確定可測磨損的允許負(fù)荷,可認(rèn)為 和 是巳知的。因 此,設(shè)計的任務(wù)就是要找到一組設(shè)計參數(shù),使實際的零磨損壽命 符 合下列條件: (1017) 0 y y h h y m/1 0 0 )( 0 , hh Y Y Y m 0 Y max R max0 5 . 0 Rh 0

34、h h m Y Y hh)( 0 0 顯然, 就是所預(yù)期的壽命, 與設(shè)計參數(shù)有關(guān),并具有與零磨損 計算模型中相同的表達(dá)形式( ,即 ,其中 為常數(shù)), 因而可得到: (1018) 式中, 與負(fù)荷無關(guān),它是表面幾何特性和材料性質(zhì)的函數(shù);而 是取 決于表面幾何特性和運動方式的常數(shù)。 于是,設(shè)計的任務(wù)就從確定零磨損壽命轉(zhuǎn)變成確定允許負(fù)荷,即 由式(1017)和式(1018)得到: (1019) 即 (l020) 由上式可見,此負(fù)荷是以下各種量的函數(shù):預(yù)期壽命 ;零件的磨 損量 ;函數(shù) ;指數(shù) ；常數(shù) 。 有關(guān)計算方法的細(xì)節(jié),可進(jìn)一步參看文獻(xiàn)15。 y y 0 y KLP m m KPL K n BP

35、y 0 n n B B mh y h h BP mn/1 0 )( y h h BP mnn/1 0 /1 )( 第四節(jié) 磨損系數(shù)與磨損圖 一、磨損系數(shù)一、磨損系數(shù) 關(guān)于磨損系數(shù)的定義和物理意義已在第四章中介紹過,本節(jié)主要 介紹它在摩擦學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用。 1.磨損系數(shù)的應(yīng)用范圍磨損系數(shù)的應(yīng)用范圍 拉賓諾維奇提出了磨損系數(shù)應(yīng)用于四個方面，而其中最主要的 是以下兩個方面: (1)用于估算摩擦學(xué)系統(tǒng)的壽命。這是最重要的應(yīng)用方面。但是, 由于摩擦系數(shù)的數(shù)據(jù)對于某一種磨損類型來說,其范圍相當(dāng)寬,從而 使預(yù)濺的磨損壽命不夠準(zhǔn)確。 (2)用于確定摩擦學(xué)系統(tǒng)中摩擦副的磨損類型與磨損機理。圖 103給出了在幾種典

36、型磨損條件下的磨損系數(shù),利用該圖即可根據(jù) 摩擦副的實際磨損系數(shù)的數(shù)值確定摩擦副的磨損類型和磨損機理。 然而,在以上兩種應(yīng)用范圍的基礎(chǔ)上,可進(jìn)一步把磨損系數(shù)發(fā)展 成為摩擦學(xué)設(shè)計的一種設(shè)計準(zhǔn)則,即允許磨損系數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則。 2.允許磨損系數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則允許磨損系數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則 允許磨損系數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則就是:摩擦副設(shè)計的最大計算磨損系數(shù) 不得大于其允許磨損系數(shù) ,即 (1021) 允許磨損系數(shù)的數(shù)值,可根據(jù)所設(shè)計的摩擦副預(yù)期的磨損類型以及 材料匹配和工作表面潤滑狀態(tài)等,從第四章或文獻(xiàn)6中有關(guān)磨損系 數(shù)的數(shù)值表中選定。然后按下式計算出摩擦副的最大磨損系數(shù): (1022) 式中: 允許最大體積磨損量; 表面的布氏硬度;

37、 法向載荷; 摩擦行程; 滑動速度; 工作時間。 將設(shè)計參數(shù)和預(yù)期的工作壽命以及允許磨損量代入式(1022), 計算出 ,并與 進(jìn)行比較,如不能滿足式(1021),則必須重新修 改設(shè)計參數(shù),或選擇更有效的材料和潤滑劑的組合(包括重新設(shè)計表 面)。 max K max K K K max W Nvt HW NL HW K maxmax max max KK t v L N H 二、磨損圈二、磨損圈(磨損機理圖磨損機理圖) 磨損圖 也稱磨損機理圖 。它是針 對某種材料的摩擦副,在綜合理論模型和大量磨損試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上所繪制成的一 種分區(qū)圖(圖104 ),它表明該種材料的摩擦副在不同工況下的磨損率和

38、磨損機 理。制作這種磨損圖的理論依據(jù)是:滑動磨損主要受應(yīng)力和溫升的影響。它是以兩 個經(jīng)過規(guī)范化處理的無因次量,即滑動界面上的名義正壓力 (名義比壓與常溫下 材料的表面硬度之比)和名義滑動速度 (滑動速度與熱流速度之比)分別作為磨損 圖的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)。在磨損圖上按磨損類型劃分為不同的區(qū)域(在該區(qū)內(nèi),某種 磨損機理起主導(dǎo)作用)。每個區(qū)域都標(biāo)明了名義磨損率（即體積磨損量與滑動距 離和名義接觸面積乘積之比）的等值線（圖104中細(xì)實線）。 磨損圖比較直觀地建立了主要工作參數(shù)與磨損類型和磨損機理之間的關(guān)系,從 圖上可以很方便地查出在給定工況條件下的摩擦學(xué)元件的磨損率和磨損類型。此 圖還反映了表面硬度、熱

39、傳導(dǎo)特性和表面幾何特性對磨損的影響。因此,它是摩擦 學(xué)設(shè)計裉有用的一種設(shè)計依據(jù)。但是,必須通過大量的試驗建立各種材料的磨損圖, 才能使之進(jìn)入摩擦學(xué)設(shè)計的實際應(yīng)用階段。而且,許多磨損狀態(tài)的轉(zhuǎn)化受到應(yīng)力和 溫度的影響并不太大,而某些更重要的影響因素(如表面化學(xué)性質(zhì),應(yīng)力循環(huán)數(shù)等)在 現(xiàn)有的磨損圖中卻尚未考慮。這些都還需要今后繼續(xù)做大量的工作。 p v )(mapWear )(mapmechanismWear 第五節(jié) 耐磨性結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、基本原則一、基本原則 在開始進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時,就應(yīng)對產(chǎn)品可能出現(xiàn)的磨損問題進(jìn)行分析.而在隨后確 定產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)和工作原理以及產(chǎn)品各零部件的結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系時,為了避免

40、出 現(xiàn)嚴(yán)重磨損的結(jié)構(gòu),應(yīng)遵循以下原則: 1.避免摩擦表面在相對運動時直接接觸避免摩擦表面在相對運動時直接接觸 這是在機床結(jié)構(gòu)設(shè)計中常采用的一種方法,以長期保持機床的精度。如圖10 5(a)所示,搖臂鉆床主軸箱坐 在導(dǎo)軌上。當(dāng)要使主軸箱在 搖臂上移動時,應(yīng)先放松夾 緊機構(gòu),使主軸箱有少許下降, 與導(dǎo)軌脫離接觸。此時,主軸 箱由其上部的軸承支承(如圖 105(b)所示),這祥就可以防止 導(dǎo)軌的磨損,從而保持鉆床的 精度。 2.降低摩擦表面間的載荷或保證其載荷均勻分布降低摩擦表面間的載荷或保證其載荷均勻分布 采用這種方法可以防止劇烈磨損或局部嚴(yán)重磨損。一般可采用機械式或液壓 式卸載的方法來降低摩擦表

41、面間的載荷,并采取 以下一些方法防止產(chǎn)生局部嚴(yán)重磨損: (1)改變摩擦表面的輪廓或接觸的方式。 如重載齒輪常采用經(jīng)過修緣的鼓形齒(圖106), 當(dāng)傳遞載荷時,輪齒首先由齒寬中部開始接觸, 然后擴展到全齒寬,使載荷分布較均勻,從而可 以防止局部產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。 (2)采用易于實現(xiàn)楔形油膜的結(jié)構(gòu)。 (3)來用調(diào)心結(jié)構(gòu)。一般長軸上的軸承和 寬徑比大于1.5的軸承都應(yīng)采用調(diào)心軸承(圖107)。 (4)保證相接觸的零件有足夠的剛度。 3.防止外界磨料進(jìn)入摩擦界面防止外界磨料進(jìn)入摩擦界面 為了防止外界磨料進(jìn)人摩擦界面,可以采取 以下措施: (1)采用各種密封結(jié)構(gòu)或空氣過濾裝量,防止塵土 等外界磨料進(jìn)入摩擦表

42、面。 (2)用過濾器控制潤滑液的污染,以防止機器磨損。 4.磨損轉(zhuǎn)移原則或等壽命設(shè)計原則磨損轉(zhuǎn)移原則或等壽命設(shè)計原則 對于一對接觸零件,為了保護(hù)其中主要的或貴重的零件,應(yīng)采用 磨損轉(zhuǎn)移原則,即有意使磨損集中在某個易于更換、成本較低的不重 要的零件上,例如,發(fā)動機中的汽缸套卜活塞環(huán)這對摩擦副中的活塞 環(huán)就屬于這類零件。另外,在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和部件結(jié)構(gòu)設(shè)計中的易損 件數(shù)量與位置的設(shè)計也應(yīng)遵循磨損轉(zhuǎn)移原則。 但是,如果在一個摩擦學(xué)系統(tǒng)中,有某幾個零件的重要性相近,則 宜采用等壽命設(shè)計原則。 5.消除或減輕發(fā)生腐蝕的條件消除或減輕發(fā)生腐蝕的條件 一般可采取以下方法: (1)應(yīng)盡量消除可能積水的結(jié)構(gòu)(圖108)； (2)避免零件結(jié)構(gòu)中存在窄縫; (3)對于軸轂聯(lián)結(jié),在可能條件下,應(yīng)以粘接取代過盈配合聯(lián)結(jié)或 鍵聯(lián)結(jié); (4)對于有電化學(xué)勢差的兩種金屬的接觸處,可采用聚四氟乙烯 的隔離墊。 二、磨損的補償與調(diào)節(jié)二、磨損的補償與調(diào)節(jié) 當(dāng)無法避