10_trib_design摩擦學(xué)

1、 第十章 摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的基本原理 關(guān)于摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的概念和它所包含的內(nèi)容,目前尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn) 識(shí)。摩擦學(xué)設(shè)計(jì)作為一個(gè)正在發(fā)展的摩擦學(xué)的新的學(xué)科分支,至今還 沒(méi)有建立起為大家所公認(rèn)的理論框架,而且也還沒(méi)有形成一套通用的 設(shè)計(jì)原理與方法,甚至連統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原則都還沒(méi)有。這可能是因?yàn)? 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)踐中所取得的一些認(rèn)識(shí),而沒(méi)有包括某些應(yīng)用已 相當(dāng)成熟的典型機(jī)械零件的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)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(jì)的重要性一、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的重要性 所謂摩擦學(xué)設(shè)計(jì),就是根據(jù)摩擦學(xué)的觀點(diǎn),運(yùn)用摩擦學(xué)的理論和知 識(shí)

2、進(jìn)行設(shè)計(jì)工作,主要是機(jī)械設(shè)計(jì),但也應(yīng)包括人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)。事 實(shí)上,在摩擦學(xué)出現(xiàn)之前,人們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)中已在某些方面考慮了機(jī) 器與機(jī)器零件的摩擦及磨損問(wèn)題。例如,運(yùn)動(dòng)副的潤(rùn)滑條件的保證和 機(jī)器潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì),在滑動(dòng)摩擦副中采用 或 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)保證 其正常工作,以及齒輪和滾動(dòng)軸承中接觸疲勞強(qiáng)度條件的保證等等。 但是,直到80年代初,人們才逐漸認(rèn)識(shí)到運(yùn)用摩擦學(xué)觀點(diǎn)考慮機(jī)械設(shè) 計(jì),并將摩擦學(xué)知識(shí)系統(tǒng)地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要性。 p pv 通常,評(píng)價(jià)一臺(tái)機(jī)器設(shè)備質(zhì)量好壞的三項(xiàng)重要指標(biāo)是: (1)技術(shù)性能的先進(jìn)性。 (2)運(yùn)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(jī)器

3、設(shè)備運(yùn)行的可靠性,傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法基本上是 建立在機(jī)械零件強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)上,而且它主要著眼于零件的整體強(qiáng) 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(jì)算方法和 電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),可以對(duì)各種零件的強(qiáng)度進(jìn)行十分精確的計(jì)算,因 此,一般零件往往很少由于強(qiáng)度不夠而失效。 近十幾年來(lái)對(duì)機(jī)器損壞原因的統(tǒng)計(jì)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(jī)器設(shè)備工作負(fù)荷的增大、工作速度的提 高以及驅(qū)動(dòng)功率的增大,人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)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(shí)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(dòng)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(jì)的原則和方 法來(lái)補(bǔ)充、豐富和發(fā)展摩擦學(xué)設(shè)計(jì)工作,甚至在一定程度取代傳統(tǒng)的 機(jī)械設(shè)計(jì)方法。 3/1 2/13/1 1988年9月在英國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際性的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)討論 會(huì),世界上許多大企業(yè)(如美國(guó)的 和 ,荷蘭的 和 瑞典的 公司)的研究人員在會(huì)上發(fā)表了重要論文。其內(nèi)容涉及 到發(fā)電、宇航、汽車(chē)、鐵道運(yùn)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(dòng)器、 鏈條、皮帶、摩擦輪、導(dǎo)軌、鉆頭、刀具、模具、計(jì)算機(jī)磁頭、人 工關(guān)節(jié)等零部件。

5、1989年4月我國(guó)在南京由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)召開(kāi)了全國(guó)摩擦學(xué) 設(shè)計(jì)研討會(huì)。隨后,中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)下屬的機(jī)械設(shè)計(jì)分會(huì)與摩擦 學(xué)分會(huì)聯(lián)合組建了摩擦學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)會(huì),并于1991年10月在沈陽(yáng)召開(kāi)了 全國(guó)第一屆摩擦學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)會(huì)議。從此,摩擦學(xué)設(shè)計(jì)越來(lái)越引起國(guó) 內(nèi)外摩擦學(xué)界的重視。 二、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)二、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 與一般常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)相比,摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)見(jiàn)表10l。 而著眼于表面特性的設(shè)計(jì)是摩擦學(xué)設(shè)計(jì)最主要的特點(diǎn)。 GEC IBMPhilips SKF 表面特性是摩擦學(xué)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要概念,它一般包含以下內(nèi)容: (1)微觀接觸特性 一般來(lái)說(shuō),微觀接觸是非單一的彈性接觸或塑性接觸,其真實(shí)接觸點(diǎn)是各

6、向異性、非均質(zhì),而 且隨機(jī)分布;其真實(shí)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(shí)變特性(與時(shí)間的相關(guān)性) 其表面形貌,真實(shí)接觸面積的大小,真實(shí)接觸點(diǎn)的數(shù)量及其分布,接觸間隙和轉(zhuǎn)移膜的特性均 隨時(shí)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(jī)理。 (4)匹配特性(與系統(tǒng)的相關(guān)性) 這是指與對(duì)偶表面構(gòu)成一對(duì)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(jì)與常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)的對(duì)比 設(shè)計(jì)方法摩擦學(xué)設(shè)計(jì)常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì) 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(zhǎng)其使用壽命； （2）降低制

7、造、運(yùn)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(jì)重點(diǎn)面特性（耐磨、減磨和潤(rùn)滑等特性） 整體特性（強(qiáng)度、剛度、 疲勞和振動(dòng)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(jì)的主要內(nèi)容和方法三、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和方法 根據(jù)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的主要任務(wù),摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有以下四個(gè) 方面: (1)材料選擇。主要是耐磨材料的選擇。 (2)表面層設(shè)計(jì)。其主要內(nèi)容是根據(jù)機(jī)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(jì)。包括通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高機(jī)器與運(yùn)動(dòng)件的接 觸表面的耐磨性,以及機(jī)件磨損后的補(bǔ)償與調(diào)節(jié)措施;潤(rùn)滑系統(tǒng)與潤(rùn) 滑方式的設(shè)

8、計(jì);易損件設(shè)計(jì)等。 (4)磨損計(jì)算與預(yù)測(cè)。其主要任務(wù)就是要估算機(jī)器零件經(jīng)過(guò)一定 時(shí)間運(yùn)行后的磨損量,在設(shè)計(jì)階段作出這種預(yù)測(cè),有助于正確選擇材 料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制定合理的工況,從而達(dá)到使機(jī)器設(shè)備在規(guī)定工況下 按允許的磨損率長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。 由于磨損是一種非常復(fù)雜的綜合的動(dòng)態(tài)過(guò)程,影響因素非常多,而 且現(xiàn)有的各種典型的磨損類(lèi)型的磨損方程都還只能用于定性分析,這 就為磨損計(jì)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(lài)于試驗(yàn).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(jì) 一、耐磨性材料的選擇一、耐磨性材料的選擇 目前,國(guó)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(guò)綜合考慮材料的特性、工況條件、磨損 類(lèi)型、經(jīng)濟(jì)性和資源等多種因素實(shí)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(yàn)或反復(fù)試驗(yàn)來(lái)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(lèi)型 與磨損機(jī)理,選擇適用的耐磨材料。 表102給出了幾種磨損類(lèi)型對(duì)材料的基本性能的要求,而表10 3則是針對(duì)磨損類(lèi)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(chē)制動(dòng)器中的剎車(chē)片和早期 石油鉆機(jī)帶剎車(chē)中的剎車(chē)塊所產(chǎn)生的磨粒磨損就是允許的,因?yàn)樗?工作過(guò)程中,可磨掉制動(dòng)鼓(或剎車(chē)鼓)上的微小裂紋,從而可防止熱疲 勞破壞。 另外,發(fā)動(dòng)機(jī)中的套筒軸承,在正常情況下,應(yīng)設(shè)計(jì)成抗表面疲勞磨損。然而,在某 些情況下,其腐蝕條件可能會(huì)大大加速表面疲勞磨損,這時(shí)就應(yīng)選用抗腐蝕能力強(qiáng)而 抗疲勞磨損能力較差的軸承材料。這些例子說(shuō)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(lèi)型對(duì)材料基本性能的要求 序號(hào)磨損類(lèi)型耍求材料具備的基本性能 1粘著磨損 相互配

11、對(duì)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(wú)硬的非金屬夾雜 物；表面無(wú)微裂紋 4腐蝕磨損無(wú)鈍化作用時(shí)，具有較高的抗腐蝕能力；防肩與耐磨性能好 5微動(dòng)磨損 較高的抗環(huán)境腐蝕與抗磨粒磨損的豁力；麇損時(shí)形成軟的廊蝕產(chǎn)物；相 互配對(duì)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(hào) 磨損類(lèi)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(dòng)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(guò)共晶鈷或鎳基合金 含碳 的高鉻鑄鐵；過(guò)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(duì)磨損類(lèi)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(duì)零件的功能與工況條件，選擇最能滿(mǎn)足工作要求的耐磨材料 在選擇耐磨材料時(shí)，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(duì)干制動(dòng)器 材料,就必須綜合考慮耐磨性與摩擦性能的要求,對(duì)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(dòng)速度的限制。此外,溫度對(duì)一些摩擦學(xué)系統(tǒng)的使用壽命有強(qiáng)烈的影響，它既 會(huì)影響到滑動(dòng)零件的機(jī)械性能（高溫使大多數(shù)材料軟化，低溫則會(huì)使某些材料脆化）還會(huì)影 響到潤(rùn)滑材料的性能（高溫使大多數(shù)潤(rùn)滑劑的性能下降，而低溫將使液體潤(rùn)滑劑固化而失 效)。 表104給出了根據(jù)機(jī)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(dòng) 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(kāi)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(chǎng)合都要 考慮的性能,如強(qiáng)度、韌性、工藝性、成本等。同時(shí)還應(yīng)包括環(huán)境約束條件,即環(huán) 境對(duì)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(rùn)滑劑等)以及其他方 面的約束條件。而特殊性能則是針對(duì)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(lèi)。選出最接近滿(mǎn)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(shí),通過(guò)臺(tái)架或樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)上述材料進(jìn)行鑒定。 通常,在選擇耐磨材料時(shí),還可利用一些公開(kāi)出版的手冊(cè)、指南和 文獻(xiàn)等有關(guān)資料 二、表面層設(shè)計(jì)二、表面層設(shè)計(jì) 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(jì)成為摩擦學(xué)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)十分重要的 內(nèi)容。表面層設(shè)計(jì)就是通過(guò)合理地選擇表面技術(shù)(包括復(fù)合表面技 術(shù)),以滿(mǎn)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(shí),還應(yīng)針對(duì)零件的磨損類(lèi)型。對(duì)于以粘著磨損為 主的磨損形式,應(yīng)采用軟的或冷焊強(qiáng)度低和剪切

17、應(yīng)力小的涂層;對(duì)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)度(如6 缸柴油機(jī)的鍛鋼曲軸,經(jīng)噴丸處理后,疲勞強(qiáng)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(diǎn)，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(jì)參考。 在進(jìn)行表面層設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)把它作為摩擦學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分,即同時(shí)要考慮其對(duì)偶及 環(huán)境的相互作用影響。因此,在設(shè)計(jì)潤(rùn)滑條件下的表面層時(shí),必須將弱化劑和添加劑的選用 包括在表面層的設(shè)

18、計(jì)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(lèi)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(wú)機(jī)物； 少數(shù)有機(jī)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(wú)機(jī)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(jì)算與預(yù)測(cè)法 為了提高機(jī)器的可靠性,延長(zhǎng)其使用壽命,在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)要 預(yù)測(cè)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(yùn)轉(zhuǎn)。然 而磨損是一種十分復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程,到目前為止，對(duì)各類(lèi)磨損的研究 還很不深入,尚未充分地揭示出其磨損機(jī)理,甚至對(duì)于一般性的磨損 規(guī)律也還沒(méi)有完全掌握,這就給磨損計(jì)算與預(yù)測(cè)帶來(lái)很大的困難。迄 今為止,各種磨損方程大都只能用于對(duì)磨損作定性分析。 本節(jié)主要介紹一種比較實(shí)用的方法,即20世紀(jì)60年代初由美國(guó)國(guó) 際商用機(jī)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(shí)踐相 結(jié)合的磨損計(jì)算及預(yù)測(cè)的方法,簡(jiǎn)稱(chēng) 法。此法可適用于邊界潤(rùn) 滑或無(wú)潤(rùn)滑的點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸的各種機(jī)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(guò)室內(nèi)試驗(yàn) 和實(shí)際機(jī)器的驗(yàn)證。 法主要包括零磨損計(jì)算和可測(cè)磨損計(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)的磨損,由 于其磨損量處于表面輪廓儀圖形中磨損的起點(diǎn)級(jí) ,故稱(chēng)零 磨損。 2、可測(cè)磨

21、損可測(cè)磨損 或非零磨損或非零磨損 這是指磨損深度超過(guò)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(dòng)距離的單位以行程表示。它是 指沿著滑動(dòng)方向摩擦副相互接觸的長(zhǎng) 度,即單位壽命。而行程數(shù) 則用來(lái)表 示摩擦副中零件的壽命,它是時(shí)間、表 面幾何特性、運(yùn)動(dòng)和接觸尺寸的函數(shù)。 例如,對(duì)于從動(dòng)桿與旋轉(zhuǎn)的凸輪發(fā)生相 對(duì)滑動(dòng)的情況(圖102),其從動(dòng)桿的行 程等于 ,而當(dāng)凸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí),從動(dòng)桿 的行程數(shù)為 。 )(wearZero )(levelZero )(wearMeasurable )(wearzeroNon )(Pass )(PassofNumber N l lr /2 二、零

22、磨損計(jì)算與預(yù)測(cè)的基本原理和方法二、零磨損計(jì)算與預(yù)測(cè)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(yàn)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(mǎn)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(rùn)滑狀況。 今把 時(shí)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(chēng)為零磨損因素 。取 來(lái)確 定系數(shù) ,這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)這段時(shí)間,可以更好地顯示磨損的類(lèi)型和特 性。 通過(guò)試驗(yàn)得到的 數(shù)值如下:在流體動(dòng)力潤(rùn)滑條件下為1;在干摩 擦條件下為 ;在邊界潤(rùn)滑條

23、件下可取為 或 (潤(rùn)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(jì)算模型計(jì)算模型 為了使這種方法能在實(shí)際中應(yīng)用,必須導(dǎo)出一個(gè)方程,將 時(shí)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(jì)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(dòng)磨損 和徽動(dòng)腐蝕。因此,與此有關(guān)的一些經(jīng)驗(yàn)方程可外推用于計(jì)算滑動(dòng)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(shí), ,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(jì)算在零磨損條件下,對(duì)應(yīng)于任意預(yù)定行程數(shù)的 允許最大

25、剪應(yīng)力 。這個(gè)方程已對(duì) 的數(shù)值進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證。 它建立了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)與零磨損的聯(lián)系,這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)特性。式(106)的等號(hào)右邊類(lèi)似于材料的疲勞持久極限, 但它并不是材料的無(wú)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(lái)確定的.故可稱(chēng) 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(gè)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(jì)算方法及步驟計(jì)算方法及步驟 根據(jù)式(10-6)預(yù)測(cè)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(jì)算 。 (2)把摩擦副所預(yù)期的工作壽命折算成每個(gè)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(duì)偶件接觸 的相互作用過(guò)程中不卸載的零件,如圖102中的從動(dòng)桿;而后者則是指零件上某一 點(diǎn)在用過(guò)程中同期性承載和卸載的這種零件,如圖102中的凸輪,因?yàn)樵谒砻嫔?的任何

27、一點(diǎn)都是周期性的承載和卸載。承載零件在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的行程數(shù)為: (1010) 式中, 為一個(gè)循環(huán)內(nèi)的摩擦路程;而 是沿滑動(dòng)方向上名義接觸面積的長(zhǎng)度(即一 個(gè)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(guò)試驗(yàn)確定 。 (5) 按式(108)和式(109)進(jìn)行校核。 對(duì)于新設(shè)計(jì)的摩擦副所選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)，它必須滿(mǎn)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(píng)定一項(xiàng)已設(shè)計(jì)出的摩擦副，則必須滿(mǎn) 足式(109)，才能維持零磨損狀態(tài)；否則，要修改設(shè)計(jì)，并重新計(jì)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(jì)算實(shí)例計(jì)算實(shí)例 將零磨損計(jì)算法用于設(shè)計(jì)圖102所示的一對(duì)鋼對(duì)鋼的運(yùn)動(dòng) 副凸輪和從動(dòng)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(yùn)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(dòng)方向的行程 為 。 由于從動(dòng)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(dòng)順行程 。 今假設(shè) ,而凸輪與從動(dòng)桿的剪切屈服極限的數(shù)值分別 為: 和 。將這兩個(gè)數(shù)值代入（10 7），即可算出從動(dòng)桿和凸輪的磨損持久極限的數(shù)值如下： 從動(dòng)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(gè)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(jì) 的凸輪及從動(dòng)桿均符合要求。 mmR51 三、可測(cè)磨損計(jì)算及預(yù)測(cè)的基本原理和方法三、可測(cè)磨損計(jì)算及預(yù)測(cè)的基本原理和方法 通常，按零磨損設(shè)計(jì)是保守的，因?yàn)樵S多機(jī)構(gòu)的磨損量超過(guò)零磨損的數(shù)量后 仍能有效地工作。因此，可測(cè)磨損計(jì)算及預(yù)測(cè)的任務(wù)則是針對(duì)另一種情況，即摩 擦副中一個(gè)零件的磨損量超

30、過(guò)表面粗糙度的大小，而另一個(gè)仍維持在表面粗糙度 的數(shù)量級(jí)之內(nèi)。 1.計(jì)算模型計(jì)算模型 在零磨損計(jì)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(cè)磨損計(jì)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(cè)磨損計(jì)箅模型的基本 前提是:可測(cè)磨損是在一個(gè)行程中,磨損消耗的能量 和滑動(dòng)行程數(shù) 這兩個(gè)變量的 函數(shù),因此,可測(cè)磨損計(jì)算是建立在能量的基礎(chǔ)上。 于是,其計(jì)算模型可用下列微分方程表示: (10-11) 式中, 是可測(cè)磨損量,即單位滑動(dòng)距離的體積磨損。 按照一個(gè)行程內(nèi)磨損消耗的能量變化與否,可測(cè)磨損可分為兩種類(lèi)型,即:能耗 不變的可測(cè)磨損,稱(chēng)為 型磨損;能耗改變的可測(cè)磨損,稱(chēng)為 型磨損。 E

31、 N Q A B dN N Q dE E Q dQ)()( (1) 型磨損 這類(lèi)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(dòng)距離 隨著磨損而改變。此時(shí), 是常數(shù),由式(1011)可 得其計(jì)算模型: (1012) 對(duì)于給定的摩擦學(xué)系統(tǒng),上式中的 是常數(shù),但它也會(huì)隨材料性質(zhì)和環(huán)境條件 而改變。這類(lèi)計(jì)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(lèi)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(jì)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(lèi)計(jì)算模型適用于潤(rùn)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(duì)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(duì)磨損進(jìn)行計(jì)算與預(yù)測(cè)。 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(jì)算方法計(jì)算方法 現(xiàn)引入允許負(fù)荷的概念,即在確定設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí),應(yīng)使其實(shí)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(lèi)零件的

33、允 許負(fù)荷;允許產(chǎn)生可測(cè)磨損的另一類(lèi)零件的允許負(fù)荷。 對(duì)于產(chǎn)生可測(cè)磨損的零件,其磨損應(yīng)遵循下列方程: (1016) 式中: 經(jīng)過(guò) 次運(yùn)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(yùn)行次數(shù),它應(yīng)不小于反映零磨損壽命的運(yùn)行次數(shù) ; 指數(shù),取決于表面幾何特性、運(yùn)動(dòng)方式和磨損形式。 為了確定可測(cè)磨損的允許負(fù)荷,可認(rèn)為 和 是巳知的。因 此,設(shè)計(jì)的任務(wù)就是要找到一組設(shè)計(jì)參數(shù),使實(shí)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(jì)參數(shù)有關(guān),并具有與零磨損 計(jì)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(wú)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(yùn)動(dòng)方式的常數(shù)。 于是,設(shè)計(jì)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(jiàn),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(jì)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(guò),本節(jié)主要 介紹它在摩擦學(xué)設(shè)計(jì)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(gè)方面，而其中最主要的 是以下兩個(gè)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(duì)于某一種磨損類(lèi)型來(lái)說(shuō),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(lèi)型與磨損機(jī)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(shí)際磨損系數(shù)的數(shù)值確定摩擦副的磨損類(lèi)型和磨損機(jī)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(jì)的一種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,即允許磨損系數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 2.允許磨損系數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則允許磨損系數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 允許磨損系數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是:摩擦副設(shè)計(jì)的最大計(jì)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(jì)的摩擦副預(yù)期的磨損類(lèi)型以及 材料匹配和工作表面潤(rùn)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(jì)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(dòng)速度; 工作時(shí)間。 將設(shè)計(jì)參數(shù)和預(yù)期的工作壽命以及允許磨損量代入式(1022), 計(jì)算出 ,并與 進(jìn)行比較,如不能滿(mǎn)足式(1021),則必須重新修 改設(shè)計(jì)參數(shù),或選擇更有效的材料和潤(rùn)滑劑的組合(包括重新設(shè)計(jì)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(jī)理圖磨損機(jī)理圖) 磨損圖 也稱(chēng)磨損機(jī)理圖 。它是針 對(duì)某種材料的摩擦副,在綜合理論模型和大量磨損試驗(yàn)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(jī) 理。制作這種磨損圖的理論依據(jù)是:滑動(dòng)磨損主要受應(yīng)力和溫升的影響。它是以?xún)?個(gè)經(jīng)過(guò)規(guī)范化處理的無(wú)因次量,即滑動(dòng)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(dòng)速度 (滑動(dòng)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(lèi)型劃分為不同的區(qū)域(在該區(qū)內(nèi),某種 磨損機(jī)理起主導(dǎo)作用)。每個(gè)區(qū)域都標(biāo)明了名義磨損率（即體積磨損量與滑動(dòng)距 離和名義接觸面積乘積之比）的等值線（圖104中細(xì)實(shí)線）。 磨損圖比較直觀地建立了主要工作參數(shù)與磨損類(lèi)型和磨損機(jī)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(lèi)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(duì)磨損的影響。因此,它是摩擦 學(xué)設(shè)計(jì)裉有用的一種設(shè)計(jì)依據(jù)。但是,必須通過(guò)大量的試驗(yàn)建立各種材料的磨損圖, 才能使之進(jìn)入摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)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(jì) 一、基本原則一、基本原則 在開(kāi)始進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),就應(yīng)對(duì)產(chǎn)品可能出現(xiàn)的磨損問(wèn)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(shí),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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)直接接觸避免摩擦表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)直接接觸 這是在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常采用的一種方法,以長(zhǎng)期保持機(jī)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(dòng)時(shí),應(yīng)先放松夾 緊機(jī)構(gòu),使主軸箱有少許下降, 與導(dǎo)軌脫離接觸。此時(shí),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(jī)械式或液壓 式卸載的方法來(lái)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(guò)修緣的鼓形齒(圖106), 當(dāng)傳遞載荷時(shí),輪齒首先由齒寬中部開(kāi)始接觸, 然后擴(kuò)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(shí)現(xiàn)楔形油膜的結(jié)構(gòu)。 (3)來(lái)用調(diào)心結(jié)構(gòu)。一般長(zhǎng)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(guò)濾裝量,防止塵土 等外界磨料進(jìn)入摩擦表

42、面。 (2)用過(guò)濾器控制潤(rùn)滑液的污染,以防止機(jī)器磨損。 4.磨損轉(zhuǎn)移原則或等壽命設(shè)計(jì)原則磨損轉(zhuǎn)移原則或等壽命設(shè)計(jì)原則 對(duì)于一對(duì)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(gè)易于更換、成本較低的不重 要的零件上,例如,發(fā)動(dòng)機(jī)中的汽缸套卜活塞環(huán)這對(duì)摩擦副中的活塞 環(huán)就屬于這類(lèi)零件。另外,在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的易損 件數(shù)量與位置的設(shè)計(jì)也應(yīng)遵循磨損轉(zhuǎn)移原則。 但是,如果在一個(gè)摩擦學(xué)系統(tǒng)中,有某幾個(gè)零件的重要性相近,則 宜采用等壽命設(shè)計(jì)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(duì)于軸轂聯(lián)結(jié),在可能條件下,應(yīng)以粘接取代過(guò)盈配合聯(lián)結(jié)或 鍵聯(lián)結(jié); (4)對(duì)于有電化學(xué)勢(shì)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(bǔ)償與調(diào)節(jié)二、磨損的補(bǔ)償與調(diào)節(jié) 當(dāng)無(wú)法避