磨損理論的發(fā)展課件

1、齒輪磨損修復(fù)及機(jī)器人仿真-機(jī)械設(shè)計(jì)及理論-趙鑫一、選題的意義 磨損的現(xiàn)象是人盡皆知的，兩個(gè)相互接觸或者是相互運(yùn)動(dòng)的物體，都會(huì)有不同程度的摩擦發(fā)生，有摩擦發(fā)生就會(huì)有磨損現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)數(shù)據(jù)的顯示，將近于一半的能源消耗與摩擦和磨損。據(jù)美國(guó)1975年統(tǒng)計(jì)，美國(guó)由于腐蝕與磨損而造成的損失每年高達(dá)700億美元。英國(guó)1966年著名的約斯特報(bào)告稱“英國(guó)由于磨損而造成的損失高達(dá)600億英鎊”。同樣，中國(guó)每年用于金屬表面處理的維修費(fèi)用，也是十分驚人的。這些損失的形成，45%為磨損，23%為腐蝕，14%為熱損壞，18%為其它。從這些比例可以看出，鋼鐵企業(yè)內(nèi)由于磨損、腐蝕、熱損壞等表面破壞比例是相當(dāng)大的，因此，世界各

2、國(guó)各行業(yè)對(duì)工件的表面處理、強(qiáng)化及修復(fù)工藝相當(dāng)重視。 一、選題的意義 機(jī)械傳動(dòng)中的齒輪直徑達(dá)數(shù)米以上，例如武鋼軋板廠四輥軋機(jī)，軋機(jī)主傳動(dòng)經(jīng)傳動(dòng)箱人字齒輪軸分配，整體外形尺寸為長(zhǎng)5335mm、寬1900mm、高3000mm。這樣的齒輪軸按照當(dāng)年的造價(jià)，直接制造費(fèi)用為260萬(wàn)元以上，可謂是天價(jià)。采用技術(shù)修復(fù)的總費(fèi)用為33萬(wàn)元，創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益為220萬(wàn)元以上。這樣的例子是舉不勝數(shù)，水利、水電、冶金、礦山等行業(yè)的一些重要設(shè)備零件特別是大型齒輪處，由于其載荷大、受力狀況復(fù)雜、潤(rùn)滑狀況不好、工作環(huán)境惡劣，齒輪表面的磨損更是嚴(yán)重，有時(shí)候就是往往因?yàn)橐粋€(gè)齒的磨損或斷裂就造成了整個(gè)零件的報(bào)廢甚至是整套設(shè)備的癱瘓，

3、這其中的經(jīng)濟(jì)損失是我們難以預(yù)料的。 一、選題的意義 該課題的研究就是基于上述的主要原因而提出的，該項(xiàng)目的提出即符合了國(guó)家節(jié)能減排的方針要求，又滿足了工廠的生產(chǎn)利益要求，可謂是一舉多得。二 、 國(guó)內(nèi)外研究綜述 磨損理論的研究開(kāi)始的相對(duì)較晚，20世紀(jì)50年代初期，美國(guó)的科學(xué)家阿查德，提出了粘著磨損的理論，該理論認(rèn)為，摩擦副表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于粘著效應(yīng)使粘著結(jié)點(diǎn)剪切斷裂，從而造成材料上有許多微體積脫落。阿查德假定磨粒為半球形，其半徑等于接觸斑點(diǎn)的半徑，并由此建立磨損計(jì)算公式。該公式至今仍是磨損研究領(lǐng)域的經(jīng)典公式之一，被廣泛地應(yīng)用于摩擦副的分析和計(jì)算中。 1957年，前蘇聯(lián)的H.B.克拉蓋爾斯基提出了

4、固體疲勞磨損理論，該理論認(rèn)為，一個(gè)物體的摩擦面發(fā)生了破壞，必須多次施加摩擦，這些作用的次數(shù)可根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)在定量上加以表示。并根據(jù)這一理論對(duì)許多摩擦副，如齒輪傳動(dòng)、凸輪機(jī)構(gòu)、汽車輪胎等建立工程用的磨損計(jì)算方法。 二 、 國(guó)內(nèi)外研究綜述 20世紀(jì)70年代初期，Sun提出了金屬剝削層理論，該理論認(rèn)為在摩擦過(guò)程中，剪切變形不斷積累，是表面下一定深度出現(xiàn)位錯(cuò)堆積，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋或空穴，由于平行表面的正應(yīng)力組織裂紋向正方向延伸，使得裂紋在一定深度沿平行表面的方向擴(kuò)展最終導(dǎo)致片狀磨屑的生成。該理論已被證實(shí)是比較完整的一種磨損理論，可以解釋許多磨損現(xiàn)象。 同年，F(xiàn)leisher最先提出能量磨損理論。該理論認(rèn)為，

5、為了使磨粒脫落，必須使材料的一定體積內(nèi)累積一定的內(nèi)能。當(dāng)能量達(dá)到臨界值時(shí)，該體積內(nèi)材料會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)或形成裂紋，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的臨界循環(huán)作用后，則磨粒發(fā)生脫落。三、齒輪磨損概述 齒輪磨損的概述主要討論齒輪的實(shí)效形式，齒輪的失效形式一般有：齒面磨損，齒面點(diǎn)蝕，齒面膠合，齒面塑性變形和齒輪折斷。 1. 齒面磨損有磨粒磨損和跑合磨損兩種。 在齒輪傳動(dòng)中，隨著工作環(huán)境的不同，齒面問(wèn)存在多種形式的磨損情況。當(dāng)齒面間落人鐵屑、砂粒、非金屬物等磨粒性物質(zhì)或粗糙齒面的摩擦?xí)r，都會(huì)發(fā)生磨粒磨損。齒面磨損后，引起齒廓變形，產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊和噪聲，磨損嚴(yán)霞時(shí)，由于齒厚過(guò)薄而可能發(fā)生輪齒折斷。磨粒磨損是開(kāi)式齒輪傳動(dòng)的主要

6、失效形式。三、齒輪磨損概述 2. 齒面點(diǎn)蝕 由于齒面接觸應(yīng)力是接脈動(dòng)循環(huán)變化的(其工作表面上任一點(diǎn)產(chǎn)生的接觸應(yīng)力系由零增加到一最大值)，應(yīng)力經(jīng)多次反復(fù)后，輪齒表層下一定深度產(chǎn)生裂紋。裂紋逐漸發(fā)展擴(kuò)大導(dǎo)致輪齒表面出現(xiàn)疲勞裂紋。疲勞裂紋擴(kuò)展的結(jié)果是使齒面金屬脫落而形成麻點(diǎn)狀凹坑這種現(xiàn)象就稱為齒面疲勞點(diǎn)蝕。發(fā)生點(diǎn)蝕后，齒廓形狀遭破壞，傳動(dòng)的平穩(wěn)性受影響并產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，以至于齒輪不能正常jr作而使傳動(dòng)失效。三、齒輪磨損概述 3. 齒面膠合 膠合是比較嚴(yán)重的黏著磨損，一般發(fā)生在齒面相對(duì)滑動(dòng)速度大的齒頂或齒根部位。互相嚙合的輪齒齒面，在一定的溫度或壓力作用下，發(fā)生粘著，隨著齒面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，粘焊金屬被撕脫

7、后，齒面上沿滑動(dòng)方向形成溝痕，這種現(xiàn)象稱為膠合。膠合發(fā)生在I島速重載齒輪傳動(dòng)中，使嚙合點(diǎn)處瞬時(shí)溫度過(guò)高，潤(rùn)滑失效，致使相嚙合兩齒面金屬尖峰直接接觸并相互粘連在一起，造成熱膠合；發(fā)生在重載低速齒輪傳動(dòng)中，不易形成油膜或由于局部偏載使油膜破壞，會(huì)造成冷膠合。齒面一旦出現(xiàn)膠合。不但齒面溫度升高，而且齒輪的振動(dòng)和噪聲也增大，導(dǎo)致失效。三、齒輪磨損概述 4. 齒面塑性變形 塑性變形屬于輪齒永久變形，是由于在過(guò)大的應(yīng)力作用下，輪齒材料處于屈服狀態(tài)而產(chǎn)生的齒面或齒體塑性流動(dòng)所形成的。當(dāng)輪齒材料較軟，載荷很大時(shí)，輪齒在嚙合過(guò)程中，齒面油膜被破壞。摩壤力增大，而塑性流動(dòng)方向和齒面所受摩擦力的方向一致，齒面表層的

8、材料就會(huì)沿著摩擦力的方向產(chǎn)生塑性變形。齒面翅性變形常發(fā)生在齒面材料較軟、低速霞載的傳動(dòng)中。常出現(xiàn)在低速重載，頻繁啟動(dòng)和過(guò)載傳動(dòng)中。主動(dòng)輪齒上所受摩擦力是背離節(jié)線分別朝向齒頂及齒根作用的，故產(chǎn)生翅性變形后。齒面沿節(jié)線處變成凹槽。從動(dòng)輪齒上所受的摩擦力方向則相反，塑性變形后，齒面沿節(jié)線處形成凸脊。三、齒輪磨損概述 5 輪齒折斷 齒輪折斷有多種形式，在正常情況下有以下兩種： 1）過(guò)載折斷，因短時(shí)過(guò)載或沖擊載荷而產(chǎn)生的折斷，過(guò)載折斷的斷口一般都在齒根位，斷口比較平直而且有比較粗糙的特性。 2）疲勞折斷，齒輪在工作過(guò)程中，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過(guò)渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中，

9、當(dāng)齒輪重復(fù)受載后，齒根處就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋并逐步擴(kuò)展，致使輪齒疲勞折斷，齒面較小的直齒輪常發(fā)生全齒折斷。齒面較大的直齒輪，因制造裝配誤差易產(chǎn)生載荷偏置一端，導(dǎo)致局部折斷；斜齒輪和人字齒齒輪，由于接觸線傾斜，一般是局部齒折斷。 四、齒輪修復(fù)的方法 齒輪磨損失效是生產(chǎn)實(shí)際和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。對(duì)失效齒輪如何恢復(fù)其原有性能，延長(zhǎng)其使用壽命并減少投入，節(jié)約成本一直是人們所關(guān)注的問(wèn)題。下面將目前常用的齒輪磨損失效修復(fù)方法總結(jié)如下： 1、調(diào)整換位法 調(diào)整換位法是將已磨損的齒輪變換方位，利用齒輪未磨損或磨損較輕的另一齒面繼續(xù)工作的方法。采用這種方法的前提是齒輪單向受力運(yùn)轉(zhuǎn)或齒面單面磨損。由于這種方法

10、能以最經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)齒輪的180。翻轉(zhuǎn)，因而在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。四、齒輪修復(fù)的方法 2、變位切削法 變位切削法是將一對(duì)磨損后的齒輪中的大齒輪進(jìn)行負(fù)變位切削，去掉磨損部分，另外更換一個(gè)新的小齒輪與大齒輪相配，從而恢復(fù)齒輪傳動(dòng)性能的修復(fù)方法。采用變位切削法修復(fù)齒輪時(shí)，必須進(jìn)行必要的驗(yàn)算，以確定變位量，防止根切、齒頂變尖、齒形干涉現(xiàn)象。該方法適用于小齒輪磨損嚴(yán)重，大齒輪磨損較輕的情況，可有效地節(jié)約材料，縮短了修復(fù)時(shí)間。 3、堆焊修復(fù)法 堆焊修復(fù)法是用堆焊的方法填補(bǔ)輪齒損壞部位，并進(jìn)行加工處理使其恢復(fù)使用性能的齒輪修復(fù)方法。一般在齒輪發(fā)生嚴(yán)重磨損、嚴(yán)重點(diǎn)蝕或剝落時(shí)使用。采用堆焊修復(fù)法修復(fù)的輪齒，

11、在可能的情況下應(yīng)盡量使其避開(kāi)沖擊載荷，以防止焊料脫落。通常，對(duì)尺寸較大而且重要齒輪的損傷用堆焊法可獲得重大經(jīng)濟(jì)效益，并且還可盡快恢復(fù)生產(chǎn)。四、齒輪修復(fù)的方法 4、刷鍍修復(fù)法 刷鍍修復(fù)法是用吸有鍍液的鍍刷，對(duì)磨損失效的齒輪進(jìn)行電鍍，從而使其恢復(fù)規(guī)定的表面粗糙度的修復(fù)方法。由于鍍層中存在大量超細(xì)晶粒，因而具有強(qiáng)化鍍層，防護(hù)磨損的齒輪表面，提高強(qiáng)度和耐磨性等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)階段將納米顆粒加入到常規(guī)電刷鍍液中，還可以得到性能更加優(yōu)越的納米電刷鍍復(fù)合鍍層。 5、 金屬涂敷法 金屬涂敷法是在磨損后的齒面上涂以金屬粉或合金粉層，再進(jìn)行熱處理或機(jī)械加工，從而使齒輪恢復(fù)到原來(lái)尺寸精度的齒輪修復(fù)方法。該方法不僅適用于模數(shù)

12、較小，不便于用堆焊等工藝進(jìn)行維修的齒輪修復(fù)，而且隨著涂敷技術(shù)的發(fā)展，其在大模數(shù)齒輪修復(fù)上也開(kāi)始應(yīng)用，并可在齒面上獲得高耐磨性及其它特性的覆蓋層。四、齒輪修復(fù)的方法 6 、 腐蝕再生修復(fù)法 腐蝕再生修復(fù)法是利用特殊的潤(rùn)滑油添加劑使磨損失效齒面腐蝕而恢復(fù)原有性能的修復(fù)方法。這種修復(fù)方法可在短時(shí)間內(nèi)消除齒輪表面凸起，使齒面發(fā)生微塑性變形削峰增合，從而有效抑制齒面破壞，提高齒輪的承載能力。適用于尺寸大，傳動(dòng)精度要求不高的齒輪修復(fù)。 7 、 鑲齒修復(fù)法 鑲齒修復(fù)法即在原齒輪的根部開(kāi)一個(gè)燕尾槽鑲?cè)胼嘄X，再用螺釘將輪齒毛坯固定在原齒輪上，并將各螺釘焊成一體，然后加工成所需齒形的方法。一般用于修復(fù)受載不大，個(gè)

13、別齒輪發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的輪齒折斷的情況。對(duì)于嚴(yán)重的齒面磨損，可將失效輪齒鋸掉，再采用鑲齒修復(fù)法。五、課題綜述 齒輪磨損的形式多種多樣，修復(fù)的形式也多種多樣，該課題考慮的是齒輪在正常的磨損下得修復(fù)。 五、課題綜述五、課題綜述五、課題綜述 2、 智能檢測(cè)系統(tǒng) 檢測(cè)系統(tǒng)可以分為兩大類。第一類是通用檢測(cè)系統(tǒng)，以通用檢測(cè)儀器為主，如示波器、萬(wàn)用表；第二類為專用檢測(cè)系統(tǒng)，用于特殊的目的，如醫(yī)療、地震、航空等。智能檢測(cè)系統(tǒng)和所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，有硬件、軟件兩大部分組成。硬件部分主要包括傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、處理芯片、輸入輸出接口與輸出隔離馳動(dòng)電路；軟件部分主要包括系統(tǒng)的各種程序。 在齒輪的磨損試驗(yàn)中測(cè)

14、量磨損量和磨損狀態(tài)的方法有：稱重法，是測(cè)量精度較高的方法，但要有高桿量的分析天平；幾何尺寸或形狀比較法，可以測(cè)量不同磨損程度的齒厚、公法線、基節(jié)等。智能檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)傳感器的變化而產(chǎn)生的電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理送到cpu，經(jīng)過(guò)cpu的處理后的到數(shù)據(jù)。這種檢測(cè)系統(tǒng)要比傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)的精度要高很多。 3 、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量的處理單元組成的非線性大規(guī)模自適應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)，它是在現(xiàn)代神經(jīng)生理科學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。人們對(duì)智能傳感器的認(rèn)識(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展而逐步深入，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，人們更加注重其智能化功能，一個(gè)真正意義上的智能傳感器必須具備學(xué)習(xí)、推理、感知及管理等功能。

15、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)它具有高度非線性描述能力，在實(shí)際的應(yīng)用中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)對(duì)象的輸入和輸出信息，不斷的對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)從輸入?yún)?shù)到輸出參數(shù)的非線性映射，同時(shí)它還可以根據(jù)來(lái)自機(jī)理模型和實(shí)際運(yùn)行對(duì)象的新數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)種類繁多，與智能傳感器系統(tǒng)結(jié)合廣泛應(yīng)用于非線性校正、分類診斷識(shí)別等眾多的領(lǐng)域。 該課題主要是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)齒輪齒面結(jié)構(gòu)尺寸和智能檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量值，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，計(jì)算出齒面輪廓磨損后應(yīng)補(bǔ)償?shù)牧俊?五、課題綜述4 、 針對(duì)每一個(gè)齒面磨損程度不同，進(jìn)行數(shù)控補(bǔ)償 通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出應(yīng)補(bǔ)償?shù)牧?，用CAXA制造工程師生成三維實(shí)體的模型，在制造工程師中我們生成堆焊好的齒輪模型，首先根據(jù)齒輪的標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行銑削加工，然后根據(jù)齒輪表面粗糙度的要求，根據(jù)不同的齒輪要求，我們確定是精加工還是半精加工。這里的關(guān)鍵點(diǎn)包括擴(kuò)加工方式的選取、走刀路線