機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)第七章

機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)第七章第一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第七章機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的幾個(gè)主要技術(shù)問(wèn)題第一節(jié)機(jī)械疲勞設(shè)計(jì)一、疲勞破壞的機(jī)制和特點(diǎn)1、概念1）疲勞：材料或零件在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后，產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過(guò)程稱為疲勞。第二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2）交變應(yīng)力或交變應(yīng)變：對(duì)于疲勞問(wèn)題，由于構(gòu)件受到載荷值隨時(shí)間變化的交變載荷作用，使零件的材料內(nèi)部產(chǎn)生隨時(shí)間變化的內(nèi)力分布或變形分布，稱之為交變應(yīng)力或交變應(yīng)變。3）疲勞失效：在交變應(yīng)力與交變應(yīng)變的作用下．構(gòu)件因發(fā)生疲勞破壞而使其喪失正常工作性能的現(xiàn)象稱之為疲勞失效；4）疲勞強(qiáng)度：試件抵抗疲勞失效的能力稱之為材料的疲勞強(qiáng)度。衡量材料或結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度大小的指標(biāo)之一是“疲勞強(qiáng)度極限”，簡(jiǎn)稱“疲勞極限”。第三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2、疲勞破壞機(jī)理疲勞破壞一般可分為三個(gè)階段：

(1)疲勞裂紋萌生由局部塑件應(yīng)變集中引起，有三種常見的裂紋萌生方式：滑移帶開裂；晶界和孿晶界開裂；夾雜物或第二相與基體的界面開裂。

如：滑移帶開裂的過(guò)程是出現(xiàn)滑移線，在循環(huán)載荷作用下，隨著載荷作用次數(shù)的增加，滑移線不斷增多和變粗而形成滑移帶和駐留滑移帶?；平Y(jié)果，在駐留滑移帶上形成“擠入”或“擠出”現(xiàn)象，在繼續(xù)循環(huán)加載的情況下．?dāng)D入部分向滑移帶縱深發(fā)展，從而形成疲勞微裂紋。如圖7—2示。第四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(2)疲勞裂紋的擴(kuò)展。疲勞裂紋擴(kuò)展分為兩個(gè)階段：當(dāng)疲勞裂紋在滑移帶上萌生之后，首先沿著滑移帶的主滑移面向著金屬內(nèi)部延伸，此滑移面取向與正應(yīng)力大致成45°角的滑移面擴(kuò)展。裂紋沿著最大切應(yīng)力方向的滑移面擴(kuò)展稱為疲勞裂紋第一擴(kuò)展階段。該階段擴(kuò)展的深度很淺，大約有幾十個(gè)微米長(zhǎng)度，其范圍在2~5個(gè)晶粒之內(nèi)。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到幾個(gè)晶?；驇资畟€(gè)晶粒深度之后，裂紋擴(kuò)展方向開始由應(yīng)力呈45°方向逐漸轉(zhuǎn)向與應(yīng)力成垂直的方向，這種拉伸形式的擴(kuò)展稱為第二階段裂紋擴(kuò)展，如圖7-1示。第五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(3)失穩(wěn)斷裂損傷逐漸積累到臨界值時(shí)，即發(fā)生瞬間的斷裂破壞。疲勞破壞的斷口如圖7—2。第六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3、疲勞破壞有如下特點(diǎn)：1）疲勞斷裂應(yīng)力(即循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)力)遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的抗拉極限σb低，甚至比材料的屈服極限σs低很多情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。2）不論是脆性材料或塑性材料；疲勞斷裂在宏觀上均表現(xiàn)為無(wú)明顯塑性變形的突然脆性斷裂。3）疲勞破壞是在循環(huán)應(yīng)力多次重復(fù)作用下產(chǎn)生的，因而要經(jīng)歷一定的時(shí)間，甚至很長(zhǎng)時(shí)間。4）材料或零部件，對(duì)疲勞載荷遠(yuǎn)比靜載荷敏感很多，其疲勞抗力不僅決定于材料本身，而且還敏感地決定于零件形狀、尺寸、表面狀態(tài)、工作條件和所處環(huán)境等。第七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日5）在疲勞破壞的宏觀斷口上，有著不同于其他破壞斷口的顯著特點(diǎn)，即有疲勞源(或稱疲勞核心)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，如圖7—2所示。疲勞源：是疲勞破壞的起點(diǎn)，多發(fā)生于零件表面；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)：是疲勞斷口最重要的特征區(qū)域，在該區(qū)域中，常見到明顯的相互平行的弧形線，稱貝紋線或海灘波紋線；瞬斷區(qū)：也稱最終破斷區(qū)。這是靜力破斷部分。該區(qū)面積大小決定于最大應(yīng)力。對(duì)塑性材料該區(qū)呈纖維狀，對(duì)脆性材料呈粗結(jié)晶狀。往往還具有尖銳的唇邊、刃口等。第八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日二、載荷類型掌握載荷的變化情況，是研究疲勞強(qiáng)度的先決條件，按照交變應(yīng)力的特征，可分為：對(duì)稱循環(huán)、脈動(dòng)循環(huán)、不對(duì)稱循環(huán)(應(yīng)力比r)。第九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日三、疲勞曲線、疲勞極限

1．疲勞曲線（S—N曲線）材料在疲勞失效以前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命，以N表示。一般情況下，材料的強(qiáng)度極限愈高，外加應(yīng)力水平愈低，試樣的疲勞壽命愈長(zhǎng)；反之，疲勞壽命愈短。S一N曲線：表示外加應(yīng)力水平和標(biāo)推試樣疲勞壽命之關(guān)系的曲線，稱為材料的S一N曲線。第十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7—4表示典型的S一N曲線。圖中曲線有一水平部分，表示材料經(jīng)無(wú)數(shù)次循環(huán)而不破壞，與此相應(yīng)的最大應(yīng)力表示光滑試樣的疲勞極限，用σ-1表示。結(jié)構(gòu)鋼的S一N曲線都有一水平的漸近線，其縱坐標(biāo)就是其疲勞極限σ-1。在一組標(biāo)準(zhǔn)試件上施加不同載荷F，使試件承受應(yīng)力比r為某值。最大應(yīng)力為σmax

的交變應(yīng)力作用，將試樣旋轉(zhuǎn)直到疲勞破壞為止，并記錄循環(huán)次數(shù)N。第十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日如將S—N曲線的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)都取成對(duì)數(shù)，則S一N曲線就成為一條斜直線和一條水平線組成的折線。如圖7-5所示。圖中斜直線的方程為：式中m和c是材料常數(shù)，與材料性質(zhì)，試樣形式和加載方式有關(guān)。兩條直線的交點(diǎn)N0稱為循環(huán)基數(shù)。鋼的N0約為107。兩直線交點(diǎn)的縱坐標(biāo)就是疲勞極限σ-1。第十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2.疲勞極限的經(jīng)驗(yàn)公式當(dāng)材料的疲勞極限沒有給出時(shí)，只能根據(jù)材料的靜強(qiáng)度機(jī)械性能來(lái)近似計(jì)算、表7—l中列出材料的疲勞極限與靜強(qiáng)度的關(guān)系。第十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3.疲勞極限圖(疲勞圖)在各種循環(huán)應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，可以測(cè)得一系列疲勞極限σr，選取一定坐標(biāo)給出的曲線稱為疲勞曲線圖。常用的疲勞曲線圖有兩種、即海夫因和史密斯圖，這里重點(diǎn)介紹海夫因。把不同的應(yīng)力比r下試驗(yàn)得到的疲勞極限，畫在一張圖上，該圖叫疲勞極限圖第十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日四、影響疲勞強(qiáng)度的因素影響機(jī)械零部件疲勞強(qiáng)度的因素很多。可以歸納為四個(gè)方面：一是材料本身的化學(xué)成分、金相組織及內(nèi)部缺陷等；二是零件的形狀、尺寸和表面狀況等；三是工作載荷的特性；四是工作環(huán)境及條件等。本節(jié)只討論在常規(guī)工作條件下的主要影響因素：零件形狀、尺寸、表面狀況等對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。第十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日1．應(yīng)力集中的影響在機(jī)械零件中，由于結(jié)構(gòu)上的要求，一般都存在有槽溝、軸肩、孔、拐角，切口等截面變化。這些外形突然變化和材料不連續(xù)地方，常產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力，即稱應(yīng)力集中。在抗疲勞設(shè)計(jì)中，為計(jì)算應(yīng)力集中的影響，引入了理論應(yīng)力集中系數(shù)α。其定義為：在彈性變形范圍內(nèi)材料的局部應(yīng)力峰值與名義應(yīng)力值之比稱理論應(yīng)力集中系數(shù)，即：第十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日用理論應(yīng)力集中系數(shù)不能直接判斷局部應(yīng)力使疲勞強(qiáng)度降低多少，因?yàn)樵诓煌牧现杏胁煌谋憩F(xiàn)。常用有效應(yīng)力集中系數(shù)K 來(lái)表示疲勞強(qiáng)度的真正降低程度。即：第十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2．尺寸效應(yīng)當(dāng)其它條件相同時(shí)，零件截面尺寸愈大．其疲勞極限也愈低。這是由于尺寸大時(shí)，材料晶粒粗，出現(xiàn)缺陷的概率高和表面冷作硬化層相對(duì)薄等。截面絕對(duì)尺寸對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響可用尺寸系數(shù)ε表示，ε定義為直徑為d的試件疲勞極限σ-1d與直徑為d0＝(6~10)mm試件的疲勞極限σ-1d0

的比值，即ε=σ-1d/σ-1d0

3．表面狀態(tài)的影響表面強(qiáng)化可提高疲勞強(qiáng)度，而表面粗糙會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。表面狀態(tài)對(duì)疲勞的影響可用表面狀態(tài)系數(shù)β表示β=σ-1β/σ-1σ-1β——某種表面狀態(tài)下的疲勞極限；σ-1——精拋光和未強(qiáng)化試件的疲勞極限。第十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

五、疲勞設(shè)計(jì)現(xiàn)行的疲勞設(shè)計(jì)法主要有以下幾種：

1．名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法以名義應(yīng)力為基本設(shè)計(jì)參數(shù)，以S—N曲線為主要設(shè)計(jì)依據(jù)的疲勞設(shè)計(jì)方法稱為名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法。這種設(shè)計(jì)方法歷史最悠久，也稱為常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)法。根據(jù)設(shè)計(jì)壽命的不同，這種設(shè)計(jì)方法又可分為無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法與有限壽命設(shè)計(jì)法：(1)無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法要求零件在無(wú)限長(zhǎng)的使用期限內(nèi)不破壞，主要的設(shè)計(jì)依據(jù)是疲勞極限，也就是S—N曲線的水平部分。(2)有限壽命設(shè)計(jì)法要求零件在一定的使用期限內(nèi)不破壞，其主要設(shè)計(jì)依據(jù)是S—N曲線的斜線部分。這種設(shè)計(jì)方法常稱為安全壽命設(shè)計(jì)法。第十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2.局部應(yīng)力應(yīng)變分析法局部應(yīng)力應(yīng)變分析法是在低周疲勞的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種疲勞壽命估算方法，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)為應(yīng)變集中處的局部應(yīng)變和局部應(yīng)力。

3．損傷容限設(shè)計(jì)法損傷容限設(shè)計(jì)法是在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種疲勞設(shè)計(jì)方法。其設(shè)計(jì)思想以承認(rèn)材料內(nèi)有初始缺陷為前提，并把這種初始缺陷看作裂紋，根據(jù)材料在使用載荷下的裂紋擴(kuò)展性質(zhì)，估算其剩余壽命。這種方法的思路是，零件內(nèi)具有裂紋是不可避免也并不可伯，只要正確估算其剩余壽命．采取適當(dāng)?shù)臄嗔芽刂拼胧?，確保零件在使用期限內(nèi)能夠安全使用，則這樣的裂紋是允許存在的。第二十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日4.疲勞可靠性設(shè)計(jì)疲勞可靠性設(shè)計(jì)是概率統(tǒng)計(jì)方法和疲勞設(shè)計(jì)方法相結(jié)合的產(chǎn)物，因此也稱為概率疲勞設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法考慮了載荷、材料疲勞性能和其它疲勞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分散性，可以把破壞概率限制在一定的范圍之內(nèi)，因此其設(shè)計(jì)精度比其它疲勞設(shè)計(jì)方法為高。從原則上來(lái)說(shuō)，上述三種疲將設(shè)計(jì)方法都可以應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行疲勞可靠性設(shè)計(jì)，但目前用得最多和最成熟的是無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法。第二十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)一般可分為兩個(gè)階段：

1)疲勞計(jì)算。根據(jù)材料的疲勞數(shù)據(jù)和零件的使用條件，對(duì)零件的尺寸進(jìn)行計(jì)算，或在靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，零件的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。

2)疲勞試驗(yàn)。疲勞計(jì)算只能對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度或壽命進(jìn)行粗略估算,精確確定零件的疲勞壽命還主要是靠疲勞試驗(yàn)的方法。

1．無(wú)限壽命設(shè)計(jì)在使用該種設(shè)計(jì)方法時(shí)，常是先用靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定出零件尺寸，再進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。第二十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日（2）在非對(duì)稱循環(huán)下，當(dāng)應(yīng)力比r保持不變時(shí)，強(qiáng)度條件為：(1)在對(duì)稱循環(huán)下，按下述強(qiáng)度條件確定零件尺寸或驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度:第二十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日（3）在非對(duì)稱循環(huán)下，平均應(yīng)力σm保持不變，應(yīng)用時(shí)要滿足以下兩式：式中：na—應(yīng)力幅安全系數(shù)。對(duì)于切應(yīng)力．可仿照以上各式并以τ代換σ即可。第二十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2．安全壽命設(shè)計(jì)對(duì)于變幅應(yīng)力，按一定的累積損傷理論進(jìn)行壽命估算，對(duì)小于疲勞極限σr的應(yīng)力，可認(rèn)為對(duì)疲勞強(qiáng)度無(wú)影響．計(jì)算時(shí)可不予考慮。按線性損傷理論有：第二十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日六、低周疲勞1、概念:在循環(huán)加載過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力水平很高，應(yīng)力蜂值σmax接近或高于屈服強(qiáng)度而進(jìn)入塑性區(qū)時(shí),每一應(yīng)力循環(huán)有少量塑性變形，呈現(xiàn)σ—ε滯后回線，以至循環(huán)次數(shù)很低時(shí)就產(chǎn)生疲勞破壞。用應(yīng)力很難描述實(shí)際壽命的變化，因而改用應(yīng)變來(lái)描述。用△ε為縱坐標(biāo)，用破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)Nf為橫坐標(biāo)繪制低周疲勞曲線。因其控制因素是塑性應(yīng)變幅，故稱之為應(yīng)變疲勞。承受高應(yīng)力水平的交變載荷的結(jié)構(gòu)如壓力容器、汽輪機(jī)殼體、炮筒、飛機(jī)的起落架等，應(yīng)當(dāng)考慮低周疲勞的問(wèn)題。第二十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2、特點(diǎn)：1）應(yīng)力水平高。σmax≥σs2）循環(huán)次數(shù)少。N≤1033）應(yīng)變?cè)谄谄茐闹衅鹬饕饔?/p>

4）斷裂壽命的變化對(duì)循環(huán)應(yīng)力的高低已不敏感。第二十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3、△ε-N曲線圖7-6為一些材料的低周疲勞△ε-N曲線，與S-N曲線不同，這里的各條曲線的斜率很陡。破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)Nf第二十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日總應(yīng)變幅△εT由彈性應(yīng)變幅△εe和塑性應(yīng)變幅△εp組成。△εT=△εe+△εp從實(shí)驗(yàn)得到彈性應(yīng)變幅為:第二十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日——式7-14稱為曼森—科芬方程第三十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

由圖7-7：直線①是塑性應(yīng)變幅與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，直線②是彈性應(yīng)變幅與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，兩直線交于P點(diǎn)，P點(diǎn)是低、高周疲勞的分界點(diǎn)，2Nt為過(guò)渡壽命。根據(jù)式(7-l4)可得圖7-7對(duì)稱循環(huán)全應(yīng)變幅與循環(huán)次數(shù)曲線(對(duì)數(shù)坐標(biāo))。lg2Nt第三十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日4、疲勞試驗(yàn)曲線的獲得只要有4個(gè)點(diǎn)即可確定△εe-N和△εp-N兩條直線，而不需去做大量疲勞試驗(yàn)。四點(diǎn)作圖法如圖7-13所示。P1——對(duì)應(yīng)于1/4(1g1/4=-0.6)循環(huán)(即一次拉伸至破壞)的應(yīng)變幅度的彈性分量：△εe

＝2.5(σf／E)P2——對(duì)應(yīng)于105次循環(huán)的應(yīng)變幅度的彈性分量△εe

＝0.9(σb／E)連接P1與P2兩點(diǎn)，即得△εe—N曲線2。第三十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第三十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

用上述四點(diǎn)法求出的材料應(yīng)變—壽命曲線，適合于碳鋼、合金鋼、鋁、鈦等幾乎所有金屬材料。通過(guò)整理29種材料的疲勞試驗(yàn)結(jié)果得到：該式的斜率對(duì)多種材料通用。故又稱該法為通用斜率法。T第三十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日5、材料的選用原則分析如圖7-8：當(dāng)2Nf＜2Nt時(shí)為低周疲勞，材料塑性應(yīng)變（塑性應(yīng)變幅△εp）起主導(dǎo)作用。高塑性材料表現(xiàn)出高的低周疲勞斷裂抗力，所以在滿足強(qiáng)度的要求下宜采用高塑性材料；當(dāng)2Nf＞2Nt時(shí)為高周疲勞，材料的彈性應(yīng)變（彈性應(yīng)變幅△εe）起主導(dǎo)作用。高強(qiáng)度材料表現(xiàn)出高的高周疲勞斷裂抗力，宜采用高強(qiáng)度材料。

2Nt一般為3×103次。第三十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日七、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)簡(jiǎn)介影響零件疲勞強(qiáng)度的因素不僅與材料成分、組織結(jié)構(gòu)、熱處理和冷加工規(guī)范、試驗(yàn)溫度等有關(guān)．而且與試件(或零件)尺寸、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力集中、試件表面狀況、表面粗糙度、試驗(yàn)介質(zhì)、與其它零件的相互配合等有關(guān)。由于上述影響因素的隨機(jī)性，致使測(cè)出的疲勞特性(疲勞極限、S-N曲線和疲勞壽命)呈離散性分布，更增加了零件疲勞強(qiáng)度的復(fù)雜程度。為了提高零件的使用壽命，不僅要進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，還要對(duì)重要機(jī)械的零件、部件直至整機(jī)作結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)。第三十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日1．結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的基本類型與特點(diǎn)一般機(jī)械零件的疲勞試驗(yàn)分為零件疲勞試驗(yàn)、模擬疲勞試驗(yàn)和整機(jī)疲勞試驗(yàn)三類。

(1)零件疲勞試驗(yàn)零件疲勞試驗(yàn)是驗(yàn)證零件結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)質(zhì)量能否滿足使用強(qiáng)度要求的有效手段，同時(shí)也可利用所得數(shù)據(jù)充實(shí)和修正疲勞設(shè)計(jì)理論。在進(jìn)行零件疲勞試驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)做好試驗(yàn)規(guī)范、加載方案和加載參數(shù)的選擇等問(wèn)題。第三十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(2)模擬試驗(yàn)大型機(jī)械零件的實(shí)物疲勞試驗(yàn)，往往因加載設(shè)備和場(chǎng)地條件等限制而無(wú)法進(jìn)行。為此，常采用幾何相似模擬或局部應(yīng)力場(chǎng)模擬試驗(yàn)的方法。

3)整機(jī)疲勞試驗(yàn)對(duì)于待別重要的機(jī)械和批量較大的機(jī)械，為了確保機(jī)械的可靠件，還必須在零件疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上再作整機(jī)疲勞試驗(yàn)。這種試驗(yàn)可彌補(bǔ)因設(shè)計(jì)載荷確定誤差、環(huán)境、運(yùn)動(dòng)件接觸腐蝕等給零件壽命帶來(lái)的影響．得出更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。但是，這種試驗(yàn)的費(fèi)用較昂貴，應(yīng)慎重選用。第三十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2．試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)處理由于結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度影響因素的隨機(jī)性，致使疲勞試驗(yàn)結(jié)果呈離散分布，為了以少量試件的試驗(yàn)結(jié)果報(bào)知整批同樣零件的疲勞特性，一般均采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法處理結(jié)果數(shù)據(jù)，具體方法可參閱有關(guān)資料。第三十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日八、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)外許多機(jī)械產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用疲勞設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，疲勞設(shè)計(jì)已由過(guò)去的名義應(yīng)力設(shè)計(jì)發(fā)展到局部應(yīng)力應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)疲勞壽命的階段，在斷裂力學(xué)研究的基礎(chǔ)上又發(fā)展了損傷容限設(shè)計(jì)并在部分產(chǎn)品中應(yīng)用。目前存在的問(wèn)題是缺乏疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，更未建立疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范。特殊工況下的疲勞問(wèn)題和模擬實(shí)物工況的整機(jī)疲勞試驗(yàn)的研究尚處于探索階段。今后國(guó)內(nèi)外將著重研究損傷積累、隨機(jī)疲勞、環(huán)境與介質(zhì)對(duì)疲勞性能的影響、疲勞壽命預(yù)測(cè)方法、復(fù)合應(yīng)力下的多軸疲勞、彈塑性斷裂準(zhǔn)則、裂紋擴(kuò)展、微裂紋與門檻值等。第四十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)摩擦學(xué)：是研究摩擦、磨損和潤(rùn)滑這幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題的綜合學(xué)科．研究課題：綜合考慮機(jī)械系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)表面、能量和材料的消耗問(wèn)題。主要有相互作用兩表面間的物理、化學(xué)、機(jī)械作用；摩擦、磨損潤(rùn)滑的測(cè)量及計(jì)算方法；阻摩材料及減摩材料，極端條件下的摩擦與磨損以及潤(rùn)滑方面的理論。第四十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日一、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容摩擦學(xué)是指研究表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)中相互作用的行為特性．包括摩擦、磨損和潤(rùn)滑在內(nèi)的一門跨學(xué)科的科學(xué)。機(jī)器中相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面構(gòu)成了一個(gè)摩擦副，由于摩擦副的失效常會(huì)導(dǎo)致機(jī)器零件甚至整個(gè)機(jī)器的工作失效。因此，為了保證機(jī)器能完成要求的功能，必須適時(shí)正確地引人摩擦學(xué)設(shè)計(jì)。摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是在確保實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)要求功能的前提下，使摩擦副具有：①最小的摩擦功耗；②最低制造和運(yùn)行維護(hù)成本；③必要的可靠性和壽命；④最大的生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性。第四十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容包括：

(1)摩擦副設(shè)計(jì)包括摩擦副的類型選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇。

(2)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法的選擇、潤(rùn)滑系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)等。

(3)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了獲得摩擦副當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息，并判斷出現(xiàn)非法運(yùn)動(dòng)的故障源．包括溫度、振動(dòng)傳感器、油質(zhì)監(jiān)視器的設(shè)計(jì)或選用；信號(hào)傳輸?shù)奶幚?、分析和存?chǔ)等。

(4)狀態(tài)補(bǔ)償和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)摩擦副的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化并有可能成為故障時(shí)，該系統(tǒng)能提供附加的力、位移、剛度或阻尼等補(bǔ)償措施，繼續(xù)使機(jī)器保持要求的運(yùn)動(dòng)精度和功能。本節(jié)將著重介紹摩擦學(xué)設(shè)計(jì)中有關(guān)摩擦、磨損、材料選擇和潤(rùn)滑方面的基礎(chǔ)知識(shí)。第四十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

二、接觸表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面的摩擦學(xué)特性與各表面的表面性質(zhì)及表面間的接觸狀況有密切關(guān)系，是解決摩擦學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)。1．表面形貌機(jī)械零件的表面與理想表面不同，是由制造形狀誤差、波度，表面粗糙度和紋理構(gòu)成，如圖9—2所示。第四十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2．接觸面積由于表面粗糙度及波紋的存在，兩固體表面接觸時(shí)真實(shí)接觸只能發(fā)生在表面一些微凸體的頂部，載荷只能通過(guò)這些微凸體的接觸頂峰傳遞，這與傳統(tǒng)的赫芝理論關(guān)于接觸應(yīng)力的理想假設(shè)有很大的不同。如圖9—3所示，在摩擦學(xué)中把接觸面積區(qū)分為：(1)名義接觸面積As以兩個(gè)固體宏觀界面的邊界確定的面積，As＝ab。(2)輪廓接觸面積Ac由兩接觸固體波紋形成的接觸面積，Ac＝5％一15％As。第四十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(3)真實(shí)接觸面積Ar由兩接觸固體直接傳遞界面相互作用力的局部面積之和組成，如圖9—3中虛線圈內(nèi)黑點(diǎn)(微實(shí)體)，通常Ar＝0.01％一0.1％As。相應(yīng)在接觸面上法向載荷FN的作用下有：名義壓力Pa＝FN／As；輪廓壓力Pc＝FN／Ac；和真實(shí)壓力Pt＝FN／Ar。第四十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日三、摩擦

1．摩擦的分類摩擦的定義：是指兩個(gè)相互接觸的物體，抵抗在外力作用下產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的現(xiàn)象（或“抵抗兩物體接觸表面切向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象”）。摩擦的分類如表9—1所示。第四十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第四十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2.摩擦的影響摩擦現(xiàn)象是自然界中普遍存在的物理現(xiàn)象。對(duì)于機(jī)器來(lái)講，摩擦?xí)剐式档?，溫度升高，表面磨損。過(guò)渡的磨損會(huì)使機(jī)器喪失應(yīng)有的精度，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，縮短使用壽命。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無(wú)用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。另外，機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過(guò)限度而報(bào)廢和更換的，如果能控制和減少磨損，則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用。潤(rùn)滑是減小摩擦、減小磨損、提高機(jī)械效率的最常用最有效的方法。第四十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3．滑動(dòng)摩擦(1)滑動(dòng)摩擦機(jī)理有關(guān)滑動(dòng)摩擦機(jī)理問(wèn)題至今尚沒有統(tǒng)一的理論，目前有以下幾種理論：

1)機(jī)械理論摩擦的起因是出于兩摩擦表面上的凹凸不平而造成的機(jī)械咬合。兩接觸表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿著凹凸處反復(fù)地起落，或者把凸峰破壞，從而形成摩擦阻力。從機(jī)械理論出發(fā)，可得出表面比較光滑時(shí)，摩擦相對(duì)較小的結(jié)論。這在一般情況下是正確的．僅無(wú)法解釋某些情況下，十分光滑的表面間相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，摩擦因數(shù)很大的現(xiàn)象。第五十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2)分子理論產(chǎn)生摩擦的主要原因是由于在兩物體摩擦表面間分子力的作用，產(chǎn)生摩擦的原因是表面材料分子間的吸力作用。故光面越光滑，摩擦阻力應(yīng)越大，由此推論，摩擦力的大小應(yīng)與接觸面積成比例，但這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致。3)機(jī)械——分子理論機(jī)械——分于理理論認(rèn)為，摩擦過(guò)程既要克服分子相互作用力，又要克服機(jī)械作用的阻力。摩擦力是接觸點(diǎn)上因分子吸引力和機(jī)械作用所產(chǎn)生的切向阻力的總和。認(rèn)為兩種作用均有。

第五十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(2)滑動(dòng)摩擦因數(shù)υ定義為摩擦力Ff和接觸面上法向載荷FN之比，即：

在干摩擦情況下，滑動(dòng)摩擦因數(shù)υ由三種情況下的系數(shù)組成：由表面不平度考慮，摩擦力就是克服雙方接觸表面微凸體間的嚙合作用，在剛性情況下，摩擦力是指能把一個(gè)表面的微凸體拾高到超過(guò)另一表面的微凸體的力。如果錐形微凸體的平均傾斜角是θ，則：

υτ=tgθ第五十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

由犁溝效應(yīng)看，是一方硬而尖的微凸體壓入軟的對(duì)方表層，在滑動(dòng)時(shí)把對(duì)方軟金屬推擠到兩側(cè)或出現(xiàn)切屑，軟金屬表面形成犁溝，這樣可以設(shè)想摩擦力就是軟金屬壓入硬度和犁溝截面積的乘積，由此可得由粘著效應(yīng)看，摩擦力能夠剪開由于微凸體間發(fā)生冷焊而形成的粘著狀態(tài)。此時(shí)第五十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第五十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

可見：滑動(dòng)摩擦因數(shù)主要與微凸體的高度、變形和粘著狀況有關(guān)。當(dāng)表面粗糙度、雙方的化學(xué)成分相差較大時(shí)，摩擦因數(shù)較低，磨損率也較低。環(huán)境介質(zhì)也有影響，如摩擦副雙方都是硬鋼，在大氣介質(zhì)中υ值為0.6，而在真空中υ值要高得多。石墨的配對(duì)件在濕氣中υ約值為0.1，但在干燥空氣中可高達(dá)0.5以上。在潤(rùn)滑條件下，滑動(dòng)摩擦因數(shù)與油膜厚度有關(guān)，當(dāng)油膜厚度超過(guò)25um時(shí)，或者說(shuō)超過(guò)兩摩擦表面的綜合表面粗糙度時(shí)，油膜將兩接觸表面分開，摩擦因數(shù)很?。划?dāng)油膜厚度減薄到使配對(duì)材料某些微凸體開始接觸,出現(xiàn)了邊界潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，摩擦因數(shù)增加；當(dāng)油膜減薄到比表面微凸體高度還小時(shí)，就產(chǎn)生了干摩擦，摩擦因數(shù)顯著增加。第五十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第五十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日4.滾動(dòng)摩擦(1)滾動(dòng)摩擦機(jī)理滾動(dòng)摩擦機(jī)理較為復(fù)雜。滾動(dòng)時(shí)不發(fā)生滑動(dòng)摩擦?xí)r的“犁溝”和粘著接點(diǎn)的剪切現(xiàn)象。一般認(rèn)為滾動(dòng)摩擦主要來(lái)自四個(gè)方面：1）微觀滑移：比較重要的微觀滑移理論有：①雷諾滑移雷諾用硬金屬圓柱體在橡膠平面上滾動(dòng)，觀察到由于自由滾動(dòng)時(shí)壓力在各個(gè)物體上引起的表面切向位移不等，導(dǎo)致界面上產(chǎn)生微量滑移并有相應(yīng)的摩擦能量損失。同樣機(jī)理可推廣于圓柱體在金屬表面上滾動(dòng)的情形第五十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日②海斯考特滑移1921年海斯考特提出了一種滑移理論，實(shí)驗(yàn)依據(jù)是用球在槽中滾動(dòng)，由于球在接觸線上各點(diǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線的距離相差很大，于是產(chǎn)生切向牽引力和微觀滑移。③卡脫滑移兩圓柱體發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)時(shí)，如果在滾動(dòng)方向上有一個(gè)切向力，計(jì)算此時(shí)發(fā)生微觀滑移的面積，結(jié)果顯示粘著區(qū)域位于接觸面積的前沿。這與靜態(tài)問(wèn)題不同，后者的粘著區(qū)域位于接觸面積的中心。實(shí)驗(yàn)證明：微觀滑移只占滾動(dòng)摩擦很小的部分。第五十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2）彈性滯后當(dāng)鋼球沿橡膠類的彈性體滾動(dòng)時(shí)，使它前面的橡膠發(fā)生變形．因而對(duì)橡膠作功。橡膠的彈性恢復(fù)會(huì)對(duì)鋼球的后部作功，從而推動(dòng)鋼球向前滾動(dòng)。因?yàn)槿魏尾牧隙疾皇峭耆珡椥缘模氏啾戎?，橡膠對(duì)鋼球所作的功總是小于鋼球?qū)ο鹉z所作的功，總會(huì)損耗一些能量，即為變形過(guò)程中橡膠分子相互摩擦造成的滾動(dòng)摩擦損失。有時(shí)稱之為內(nèi)摩擦。3)塑性變形當(dāng)鋼球在平面上滾動(dòng)時(shí)，會(huì)使鋼球的附近和鋼球的前面的金屬發(fā)生塑性變形，從而在鋼球表面產(chǎn)生永久性凹槽。不難證明，使金屬發(fā)生塑性變形所需的力幾乎正好等于所測(cè)得的滾動(dòng)摩擦力。因此，滾動(dòng)摩擦力基本上是塑性變形力的量度。第五十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日4）粘著效應(yīng)在滾動(dòng)時(shí)，接觸表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是法向運(yùn)動(dòng)，而不是滑動(dòng)時(shí)的切向運(yùn)動(dòng)。粘著力主要是弱的范德華力，而強(qiáng)的短程力，例如金屬鍵合力，僅可能在微觀接觸的微觀滑動(dòng)區(qū)域中產(chǎn)生。如果發(fā)生粘著，將在滾動(dòng)接觸的后沿分離．這種分離是拉斷而不是剪斷。通常，滾動(dòng)摩擦中粘著引起的摩擦阻力只占滾動(dòng)摩擦阻力很小的一部分。一般，在高壓強(qiáng)度下，滾動(dòng)摩擦阻力主要由表面下的塑性變形產(chǎn)生；而在低應(yīng)力強(qiáng)度下，滾動(dòng)摩擦阻力由材料本身的滯后損耗產(chǎn)生。第六十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(2)滾動(dòng)摩擦系數(shù)有量綱的滾動(dòng)摩擦系數(shù)υk是根據(jù)一圓柱體在平面上純滾動(dòng)，物體分別受垂直和水平載荷FN和F的作用。由于接觸處的彈性變形，在接觸面上的壓力強(qiáng)度呈不對(duì)稱分布，其合力向前偏移了一個(gè)距離，該距離就定義為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，根據(jù)力矩平衡可獲得(圖9—4)第六十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日典型的υk值如表9—3所示:第六十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

四、磨損

1．磨損的類型磨損：由于兩個(gè)物體表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可使任何一個(gè)物體工作表面的物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損影響：導(dǎo)致配合間隙過(guò)大，降低機(jī)械的效率和可靠性，使零件喪失正確的幾何形狀而報(bào)廢。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如何避免或減輕磨損，保證機(jī)械的正常工作和達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。磨損機(jī)理：磨損過(guò)程中材料的流失機(jī)制最基本的是粘著、微切屑、疲勞、腐蝕和微動(dòng)磨損等形式。這些基本機(jī)制單獨(dú)或綜合地作用，結(jié)果形成磨損表面的各種損傷形式，如：擦傷、犁溝、點(diǎn)蝕、剝層、微動(dòng)咬蝕以及蝕魚鱗坑等。第六十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

按磨損的機(jī)理不同，機(jī)械零件的磨損大體分為五種基本類型：1）粘著磨損也稱膠合，當(dāng)摩擦表面的微觀凸峰在相互作用的各點(diǎn)處由于瞬時(shí)的溫升和壓力而粘在一起后，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，材料從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，便形成粘著磨損。如：內(nèi)燃機(jī)活塞與汽缸壁的擦傷。2）疲勞磨損也稱點(diǎn)蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變接觸應(yīng)力和摩擦力的作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引起的磨損。如：齒輪和滾動(dòng)軸承的點(diǎn)蝕。第六十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3）磨粒磨損也稱磨料磨損，是外部進(jìn)入摩擦表面的游離硬顆?；蛴驳妮喞寮馑鸬哪p。如：球磨機(jī)襯板和鋼球的磨損4）腐蝕磨損當(dāng)摩擦表面材料在環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)作用下引起腐蝕，在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。如：曲軸軸頸的氧化磨損以及化工設(shè)備中零件的腐蝕磨損5)微動(dòng)磨損承載的兩個(gè)相互接觸的表面在受到相對(duì)往復(fù)切向振動(dòng)時(shí)、由于振動(dòng)或循環(huán)應(yīng)力的作用而產(chǎn)生所謂“滑移”而導(dǎo)致表面損傷。如：片式摩擦離合器的摩擦片上出現(xiàn)的磨損。第六十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2．磨損的基本規(guī)律為了在設(shè)計(jì)中對(duì)產(chǎn)品在磨損期內(nèi)的磨損量及磨損速度進(jìn)行計(jì)算及預(yù)測(cè)，必須掌握磨損過(guò)程的基本規(guī)律。一般情況下，零件的磨損規(guī)律可以用磨損量與載荷、相對(duì)速度、材料表層性態(tài)、潤(rùn)滑狀態(tài)以及工作時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系來(lái)表示。在給定的材料組合及潤(rùn)滑條件下，函數(shù)關(guān)系可寫成：第六十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日一個(gè)零件的磨損過(guò)程大致可分為以下三個(gè)階段：1）磨合階段磨合（跑合）：是指新的零件在運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨損，磨損率較高。新的摩擦副表面比較粗糙，真實(shí)微觀接觸面積比較小，壓強(qiáng)大，因此運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨損比較快。但是，磨損以后表面的微觀凸峰降低，接觸面積增大，壓強(qiáng)減小，磨損的速度逐漸減慢。返回第六十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2）穩(wěn)定磨損階段屬于零件正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。這一階段的長(zhǎng)短直接影響機(jī)器的壽命。3）劇烈磨損階段零件經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作磨損以后，表面精度下降，表面形狀和尺寸有較大的改變，破壞了原有的間隙和潤(rùn)滑性質(zhì)，使效率降低，溫度升高，沖擊振動(dòng)加大，導(dǎo)致磨損加劇，最終導(dǎo)致零件報(bào)廢。第六十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

在正常工作情況下，零件經(jīng)過(guò)短暫磨合隨即進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。有時(shí)，由于引起磨損的最不利因素組合在一起(壓強(qiáng)過(guò)大．速度過(guò)高．潤(rùn)滑不良好等），使磨損速度v保持單調(diào)增加的趨向。這種情況下，磨損曲線為單調(diào)增長(zhǎng)的曲線．分不出第Ⅰ階段和第Ⅱ階段(圖7-10)。零件經(jīng)過(guò)很短的跑合后立即轉(zhuǎn)入劇烈磨損階段、并很快報(bào)廢。這是不正常的磨損過(guò)程。可能是由于設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤或工況的惡化所致。第六十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日分析：對(duì)于磨損而言，跑合期應(yīng)當(dāng)盡可能縮短。所以，當(dāng)機(jī)器工作時(shí)，磨損與時(shí)間的線性關(guān)系是典型的磨損過(guò)程，可表示為：U=kt=vt(磨損速度v=常數(shù)）若考慮跑合期的磨損：U=U1+vt（U1為跑合期的磨損）第七十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3．磨損的計(jì)算對(duì)磨損壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，目的是增強(qiáng)機(jī)器抗磨損的能力并在某些指定的工況下使其按可接受的磨損率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，磨損計(jì)算非常復(fù)雜。雖有些計(jì)算各類磨損和各種零件磨損的方法。但是，目前都還不夠完善。近年也曾提出過(guò)一些計(jì)算磨損的普遍適用的方法，但要達(dá)到實(shí)用階段還需做很多工作。(1)磨損計(jì)算的特點(diǎn)1)裁荷在摩擦副中所引起的磨損體積不是一個(gè)常數(shù)。它隨壓力、摩擦副表面粗糙度和表曲膜性質(zhì)等情況而變化。第七十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2)兩固體的實(shí)際接觸表面是不連續(xù)的，其局部體積產(chǎn)生塑性變形。因此，經(jīng)典力學(xué)中廣泛采用的關(guān)于變形體為各向同性體的假設(shè)不適用。3）參加摩擦過(guò)程的材料性能常與原始材料的性能差別較大，摩擦過(guò)程會(huì)使材料的性能發(fā)生改變。4)磨損形式隨著摩擦條件的變化而變化，而摩擦過(guò)程的摩擦條件也是變化的。5)磨損是摩擦條件和材料特性綜合的函數(shù)（即系統(tǒng)特性)，因而磨損計(jì)算實(shí)質(zhì)上是評(píng)價(jià)這一破壞過(guò)程的特性。第七十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

（2）磨損的表示方法目前，磨損還不能進(jìn)行較精確的計(jì)算，為說(shuō)明材料的磨損程度和耐磨性可用以下定量方法表示。1)磨損量零部件在有效工作期限內(nèi)，由于磨損引起的材料損失量，可用尺寸（厚度）、體積或質(zhì)量的減少量來(lái)表達(dá)。即：線磨損量h(單位為mm或um)，體積磨損量V(單位為mm3或um3）和質(zhì)量磨損量G(單化為g或mg)。磨損量是評(píng)定材料耐磨性能，控制產(chǎn)品質(zhì)量和研究摩擦磨損機(jī)理的重要指標(biāo)之。典型的磨損量變化曲線如圖3-3所示。第七十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2)磨損率穩(wěn)定磨損階段曲線的斜率為磨損率。用以表示磨損快慢的程度，指磨損量對(duì)產(chǎn)生磨損的行程或時(shí)間之比。它可用三種方式表示，即：?jiǎn)挝换瑒?dòng)距離的材料磨損量；單位時(shí)間的材料磨損量；每轉(zhuǎn)或每一往復(fù)行程的材料磨損量。3)耐磨性耐磨性表示材料抵抗磨損的性能。它以規(guī)定的摩擦條件下的磨損率的倒數(shù)來(lái)表示，即耐磨性。又稱磨阻或磨損抗力。ε值越大，耐磨性越好。第七十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(4)相對(duì)耐磨性在相同條件下，兩種材料(通常以其中一種材料或試樣作為標(biāo)準(zhǔn)材料或標(biāo)準(zhǔn)試樣)的耐磨性之比值，即為相對(duì)耐磨性第七十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(3)磨料磨損計(jì)算方法磨料磨損的簡(jiǎn)化模型如圖7—11所示。其中一表面是由一系列硬圓錐形粗糙微凸體組成，并假定這些微凸體圓錐形大小相同且具有相同的半角θ。而另一表面是由較軟而平坦的材料構(gòu)成。

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當(dāng)一單獨(dú)粗糙微凸體在軟表面上劃過(guò)一單位距離時(shí)、微凸體峰使軟材料移去的體積應(yīng)為rδ。由于δ＝rcotθ，因此，一個(gè)粗糙微凸體在單位移動(dòng)距離內(nèi)移去的材料體積等于r2cotθ。假定材料在法向載荷下屈服，于是每個(gè)粗糙微凸體支承載荷應(yīng)為πr2σs／2，σs是軟材料屈服強(qiáng)度，而全部載荷為（7-25）第七十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日上式(7-25)是以最簡(jiǎn)單的模型為基礎(chǔ)而導(dǎo)出的，沒有考慮粗糙微凸體高度分布不同的狀態(tài)及材料在滑動(dòng)方向的前方產(chǎn)生堆積會(huì)改變接觸條件等因素的影響。材料的彈性模量對(duì)磨損體積也有影響，但在簡(jiǎn)化模型中均未考慮。由于屈服極限與壓痕硬度有關(guān)，因此，可用硬度H代替軟材料的屈服極限σs

，以Ks＝2cotθ／π代入，則式(7-25)可變?yōu)橛墒?7-25)和式(7-26)可知，磨料磨損的磨損量與載荷F成正比，與軟材料屈服強(qiáng)度或硬度成反比。而式(7-26)可作為定性分析磨料磨損時(shí)的參考。（7-26）第七十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(4)粘著磨損計(jì)算方法假定表面微凸體粘接點(diǎn)是相同的球形，其半徑為r，每個(gè)粘接點(diǎn)的面積為πr2，而每個(gè)粘接點(diǎn)所支承的載荷應(yīng)為σsπr2

。當(dāng)滑動(dòng)距離為2r時(shí)，表面能完全擦過(guò)每個(gè)粘接點(diǎn)，見圖7—12。假定粘著磨損磨屑呈半球形狀，每個(gè)磨屑體積應(yīng)為2πr3／3。則單位滑動(dòng)距離磨損體積V為：第七十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

式（7—28)是在假定所有粘接點(diǎn)都磨去一個(gè)磨屑的條件下求得的。但事實(shí)并非如此。若只有全部接觸點(diǎn)的K部分產(chǎn)生磨屑，則上式可寫成第八十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第八十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

式(7-29)表明：材料的磨損量與載荷成正比，而與材料屈服強(qiáng)度成反比(或者與軟材料的硬度成反比)。顯然，該公式?jīng)]有精確考慮摩擦副材料的特性、表面膜狀態(tài)、潤(rùn)滑條件差異等因素，因而尚不能用于確切的定量計(jì)算，只能作定性分析磨損時(shí)的參考。考慮到材料表面存在著污染膜的影響，羅氏(Rowe)對(duì)式（7—29)進(jìn)行修正得第八十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日例如：摩擦學(xué)（耐磨性計(jì)算）準(zhǔn)則在滑動(dòng)摩擦條件下工作的機(jī)械零件，常因?yàn)檫^(guò)度磨損而失效。影響磨損的因素很多而且比較復(fù)雜，因此，到目前為止對(duì)于磨損失效還沒有一個(gè)完善的計(jì)算方法。通常只進(jìn)行條件性計(jì)算，通過(guò)限制影響磨損的主要條件防止產(chǎn)生過(guò)大的磨損量。為防止產(chǎn)生過(guò)大的磨損應(yīng)滿以下條件：壓強(qiáng)不超過(guò)許用值p≤［p］速度不超過(guò)許用值v≤［v］壓強(qiáng)與速度乘積不超過(guò)許用值pv≤［pv

］第八十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日4．影響材料耐磨性的因素

(1)磨損工況的影響是指接觸面上的作用載荷、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、環(huán)境介質(zhì)及溫度等。（2）材料的組織結(jié)構(gòu)與性能的影響1）粘著磨損：硬度差別大的材料配對(duì)。2)磨粒磨損：金屬材料硬度愈高，耐磨性愈好。2)疲勞磨損：材料的彈性模量顯著地影響材料的疲勞磨損。第八十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日5.磨損的系統(tǒng)分析可以把磨損現(xiàn)象作為一個(gè)工程系統(tǒng)來(lái)分析，即使有一個(gè)參數(shù)有少量的變化也會(huì)引起摩擦、磨損的變化。如提高環(huán)境溫度或者由于摩擦表面溫度提高，都會(huì)使磨損率發(fā)生變化。不銹鋼由于表面不易形成氧化物保護(hù)層，故在低溫時(shí)耐磨性差，當(dāng)溫度上升，耐磨性反而有所改善。而普通鋼則由于溫度上升硬度下降，耐磨性明顯降低。在磨損過(guò)程中，正常潤(rùn)滑條件受到破壞就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。第八十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日6.減小磨損的主要方法（1）潤(rùn)滑是減小摩擦、減小磨損的最有效的方法。合理選擇潤(rùn)滑劑及添加劑，適當(dāng)選用高粘度的潤(rùn)滑油、在潤(rùn)滑油中使用極壓添加劑或采用固體潤(rùn)滑劑，可以提高耐疲勞磨損的能力。(2)合理選擇摩擦副材料由于相同金屬比異種金屬、單相金屬比多相金屬粘著傾向大，脆性材料比塑性材料抗粘著能力高，所以選擇異種金屬、多相金屬、脆性材料有利于提高抗粘著磨損的能力。采用硬度高和韌性好的材料有益于抵抗磨粒磨損、疲勞磨損和摩擦化學(xué)磨損。提高表面的光潔程度，使表面盡量光滑，同樣可以提高耐疲勞磨損的能力。第八十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日（3）進(jìn)行表面處理對(duì)摩擦表面進(jìn)行熱處理（表面淬火等）、化學(xué)處理（表面滲碳、氮化等）、噴涂、鍍層等也可提高摩擦表面的耐磨性。（4）注意控制摩擦副的工作條件對(duì)于一定硬度的金屬材料，其磨損量隨著壓強(qiáng)的增大而增加，因此設(shè)計(jì)時(shí)一定要控制最大許用壓強(qiáng)。另外，表面溫度過(guò)高易使油膜破壞，發(fā)生粘著，還易加速摩擦化學(xué)磨損的進(jìn)程，所以應(yīng)限制摩擦表面的溫升。第八十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日7.摩擦學(xué)設(shè)計(jì)中的材料選擇和表面強(qiáng)化處理7.1減摩材料的選擇1）減摩材料的選用原則機(jī)器零部件的各種摩擦副，如滑動(dòng)軸承等不但要求有較好的耐磨性，而且還希望有良好的減摩性，也就是在摩擦過(guò)程中具有較低的摩擦系數(shù)，具有這樣性能的材料稱為減摩材料。選用的減摩材料應(yīng)符合下述要求(1)具有足夠的承載能力包括具有抗拉、抗壓、抗剪切、抗疲勞和抗沖擊等各種強(qiáng)度。第八十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(2)具有良好的表面性能包括順應(yīng)性和嵌藏性。順應(yīng)性是指材料表層對(duì)表面粗糙度、受載變形和制造誤差的適應(yīng)性以及表面具有塑性變形的能力；嵌藏性是指嵌藏污物和微粒的能力。

(3)具有良好的磨合性容易磨合，消除表面原始粗糙度，使摩擦表面相互吻合，防止接觸面積過(guò)小，造成局部過(guò)高的單位壓力。(4)具有良好的物理和化學(xué)性能包括具有高導(dǎo)熱性和熱容量、低的熱膨脹性能、良好的吸附性和耐腐觸性等，以利于油膜形成。第八十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2）常用減摩材料(1)軸承合金(巴氏合金)這種材料主要分為錫基和鉛基兩類巴氏合金?？捎米鬏S承或軸承襯材料，具有摩擦系數(shù)低、減摩性優(yōu)良，具有足夠的硬度和韌性，良好的順應(yīng)性和嵌藏性，容易磨合，抗振性好等。但都不適宜超過(guò)130—150℃的工作溫度。錫基軸承合金的牌號(hào)有ZChSnSbl2-4-10，ZChSnSb11-6，ZChSnSb8-4，ZChSnSb4-4等；鉛基軸承合金的牌號(hào)有ZChPbSbl6-16-2，ZChPbSbl5-15-3，ZChPbSbl5-10，zChPbSbl5-5等。第九十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(2)銅基合金主要有錫青銅、鉛青銅和鋁青銅。主要用于制造蝸輪、軸套等。錫青銅的牌號(hào)有ZQSn5-5-5，ZQSn6-6-3，ZQSnl0-l等；鉛青銅牌號(hào)有ZQPb10-10，ZQPbl2-8，ZQPbl7-4-4，等；鋁青銅牌號(hào)有ZQAl9-2，ZQAlZ9-4，ZQAl10-3-1.5等。(3)鋁基合金適合于高速重載軸承和一般軸套。由于鋁基合金的硬度較高，要求相配的軸頸硬度不低于300HB。鋁基合金的牌號(hào)有ZLSn1，ZLSn2，ZLSn3，20高錫，30高錫等。第九十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(4)多層合金減摩材料為了更好地滿足耐磨和減摩要求，將上述的減摩材料制造成兩層、三層或多層合金減摩材料，以改善表面性能。(5)自潤(rùn)滑復(fù)合材料這是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種具有獨(dú)特減摩耐磨性的滑動(dòng)軸承材料。根據(jù)組成不同，自潤(rùn)滑復(fù)合材料可分為金屬基、石墨基和高聚合物基三類。后兩類已廣泛使用,但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和磨損壽命不及第一類。第九十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日7.2耐磨材料的選擇1）耐磨材料的選用原則第九十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

對(duì)于需考慮耐磨損的機(jī)械零部件設(shè)計(jì)除了合理的選材外，還可——采用表面處理技術(shù)：即表面強(qiáng)化處理，提高零件表面層的耐磨損能力；采用置換原理：即為保護(hù)重要的機(jī)械零部件，將磨損集中在某個(gè)易更換、成本較低的不重要零件上．例如防止氣缸壁或缸套的磨損和刮傷，采用鑄鐵的活塞環(huán)；采用轉(zhuǎn)移原理：即在磨損設(shè)計(jì)中使摩擦副中某一零件快速磨損，而保護(hù)重要零件不致磨損和損壞，例如為保護(hù)內(nèi)燃機(jī)的曲軸不受磨損，采用價(jià)格較低的軟金屬(鉛錫合金和鋼鉛合金)作軸承襯等。第九十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2）常用耐磨材料（1)耐磨鋼：①高錳鋼是一種傳統(tǒng)的耐磨材料，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和鉆探機(jī)械中。如破碎機(jī)襯板、斗齒、錘頭等，這種材料能承受較大的沖擊載荷和接觸應(yīng)力，但切削加工困難，多以鑄件形式使用。牌號(hào)有ZGMnl3-l，ZGMnl3-2，ZLMnl3-3，ZGMn3-4等。②低碳鉻鋼和不銹鋼。具有較好的耐氣蝕性和耐腐蝕性及一定的耐磨性，如Z(xrl8Z(xf8CUMo等，可用于制造泵和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。第九十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日③高碳低合金鋼。經(jīng)淬火后硬度高、耐磨性好，如GCr15，CrWMn鋼，用于制造滾動(dòng)軸承、柴油機(jī)柱塞、噴嘴等。④中碳鋼和中碳合金鋼。經(jīng)淬火和回火后，強(qiáng)度高、沖擊韌性好，具有良好的綜合機(jī)械性能，如35，40，50，35Mn，40Mn，45Mn，50Mn鋼，用于制造齒輪、軸、履帶等。⑤低碳合金鋼。強(qiáng)度和耐磨性高于低碳鋼，如16Mn，14MnVB等，可用于制造耐磨的焊接構(gòu)件。20Mn，20CrMo經(jīng)滲碳淬火可用于制造耐磨性高的齒輪、滾輪等。第九十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(2)耐磨鑄鐵。鑄鐵具有良好的耐磨性和成本低等特點(diǎn)．但其力學(xué)性能比鋼差、脆性大、易破碎。①冷硬鑄鐵。②白口鑄鐵。分普通白口鑄鐵和合金白口鑄鐵。③中錳球墨鑄鐵。④磷系鑄鐵和硼系鑄鐵。(3)非金屬耐磨和減摩材料。其品種繁多，有的還有待進(jìn)一步的研究和開發(fā)，主要有工程陶瓷、工程塑料、橡膠和復(fù)合材料等，設(shè)計(jì)者可根據(jù)它們的減摩性、耐磨性和物理化學(xué)性予以選取。第九十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日7.3表面強(qiáng)化處理目的：提高摩擦副的耐磨性。常用的表面強(qiáng)化處理方法：1．表面鍍層表面通過(guò)電解和化學(xué)方法鍍以耐磨金屬和合金。(1)鍍鉻表面鍍硬質(zhì)鉻為主，有較高的硬度、較好的韌性和抗腐蝕性，表面光亮。(2)鍍鎳具有良好的耐粘著磨損和抗腐蝕性。但抗磨料磨損和耐疲勞磨損相對(duì)較差。(3)復(fù)合鍍層在鍍液中加入一定量金屬、非金屬或化合物微粒，可沉積出復(fù)合鍍層。第九十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2.表面熱處理零件表面快速加熱到相變溫度，然后迅速冷卻，使表面具有較高的硬度和耐磨性，心部仍保持原有材料的塑性和韌性。(1)火焰表面淬火用火焰進(jìn)行表面加熱，設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低，但質(zhì)量難以控制，適用于形狀復(fù)雜且尺寸較大的零件表面處理。(2)高頻表面淬火利用高頻電感應(yīng)加熱，可嚴(yán)格控制淬火質(zhì)量，適用小的并且形狀簡(jiǎn)單的零件。第九十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3．表面化學(xué)熱處理在一定的加熱條件下，向表面滲入C，N，B，Cr，S等各種單一元素或合金元素，使表層合金化，形成高硬度的質(zhì)點(diǎn)和軟的基體，以提高表面耐磨性。(1)表面滲碳適用于低碳鋼和低合金鋼，用于低速重載、沖擊和疲勞磨損的場(chǎng)合。(2)表面滲氮適用于中、低碳鋼、合金鋼和不銹鋼的表面處理，具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能。(3)表面滲硼表面硬度高于表面滲碳和滲氮，具有更好的耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性，但脆性更大。(4)表面多元共滲具有耐磨、耐熱、耐腐蝕等多種特性，但工藝相對(duì)復(fù)雜。第一百頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日4．表面機(jī)械處理在常溫下用機(jī)械方法使表面產(chǎn)生塑性變形而形成硬化的方法。表面機(jī)械處理后的零件表面可獲得附加的壓應(yīng)力，有利于提高零件的抗疲勞破壞能力。通常，材料在表面強(qiáng)化前需經(jīng)淬火、滲碳淬火和滲氮等熱處理。表面機(jī)械處理的主要方法有噴丸、輥壓和擠壓，噴丸法具有簡(jiǎn)單易行、生產(chǎn)率高、適應(yīng)于形狀復(fù)雜零件等特點(diǎn)。第一百零一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日8.潤(rùn)滑指在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)摩擦表面之間加入潤(rùn)滑劑，以減小摩擦和磨損。此外，潤(rùn)滑還可起到散熱降溫，防銹防塵，緩沖吸振等作用。8.1潤(rùn)滑的分類

1．流體動(dòng)力潤(rùn)滑依靠?jī)赡Σ帘砻娴南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)把潤(rùn)滑油帶入兩表面之間，自行產(chǎn)生足夠的壓力，建立壓力油膜（稱為動(dòng)壓油膜），靠油膜的壓力把兩表面分開，實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑。

2．流體靜力潤(rùn)滑兩摩擦表面被外部供油裝備輸入的壓力油完全分開，強(qiáng)迫形成承載油膜，實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑。第一百零二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3．彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑主要是指在理論上為點(diǎn)、線接觸的條件下，考慮流體動(dòng)力效應(yīng)、潤(rùn)滑油的粘－壓特性以及接觸體的彈性變形的基礎(chǔ)上建立的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。4．邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑在機(jī)械的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)常難以具備形成流體潤(rùn)滑的條件，如轉(zhuǎn)速不高、載荷較大和機(jī)器的起、停等，都不可避免在摩擦表面有凸鋒接觸，此時(shí)由于物理或化學(xué)作用，在接觸面存在一層與潤(rùn)滑劑不同的薄膜，此膜具有一定的潤(rùn)滑作用，這種潤(rùn)滑狀態(tài)就稱為邊界潤(rùn)滑。邊界潤(rùn)滑一般存在于各種機(jī)械設(shè)備中，如軸承、齒輪、凸輪和導(dǎo)軌等。第一百零三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日8.2潤(rùn)滑方法及其選擇1．潤(rùn)滑方法在機(jī)械設(shè)備中常用的調(diào)滑方法有以下幾種(1)手工給油(脂)潤(rùn)滑通過(guò)油輪或油杯加油，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不能調(diào)節(jié)油量，主要適用于開式齒輪、鏈條、鋼絲繩及不經(jīng)常使用的機(jī)械或是一些輕載低速的摩擦副。(2)滴油潤(rùn)滑只適用于潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，它是通過(guò)油杯等裝置向潤(rùn)滑部位滴油．主要適用于軸承、齒輪、鏈條及導(dǎo)軌等潤(rùn)滑。第一百零四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(3)油環(huán)或油鏈潤(rùn)滑油環(huán)潤(rùn)滑是依靠套在軸頸上，下部浸在油池中的油環(huán)，靠摩擦力隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，把油帶入軸承中進(jìn)行潤(rùn)滑(圖9-7)。該法只適用回轉(zhuǎn)速度在10~200r／s的水平軸，轉(zhuǎn)速過(guò)低可使供油量不足，過(guò)高會(huì)使軸劇烈振動(dòng)，當(dāng)軸頸長(zhǎng)度超過(guò)100mm時(shí)，應(yīng)采用2個(gè)油環(huán)，油環(huán)直徑為軸徑的1.5—2倍。環(huán)的斷面常用矩形，為加大供油量可在內(nèi)表面加工幾個(gè)窄槽；當(dāng)需要油量較小時(shí)，也可采用圓斷面。第一百零五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(4)飛濺(油池)潤(rùn)滑依靠旋轉(zhuǎn)的零件或附加在軸上的甩油盤(片)等，將油池中的油濺散到潤(rùn)滑部位，對(duì)箱體來(lái)說(shuō)油可濺散到內(nèi)壁的油槽中并經(jīng)匯集而流到軸承中。這種潤(rùn)滑方法，如圖9-8所示，只能適用封閉的機(jī)構(gòu)，浸油機(jī)件的圓周速度應(yīng)小于12m／s，否則會(huì)產(chǎn)生大量泡沫及油霧，使油質(zhì)變壞。油可循環(huán)使用。需設(shè)置油面指示器以便檢查油位。第一百零六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(5)壓力循環(huán)潤(rùn)滑利用重力或油泵使循環(huán)系統(tǒng)的潤(rùn)滑油達(dá)到一定工作壓力后，輸送到潤(rùn)滑部位。使用過(guò)的油回到油箱，經(jīng)冷卻、過(guò)濾后供循環(huán)使用(圖9-9)。一般供油的壓力和油量可進(jìn)行調(diào)整，能保證連續(xù)供油，由于供油量充足，可將熱量和屑末帶走。這種潤(rùn)滑方法適于高速、精密和重載的摩擦副，但設(shè)備復(fù)雜，耗油量也較大。第一百零七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(6)集中潤(rùn)滑集中潤(rùn)滑主要用于設(shè)備中有大量的潤(rùn)滑點(diǎn)或整個(gè)車間、整個(gè)工廠的潤(rùn)滑系統(tǒng)。采用集中潤(rùn)滑可以減少維護(hù)工作，提高可靠性。(7)油霧潤(rùn)滑將含有霧狀油粒的空氣，通過(guò)管路送到各潤(rùn)滑部位，形成和保持所必須的一定厚度油膜，是一種自動(dòng)集中的潤(rùn)滑方式。一般將油霧顆粒尺寸為1—3um，空氣壓力為0.3一0.5MPa的潤(rùn)滑系統(tǒng)稱為油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)；將油霧顆粒尺寸為50—l00um，空氣壓力為0.4一0.8MPa的潤(rùn)滑系統(tǒng)稱為油氣潤(rùn)滑。干油噴射潤(rùn)滑是以壓縮空氣為噴射動(dòng)力源，每次噴射一定量霧狀潤(rùn)滑脂到各潤(rùn)滑點(diǎn)中。第一百零八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(8)覆蓋膜潤(rùn)滑用固體潤(rùn)滑劑覆蓋在摩擦副表面，成為具有自潤(rùn)滑能力的干膜。成膜的方法很多有濺射、真空沉積、離子鍍、噴鍍、擠壓等。不論用什么方法成膜，要求膜的摩擦系數(shù)低．耐磨壽命長(zhǎng)，與金屬的黏附力強(qiáng)，并有好的抗腐蝕能力和承載能力。第一百零九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2．典型機(jī)械零部件潤(rùn)滑方法的選擇(1)滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑：多數(shù)用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。只是在軸頸的圓周速度小于1~2m／s時(shí)才用潤(rùn)滑脂。在特別高速時(shí)可用氣體潤(rùn)滑劑(如空氣)。當(dāng)工作溫度特別高或特別低時(shí)，可用固體潤(rùn)滑劑。(2)滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑：約有85％是用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，主要是使用方便，并有一定空間存儲(chǔ)潤(rùn)滑脂。但需注意軸承的工作溫度必須低于潤(rùn)滑脂滴點(diǎn)20一30℃，否則會(huì)使脂的壽命大幅度降低。(3)齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑：潤(rùn)滑方式主要取決于齒輪圓周速度的大小。一般圓周速度較低時(shí)，采用人工加油或壓力加油潤(rùn)滑。對(duì)于閉式齒輪傳動(dòng)，當(dāng)圓周速度v＜10m／s時(shí)，常采用浸油潤(rùn)滑；當(dāng)v＞10m/s時(shí)，可采用噴油潤(rùn)滑;第一百一十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(4)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑滾動(dòng)導(dǎo)軌：多采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑?；瑒?dòng)導(dǎo)軌：在一般情況下都采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，在某些特殊情況下，也采用固體潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑。機(jī)床導(dǎo)軌的潤(rùn)滑方法選擇見表9—11。第一百一十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)機(jī)械的熱效應(yīng)設(shè)計(jì)環(huán)境溫度對(duì)機(jī)器設(shè)備的零、部件的工作性能有很大影響，因而在機(jī)械設(shè)計(jì)中必須考慮溫度因素，這就涉及到熱傳導(dǎo)、熱彈變形、熱應(yīng)力和熱塑變形等諸方面問(wèn)題。

傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。熱傳導(dǎo)理論是溫度場(chǎng)計(jì)算、熱變形及熱應(yīng)力分析與計(jì)算的基礎(chǔ)。

1)物體內(nèi)只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分；2)物體之間存在溫差時(shí)，熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體。傳熱過(guò)程按其物理本質(zhì)不同通常分為三種基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。第一百一十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日傳熱學(xué)在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。如：動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…a航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽(yáng)能高空無(wú)人飛機(jī)第一百一十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日b微電子：電子芯片冷卻c生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官的冷凍保存d軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存e制冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵；高溫水源熱泵f新能源：太陽(yáng)能；燃料電池第一百一十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日一、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）定義：物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導(dǎo)熱。如：固體與固體之間及固體內(nèi)部的熱量傳遞。1．傳熱量發(fā)生傳熱過(guò)程，即熱傳導(dǎo)的條件：溫度差。特點(diǎn)：1）通常溫差愈大，傳熱過(guò)程也愈強(qiáng)烈。

2）存在阻礙傳熱的因素，如距離、導(dǎo)熱能力等。熱阻越大，傳熱量越小。第一百一十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日溫度差與熱阻的對(duì)比關(guān)系決定了傳熱量的大?。?/p>

機(jī)械設(shè)計(jì)人員主要研究在不同條件下熱量和熱阻的具體內(nèi)容和數(shù)值，從而能計(jì)算出熱量的大小，更合理地改善和控制傳熱過(guò)程。第一百一十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2．溫度場(chǎng)及溫度梯度定義：溫度場(chǎng)就是某一瞬間空間所有各點(diǎn)的溫度分布。根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系，熱量傳遞過(guò)程可分為兩類：（1）穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；（2）非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

1）穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程（定常過(guò)程）凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變的熱傳遞過(guò)程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。第一百一十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2）非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程（非定常過(guò)程）

凡是物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化而變化的熱傳遞過(guò)程均稱非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

各種熱力設(shè)備在持續(xù)不變的工況下運(yùn)行時(shí)的熱傳遞過(guò)程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；而在啟動(dòng)、停機(jī)、工況改變時(shí)的傳熱過(guò)程則屬非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

在非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)中，溫度隨時(shí)間而變。如三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：T=f(x,y,z,t)第一百一十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日等溫面:在三維溫度場(chǎng)中，把溫度值相同的點(diǎn)相連而構(gòu)成的面稱作等溫面，等溫面上任意點(diǎn)的法線方向就是該點(diǎn)的熱流方向，該方向具有最顯著的溫度變化。如圖7—18所示。溫度梯度：相鄰兩等溫面的溫度差△t和沿法線方向兩等溫面之間距離△n的比值的極限叫做溫度梯度(單位為℃／m)，記作grade第一百一十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3．導(dǎo)熱系數(shù)傅立葉定律（1822年，法國(guó)物理學(xué)家）如圖1-1所示的兩個(gè)表面分別維持均勻恒定溫度的平板，是個(gè)一維導(dǎo)熱問(wèn)題。對(duì)于x方向上任意一個(gè)厚度的微元層來(lái)說(shuō)，根據(jù)傅里葉定律，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該層的傳熱量與溫度變化率及平板面積A成正比：負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。第一百二十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日導(dǎo)熱系數(shù)是衡量物質(zhì)導(dǎo)熱能力的一個(gè)指標(biāo)。其數(shù)值等于厚度為1m，表面積為1m2的平壁兩側(cè)維持1℃溫差時(shí)，每小時(shí)通過(guò)該平壁的熱量。這個(gè)數(shù)值愈大說(shuō)明物質(zhì)的導(dǎo)熱性能愈好。在工程設(shè)計(jì)中，導(dǎo)熱系數(shù)λ取所處溫度范圍內(nèi)的平均值，并把它當(dāng)做常數(shù)?？稍谑謨?cè)中查得。第一百二十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日4．求解溫度場(chǎng)通過(guò)求解溫度場(chǎng)，得出零部件的溫度分布。從而解出熱彈變形與熱應(yīng)力。求解溫度場(chǎng)的方法一般分為三類：1）精確解法，即理論分析法。只能求解有限數(shù)量的簡(jiǎn)單導(dǎo)熱問(wèn)題。2）近似解法。適用于工程技術(shù)中許多實(shí)際問(wèn)題3）數(shù)值解法。數(shù)值解法主要有有限差分法和有限單元法。數(shù)值解法的基礎(chǔ)是離散數(shù)學(xué)?；舅枷耄河每臻g和時(shí)間區(qū)域內(nèi)有限個(gè)離散點(diǎn)上的溫度值去逼近導(dǎo)熱體內(nèi)溫度在空間和時(shí)間區(qū)域內(nèi)的連續(xù)分布，從而將求解溫度分布的偏微分方程轉(zhuǎn)化為求解有限個(gè)離散點(diǎn)上的溫度值所組成的代數(shù)聯(lián)立方程，并把這個(gè)代數(shù)方程組的解作為原導(dǎo)熱邊值問(wèn)題的數(shù)值形式的近似解。第一百二十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日5.對(duì)流：是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程。對(duì)流僅發(fā)生在流體中，對(duì)流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。第一百二十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日1）自然對(duì)流：由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動(dòng)。

如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動(dòng)。2）強(qiáng)制對(duì)流：流體的流動(dòng)是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所造成的。3）沸騰換熱及凝結(jié)換熱：

液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對(duì)流換熱，稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱（相變對(duì)流沸騰）。一般地，就介質(zhì)而言：水的對(duì)流換熱比空氣強(qiáng)烈；第一百二十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日6.熱輻射1）輻射和熱輻射物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。2）輻射換熱輻射與吸收過(guò)程的綜合作用造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。

第一百二十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日自然界中的物體都在不停的向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷的吸收其他物體發(fā)出的輻射熱。說(shuō)明：輻射換熱是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)物體與周圍環(huán)境溫度處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過(guò)程仍在不停的進(jìn)行，只是輻射熱與吸收熱相等。第一百二十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3）傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的評(píng)述①傳導(dǎo)、對(duì)流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在的條件下，才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。②在輻射換熱過(guò)程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。第一百二十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日在輻射時(shí)，輻射體內(nèi)熱能→輻射能；在吸收時(shí)，輻射能→受射體內(nèi)熱能，因此，輻射換熱過(guò)程是一種能量互變過(guò)程。③輻射換熱是一種雙向熱流同時(shí)存在的換熱過(guò)程，即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物體向高溫物體輻射熱能，第一百二十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日④輻射換熱不需要中間介質(zhì)，在真空中即可進(jìn)行，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。因此，又稱其為非接觸性傳熱。⑤熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子性態(tài)的一種宏觀表象。第一百二十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日二、熱膨脹(熱彈變形）機(jī)械系統(tǒng)中所用的材料在受熱時(shí)耍發(fā)生膨脹，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到發(fā)熱較多所造成的后果。當(dāng)環(huán)境溫度變化顯著或摩擦發(fā)熱時(shí)、設(shè)計(jì)中都需把熱膨脹的物理影響控制在允許范圍內(nèi)，以便機(jī)器正常工作。1.線膨脹系數(shù)對(duì)于固體線膨脹系數(shù)(單位為1/℃)可定義為：第一百三十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第一百三十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日2．零件的膨脹計(jì)算零件的長(zhǎng)度變化，必須知道零件的溫度分布。在穩(wěn)定膨脹中，決定零件的物理參數(shù)可由以下基本方程表示：計(jì)算出的△L值直接影響到設(shè)計(jì)：約束、定位與自由度的問(wèn)題。第一百三十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-2l表示穩(wěn)定均勻溫度分布下的膨脹。第一百三十三頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日結(jié)論：零件因熱膨脹后引起的變形若需保持幾何相似，則需滿足以下條件：1)整個(gè)零件的熱膨脹系數(shù)為常數(shù)，這就需要用同一種材料制造且零件上溫差不是太大，2）沿x、y、z軸的熱應(yīng)變必須為：εx＝εy＝εz=α△tm如整個(gè)零件的α為常數(shù)，對(duì)三個(gè)坐標(biāo)軸溫升相等，則有：第一百三十四頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日

一般采用一個(gè)既可滑動(dòng)又可轉(zhuǎn)動(dòng)的支點(diǎn)，如圖7-22a所示。又如導(dǎo)向裝置位于變形的對(duì)稱軸線上，則可用只有一個(gè)自由度的導(dǎo)槽．如圖7-22b。

3）具有一個(gè)自由度的允許熱膨脹的導(dǎo)向裝置必須位于通過(guò)固定點(diǎn)的線上，該線還必須是變形狀態(tài)的對(duì)稱軸。第一百三十五頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第一百三十六頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日第一百三十七頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3．零件的相對(duì)膨脹設(shè)計(jì)時(shí)要考慮兩個(gè)以上零件的相對(duì)膨脹，特別在承受共同載荷作用或需要保持一定間隙的情況下。兩零件之間的相對(duì)膨脹為：

(1)穩(wěn)態(tài)相對(duì)膨脹如果溫度不隨時(shí)間變化，且線膨脹系數(shù)相同，則為了將相對(duì)膨脹減至最小，只得盡量使溫度相等或者選擇有不同膨脹系數(shù)的材料，通常兩者都是必須的。第一百三十八頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-26所示為鋼螺柱與鋁合金凸緣相結(jié)合。由于鋁有較大的熱膨脹系數(shù)，溫度上升將引起螺栓載荷增加而可能導(dǎo)致聯(lián)接破壞。如果采用有適當(dāng)線膨脹系數(shù)的零件，則相對(duì)膨脹可完全避免，第一百三十九頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日因此在螺柱和凸緣間加入膨脹系數(shù)很小的殷鋼加以補(bǔ)償，即可避免螺拴破壞。如果材料選擇受到限制，則必須采取溫度調(diào)節(jié)辦法，如大功率發(fā)電機(jī)中的絕緣長(zhǎng)銅棒，為使相對(duì)膨脹盡可能小，就借助于冷卻或加熱來(lái)控制膨脹。第一百四十頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日(2)非穩(wěn)態(tài)相對(duì)膨脹如果溫度隨時(shí)間變化，在加熱或冷卻過(guò)程中，常發(fā)現(xiàn)其相對(duì)膨脹比穩(wěn)態(tài)時(shí)大，這是因?yàn)槊總€(gè)零件的溫度相差很大的緣故。通常，零件的長(zhǎng)度相等且有相同的膨脹系數(shù)：零件的發(fā)熱曲線將取決于時(shí)間常數(shù)，如圖7—27曲線表示了在熱介質(zhì)中溫度變化△t的不同，時(shí)間常數(shù)對(duì)兩個(gè)零件的影響：第一百四十一頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日三、熱應(yīng)力任何物體經(jīng)受溫度變化時(shí)，由于它和下能自由相對(duì)伸縮的其它物體之間或物體內(nèi)部各部分之間相互約束產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。當(dāng)物體經(jīng)受溫度變化時(shí)，如果它是自由膨脹或收縮，則不產(chǎn)生熱應(yīng)力，否則便產(chǎn)生熱應(yīng)力。物體的強(qiáng)迫膨脹或約束可能由下述幾個(gè)原因引起：1)由于外加約束而使物體不能完全自由膨脹或收縮。2)在均質(zhì)物體內(nèi)部由于溫度分布不均勻，從而使各部分之間因膨脹不同而互相牽制強(qiáng)迫膨脹或約束。第一百四十二頁(yè)，共一百七十六頁(yè)，2022年，8月28日3)物體為不均質(zhì)的或不同材料的結(jié)構(gòu)．即使溫度分布是均勻的，但由于它的物理特性不同(如線膨脹系數(shù)α和彈性模量E不同)，幾何尺寸不一致，在物體內(nèi)各部分間引起強(qiáng)迫膨脹或約束?？傊?，熱應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因是由于溫度變化引起各物體在約束