磨損的計算方法行業(yè)研究

1、1谷風優(yōu)質(zhì)目錄當代磨損理論簡述磨損計算方法減少磨損與防止磨損的方法2谷風優(yōu)質(zhì)第一節(jié) 當代磨損理論簡述 近些年來，許多工業(yè)化國家非常重視對磨損產(chǎn)物的研究，特別是從微觀的角度進行了深入細致的研究。這是因為，要真正了解磨損的過程，并進一步研究磨損的機理，就必須弄清楚磨屑是怎樣形成的；其尺寸、形狀和機械性能等與磨損過程和磨損狀態(tài)究竟有什么關系。為此，人們首先通過掃描電子顯微鏡等現(xiàn)代化研究手段對磨屑進行了觀察，發(fā)現(xiàn)磨屑的形狀有片狀、卷曲狀、貝殼狀和球狀四類。此外，還研究了磨屑的顯微硬度、相組成和組織。3谷風優(yōu)質(zhì) 經(jīng)測試現(xiàn)，磨屑的顯微硬度比兩摩擦表面高許多。同時還用電子衍射法研究了20時在空氣中形成的磨屑

2、，實驗是在銷一環(huán)試驗機上進行的，法向載荷fn=62n、滑動速度vc0.44m/s、滑動距離l1000m。經(jīng)分析得知，45鋼的磨屑是由一fe、一fe2o3 、fe2o3和fe2o3. *h2o四種相組成的。另外，對磨屑的分析觀察發(fā)現(xiàn)，它具有兩個區(qū)域，一是亮區(qū)，在該區(qū)發(fā)現(xiàn)有球狀碳化物聚集，其顯微硬度很高，亮區(qū)又稱為白層組織；另一是暗區(qū)，此區(qū)呈渦流狀組織，這說明其塑性變形相當嚴重，在這個區(qū)域內(nèi)、球狀碳化物很少，其顯微硬度較亮區(qū)低。4谷風優(yōu)質(zhì) 為了解釋磨損現(xiàn)象的共同本質(zhì)，人們提出廠各種各樣的新理論。例如，磨損的剝層理論、磨損的疲勞理論、磨損的能量理論、磨損的分子理論和磨損的熱波動強度理論等等。本文只對

3、前三種理論進行簡要介紹。 、磨損的剝層理論 磨損的剝層理論是美國麻省理工學院的教授蘇(npsuh)于1973年建立的。這一新理論是以金屬的位錯理論為基礎的，它分析了亞表層金屬的塑性變形與斷裂行為。5谷風優(yōu)質(zhì) 該理論敘述了導致薄而長的片狀磨屑形成的過程，其要點如下： 1當接觸的兩表面滑動時，法向力和切向力是經(jīng)接觸點的粘著與犁溝作用傳遞的。較軟表面上的微凸體容易產(chǎn)生塑性變形或被磨去，結果形成了比較光滑的表面。此時的接觸情況變成了硬的凸峰與較軟平面的接觸，于是前者在后者上面犁溝并使平面上每一接觸點都經(jīng)受著循環(huán)載荷。 另外，硬微凸體在平面上施加的曳引力使表面產(chǎn)生周期性的塑性變形和位錯運動，并且使變形和

4、位錯不斷積累。6谷風優(yōu)質(zhì) 2當亞表層繼續(xù)變形時，在位錯堆積的應力作用下，裂紋和空穴便在亞表層形成核心，形成裂紋的深度與材料的性能和受載情況有關。圖513是鋼領跑道上亞表層所產(chǎn)生的裂紋。7谷風優(yōu)質(zhì) 3當繼續(xù)施加載荷時，金屬產(chǎn)生進一步的塑性剪切變形，而使裂紋之間以及裂紋與空穴之間相互連接與匯合，于是裂紋在接近表面的平行方向擴展，當擴展到臨界長度時裂紋與表面之間的材料被剪斷，因而形成了薄而長的磨損碎片。 在低速滑動下實驗的結果與上述理論基本一致，它能從微觀角度解釋諸如粘著磨損、疲勞磨損和微動腐蝕磨損的許多現(xiàn)象，但不能解釋在高速下的磨損現(xiàn)象。8谷風優(yōu)質(zhì) 二、磨損的疲勞理論 表面疲勞是由循環(huán)變應力作用引

5、起的一種破壞形式。當應力幅小于材料的彈性極限時，即在彈性接觸條下，達到其疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)一般要超過106；如果應力大于材料的彈性極限，即在塑性接觸條件下，其應力循環(huán)次數(shù)只需幾次或十幾次即可發(fā)生破壞，因此，這種破壞常稱為低循環(huán)疲勞破壞。9谷風優(yōu)質(zhì) 蘇聯(lián)的克拉蓋爾斯基是提出磨損疲勞理論最早的學者。他的理論為： 1由于實際表面存在著粗極度，當二表面相互作用時，其接觸是不連續(xù)的，各接觸點之和組成了其實際接觸面積； 2兩表面在法向力作用下，實際接觸點上便會產(chǎn)生局部應力和局部變形； 3當兩表面產(chǎn)生相對滑動時，由于摩擦力的作用，接觸區(qū)表面材料的性能將發(fā)生變化；與此同時，表層材料的固定體積會受到交變應力的多

6、次重復作用，因而使之受到積累損傷，結果導致微觀體積內(nèi)產(chǎn)生疲勞裂紋，最后裂紋擴展，匯合形成磨屑而脫落。10谷風優(yōu)質(zhì) 該理論不僅適用于疲勞磨損，而且也可以用來分析磨料磨損和粘著磨損。另外，這種理論不僅可以應用于金屬材料，而且還可以應用于某些非金屬材料(如石墨、橡膠等)。 三、磨損的能量理論 磨損的能量理論首先是由弗利舍(gfleisher)提出來的。他認為能量的轉(zhuǎn)化是產(chǎn)生磨損的主要原因，磨損現(xiàn)象與材料的斷裂能量之間有一定的關系。11谷風優(yōu)質(zhì) 摩擦副運動時要產(chǎn)生摩擦力，而摩擦力是由各種外部條件(如法向載荷、滑動速度以及熱過程等)參與到相互接觸的元素(如表面微凸體、亞表層和介質(zhì)等)中去，并不斷相互作用

7、而引起的。 輸入到摩擦副的能量一定大于它輸出的能量，其差值即是摩擦所消耗的能量。對金屬材料而言，摩擦力所作功的主要部分消耗在塑性變形上，并以熱的形式散失。而摩擦功的一小部分(約占總摩擦功的916)則以潛在內(nèi)能的形式積蓄在材料中，它表現(xiàn)為結晶的位錯。為了使磨屑與基體材料分離，必須在材料的一定體積內(nèi)積累足夠的內(nèi)能。當能量達到臨界值時，該體積內(nèi)的材料即發(fā)生塑性流動或形成裂紋，此時內(nèi)能減少，經(jīng)過多次這樣的臨界循環(huán)作用之后，當積儲的能量超過材料結合鍵的能量時，于是表面產(chǎn)生破壞，磨屑脫落，形成磨損。12谷風優(yōu)質(zhì) 磨屑形成過程所消耗的能量稱為斷裂能量。事實上它只占全部吸收能量的百分之幾。 用此理論可以分析磨

8、料磨損和腐蝕磨損。13谷風優(yōu)質(zhì)第二節(jié) 磨損計算方法 近十年來，在大量和成批生產(chǎn)的條件下，機器和設備的能量不斷增長，適合于極端條件的新工藝過程不斷涌現(xiàn)。因此，會設計經(jīng)久耐用的機器具有特別重要的意義。在分析了機器和機構的損壞原因后可知，損壞中有75%是由摩擦副的磨損引起的。因此，提高機器的耐磨性是延長其壽命的主要潛力。不建立工程用的磨損計算方法，就不可能延長相互摩擦的機器零件的壽命。磨損計算方法的背景14谷風優(yōu)質(zhì) 但是，由于影響磨損的因素非常多，所以磨損的計算也是相當復雜的。各國的摩擦學專家曾提出過很多計算方法用來計算各種類型的磨損和一些計算方法還未能達到實用階段，因此，仍需努力深入研究，加以完善

9、。本節(jié)將簡要地介紹磨損的ibm計算法、兩個配合“聯(lián)接”體的磨損計算法和兩種主要磨損類型的計算法，以便深入理解磨損的本質(zhì)。磨損計算方法的背景15谷風優(yōu)質(zhì)一、磨損的ibm計算法 1962年以貝爾(rgbayer)為首的一批科學家在美國國際商用機械公司(ibm)的實驗室里進行了大量的實驗，建立了一種磨損工程模型，擬定了設計機械零件時預測其磨損的計算方法。ibm計算法包括兩個部分，即零磨損和可測磨損計算。零磨損：零磨損系指磨損深度不超過原始夫面粗糙度高度時的磨損?？蓽y磨損：指大于原始表面租糙度高度的磨損。16谷風優(yōu)質(zhì)ibm計算法 在ibm計算法中，滑動距離的單位用“行程”(pass)表示，它等于在滑動

10、方向上，摩擦副相互接觸的尺寸，如圖5一14所示。圖中尺寸s即為一個行程，當圓柱體轉(zhuǎn)動360度時，則經(jīng)過 行程。經(jīng)過大量實驗表明，在一定工作時間內(nèi)，保證摩擦副零磨損的條件是：17谷風優(yōu)質(zhì)ibm計算法18谷風優(yōu)質(zhì)對應于2000個行程時的rr的數(shù)值，見表5-2。保證零磨損時的行程次數(shù)n與tmax之間的關系可采用材料疲勞曲線的關系式，即由此式可以計算任意行程數(shù)容許的ibm計算法19谷風優(yōu)質(zhì)ibm計算法當n21600時，上式是可行的，用式(5一10)預測零磨損需按以下步驟進行：1、將摩擦副零件要求的工作期限換算成行程次數(shù)n；2、用查表法或其它方法確定材料的3、通過實驗或查表法確定4、計算出20谷風優(yōu)質(zhì)i

11、bm計算法 下面討論可測磨損，可測磨損可以分為兩種情況一種是材料產(chǎn)生嚴重轉(zhuǎn)移，另一種是中等程度的轉(zhuǎn)移，后者在工程實際中最常見，故只討論后一種可測磨損。首先令a表示磨痕的橫截面積。它實際上代表磨損量。a與n以及 有關，實質(zhì)上 是消耗在磨損上的能量。這些量之間的關系可用微分方程式來表示：21谷風優(yōu)質(zhì)ibm計算法經(jīng)過一些假設之后，上式可簡化為式中：c為系統(tǒng)常數(shù)，可由實驗得到。將 等代入式(512)，并加以積分即可求得a值，再測出磨痕長度就能計算出磨損體積。22谷風優(yōu)質(zhì)二、兩個配合“聯(lián)接”體的磨損計算法 這種計算方法是根據(jù)摩擦副零件所允許的磨損量來決定使用期限的。為此，需要解決以下三個方面的問題：（1

12、）確定磨損過程中兩接觸表面之間的壓力分布（2）確定在零件的使用期限內(nèi)的極限線磨損（3）確定兩摩擦表面上線磨損量 分布情況23谷風優(yōu)質(zhì)兩個配合“聯(lián)接”體的磨損計算法 現(xiàn)以圓錐式推力滑動軸承為例，說明這種計算方法，見圖5-15。 由圖可知，其結構特點是具有一個不磨損(或磨損很小)的導向面(向心軸承)，錐形旋轉(zhuǎn)表面磨損后，其接近的方向只能是xx方向。此時摩擦副的配合磨損可用 來表示。其值等于錐形推力軸承磨損后的軸向位移量，當 達到其極限時，則軸承就不能再使用了。 所以，在上述條件下， 就是摩擦副零件沿xx方向測得的磨損量 和。24谷風優(yōu)質(zhì)25谷風優(yōu)質(zhì)兩個配合“聯(lián)接”體的磨損計算法26谷風優(yōu)質(zhì)兩個配合

13、“聯(lián)接”體的磨損計算法 如果兩錐面的磨損符合磨料磨損的規(guī)律，則其中 是線磨損速度；k為系數(shù)；p為壓力 相對滑動速度。 錐面上某點的相對滑動速度為27谷風優(yōu)質(zhì)兩個配合“聯(lián)接”體的磨損計算法于是，摩擦副兩個零件的磨損速度分別為28谷風優(yōu)質(zhì)兩個配合“聯(lián)接”體的磨損計算法29谷風優(yōu)質(zhì)30谷風優(yōu)質(zhì)31谷風優(yōu)質(zhì)由式(5-14)和式(5-20)可得兩個配合“聯(lián)接”體的磨損計算法32谷風優(yōu)質(zhì)三、兩種主要磨損類型的磨損計算方法(1)(1)簡單粘著磨損計算簡單粘著磨損計算( (archardarchard模型模型) )上圖為粘著磨損模型，假設摩擦副的一方為較硬上圖為粘著磨損模型，假設摩擦副的一方為較硬的材料，摩擦

14、副另一方為較軟的材料；法向載荷的材料，摩擦副另一方為較軟的材料；法向載荷w w由由n個半徑為個半徑為a的相同微凸體承受。的相同微凸體承受。33谷風優(yōu)質(zhì)則當材料產(chǎn)生塑性變形時，法向載荷則當材料產(chǎn)生塑性變形時，法向載荷w與較軟材料與較軟材料的屈服極限的屈服極限s之間的關系：之間的關系： (1)當摩擦副產(chǎn)生相對滑動，且滑動時每個微凸體上產(chǎn)當摩擦副產(chǎn)生相對滑動，且滑動時每個微凸體上產(chǎn)生的磨屑為半球形生的磨屑為半球形, ,其體積為其體積為( (2/3)2/3)a3，則，則單位滑動單位滑動距離的總磨損量距離的總磨損量( (即磨損率，通常用于判斷材料磨損即磨損率，通常用于判斷材料磨損的快慢程度的快慢程度)

15、)為為: :(2)由由(1)(1)和和(2)(2)式，可得：式，可得：(3)34谷風優(yōu)質(zhì)式式(3)(3)是假設了各個微凸體在接觸時均產(chǎn)生一個磨粒而導出。是假設了各個微凸體在接觸時均產(chǎn)生一個磨粒而導出。如果考慮到微凸體相互產(chǎn)生磨粒的概率數(shù)如果考慮到微凸體相互產(chǎn)生磨粒的概率數(shù)k k和滑動距離和滑動距離l l，則則接觸表面的粘著磨損量接觸表面的粘著磨損量表達式為：表達式為：(3)(4)由由(4)(4)式可得式可得粘著磨損的三個定律：粘著磨損的三個定律：材料磨損量與滑動距離成正比：適用于多種條件材料磨損量與滑動距離成正比：適用于多種條件材料磨損量與法向載荷成正比：適用于有限載荷范圍材料磨損量與法向載荷

16、成正比：適用于有限載荷范圍材料磨損量與較軟材料的屈服極限材料磨損量與較軟材料的屈服極限y( (或硬度或硬度h h) )成反成反比比由于對于彈性材料由于對于彈性材料sh/3，h為布氏硬度值，則式為布氏硬度值，則式(4)可可變?yōu)椋鹤優(yōu)椋菏街惺街衚 k為粘著磨損系數(shù)為粘著磨損系數(shù)35谷風優(yōu)質(zhì)(2) (2) 磨粒磨損模型：磨粒磨損模型： 簡單的磨粒磨損計算方法是根據(jù)微量切削假說得出，簡單的磨粒磨損計算方法是根據(jù)微量切削假說得出， 下圖為磨粒磨損模型。下圖為磨粒磨損模型。 可以將磨粒看做是具有錐形的硬質(zhì)顆粒在軟材料上滑可以將磨?？醋鍪蔷哂绣F形的硬質(zhì)顆粒在軟材料上滑動，犁出一條溝。動，犁出一條溝。36谷風

17、優(yōu)質(zhì)假設磨粒為形狀相同的圓錐體，半角為假設磨粒為形狀相同的圓錐體，半角為，錐底直徑為，錐底直徑為r( (即犁出的溝槽寬度即犁出的溝槽寬度) )，載荷為，載荷為w，壓入深度，壓入深度h，滑動距離，滑動距離為為l，屈服極限，屈服極限s s。在垂直方向的投影面積為。在垂直方向的投影面積為r2，滑動時，滑動時只有半個錐面只有半個錐面(前進方向的錐面前進方向的錐面)承受載荷，共有承受載荷，共有n個微凸個微凸體，則所受的法向載荷為：體，則所受的法向載荷為：將犁去的體積作為磨損量，其水平方向的投影面積為一將犁去的體積作為磨損量，其水平方向的投影面積為一個三角形，個三角形，單位滑動距離的磨損量單位滑動距離的磨

18、損量(磨損率磨損率)為為q0=nhr, 因因為為r=htan ，因此：，因此：(1)37谷風優(yōu)質(zhì)如果考慮到微凸體相互作用產(chǎn)生磨粒的概率數(shù)如果考慮到微凸體相互作用產(chǎn)生磨粒的概率數(shù)k和滑動和滑動距離距離l，并且代人材料的硬度，并且代人材料的硬度h=3=3s，則則接觸表面的磨損接觸表面的磨損量表達式為：量表達式為：式中式中k ks s為磨粒磨損系數(shù)，是幾何因素為磨粒磨損系數(shù)，是幾何因素2/2/tan 和概率常數(shù)和概率常數(shù)k k的乘積，的乘積，k ks s與磨粒硬度、形狀和起切削作用的磨粒數(shù)量與磨粒硬度、形狀和起切削作用的磨粒數(shù)量等因素有關。應當指出，上述分析忽略了許多實際因素，等因素有關。應當指出，

19、上述分析忽略了許多實際因素，例如磨粒的分布情況、材料彈性變形和滑動前方材料堆例如磨粒的分布情況、材料彈性變形和滑動前方材料堆積產(chǎn)生的接觸面積變化等等，因此式積產(chǎn)生的接觸面積變化等等，因此式(2)(2)近似地適用于近似地適用于二體磨粒磨損。在三體磨損中，一部分磨粒的運動是沿二體磨粒磨損。在三體磨損中，一部分磨粒的運動是沿表面滾動，它們不產(chǎn)生切削作用，因此表面滾動，它們不產(chǎn)生切削作用，因此k ks s值明顯減小。值明顯減小。由公式由公式(2)(2)可看出可看出: :粘著磨損定律也同樣適用于磨粒磨損粘著磨損定律也同樣適用于磨粒磨損。(2)38谷風優(yōu)質(zhì)39谷風優(yōu)質(zhì)第三節(jié) 減少磨損與防止磨損的方法一、減少磨損的一般方法 當兩個接觸的表面產(chǎn)生相對滑動時，磨損是不可避免的。為減少磨損可以采取如下的一些辦法。1.合理地選擇材料與研制耐磨材料 正確地選擇摩擦剔的配對材料是減少磨損的重要途徑。當以粘著磨損為主時，應當選用互溶性小的材料副。假如是以磨料磨損為主，則應該選硬度高的材料或設法提高所選材料的硬度，也可選用抗磨料磨損