機(jī)械抗磨損設(shè)計(jì)

1、機(jī)械抗磨損設(shè)計(jì)概述固體的磨損與影響因素磨料磨損計(jì)算方程概述一、抗磨損設(shè)計(jì)的意義 摩擦、磨損和潤滑是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，自古就已為人們所注意，并在實(shí)踐中運(yùn)用它們的一些規(guī)律。例如，工具的刃磨，摩擦取熱，用滾動(dòng)代替滑動(dòng)以節(jié)省勞力以及用動(dòng)物油脂潤滑以減輕摩擦與磨損等等。隨著社會的發(fā)展，人們對這些現(xiàn)象的重要性及其規(guī)律的認(rèn)識和應(yīng)用也不斷地加深；然而把摩擦、磨損和潤滑問題作為一門獨(dú)立學(xué)科“摩擦學(xué)”(Tribology)開展系統(tǒng)的研究和實(shí)踐，只是近三十年的事情。摩擦學(xué)是研究運(yùn)動(dòng)副表面的相互作用、變化和損傷的理論與實(shí)踐的一門綜合性學(xué)科?？鼓p設(shè)計(jì)就是把摩擦學(xué)研究成果應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，以減輕或消除磨損。 磨

2、損是縮短機(jī)械壽命的主要因素。國外統(tǒng)計(jì)500種典型零件的報(bào)廢表明，其中因磨損引起報(bào)廢的約占80。磨損不僅是機(jī)械零部件的一種主要失效形式，也是引起其他后繼失效的最初原因。磨屑會造成零件表面損傷、潤滑油污染及油路堵塞。配合零件因磨損間隙加大會增加機(jī)械的振動(dòng)、沖擊與疲勞，然后又加劇磨損，最終導(dǎo)致機(jī)械喪失工作能力或遭到破壞。即使不失效，磨損也會使機(jī)械性能降低。例如降低機(jī)床的精度和產(chǎn)品質(zhì)量；內(nèi)燃機(jī)造成壓縮損失和能量損失，陣低輸出功率；泵和壓縮機(jī)的主要零件和密封的磨損降低工作效率等等。 概述概述 磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。 抗磨損設(shè)計(jì)具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。美國1978年估計(jì)在交通運(yùn)輸、發(fā)電、透平機(jī)械和加工業(yè)

3、四個(gè)主要部門在摩擦學(xué)研究和發(fā)展方面投資2400萬美元，每年就可節(jié)約美國能源消耗的11，約160億美元。英國1981年估計(jì)，在構(gòu)成消耗能源87的部門，有效地應(yīng)用摩擦學(xué)設(shè)計(jì)，每年可節(jié)約4.687億英磅。中國機(jī)械工程學(xué)會對我國的粗略估計(jì)是，投資與收益之比為1：50。 抗磨損設(shè)計(jì)在促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展方面也是很重要的。近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了摩擦學(xué)的發(fā)展，同時(shí)也對它的研究和應(yīng)用提出了更迫切的任務(wù)。高速、重載、精密、自動(dòng)化及特殊工況下工作的機(jī)械的發(fā)展都離不開抗磨損設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)備高度的可靠性、長壽命和低消耗也日益成為國際貿(mào)易競爭的主要目標(biāo)。 概述二、抗磨損設(shè)計(jì)的性質(zhì)與發(fā)展 為了提高機(jī)械的可靠性和壽命，單學(xué)科的

4、設(shè)計(jì)已不能滿足要求。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就必須考慮能有效地減輕或防止磨損的所有因素。因此抗磨損設(shè)計(jì)是綜合性、多科性的，它需要物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)以及潤滑技術(shù)與工程實(shí)際等方面的知識。 影響磨損的因素很多，最重要的可概括為四大方面，即工作參數(shù)、材料、幾何因素與環(huán)境因素?？鼓p設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是了解這些因素的影響，并在設(shè)計(jì)和使用中采取對策，減輕或消除不利因素，發(fā)揮有利因素以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)。 抗磨損設(shè)計(jì)與摩擦學(xué)的發(fā)展是分不開的。關(guān)于摩擦磨損的理論在繼續(xù)發(fā)展。潤滑理論與技術(shù)(例如流變學(xué)和邊界潤滑的機(jī)理)、耐磨材料、表面強(qiáng)化技術(shù)、表面力學(xué)及表面物理化學(xué)性質(zhì)，表面形貌效應(yīng)等的研究與在工程中的應(yīng)用都需要深

5、入發(fā)展。在研究方法上主要正在向以下四方面發(fā)展： 1由宏觀進(jìn)入微觀的研究。由于先進(jìn)測試技術(shù)與儀器的發(fā)展，已能夠?qū)Ρ砻鏍顩r及其變化，表面或表層的結(jié)構(gòu)以及微裂紋等進(jìn)行分析。 概述概述 2由定性進(jìn)入定量的研究。為了預(yù)測機(jī)械及其零部件的磨現(xiàn)壽命，必須對磨損進(jìn)行定量估算。因此，磨損計(jì)算的理論與方法，積累磨損數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫是極其必要的。 3由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)的研究。磨損作為一種過程很少是穩(wěn)態(tài)的，特別是從微觀上看，摩擦表面在摩擦磨損過程中不斷地起著各種變化，從而可能引起磨損特征和磨損程度的變化，因而磨損是一個(gè)隨機(jī)過程。需用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來研究。 4由單因素進(jìn)入多因素的綜合研究。磨損是一個(gè)復(fù)雜過程，影響因素眾多。理

6、論和實(shí)踐證明，對磨損問題，任何“一元論”的方法都可能導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤或忽視、遺漏重要的影響因素。當(dāng)前，對磨損問題已開始采用系統(tǒng)工程分析的方法。固體的磨損與影響因素 固體表面的磨損過程十分復(fù)雜，它既是一種隨機(jī)過程，又主要屬于微觀特征，且受眾多因素的影響。磨損顆粒能以各種不同的機(jī)理產(chǎn)生。為了進(jìn)行有效的抗磨損設(shè)計(jì)，必須了解磨損的機(jī)理及其影響因素。而磨損的定量計(jì)算對工程設(shè)計(jì)尤為重要。迄今人們雖然對磨損已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但對磨損機(jī)理的了解仍很不夠。目前普遍承認(rèn)的磨損類型按機(jī)理可分為四種，即粘著磨損、磨料磨損、接觸疲勞磨損和腐蝕密損。雖然這種分類法不盡完善，但歸納了主要的磨損類型。 在實(shí)際的磨損現(xiàn)象中，往

7、往是幾種磨損形式同時(shí)存在或互為因果，相互轉(zhuǎn)化。例如疲勞磨損的磨屑會導(dǎo)致磨粒磨損，而磨粒磨損形成的新鮮表面又會引起腐蝕或粘著磨損等。固體的磨損與影響因素一、磨損過程 機(jī)械零部件的磨損通常經(jīng)歷不同的階段，可用磨損量與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系(磨損曲線)來表示： 圖1a為工況不變條件下的典型磨損曲線，它由磨合、穩(wěn)定磨損與劇烈磨損等三個(gè)階段組成，分別表示不同的磨損變化規(guī)律。新的摩擦副表面在磨合(wearing-in或running-in)期磨損迅速，隨后趨于緩慢而穩(wěn)定，這標(biāo)志著摩擦狀態(tài)基本保持不變，而進(jìn)入穩(wěn)定磨損期。在穩(wěn)定磨損期，曲線的斜率dQdT(即磨損速度或稱磨損率)越小，零部件的使用壽命越長。這個(gè)階段的長

8、短代表零部件使用壽命的長短。最后由于積累的磨損量過大，使工作條件惡化，從而加別磨損，最終導(dǎo)致完全失效。固體的磨損與影響因素圖1 磨損曲線固體的磨損與影響因素 圖1b所示的的磨損曲線屬表面疲勞磨損。在磨合和穩(wěn)定磨損階段無明顯的磨損，工作時(shí)間達(dá)到一定數(shù)值后，出現(xiàn)疲勞磨損，且磨損迅速發(fā)展而導(dǎo)致失效。滾動(dòng)軸承的磨損曲線有類似的情況。 此外，若設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)或工作條件惡劣，也可能使零件在磨合后很快轉(zhuǎn)入劇烈磨損階段。而無法正常工作。固體的磨損與影響因素二、粘著磨損 由粘著摩擦理論可導(dǎo)出粘著磨損理論。當(dāng)兩摩擦表面相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于粘著效應(yīng)形成的粘結(jié)點(diǎn)被剪切斷裂發(fā)生材料由一個(gè)表面向另一表面轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，稱為粘著磨

9、損(adhesive wear)。摩擦?xí)r兩表面接觸峰頂粘著、斷裂、再粘著、再斷裂的反復(fù)過程構(gòu)成粘著磨損過程(圖2)。 圖2 單峰粘著磨損模型 固體的磨損與影響因素素 剪切斷裂可能發(fā)生在粘結(jié)點(diǎn)界面，也可能發(fā)生在表層內(nèi)，這取決于何處剪切強(qiáng)度最低(圖3)。若剪切斷裂發(fā)生在粘結(jié)點(diǎn)界面，則磨損是輕微的，否則會有不同程度的磨損。因此，根據(jù)粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和斷裂位置的不同，粘著磨損按程度可分為輕微磨損、涂抹、擦傷、膠合和咬死五類。它們的共同特點(diǎn)是出現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移和沿滑動(dòng)方向有不同程度的磨痕。 圖3 粘著與斷裂 固體的磨損與影響因素粘著磨損的主要原因是粘著現(xiàn)象，然而任何摩擦副都會發(fā)生粘著，只是粘著的程變(或稱料結(jié)點(diǎn)

10、的強(qiáng)度)不同，從而磨損的程度也不同。影響粘著磨損的因素很多。 主要因素概括有： 1摩擦副材料 2表面膜 3表面粗糙度 4表面壓強(qiáng) 5滑動(dòng)速度 6. 表面溫度固體的磨損與影響因素三、磨料磨損 硬顆?；蛴驳谋砻嫱黄鹪谀Σ吝^程中引起固體表面材料脫落的現(xiàn)象，稱為磨料磨損(abrasive wear)，磨料磨損是最普遍的一種磨損形式，對采礦、鉆探、建筑、運(yùn)輸與農(nóng)業(yè)等機(jī)械的有關(guān)零部件則是主要的磨損形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)中磨料磨損造成的損失約占總磨損損失的50。因此，減輕磨料磨損具有頭等重要的經(jīng)濟(jì)意義。 產(chǎn)生磨料磨損的情況有三： (1)零件在磨料介質(zhì)或含有磨料的介質(zhì)中工作，這是主要的磨料磨損領(lǐng)域，例如犁耙、掘土

11、機(jī)鏟齒、鉆探機(jī)鉆頭、破碎機(jī)與球磨機(jī)的襯板等。水輪機(jī)葉片與船舶螺旋槳受水中泥砂的侵蝕也屬于磨科磨損。固體的磨損與影響因素 (2)外來硬顆粒在兩摩擦表面之間運(yùn)動(dòng)所造成的。外界磨料可以是空氣環(huán)境中的塵土，也可以是因其他磨損形式脫落下來的磨屑。這取決于密封與維護(hù)。 (3)摩擦副中硬表面的粗糙峰對軟表面起磨料作用。第二種情況可稱為三體磨料磨損（圖4a），其它兩種情況屬二體磨損（圖4b）。 圖4 產(chǎn)生磨粒磨損的情況固體的磨損與影響因素 磨料磨損過程實(shí)質(zhì)上是在外力作用下表面局部變形與斷裂的過程。硬顆粒在摩擦表面上受兩個(gè)力的作用，一個(gè)是垂直于表面的力，另一個(gè)是平行于表面的力。垂直力使磨料壓入表而，平行力使磨料

12、在金屬表面上做切向運(yùn)功，引起表面剪切變形、犁皺或切削。 磨料磨損按磨損程度大致可分為三類，即低應(yīng)力擦傷性磨料磨損、高應(yīng)力碾碎性磨料磨損和鑿削行磨料磨損。關(guān)于它們的特征參閱表1。固體的磨損與影響因素表1 磨料磨損的分類四、接觸疲勞磨損固體的磨損與影響因素 兩相互滾動(dòng)或滾動(dòng)兼滑動(dòng)的摩擦表面，在接觸區(qū)受循環(huán)變化的高接觸應(yīng)力作用，最終使表面或表層產(chǎn)生裂紋和材料脫落，形成凹坑，稱為接觸疲勞磨損(contact fatigue wear)或表面疲勞磨損。它是齒輪、滾動(dòng)軸承及凸輪等高副接觸的主要失效形式之一。此外。，在微觀上，如前所述，表面粗糙峰接觸在摩擦條件下也產(chǎn)生微觀接觸疲勞磨損。 接觸疲勞磨損過程可分

13、為幾個(gè)階段，即裂紋萌生前材料發(fā)生變化，裂紋萌生，裂紋擴(kuò)展和斷裂。 初始疲勞裂紋可能發(fā)生在表面，也可能發(fā)生在表層內(nèi)，達(dá)取決于哪里是最薄弱點(diǎn)，而最薄弱點(diǎn)又決定于多種影響因素。固體的磨損與影響因素 在潤滑不良，表面粗糙，表面有傷痕及有滑動(dòng)摩擦的情況下，初始疲勞裂紋可能出現(xiàn)在表面上，然后裂紋以與滾動(dòng)方向成2040角的方向向表面下擴(kuò)展，最后金屬被分離形成凹坑，凹坑表面較粗糙。這種疲勞裂紋萌生時(shí)間長，擴(kuò)展速度快，潤滑油會加速裂紋的擴(kuò)展(參見圖5)。 影響接觸疲勞磨損過程的因素很多，概括有以下幾方面： 1載荷 2材質(zhì) 3表面品質(zhì) 4潤滑圖5 潤滑油對表面疲勞裂紋擴(kuò)展的影響固體的磨損與影響因素五、腐蝕磨損 摩

14、擦過程中，固體表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的表面損傷，稱為腐蝕磨損(corrosive wear)。事實(shí)上，摩擦表面的損傷是由兩個(gè)過程造成的，一個(gè)是腐蝕，一個(gè)是機(jī)械作用，因此也可以稱為機(jī)械化學(xué)磨損。腐蝕磨損的范圍很廣，歸納起來有氧化磨損、特殊介質(zhì)腐蝕磨損、氣蝕及微動(dòng)磨損等。固體的磨損與影響因素六、磨損的影響因素 如上所述，磨損是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。它不能像材料的強(qiáng)度那樣用材料的一兩個(gè)主要機(jī)械性質(zhì)來表征。影響磨損的因素很多，概括起來可分為四大方面，即工作、材料、幾何和環(huán)境等因素。這些因素決定接觸表面的相互作用及其結(jié)果。不僅零件接觸表面本身影響磨損過程，零所處的整個(gè)系統(tǒng)也影響磨損過程，其中包括潤滑系統(tǒng)、過濾與密封、裝配與安裝等。磨料磨損計(jì)算方程 若摩擦副較硬表面是粗糙的或存在硬的磨料磨粒，磨損的主要機(jī)理可能是磨料磨損。在磨料磨損計(jì)算的簡單載荷模型中是假定硬表面凸峰對軟表面起微觀切削作用，凸峰為圓錐形，半錐角為 ，在法向載荷 的作用下壓入軟表面的深度為 ，如圖6所示。當(dāng)凸峰向前滑動(dòng)時(shí)，在軟表面上產(chǎn)生犁溝，法向載荷只由前