（机械设计及理论专业论文）耐磨材料选材专家系统的研究.pdf

摘要 本文根据磨损的分类，结合耐磨材料使用工况，分析了人类专家在选材过程中的思考步骤，将专家系统应用于耐磨材料选材过程中，建立了耐磨材料数据库和推理过程。详细讨论组成本专家系统的五个功能模块;利用产生式知识表示方法建立推理规则知识库和数据库。简要介绍了组成系统的菜单和界面，并通过一个实例说明系统的有效性。关键词 专家系统，规则，数据库，耐磨材料，材料选择 ab s t r a c t t h i s p a p e r b a s e o n t h e c l a s s i f y o f w e a r a n d t e a r , a n d c o mb i n e t o t h ec o n d i t i o n o f w e a r - r e s i s t i n g m a t e r i a l . a c c o r d i n g t o i t , a n a l y z e t h e p r o c e s s o fw e a r - r e s i s t i n g m a t e r i a l s e l e c t i o n . t h e e x p e r t s y s t e m h a s b e e n p u t i n t o u s e i n t h ep r o c e s s o f w e a r - r e s i s t i n g m a t e r i a l s e l e c t i o n , a t t h e s a m e t i m e , f o u n d t h ed a t a b a s e o f w e a r - r e s i s t i n g m a t e r i a l a n d t h e p r o c e s s o f r e a s o n i n g . i n d e t a i l , t h i sp a p e r d i s c u s s e s f i v e - f u n c t i o n m o d u l e o f t h e e x p e r t s y s t e m , a n d t h e m e t h o d s o ff o u n d i n g t h e k n o w l e d g e b a s e a n d d a t a b a s e . b r i e fl y i n t r o d u c e t h e f a c e a n d m e n uo f t h e e x p e r t s y s t e m, a n d e x p l a i n t h a t t h i s e x p e r t s y s t e m i s v e r y e f f e c t i v e b y a na c t u a l e x a mp l e .x u g u a n g g i a n ( m e c h a n i c a l d e s i g n a n d t h e o r y )d ir e c t e d b y p r o f . q i j i_ y uk e y w o r d s : e x p e r t s y s t e m; r u l e ; d a t a b a s e ; w e a r - r e s i s t i n g m a t e r i a l ; m a t e r i a ls e l e c t i o n华北电力大学( 北京) 硕士学位论文第一章前言1 . 1课题研究的意义 磨损是机械设备中金属工件失效的主要形式之一。 金属磨损与金属腐蚀、 金属疲劳相比，虽然很少导致灾难性危害，但是由于金属磨损引起机械设备的工作效率降低、工件更换或维修频繁、能源和金属材料消耗增加等所造成的经济损失则是相当惊人的。此外，机械设备的金属工件磨损，还会引起某些工业产品质量降低，甚至影响工业技术向现代化自动化发展。 随着材料性能的提高、新材料的研制，机械零部件设计中选材工作日 益繁重复杂。按照传统的机械零部件设计过程，设计人员必须根据经验及查阅大量的设计手册才能选择最佳的材料。由此带来的重复的体力劳动耗费了大量的人力和时间，而且由于查阅手册的片面性和个体知识面的局限性，也难以实现选材的最优化。 选材的一般原则n 是: 在满足工况条件、 材料性能要求的前提下， 尽可能降低材料成本，提高材料抗磨寿命，提高经济效益。 计算机技术的飞速发展，为解决这个问题提供了契机。如果能使计算机运用人类专家经验进行选材工作，将大大减轻设计人员的工作负担，提高工作效率，同时也易于实现选材的最优化。为此研制出一套材料选择专家系统具有重要的现实意义。1 . 2国内外相关研究现状1 . 2 . 1人工智能与专家系统概况 在计算机诞生初期，它的应用主要集中在数值计算、数据处理等日常性工作上，这虽然能替代人类做大量烦琐的脑力劳动，但计算机的智能水平很低，为了使计算机发挥更大的作用，机器具有智能是先决条件a 1 。在人工智能发展史上最值得一提的是英国的逻辑学家图灵 ( a l a n m a t h s o n t u r i n g ) ，他是第一个提出机器可以具有智能的学者，他于 1 9 3 7 年提出了图灵机 ( t u r i n g m a c h i n e )概念，其中包含着许多智能机器的思想。当今计算机领域的最高奖一一图灵奖就是为了纪华北电力大学( 北京) 硕士学位论文念他而设立的3 1 。人工智能有许多倍受关注的领域，如机器人、视觉、人工神经系统、自然语言、语音、理解以及专家系统。专家系统就是对传统人工智能问题中智能程序设计的一个非常成功的近似解决方法。专家系统早期先导者之一，斯坦福大学的 e d w a r d f e i g e n b a u m教授，把专家系统定义为 “ 一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只有专家才能解决的复杂问题”( f e i g e n b a u m 8 2 ) .专家系统是人工智能的一个分支， 它大量利用专业知识以解决只有专家 ( e x p e r t )才能解决的问题。专家系统已被应用到几乎每一个知识领域，其中有些被设计为研究工具，有些则履行着重要的商业和工业功能t4 1 。历史上，专家系统的发展大致经历了三个阶段: 初创期 ( 1 9 6 5 -1 9 7 1 ) 、 成熟期 ( 1 9 7 2 -1 9 7 7 ) 、 发展期 ( 1 9 7 8年至今) 。1 .2 .2国 外研究情况简介 从七十年代开始，专家系统在世界上发达国家逐渐得到开发和应用。专家系统最早应用于医疗领域和地质勘探领域，随着专家系统工具和人工智能的发展，专家系统逐渐在更多的领域里得到应用，如:金融业、汽车工业、电子工业、钢铁工业等。在将专家系统运用于锅炉运行优化和故障诊断方面，美、日等国已进行了多方面的研究，己开发出多种系统实机运行。上世纪九十年代以后，专家系统逐渐应用于机械设计和材料科学领域。 文献仁 5 报道专家系统在齿轮箱设计制造中的应用，文献 6 1 将专家系统应用于回转轴设计，文献 7 报道专家系统应用于铝和铝合金机械性能测试。对于专家系统在材料选择中的应用，国外文献中鲜有报道。 八十年代中期，在美国开始出现了利用人工智能技术专家系统对电厂汽轮机进行自 动诊断技术;八十年代末期，以美国电力研究院为首成立了一个由设计、研究、制造、运行等方面的专家组成的工作小组，专题讨论在电站锅炉中开发应用人工智能专家系统的问题& 1 9 11 . 2 . 3国内 研究情况简介 我国对专家系统的研究与开发工作起步较晚，大约始于七十年代末期，但相对来说其发展速度较快。我国专家系统开发工作最初在医疗领域展开，迄今己有近百个医疗诊断专家系统应用于临床治疗。专家系统在材料科学领域里的应用， 一一in i l ftl it ) * mr ) m遗a i 丝二一一一一还是最近几年的事情。西北工业大学凝固技术国家实验室把专家系统应用于铸造方法的选择，哈尔滨工程大学把专家系统应用于复合材料的设计中，北京工业大学在机械设计中的材料选择环节应用了专家系统， 重庆大学、中南工业大孚、广东工业大学也在专家系统应用于材料选择方面做出了各自 不同的研究(1 0 1 11 1 2 1 。但是，具体到耐磨材料的选择专家系统的研究，目前为止国内还没有相关的报道。由于材料的多样性、工况条件的多样性，适用于不同条件下的耐磨材料也就具有多样性，耐磨材料选择专家系统的研究也就是一个很复杂，覆盖面很广的研究项目。1 . 3课题的提出1 . 3 . 1传统机械设计中耐磨材料选择方式的局限性 按照传统的机械零部件设计过程，设计人员必须根据经验、个人知识、所掌握的信息及查阅大量的设计手册才能选择最佳的材料。由此带来的重复劳动耗费了大量的人力和时间，而且由于查阅手册的片面性、时限性和个人知识面的局限性，往往难以实现选材的最优化。随着科学技术的不断创新和发展，产品的换代更新也更加频繁，由此带来的材料的选择也更加频繁和困难，采用传统的方法选材己经远远不能满足技术发展的要求。我们希望能在短时间内给出最合适的匹配方向，进而推荐一个比较合理的材料匹配方式，这样可以大大节省人力和时间，而计算机专家系统可以满足这一要求。1 . 3 . 2耐磨材料选材专家系统 应用专家系统进行耐磨材料的选择，具有广泛的技术、经济意义: ( 1 ) 专家系统汇集大量专家的知识和经验，存贮于知识库中，以实现全系统知识共享; ( 2 ) 专家系统通常是若千个专家知识和经验的总和，因此，它的决策水平肯定在个别专家之上; ( 3 ) 专家系统工作是由计算机完成的，它能迅速、有效、不知疲倦地工作，且不受环境、情绪等因素的影响，决策一般不会出错，可靠性较高，可以避免人为失误造成的错判和漏判，避免造成经济损失。华北电力大学 北京 ) 硕士学位论文 ( 4 ) 专家系统具有解释功能，可以担负起训练高级技术人员的任务，有利于企业技术人才的培养和素质的提高。1 . 4论文的主要工作本文的主要工作有以下几个方面:1 )分析耐磨材料选材的人为过程，并据此设计相应的计算机程序推理过 程，建立推理规则。2 )建立全面的耐磨材料数据库，包容现阶段可用的各种耐磨材料;并在 此基础上考虑经济因素，使得本专家系统的推理结果更加合理实用。3 )设计合理的人机交互界面，使用户更加方便地使用本软件。4 )尽力采用模糊推理规则，设计基于模糊推理的推理过程。5 )以一个实际的选材实例验证系统的可行性和可靠性，最终结果给出推 理过程和原因，给出所选材料性能的详细描述。华北电力大学( 北京) 硕士学位论文第二章 耐磨材料选材过程分析 磨损是机械零件失效的主要形式之一。磨损还会造成机械设备运转效率降低、工件更换或维修频繁、能源消耗增加，等等。由于磨损而造成的经济损失是相当惊人的。据美国材料政策委员会测算，美国每年由于磨损造成的经济损失达到数百亿美元;前联邦德国技术科学部估测，磨损造成的损失每年达数百亿马克;据不完全统计，我国仅工件的磨料磨损一年就消耗钢材1 5 0 0 万吨以上，损失上千亿元人民币。因此，磨损问题越来越引起人们的普遍重视，磨损理论与抗磨技术的研究在世界各国方兴未艾。 磨损是非常复杂的、系统性很强的动态过程。它牵扯到摩擦系统中工件的外部因素和材料的内部因素，外部因素系指载荷、相对运动形式、运动速度和持续时间、环境温度、介质和润滑状态等;内部因素主要是指材料的化学成分、组织结构和力学性能等。摩擦系统中任一因素的变化都可能引起磨损规律及磨损机制的变化，因此磨损理论研究是一项艰巨而复杂的工作。一般需要研究各种材料在不同条件下的磨损规律和磨损机理，以期为不同工况下选用耐磨材料提供参考。2 . 1所示磨损的分类根据不同的条件，磨损有不同的分类方法。常见的几种分类方法如下图 2 -1 1 3 12 . 1 . 1 粘着磨损 摩擦相对运动时，由于固相焊合，接触点表面的材料由一个表面转移到另一个表面的现象，即粘着磨损。 粘着磨损是在有润滑的条件下，最常见的一种磨损形式。现在普遍认为，磨损的 颗粒是在微凸 体接触点的 部 位产生的。 在一 定 载荷作甩下摩 擦副作 相对滑 动时，在接触点发生塑性变形或剪切，使覆盖在金属表面的油膜破裂，摩擦表面温度升高，严重时表面金属会软化或熔化。此时，接触点产生粘着。而后，在运动过程中，把粘着点剪断，材料发生转移，又会产生新的粘着点。重复粘着一剪断一再粘着一再剪断的循环过程，就产生了持续的材料粘着磨损。华北电 力大学 北京) 硕士学位论文 图z 一1 磨损分类根据粘着程度不同，粘着磨损又可分为: ( 1 ) 轻微磨损活塞环的正常磨损剪切发生在粘着结合面上，表面转移的材料极轻微。如缸套一( 2 ) 涂抹剪切发生在软金属浅层里面，转移到硬金属表面上。如重载蜗轮副华北电力大学( 北京) 硕士学位论文的蜗杆表面出现的涂抹现象。 ( 3 ) 擦伤 剪切发生在软金属接近表层的地方， 沿滑动方向， 在硬表面上产生细小的抓痕。如内燃机铝活塞表面与缸体摩擦的拉伤。 ( 4 ) 咬死由 于粘着点的焊合， 致使摩擦面间的相对运动受阻。如不锈钢的螺栓与不锈钢螺母在拧紧过程中就常发生这种现象。2 . 1 .2 磨料磨损 磨料磨损主要是指破碎、研磨、冲蚀、冲刷过程中物料 ( 如矿石、水泥料、煤，石料)在粉碎、研磨、运输、使用过程中对金属的磨损。在摩擦面之间的固体磨粒或硬的固体磨料对摩擦面产生微切削和刮擦作用引起的机械磨损称为磨料磨损。磨粒可以是从摩擦面上脱落下来的磨屑，这些磨屑在摩擦面间被反复碾压而硬化，形成硬度很高的磨粒;也可以是来自外界的异类物质，如空气中的灰砂等。一些直接和矿石、砂和岩石等接触的机械零件的表面，也会产生磨料磨损。 对磨料磨损的机理有几种看法。第一种，磨料磨损是磨粒对金属表面进行微量切削的过程。第二种，由于磨料的颗粒作用，是表面层受交变接触应力和变形，使材料表面疲劳破坏。第三种，磨料在较软的金属表面犁出沟槽，形成擦痕，在擦痕两侧的金属受到破坏，当和其他磨粒再次接触时金属脱落而成磨屑。总的说来，磨料磨损机理是属于磨料的机械作用。这种机械作用在很大程度上与磨料的形状和尺寸大小、固定的程度以及载荷作用下磨粒与被磨表面的机械性能有关。 根据磨损接触的物体表面不同，磨料磨损可以分为二体磨料磨损和三体磨料磨损。二体磨料磨损是指磨粒沿一个零件表面相对运动;如自磨机就属于二体磨料磨损。三体磨料磨损是指磨粒移动于两零件表面，和两零件表面均有摩擦，磨粒为一物体，两零件为两物体，磨粒在两表面间滑动;研磨、球磨 ( 包括中速磨)是三体磨料磨损。3 . 1 .3 表面疲劳磨损 当摩擦材料表面的微体积受到一定大小的接触循环交变应力的作用时，在表层内萌生裂纹，由于裂纹逐渐扩展到表面，导致表面材料产生片状或颗粒状的磨屑。磨屑脱落后表面形成豆状凹坑，这种磨损形态称为疲劳磨损。 产生表面疲劳磨损的内因是金属表层内存在着物理的和化学的缺陷。物理缺华北电力大学( 北京) 硕士学位论文陷有晶格缺陷、点缺陷、位错、空格和表面缺陷等，金属夹杂物、结晶格子内混有其他物质的原子都属于化学缺陷。在外力作用下，在有缺陷的地方就会产生应力集中，裂纹常在这些地方开始萌生。从强度观点看，摩擦表面是材料的薄弱环节，由于摩擦力的作用，使表层切应力增大。在这种情况下，即使表面的切应力比次表面的最大切应力稍低，裂纹仍会从表面开始。2 . 1 .4 腐蚀磨损 在摩擦时材料与周围介质发生化学或电化学相互作用的磨损叫做腐蚀磨损。可以认为:腐蚀磨损时材料的摩擦表面破坏是由于同时发生了两个过程，即腐蚀和机械磨损。机械磨损可能是由于两个相配合表面的滑动摩擦引起的，也可能是在气蚀和非气蚀条件下因有硬颗粒介质流的作用而引起的。而腐蚀是由于材料与介质发生化学或电化学的相互作用过程引起的。 当腐蚀成为磨损的主要原因时，通常出现几种机理综合的磨损，各种磨损机理之间还存在着复杂的相互影响。例如金属一金属之间的摩擦，开始可能是粘着磨损和腐蚀磨损，又因腐蚀产物一般都具有磨料的作用，因此会出现腐蚀磨损和磨料磨损同时存在的过程，使磨损加剧。接触应力高时，会局部地增加腐蚀作用，形成点蚀，亦即腐蚀和循环应力共同作用下，比两种磨损单独存在时严重得多。在实际工况中，腐蚀和磨损的交互作用和交替作用使得磨损大大加强。 在各类金属零件中，经常见到的是氧化腐蚀。除铂、金等少数金属以外，一般洁净的金属表面与空气接触时即与空气中的氧反应而生成单分子层氧化膜，膜厚逐渐增长，但增长速度随时间的推移按指数规律减小。有些氧化膜相当硬，若在滑动过程中不再增长或没有被磨去，能起到保护摩擦表面的作用。但氧化膜过厚容易产生断裂，会加速磨损，因为硬的氧化物磨屑常以磨料形式参加磨损过程。如果腐蚀产生一层软而坚韧的覆盖膜，形成容易变形的覆盖层，则会使磨损率降低。2 . 1 . 5 微动磨损 微动磨损是一种典型的复合式磨损，它是在两个表面之间由于振幅很小 ( l m m以下)的相对振动而产生的磨损。如果在微动磨损过程中，两个表面之间的化学反应起主要作用时，则可称为微动腐蚀磨损。一般说来，微动磨损是由粘着、磨华北电力大学( 北京) 硕士学位论文料和腐蚀三种磨损过程结合在一起的，有时还与表面疲劳联系起来。2 . 1 . 5 磨损的转化 在分析磨损形式时必须注意磨损形式的转化，因为磨损形式将随工作条件变化而变化。通常摩擦副的主要外界条件是相对滑动速度和载荷，当滑动速度和载荷发生变化时，两个摩擦副之间的磨损形式也将随着发生变化。在实际的工作条件下，很难严格的区分磨损的形式，我们只能抓住其中起主要作用的磨损类型，采取相应的选材原则和防磨措施。2 . 2耐磨材料的使用工况 机械零件工作的环境状况是各种各样的，受到受力状态、大气环境和热、水汽等因素的影响。而且随时间和环境的变化，使用工况中起主要作用的因素也会有所变化。根据实际机械零件所处的环境，实用工况可以概括为以下几类。2 .2 . 1 高应力和冲击 在机构运动过程中由于受到冲击或是高载荷时，在零件或其局部产生很高的应力。在这种工况条件下，要求材料具有很高的强度、硬度和韧性，同时具有冷加工硬化特性。2 .2 .2 低应力和滑动 一般情况下的机械零件均处于这样的工况下，机构运动过程中零件中产生的应力不是很高，同时伴随有摩擦副之间的相对运动。这种工况对材料的要求不是很高，一般强度和硬度就可满足需要，韧性不重要。2 .2 .3 高耐磨性 在矿山机械中存在这样的零件，要求摩擦副之间要有良好的耐磨性。例如球磨机衬板与钢球，轧碎机滚筒等零件的表面磨损。这样的条件下，磨料与金属表面产生巨大的摩擦作用，必然要求金属零件表面具有很高的耐磨性。2 .2 .4 腐蚀介质 有些零件是应用在酸性或碱性介质中学及电化学反应，引起材料的腐蚀磨损。，在工作过程中，在腐蚀磨损过程中材料将与介质发生化，化学反应和机械作华北电力大学 北京) 硕士学位论文用可以交替进行并起到相互促进的作用，引起材料的快速失效。2 . 2 . 5 高速 在航空、喷射技术、透平、运输及金属切削加工等工艺设备中，不少摩擦副的表面相对运动速度大于 5 0米/ 秒，有的甚至达到 6 0 0 米 / 秒。在这样高的滑动速度下，摩擦副表面间接触点的相对接触持续时间短，在接触表面产生瞬时摩擦热。由于相对滑动速度很高，产生的大量瞬时热来不及向内层扩散，表面温度可达到材料熔点。2 .2 . 6 高温 在高温条件下，需要使用耐热材料作为高温工作条件下的耐磨材料。当温度增高的一定值后，材料的硬度、弹性模量大大降低，而造成机械零件在较低的摩擦磨损下失效。2 .2 . 7 低温 一般是指材料工作在温度为 0 一一 2 7 3 . 5 0 c的条件下。低温容易引起材料产生冷脆，同时低温对材料的组织结构也产生一定的影响。2 .2 . 8 真空 真空摩擦的特点是:o摩擦表面缺乏氧化膜和其他吸附膜的保护作用，纯金属表面易相互作用而产生粘着或冷焊;必摩擦过程中因无对流，故散热条件差，摩擦面的温升大。随着真空度的变化，不仅改变了压力和气体介质的组成，还破坏了吸附膜与气体介质之间的动力学平衡，易造成氧化膜的破坏，加剧材料的磨损 。2 . 3磨损的评定方法 目前，国内和国际上对磨损的评定方法还没有统一规定的标准。这里主要介绍三类磨损评定方法:材料的磨损量、耐磨性和冲蚀磨损率。2 . 3 . 1磨损量 评定材料磨损的三个基本量是长度磨损量、体积磨损量和重量磨损量。长度磨损量是指磨损过程中，由于磨损而造成零件表面尺寸的改变量。在实际设备的 1 0-华北电 力大学 北京) 硕士学位论文磨损检测中常常使用长度磨损量。体积磨损量和重量磨损量是指磨损过程中由于磨损而造成的零件 或试样)体积或重量的改变量。试验室研究中，往往是首先测量试样的重量磨损量，然后再换算成体积磨损量进行比较和研究。2 .3 .2材料耐磨性 材料耐磨性是指在一定工作条件下材料抵抗磨损的能力。材料耐磨性分为材料的相对耐磨性和绝对耐磨性两种。 材料的相对耐磨性是指两种材料 a与 b在相同的磨损条件下磨损量的比值，其中材料 a 是参考试样。相对耐磨性参考试样磨损量试验材料磨损量( 2 - 1 ) 这里的磨损量一般是体积磨损量。特殊情况下也可以使用其他磨损参量。 相对耐磨性仅表示所试验的材料比参考材料a的耐磨性相差多少倍。 绝对耐磨性 ( 或简称耐磨性)通常用磨损量或磨损率的倒数表示。使用最多的体积磨损量或体积磨损率的倒数。类别名称意义磨损量长度磨损量体积磨损量重量磨损量磨损过程中的长度改变量。基本量磨损过程中的体积改变量。基本量磨损过程中的重量改变量。基本量磨损率长度磨损率体积磨损率重量磨损率单位时间或单位滑动距离的磨损长度单位时间或单位滑动距离的磨损体积单位时间或单位滑动距离的磨损重量磨损速度长度磨损速度体积磨损速度重量磨损速度单位工作量下的磨损长度单位工作量下的磨损体积单位工作量下的磨损重量2 .3 .3冲蚀磨损率在冲蚀磨损中一般用冲蚀磨损率来度量磨损。华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文冲蚀磨损率=材料的 冲蚀磨损量( 重量或体积)造成该磨损量所使用的磨料量( 2 - 2 )它必须在稳态磨损过程中测量，在其它磨损阶段中所测量的冲蚀磨损率将有较大的差别。不论是磨损量、材料耐磨性还是冲蚀磨损率，它们都是一定试验条件下的相对指标，不同试验条件下所得到的值是不可比较的。2 . 4传统耐磨材料选材过程分析2 .4 . 1 耐磨材料选择的一般过程 磨损是机械设备零部件失效的重要方式，因此选择材料也就不但要考虑强度、工艺性、经济性等，还要把耐磨性作为重要的选材依据。 考虑耐磨性，并不是认为材料硬度愈高愈好，而是要综合考虑材料的硬度、韧性、互溶性、耐热性、耐蚀性等一系列性能。不同类型的磨损，由于其磨损机理不同，会侧重要求上述性质中的某一方面或两方面。此外还要注意摩擦副材料配偶表面的匹配性+ + 1 ，不能孤立考虑单个零部件的选材问题。考虑磨损的选材问题比考虑强度的选材问题更复杂些。 一般的说，一个完整的选材过程包括如下步骤: ( 1 ) 了解应用场合对材料的一般和特殊的性能要求; ( 2 ) 了解这种场合常用材料的性能; ( 3 ) 将常用材料的性能与性能要求作比较; ( 4 ) 选择合适的材料品种; ( 5 ) 调和摩擦学性能; ( 6 ) 选择具体的材料; ( 7 ) 用台架或样机试验对所选材料作出评价。 材料选择过程中最关键的是预测材料组合在使用中发生擦伤、咬粘或其他损伤的趋势。华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文表面作用类型其他材料作用运动类型磨损类型主要的磨损图2 - 2根据接触表面和工作条件确定磨损类型2 .4 .2 磨损类型的确定2 .4 .2 . 1 根据接触表面和工作条件确定磨损类型如图2 - 2 ， 可以根据摩擦副的表面作用类型， 磨料或介质类型以及运动类型来推断零件的磨损类型。华北电力大学( 北京) 硕士学位论文表 2 一 2材料的表面损伤特征及磨损类型表面损伤特征锈斑，凹坑f抛 光 或 细 磨 纹a , + c + e或a 2 + c + e磨损类型表面腐蚀或滑动机械a , + e冲蚀 磨损/ 腐 蚀流动机 械a 2 + d 2擦 伤( 短 沟 槽) b 3 + c 十 e磨 料 磨 损b 3 + c凿削 b 3 十 d( 多次擦伤)咬 合a , ( 一 次 性)凿 削b , + d , + ed , + e( 周 期 永 久 性)千磨损或无润滑滑动b , + d 3 + e咬 死b , + d 3 + e或a , + c + e 通常比较粗糙)金 属 一 金 属 磨 损a , + c + e犁 沟 光滑或粗糙) a ,或 粘 着 磨 损b l 十 d 3 + e反 复周期 进行的 过程d , + e冲蚀 磨损 大冲击角) b 2 + d 4粗糙表面b 2冲 蚀磨 损 ( 小 冲击 角) b 3 + d i 或d 2分层剥落或剥层d 4 + g点 蚀b 2 和 ( 或) d ,剥落d 4微动磨损a , + d , + f熔化a 3微动点蚀a , + d s + f注:表中符号说明参见表2 - 32 .4 .2 .2 根据表面损伤特征确定磨损类型 表 2 - 2列出了一些磨损表面损伤特征与基本磨损类型的对应关系。表中的符号及数字的意义见表 2 - 3 e华北电 力大学 北京 ) 硕士学位论文表 2 - 3表2 - 2中符号及数字表示的磨损表面物理特性( 宏观和微观)a a w而 1 a )b ，微 观( 粗 糙)1 .表面层逐渐剥落和 再生( 由于细磨料磨 损作用或粘着作用、 切向力的作用造成)2 .非常细的磨料磨损 作用， 除了表面层脱 落外也伴有基体的 损失3 .熔化结果1 .因粘着磨损作用产生 的切向力造成的结果2 .因疲劳而产生微观点 蚀3 .中等粗磨料颗粒造成 的磨料磨损c . 宏观 ( 光滑)d 宏观 ( 粗糙) 磨料颗粒处于光滑的固体支承面上或处于中间位置1 .由 于粗颗粒造成的 磨料磨损 ( 包括在滑动 过程中， 从材料上剥落下来的碳化物和其 他夹杂物)2 .在管状流体中，由 于细颗粒造成的凹 坑、 波纹等缺陷的磨料磨损3 .早期损坏的严重粘着磨损4 .由于反复的滚动接触应力热梯度和高摩 擦作用的 滑动，或者由于冲蚀磨损中，硬 颗粒的冲击造成的点蚀或凹坑的局部疲 劳失效类型5 .在点 蚀坑之间 几乎没有未受影响的表面e 发亮 非常薄的表面层 ( 2 5 w m)如氧化物、硫化物、氯化物等f . 不发亮或暗褐色厚度可能大于2 5 w m的表面膜 ( 包括高温影响在内的 侵蚀环境条件下产生的结果) 2 .4 .2 .3 综合分析法 综合分析法是根据零件的使用条件、磨损表面和磨屑基本特征对其磨损进行综合分析来判断磨损的类型，见表2 - 4 a华北电力大学 北京) 硕士学位论文表 2 - 4根据综合分析法判断磨损类型及抗磨措施一览表磨损类型磨料磨损基本特点相对运动表面具有硬突出物， 或环境条件和工作对象有非金属磨料存在高应力作用下润滑不良的配合件磨 损表 面 特征条痕 、沟槽 ( 犁沟 ) 、凹坑抗磨措施应用举例序号提高材料硬度或综合性能，防止磨料进入疲劳磨损高低周交变应力的接触条件下的摩擦副在 配合表面上 出现 严 重撕 裂 或粘 附转移层， 凹坑麻点点蚀剥落， 宏观表面粗糙，次表面下有微裂纹磨 屑基本特征切 削型 条 状磨屑; 二次变形块状磨屑或脆断碎屑不规则 形状碎屑、 块状居多，鳞片 -改进润滑条件及表面膜保护，改善加工条件，降 低微区应力， 选择合适的配对材料犁锌、履带板、铲齿 ，磨合表面汽 缸 套 -活塞径 向滑动轴承片 状或 球状膜屑滚 动 轴承，凸轮挺杆 ，齿轮4一 冲蚀 1 磨损高速粒子流或液流 包含固体质点) 对零件工作表面冲击时经常产生的磨损形式在腐蚀性气氛或介质及高温氧化条件下工作又产生相对运动和磨损的零件鱼鳞状规则小凹坑， 变形层有微 小裂纹小碎片设计 上增加接触面积，增加表面光洁度， 改善润滑条件， 降低接触应力， 选择高疲劳强度材料选用硬质和韧性好的材料， 适当改变液流冲击角及固体粒子组成泵体，叶轮，管道输送构件，1 腐蚀 磨 损腐蚀点坑， 龟裂纹， 表面有氧化物腐蚀层氧化物碎屑，球形磨屑改善介质条件， 采用既耐腐蚀又抗磨损的材料及保护层水田耕作机 械 零件，泵及阀体2 . 5常用耐磨材料耐磨性不是材料的固有特性，它只是某一磨损系统中的一个参量。的复杂性和多变性在绝对的耐磨材料，所谓的耐磨材料只是针对某一特定的磨损系统而言由于磨损，并不存 在工矿企业中应用的耐磨材料种类繁多，根据不同使用工况可以选用不同的材料。目前生产中广泛使用的金属耐磨材料主要有高锰钢、低合金耐磨钢和白口铸铁三大类。2 . 5 . 1高锰钢华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 高锰钢之所以广泛用于制造耐磨工件，主要是在高冲击负荷作用下，工件表面层能够产生加工硬化，从而提高耐磨性。同时，未接受冲击负荷的工件心部仍保持高锰钢所固有的塑性和韧性。 高锰钢的主要成分是锰和碳。 锰是扩大奥氏体区的合金元素，锰的主要作用是稳定奥氏体组织，同时也使固溶体得到强化。锰在钢中大部分固溶于奥氏体中形成置换固溶体。由于锰的原子半径和铁的原子半径差别很小，所以锰的固溶强化作用不大，另外还有少部分锰存在于 ( f e , m n ) 3 c 型碳化物中。 奥氏体、i奥 氏 体 + 马 氏 体 广 、 、i、 、 ，菇 1 、件 、 0 0 . 4图2 - 3碳、锰含量对高锰钢显微组织的影响l 5 碳在高锰钢中的作用主要有两方面。一是使钢获得奥氏体组织，碳、锰含量对钢的显微组织的影响如图2 -3 所示。碳的另一作用是强化固溶体，改善钢的耐磨性，但降低钢的韧性。通常含碳量在0 . 9 %-1 . 3 %e 在高锰钢中要特别注意锰和碳的相互作用， 即锰碳比。 一般情况下锰碳比( m n/ c )控制在 8 -1 1 ，对于耐磨性要求高，冲击韧性略低，性状不太复杂，薄壁的铸件，锰碳比可取下限;相反，对于冲击韧性高，耐磨性要略低，性状复杂，壁厚的铸件，锰碳比应该取上限。 奥氏体高锰钢的加工硬化主要是由于亚结构变化，从而产生位错缠结和形变孪晶，或者有部分 一马氏体或a一马氏体相变发生。高锰钢再加工硬化过程中是否伴有 一马氏体或a一马氏体转变，取决于高锰钢工件的工作条件及其碳和锰的含量。应该指出，高锰钢的耐磨特性只有在高冲击负荷的工作条件下，其耐 一t 7-华北电力大学 ( 北京 ) 硕士学位论文磨性才 一 能表现出来。在低冲击负荷或低应力磨料磨损的情况下，其耐磨性很难得到发挥。2 . 5 . 2合金钢 制造耐磨工件的合金钢通常所含的合金元素有硅、锰、铬、铝、钒和镍。根据具体用途和发展，耐磨合金钢可以分为锰钢、铬钢、铬铝钢、铬铝硅锰钢、铬镍钒钢、铬铝钒钢、铬镍相钢和铬锰铝钢n 6 1 ( 约 铬钥钢和铬铝硅锰钢 这些钢主要用于制造球磨机的衬板、格子板、磨矿钢球以及挖掘机的斗齿等，有良 好的耐磨性和抗剥落能力。 2 )铬钥钒钢和铬铝钨钒钢 这些钢具有良好的耐热耐磨性，主要用于高温磨料磨损条件下。 3 )铬镍钥钢 铬镍铝钢有水淬、油淬和空气淬三种。铬镍铝钢多用于制造挖掘机机斗、电铲斗齿和斗齿装配头、履带牵引装置、潜孔钻冲击器部件和在高冲击条件下的球磨机衬板等。 ( 4 )不锈钢 不锈钢基体组织有奥氏体、马氏体和铁素体三类。主要用于有腐蚀介质或流体冲刷的磨料磨损工况条件下。2 . 5 . 3高铬合金白口 铸铁 高铬合金白口铸铁具有良好的抗磨料磨损能力。主要用于受低应力擦伤磨损、高应力碾研磨损和某些冲击负荷较小的凿削磨损的零件。 高铬白口铸铁的主要优点:( 1 )优良的耐磨性;t z )较好的韧性;t 3 )淬透性高;( 4 )抗回火稳定性高;( 5 )高的抗腐蚀磨损性能;( 6 )良好的抗高温氧化性;( 7 )可根据需要改变基体组织和性能。高铬白口铸铁的主要缺点是:由于合金元素含量高，成本较高，需要电炉熔炼。高铬白口铸铁的韧性虽然比普通白口铸铁和镍硬铸铁高，但比高锰钢和低合金钢却低得多，因此高铬白口铸铁不能用于受强烈冲击负荷的零件。 碳在高铬白口铸铁中起到提高耐磨性的作用。合金中含碳量愈高，碳化物数量愈多，从而提高耐磨性，但同时也降低了合金的韧性和淬透性。碳含量过低则降低耐磨性，且对韧性和抗压强度也不利。 铬和铝在高铬白口铸铁中形成碳化物，同时提高淬透性。当铸铁中铬和铝含华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文量增高时，由于碳化物数量相应增多，基体中合金元素含量也增多，可以显著提高铸铁的耐磨性、抗腐蚀性能和抗高温氧化性能。锰、镍和铜能提高合金的淬透性，钒能强烈稳定碳化物。2 . 5 . 4硬质合金 以w c , t i c , t a c等为主体，以c 。为粘结剂制成的金属陶瓷称为硬质合金。硬质合金的硬度高，热硬性好、并有一定的强度和韧性，适于作切削工具。常用硬质合金分为三类:钨钻类、钨钦类和万能硬质合金。在各类硬质合金中，含钻量愈高，韧性和强度愈好，但硬度和耐磨性降低。 常用硬质合金的牌号、成分及性能见表2 -5 a 表 2 - 5常用硬质合金的牌号、成分及性能牌号化学成分 ( %)机械性能( )密度( g / c m )w cti ct a cc o硬度 h r a抗弯强度( m p a )y g 3y g 6y g 8y t 3 0y t1 5y t1 4y wly w 29 79 49 26 67 97 88 48 23 01 51 4664436846868 9 18 9 . 5 8 99 2 . 5 9 19 0 . 5 9 2 9 11 0 8 01 3 7 01 4 7 08 8 01 1 3 01 1 8 01 2 3 01 4 7 01 4 . 9 - 1 5 . 31 4 . 6 - 1 5 . 01 4 . 4 - 1 4 . 8 9 . 4 - 9 . 81 1 . 0 - 1 1 . 71 1 . 2 - 1 1 . 71 2 . 6 - 1 3 . 01 2 . 4 - 1 2 . 9华北电 力大学( 北京 ) 硕士学位论文第三章 耐磨材料选择专家系统分析专家系统的原理与技术1 专家系统的基本概念及其特点专家系统( e x p e r t s y s t e m ) 是人工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 领域中发j.11 :qucy口展较快的一个重要分支， 是其最活跃、最具实用价值的应用领域，它是人类长期以来对智能科学的探索成果与实际问题的求解需要相结合的必然产物。专家系统源于人类专家的知识，它应用人工智能技术模拟人类专家的决策过程，以解决那些人类专家才能求解的高难问题。实质上，专家系统是以知识库为核心进行问题求解的一种计算机程序，即基于知识的智能系统。这些知识均存储在知识库中，通过推理机按照一定的推理策略解决问题，因此它又被称为基于知识的系统四 ( k n o w l e d g e - b a s e d s y s t e m ) . 表 3 - 1专家系统程序和传统计算机程序的对比项 目传统程序专家系统程序程序构成数据+ 算法知识库十 推理机知识的表示及其特点知识固化于程序之中，不可查询、增删和修改知识表示于知识库中，可以查询、增删和修改解决问题的方法按照程序所描述的算法在有限步骤内解决实际问题根据知识表示方法在模糊状态下得出结论实用范围解决确定性问题有严密的算法解决非确定性问题无算法解优点能够进行大规模的复杂的科学运算具有启发性、灵活性、 二透明性和易接受性 专家系统的目的就是通过存储众多人类专家的知识与经验于计算机中，使计算机能够实现像人类专家一样聪明，一样去思考、分析和解决问题。而且不同专家有不同的知识，因此专家系统解决问题的能力与知识的广博程度往往超过单个专家。由于专家系统总是与某个专业领域联系在一起，且在不断地发展完善，因华北电力大学( 北京) 硕士学位论文此客观上要求专家系统必须具备启发性、灵活性、透明性、易接受性等特征。 此外，专家系统作为一种计算机程序，在程序设计和实现方面与传统程序具有许多共同的特征。然而它作为一个智能程序，充分体现了与传统程序所不同的一些特点，同时具有传统程序所未能达到的许多优良性能。专家系统程序和传统计算机程序的对比如下表3 - 1 所示。 3 . 1 . 2 专家系统的结构与工作原理 一 个完整的专家系统主要由知识库、数据库、推理机、知识获取机制、解释机制和人机接口六个部分组成，如图 3 . 1所示。一个专家系统的工作过程可大致描述为:系统根据用户提出的目 标，以综合数据库为出发点，在控制策略的指导下，由推理机运用知识库中的有关知识，通过不断的探索推理以实现求解的目 标。因此，知识库与推理机是专家系统的核心部分，专家系统的工作过程是一个以知识为基础、对目标问题进行求解的过程，是一个搜索过程。因此，如何进行知识表达，将是问题求解成功与否的关键。专家系统中个部分的功能如下: ( 1 ) 知识库 知识库用于存储领域专家提供的专门知识。知识库的建造主要包括两方面的内容:一是从人类专家处获取知识;二是选择合适的知识表达方式和数据结构，把专家的知识形式化并存入知识库中。 ( 2 ) 工作数据库 工作数据库也称为综合数据库或上下文，用于存放系统运行过程中需要和产生的所有信息。 ( 3 ) 推理机 一个专家系统中的推理机所要解决的问题是如何选择和使用知识库中的知识，并运用适当的控制策略进行推理来实现问题的求解。推理机的控制策略主要有数据推动的前向推理方式、目 标推动的逆向推理方式和前向逆向相结合的混合推理方式三种，少数系统中已用到元控制方式。 ( 4 ) 知识获取机制 知识获取机制主要是为了实现专家系统的自我学习，在系统使用过程中能自动获取知识，不断完善扩充现有系统功能。 ( 5 ) 解释机制 专家系统的解释是指专家系统在同用户的交互过程中，回答用户提出的各种问题，包括与系统运行有关的求解过程和与运行无关的关于系统自身的一些问题。 ( 6 ) 人机接口 人机接口的主要功能是实现系统与用户之间的双向信息转换，华北电 力大学 北京 ) 硕士学位论文即系统将用户的输入信息翻译成系统可接受的内部形式，或把系统向用户输出的信息转换成人类所熟悉的信息表达方式。3 . 1 . 3专家系统关键技术问 题 专家系统的关键技术包括知识的表示方法、推理机制、知识获取机制、解释机制等方面的内容。 ( 1 ) 知识的表示方法 专家系统中知识表示模式的恰当与否不仅与知识的有效存储有关，也直接影响着系统的知识获取能力和知识的使用效率。目前应用较广泛的是产生式表示方法。产生式规则的一般形式为: r :i f p t h e n c w i t h c f ( c , p ) 式中 r “ 为规则号，p为规则的前提条件，c为条件引出的结论，c f 为规则的置信度因子，它表示证据 p 对c的支持程度，取值范围为 一1 , 1 。当取值为 1时，表示证据 p 对c完全肯定，当取值为一1 时，表示证据 p 对c 完全否定，当取值为 0时，则表示前提条件与结论无关。采用这种确定性理论，可以解决不确定性问题一数据不确定、不精确、不完备及规则不精确等，从而使专家系统具有实用性。下面是一条完整的判断磨损形式的规则: # 21 1 工 f磨损的基本特点是相对运动表面具有硬突出物 o r 环境条件和工作对象有非金属磨料存在 a n d 磨损表面特征是条痕、沟槽 ( 犁沟) 、凹坑 a n d 磨屑基本特征是切屑型条状磨屑 a n d 二次变形块状磨屑或脆断碎屑 t h e n磨损类型是磨料磨损 置信度为 1 . 0 每一种磨损类型的推断过程都对应这样的一个产生式规则，所有的磨损类型推断过程对应的产生式规则构成了磨损类型推断系统的知识库。 ( 2 、 推理机制 基于规则的系统中推理机制体现为控制策略的实现方式。常用的控制策略有华北电力大学 北京 ) 硕士学位论文正向推理，反向推理和双向推理三种。采用正向与反向推理相结合的双向推理方式，可以结合正向推理和反向推理各自的优点，通过正向推理方式选择初始目 标，然后再通过反向推理方式求解这个目标。这样，不仅可以提高求解效率，还可以节省系统内存空间，保证整个大系统的正确运行。 在推理过程中，常常遇到规则或事实不确定的问题，所以应使用模糊数学和概率论等理论来建立不确定推理模型。当规则 i f p t h e n c的前提 p 本身不确定时， 断言c 的可信度显然要降低。 系统中可给每个前提命题赋一个置信度c f ( c , p ) ,对简单前提的规则结论c 的置信度为: c f ( c ) =c f ( c , p ) * c f ( p ) 当前提命题为逻辑组合时，可信度的确定应由领域专家在知识库中给定计算公式，这样才能较好地反应领域专家解决问题的实际过程。因此，要使专家系统实用性强，其知识库不仅能脱离系统增删规则，而且应允许用户向库中输入各种规则置信度的计算公式。 规则本身及其前件( 即事实部分) 都应该带有 c f 值以表达系统中不确定因素，推理过程可以通过模糊运算达到值的 “ 合并” ， ( 3 ) 知识获取机制 专家系统的核心是知识，知识的数量和质量是决定一个专家系统性能是否优越的主要因素。知识获取是专家系统开发过程中的一道关键工序，已成为专家系统的 “ 瓶颈”问题。在专家系统研究中知识获取主要有两种方式:一是知识工程师以输入方式而不是以 编程方式向系统存储知识，如图 3 . 1所示;二是系统能从大量事实中自己归纳知识，即具有自我学习功能。一个好的专家系统应包括这两方面的获取机制。 ( 4 ) 解释机制 系统的解释能力可增强系统的易接受性，在系统自身的生成、测试、运行和维护过程中也起着很重要的作用。可使用解释法和帮助文本法来实现系统的解释机制，如图 3 . 2所示。使用追踪解释法系统能够追踪其运行过程，显示知识库的使用情况和推理过程，在运行过程中回答用户的 “ w h y ”和 “ h o w ”的提问。帮助文本法能使知识工程师与专家用特定格式预先定义帮助文本，系统运行过程中在某一环境下，将相应的解释文本压入堆栈，而在退出当前状态时，将该解释文本 一 2 3华北电力大学( 北京) 硕士学位论文退出堆栈。 另外，结构化的程序设计也是提高专家系统性能的重要技术。3 . 2基于规则的推理方法的研究 推理是专家系统解决问题的基本技术。专家系统通常用于没有合适算法和无法算的情形，而推理就是解决这种情形的唯一可行方法。知识库和推理机构成了专家系统的 “ 智能单元” ，知识库的知识水平决定了专家系统的最终性能水平，推理机则决定了推理的效率和对知识处理水平的高低。推理机是一组智能程序，包括推理机制和控制策略两部分。 3 卜 2 . 1 正向推理 图3 -1正向推理的示意图 正向推理又称自底向上推理。因为它从原始数据出发，按一定的策略，运用知识库中的专家知识，推断出结论的方法。推理由数据到结论，也称作数据驱动一z 4华北电力大学( 北京) 硕士学位论文策略。正向推理的示意图见图 3 . 2 . 2 反向推理 反向推理是先提出结论，反向推理也称目标驱