机械抗磨损设计讲解

1、机械抗磨损设计 概述 固体的磨损与影响因素 磨料磨损计算方程 概述 一、抗磨损设计的意义 摩擦、磨损和润滑是自然界中普遍存在的现象，自古就 已为人们所注意，并在实践中运用它们的一些规律。例如， 工具的刃磨，摩擦取热，用滚动代替滑动以节省劳力以及 用动物油脂润滑以减轻摩擦与磨损等等。随着社会的发展， 人们对这些现象的重要性及其规律的认识和应用也不断地 加深；然而把摩擦、磨损和润滑问题作为一门独立学科 “摩擦学”(Tribology)开展系统的研究和实践，只是近 三十年的事情。摩擦学是研究运动副表面的相互作用、变 化和损伤的理论与实践的一门综合性学科。抗磨损设计就 是把摩擦学研究成果应用到机械设计

2、当中，以减轻或消除 磨损。 磨损是缩短机械寿命的主要因素。国外统计500种典 型零件的报废表明，其中因磨损引起报废的约占80。 磨损不仅是机械零部件的一种主要失效形式，也是引起 其他后继失效的最初原因。磨屑会造成零件表面损伤、 润滑油污染及油路堵塞。配合零件因磨损间隙加大会增 加机械的振动、冲击与疲劳，然后又加剧磨损，最终导 致机械丧失工作能力或遭到破坏。即使不失效，磨损也 会使机械性能降低。例如降低机床的精度和产品质量； 内燃机造成压缩损失和能量损失，阵低输出功率；泵和 压缩机的主要零件和密封的磨损降低工作效率等等。 概述 概述 磨损造成的经济损失是巨大的。 抗磨损设计具有很高的经济效益。美

3、国1978年估计在交通 运输、发电、透平机械和加工业四个主要部门在摩擦学研究和 发展方面投资2400万美元，每年就可节约美国能源消耗的11， 约160亿美元。英国1981年估计，在构成消耗能源87的部门， 有效地应用摩擦学设计，每年可节约4.687亿英磅。中国机械 工程学会对我国的粗略估计是，投资与收益之比为1：50。 抗磨损设计在促进科学技术发展方面也是很重要的。近代 科学技术的发展推动了摩擦学的发展，同时也对它的研究和应 用提出了更迫切的任务。高速、重载、精密、自动化及特殊工 况下工作的机械的发展都离不开抗磨损设计。机械设备高度的 可靠性、长寿命和低消耗也日益成为国际贸易竞争的主要目标。

4、概述 二、抗磨损设计的性质与发展 为了提高机械的可靠性和寿命，单学科的设计已不能满足 要求。产品在设计阶段就必须考虑能有效地减轻或防止磨损的 所有因素。因此抗磨损设计是综合性、多科性的，它需要物理、 化学、数学、力学、材料学以及润滑技术与工程实际等方面的 知识。 影响磨损的因素很多，最重要的可概括为四大方面，即工 作参数、材料、几何因素与环境因素。抗磨损设计的本质就是 了解这些因素的影响，并在设计和使用中采取对策，减轻或消 除不利因素，发挥有利因素以达到设计要求的目标。 抗磨损设计与摩擦学的发展是分不开的。关于摩擦磨损的 理论在继续发展。润滑理论与技术(例如流变学和边界润滑 的机理)、耐磨材料

5、、表面强化技术、表面力学及表面物理 化学性质，表面形貌效应等的研究与在工程中的应用都需要 深入发展。在研究方法上主要正在向以下四方面发展： 1由宏观进入微观的研究。由于先进测试技术与仪器的 发展，已能够对表面状况及其变化，表面或表层的结构以及 微裂纹等进行分析。 概述 概述 2由定性进入定量的研究。为了预测机械及其零部件的 磨现寿命，必须对磨损进行定量估算。因此，磨损计算的理论 与方法，积累磨损数据，建立数据库是极其必要的。 3由静态进入动态的研究。磨损作为一种过程很少是稳 态的，特别是从微观上看，摩擦表面在摩擦磨损过程中不断地 起着各种变化，从而可能引起磨损特征和磨损程度的变化，因 而磨损是

6、一个随机过程。需用数理统计方法来研究。 4由单因素进入多因素的综合研究。磨损是一个复杂过 程，影响因素众多。理论和实践证明，对磨损问题，任何“一 元论”的方法都可能导致严重错误或忽视、遗漏重要的影响因 素。当前，对磨损问题已开始采用系统工程分析的方法。 固体的磨损与影响因素 固体表面的磨损过程十分复杂，它既是一种随机过程，又 主要属于微观特征，且受众多因素的影响。磨损颗粒能以各种 不同的机理产生。为了进行有效的抗磨损设计，必须了解磨损 的机理及其影响因素。而磨损的定量计算对工程设计尤为重要。 迄今人们虽然对磨损已经进行了大量的研究，但对磨损机理的 了解仍很不够。目前普遍承认的磨损类型按机理可分

7、为四种， 即粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀密损。虽然这种 分类法不尽完善，但归纳了主要的磨损类型。 在实际的磨损现象中，往往是几种磨损形式同时存在或互 为因果，相互转化。例如疲劳磨损的磨屑会导致磨粒磨损，而 磨粒磨损形成的新鲜表面又会引起腐蚀或粘着磨损等。 固体的磨损与影响因素 一、磨损过程 机械零部件的磨损通常经历不同的阶段，可用磨损量与 运转时间的关系(磨损曲线)来表示： 图1a为工况不变条件下的典型磨损曲线，它由磨合、稳 定磨损与剧烈磨损等三个阶段组成，分别表示不同的磨损变 化规律。新的摩擦副表面在磨合(wearing-in或running-in) 期磨损迅速，随后趋于缓慢而稳定

8、，这标志着摩擦状态基本 保持不变，而进入稳定磨损期。在稳定磨损期，曲线的斜率 dQdT(即磨损速度或称磨损率)越小，零部件的使用寿命越 长。这个阶段的长短代表零部件使用寿命的长短。最后由于 积累的磨损量过大，使工作条件恶化，从而加别磨损，最终 导致完全失效。 固体的磨损与影响因素 图1 磨损曲线 固体的磨损与影响因素 图1b所示的的磨损曲线属表面疲劳磨损。在磨合和稳 定磨损阶段无明显的磨损，工作时间达到一定数值后，出 现疲劳磨损，且磨损迅速发展而导致失效。滚动轴承的磨 损曲线有类似的情况。 此外，若设计和使用不当或工作条件恶劣，也可能使 零件在磨合后很快转入剧烈磨损阶段。而无法正常工作。 固体

9、的磨损与影响因素 二、粘着磨损 由粘着摩擦理论可导出粘着磨损理论。 当两摩擦表面相对运动时，由于粘着效 应形成的粘结点被剪切断裂发生材料 由一个表面向另一表面转移的现象，称 为粘着磨损(adhesive wear)。摩擦时两 表面接触峰顶粘着、断裂、再粘着、再 断裂的反复过程构成粘着磨损过程(图2)。 图2 单峰粘着 磨损模型 固体的磨损与影响因素素 剪切断裂可能发生在粘结点界面，也可能发生在表层内，这取 决于何处剪切强度最低(图3)。若剪切断裂发生在粘结点界面， 则磨损是轻微的，否则会有不同程度的磨损。因此，根据粘结点 的强度和断裂位置的不同，粘着磨损按程度可分为轻微磨损、涂 抹、擦伤、胶合

10、和咬死五类。它们的共同特点是出现材料的转移 和沿滑动方向有不同程度的磨痕。 图3 粘着与断裂 固体的磨损与影响因素 粘着磨损的主要原因是粘着现象，然而任何摩擦副都会发 生粘着，只是粘着的程变(或称料结点的强度)不同，从而磨 损的程度也不同。影响粘着磨损的因素很多。 主要因素概 括有： 1摩擦副材料 2表面膜 3表面粗糙度 4表面压强 5滑动速度 6. 表面温度 固体的磨损与影响因素 三、磨料磨损 硬颗粒或硬的表面突起在摩擦过程中引起固体表面材料脱 落的现象，称为磨料磨损(abrasive wear)，磨料磨损是最普 遍的一种磨损形式，对采矿、钻探、建筑、运输与农业等机 械的有关零部件则是主要的

11、磨损形式。据统计，工业中磨料 磨损造成的损失约占总磨损损失的50。因此，减轻磨料磨 损具有头等重要的经济意义。 产生磨料磨损的情况有三： (1)零件在磨料介质或含有磨料的介质中工作，这是主要的 磨料磨损领域，例如犁耙、掘土机铲齿、钻探机钻头、破碎 机与球磨机的衬板等。水轮机叶片与船舶螺旋桨受水中泥砂 的侵蚀也属于磨科磨损。 固体的磨损与影响因素 (2)外来硬颗粒在两摩擦表面之间运动所造成的。外界磨料 可以是空气环境中的尘土，也可以是因其他磨损形式脱落下 来的磨屑。这取决于密封与维护。 (3)摩擦副中硬表面的粗糙峰对软表面起磨料作用。第二种 情况可称为三体磨料磨损（图4a），其它两种情况属二体磨

12、 损（图4b）。 图4 产生磨粒磨损的情况 固体的磨损与影响因素 磨料磨损过程实质上是在外力作用下表面局部变形与断裂 的过程。硬颗粒在摩擦表面上受两个力的作用，一个是垂直于 表面的力，另一个是平行于表面的力。垂直力使磨料压入表而， 平行力使磨料在金属表面上做切向运功，引起表面剪切变形、 犁皱或切削。 磨料磨损按磨损程度大致可分为三类，即低应力擦伤性磨 料磨损、高应力碾碎性磨料磨损和凿削行磨料磨损。关于它们 的特征参阅表1。 固体的磨损与影响因素 表1 磨料磨损的分类 四、接触疲劳磨损 固体的磨损与影响因素 两相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面，在接触区受循环 变化的高接触应力作用，最终使表面或表层

13、产生裂纹和材料 脱落，形成凹坑，称为接触疲劳磨损(contact fatigue wear)或表面疲劳磨损。它是齿轮、滚动轴承及凸轮等高副 接触的主要失效形式之一。此外。，在微观上，如前所述， 表面粗糙峰接触在摩擦条件下也产生微观接触疲劳磨损。 接触疲劳磨损过程可分为几个阶段，即裂纹萌生前材料 发生变化，裂纹萌生，裂纹扩展和断裂。 初始疲劳裂纹可能发生在表面，也可能发生在表层内， 达取决于哪里是最薄弱点，而最薄弱点又决定于多种影响因 素。 固体的磨损与影响因素 在润滑不良，表面粗糙，表面有伤痕及有滑动摩擦的情况 下，初始疲劳裂纹可能出现在表面上，然后裂纹以与滚动方向 成2040角的方向向表面下

14、扩展，最后金属被分离形成凹坑， 凹坑表面较粗糙。这种疲劳裂纹萌生时间长，扩展速度快，润 滑油会加速裂纹的扩展(参见图5)。 影响接触疲劳磨损过程的因素很多，概括有以下几方面： 1载荷 2材质 3表面品质 4润滑 图5 润滑油对表面疲劳裂纹扩展的影响 固体的磨损与影响因素 五、腐蚀磨损 摩擦过程中，固体表面与周围介质发生化学反应或电化学 反应产生的表面损伤，称为腐蚀磨损(corrosive wear)。事 实上，摩擦表面的损伤是由两个过程造成的，一个是腐蚀， 一个是机械作用，因此也可以称为机械化学磨损。腐蚀磨 损的范围很广，归纳起来有氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、 气蚀及微动磨损等。 固体的磨损与

15、影响因素 六、磨损的影响因素 如上所述，磨损是一个非常复杂的过程。它不能像材料的 强度那样用材料的一两个主要机械性质来表征。影响磨损的 因素很多，概括起来可分为四大方面，即工作、材料、几何 和环境等因素。这些因素决定接触表面的相互作用及其结果。 不仅零件接触表面本身影响磨损过程，零所处的整个系统也 影响磨损过程，其中包括润滑系统、过滤与密封、装配与安 装等。 磨料磨损计算方程 若摩擦副较硬表面是粗糙的或存在硬的磨料磨粒，磨损的主 要机理可能是磨料磨损。在磨料磨损计算的简单载荷模型中是 假定硬表面凸峰对软表面起微观切削作用，凸峰为圆锥形，半 锥角为 ，在法向载荷 的作用下压入软表面的深度为 ， 如图6所示。当凸峰向前滑动时，在软表面上产生犁沟，法向 载荷只由前面的接触面积承受。设软材料的硬度为H，则单个 凸峰所承受的载荷