机械抗磨损设计

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当中，以减轻或消除磨损。 磨

2、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。美国1978年估计在交通运输、发电、透平机械和加工业

3、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。 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

4、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、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

5、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

6、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

7、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，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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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