机械设计中的摩擦学设计

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- 般来说，任何机械中都存在着摩擦，摩擦是-种不可逆过程 ，其结果必然有能量损耗和产生磨损。据估计 ，世界上在工业方面约有 1/3-1/2的能量消耗于摩擦过程中，大约有80%的损坏零件是由各种形式的磨损引起的，由于磨损，会使零件的表面形状和尺寸遭到缓慢而连续的破坏 ，使机械的效率和可靠性逐渐降低，丧失原有的工作性能∝制摩擦 、磨损的有效手段是润滑，因此，把研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术统称为摩擦学，把在机械设计中正确应用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能这-过程称为摩擦学设计。

在机械设计中，人们普遍非常重视零部件的强度问题，而往往对涉及到的摩擦、磨损及润滑问题重视不够，主要因为摩擦学设计远不像强度设计那样可以定量分析，它是-个极其复杂的过程，涉及的问题和影响因素众多。

二、摩擦学设计中涉及的因素1.弹流润滑(1)润滑膜高压性态在弹流润滑条件下 ，润滑油通过接触区时，压力急剧增高，液体的粘性转变为类似固体的粘弹性，大大地增强了油膜的承载力。

(2)润滑膜极限剪切应力弹流润滑膜处在高剪应变率和压力急剧变化状态下，呈非牛顿流体，达到极限剪切应力时，弹性润滑膜为粘塑性性质，在油膜内部或油膜与固体界面上将出现滑动，从而使油膜压力降低 ，甚至丧失承载能力。

(3)润滑油膜承载力经典润滑理论认为，随着载荷增加，润滑油膜逐渐变薄 ，当膜厚减小到粗糙度高峰直接接触时，即为润滑失效。因此，采用膜厚比 作为润滑状态的判断准则 h/ ，式中：h为最小油膜厚度； 为表面综合粗糙度。通常认为 2～3为全膜弹流润滑。然而对弹流润滑的深入研究发现，上述的判断准则不完全符合实际。粗糙度高峰附近的局部压力随着载荷增加而增加 ，此压力产生的表面变形足以使粗糙峰展平而不发生接触 ，这意味着弹流油膜有更大的承载力。

(4)乏油与干涸润滑有关学者分析了充足供油、乏油和干涸润滑的性能，并提出了3种状态的判别方法。研究表明，弹流润滑膜可以存在于微米 、亚微米甚至纳米膜厚很宽的范围内。

(5)混合润滑状态经典的stribeck曲线预示了整个润滑体系中摩擦系数的变化 ，人们对于该曲线中流体膜润滑与边界膜润滑的规律已有较全面的认识 ，但对于两者中间的状态(即混合润滑状态)，迄今为止研究得还很不充分，而且存在着各种不同的观点，这是现代润滑理论需要着重研究的领域。

2.纳米摩擦学的研究随着精密机械和科技设备的发展，特别是纳米科学技术所推动的新兴学科(如纳米电子学、纳米生物学及微型机械)的发展，都要求展开纳米摩擦学研究。纳米摩擦学的研究内容主要包括纳米薄膜润滑、微观摩擦磨损机理及表面和界面分子工程。由于纳米摩擦学研究涉及到摩擦界面的微动态过程，在理论分析和实验研究上存在很大困难。就目前的情况而论 ，实验测试技术还需进-步完善，使之能更加如实地反映实际工况。特别需要建立微观摩擦学现象的物理模型和定量分析方法，完善分子动力学和真实系统的模拟技术 ，发展新的理论计算方法。

在微观摩擦学与宏观摩擦学的相互沟通方面也有待于进-步加强。

3.磨损问题磨损过程相当复杂，关于它的研究现在还处于初始阶段。研究内容涉及实际接触面积、磨损机理、磨屑形成机理及各种参数对磨损的影响等问题。许多磨损机理和计算方法均带有很大的局限性，距离工程上的应用还有相当大的距离。因此，对磨损规律 、磨损机理及磨损计算方法的研究，应当予以足够的重视。

4.固体的选择性转移效应固体的选择性转移效应应值得重视，关于形成富铜薄膜机理的研究刚刚开始。选择性转移可以大幅度减小摩擦损失，在提高机器寿命和降低其摩擦损失方面有很大的潜在能力。因此 ，研究选择性转移的物理化学和电化学，弄清机理和影响因素，探索新的能形成选择性转移的介质和摩擦副 ，控制选择性转移的过程，实现工业应用 ，具有重要的意义。

5.新型润滑剂的应用20世纪50年代以来，各种合成润滑油有较大的发展。我国的各种润滑油、添加剂发展也很迅速，近几年来，自润滑材料的研究和应用发展很快，是十分有前途的润滑材料。为了生态环境的可持续性发展 ，绿色润滑油和添加剂是今后的发展方向。

三、摩擦学设计的-般准则从上面的分析可看出，摩擦学涉及到的问题和因素很多，因此 目前还没有-套成熟的设计理论。现行的摩擦学设计依据主要有摩擦副的工况及运行环境、摩擦副的接触类型及运动方式、磨损类型及机理 、配对副的精度及零件的重要性。设计的内容包括三个方面，分别是零件的表面形貌设计、工况参数和润滑设计 以及摩擦副材料特别是零件表面及亚表面的显微组织结构、成分和理化性能设计。

1.表面形貌设计表面形貌通常用摩擦副的表面粗糙度来表征。粗糙度是表面的微观不平状态即微凸体的高度及其分布的描述，它直接影响着摩擦副的实际接触面面积、接触应力、接触变形类型、表面持油能力及磨粒的嵌入特性等。表面形貌设计主要是表面粗糙度的设计，当表面过于光滑时，液体或气体润滑介质难以介入摩擦副之间，运动中导致摩擦副表面的氧化膜破裂而发生干摩擦，易于疲劳破坏或粘着拉脱，但是 ，当表面过于粗糙时，微凸体接触数量减少，接触应力大，微凸体之间发生严重的弹塑性变形 ，相对滑动时，摩擦表面发生粘着磨损和表面剥离 。所以，如果表面粗糙度设计得恰如其分，在摩擦副磨合后就能够得到适于工况条件的平衡粗糙度。粗糙度设计的原则有三条，-是用加工精度与粗糙度相对应的方式设计；二是与机械工况相适应的润滑模式设计，如全膜流体动压润滑与弹流润滑的表面设计，前者对表面粗糙度的要求较低，而后者要求较高，表面粗糙度与表面的润滑状态密切相关 ，不同的润滑状态对应油膜厚度不同，见表1；三是特殊的润滑情况下粗糙度及其纹理方向应特殊设计，如设计内燃机缸套的内表面形貌时，考虑到缸套-活塞环摩擦副之间耐磨性和润滑输油的问题 ，除要求有较高的表面粗糙度外，还要求有合理的珩磨纹理夹角 ，-般约为120。。

表1润滑状态与油膜厚度对照表 m流体动压 流体静压 弹流动压 干摩擦(金 润滑状态 边界润滑润滑 润滑 润滑 属氧化膜)典型膜厚 1～100 1-100 O.1～l l0'-5×10 1O～-102.润滑设计润滑设计包括润滑剂类型的选择和润滑方式的确定。

(1)润滑剂类型的选择润滑剂影响摩擦副摩擦性能，其关键指标是粘度 。在设计中，润滑剂的粘度要根据摩擦副的运动形式和工况参数来确定，并由粘度决定相应的润滑剂类型。当按运动形式选润滑剂时，滚动润滑选用高粘度的润滑脂，滑动润滑选用低粘度的润滑油；当按工况参数选润滑剂时，高速低载荷选用低粘度润滑油，低速高载荷选用高粘度润滑油。另外，因为机械启动和停止时，机械的润滑状态要经历边界润滑阶段 ，因此，在润滑油选择时，润滑油的油性和极压性也应考虑，保证机械启动和停车时在边界状态下润滑条件良好。

(2)润滑方式的确定摩擦副常用的润滑方式有滴油、浴油、溅油、注油和喷油等几种。

润滑方式的选择主要依据是摩擦副的运动速度 ，当滑动速度>12m/s时，- 般选用注油和喷油润滑方式；当滑动速度在3-12m/s之间时，-般选用溅油或喷油润滑方式；当滑动速度低于3m/s时，-般选用浴油和滴油润滑方式。

3.摩擦副表面层设计(1)-般设计准则在摩擦学设计中，摩擦副的耐磨层薄膜(包括单层连续梯度膜和多层梯度膜)通常有三种设计法则。1)摩擦副若是粘着磨损为主，则采用互溶性孝化学活性强而抗剪切强度低的表面层，即用抗剪切强度正梯度法则设计。2)摩擦副若是磨粒磨损为主，则采用非常硬的表面，如TiC，TiN及表面淬硬层等，即采用表面硬度负梯度法则设计。3)摩擦副若是几种摩擦磨损过程混合的情况，即采用强度正梯度法则-硬度负梯度法则的复合梯度法则设计。 (2)摩擦副表面层设计要求对于摩擦副耐磨层的设计，-般要求满足三个方面的要求，-是耐磨薄膜与基体结合强度高，防止耐磨层与基体材料 (下转第151页)作者简介：刘力红(1961-)，女，教授，硕士生导师，从事摩擦学及机械设计方面的教学和科研工作。

- 。- - 148 --科 盆变换规则为：机械系统中的-个连接点对应于相似电路中的-个节点 ，机械系统连接点所连接的驱动力源及无源机械元件与相似电路中的相应节点所连接的电流源及无源电路元件--对应 ，并且同样规定，所有刚体都看作处于同-连接点上。需要说明的是 ，在力，电流相似中，质量 与电容 c相似，而质量 m的速度皆是相对参考地而言的，因此在相似电路中，电容器的-端总是接地的，若有2个以上的质量刚性相连，则在相似电路中相应有 2个以上的电容器接在节点与地之间。 。

三、机电相似的应用在《控制工程基捶课程的研究与运用当中，可以利用机械学与电子学互相类似的特点 ，对复杂机械系统建模时，将其转化为相似的电路系统来分析，同时利用电路理论来预测机械系统的某些特性，从而为研究机械系统的特性开辟-条新途径 。

观察如图4所示的机械平移系统，选择右方 向为参考方向的正方向，图4中阴影线部分为参考地。对其进行力/电压相似变换，变换后的相似电路系统如图5所示。

鹾 如 C图4机械平移系统 图5力/电压相似电路回路该机械系统有两个刚体，对应于两个连接点 1和2，因此在相似电路中应有两个回路。第-个回路由电压源 U 、电感 L 和电阻R 、R组成，它相当于机械系统 中的外力 F，质量 m 和阻尼器 D 、D。。第二个回路由电感 L ，电容 C和电阻 R1组成，它相当于机械系统中的质量 ：，弹簧 k和阻尼器 D 。其中尺 是两个回路共有的，所以应串联在两回路的公共支路上。

根据基尔霍夫定律，可以很容易对图5所示系统建模 ，其运动方程为：L 鲁 跳-R2 izu (6)lf1L2鲁 f2 。

再利用力，电压相似系统中的对应关系(表 1)对式(6)进行相似量的变换，便可得到原机械系统的运动方程：m d2xl( 。 )鲁-D2鲁 鲁 鲁 F(t)O(7)同理，对其进行力/电流相似变换，图中的两个连接点，相应在相似回路中有节点 1和2，与节点 1相连的有电流源 i(对应力 F)，电容 C。

(对应质量 m1)，电阻 R1、R2(对应阻尼 Dl、D2)；与节点2相连的有电容 (对应质量 )，电阻 R (对应阻尼 D )和电感 L(对应弹簧)；电阻R 连接节点1、2。这样就构成了如图6所示的相似电路系统。

上图6力/电流相似电路回路同理，机械系统运动方程也可根据图6写出，结果和方程(7)-致。

这样-来，通过上述两种方法，就可以间接求出图4所示机械系统的数学模型，十分方便。特别是遇到更加复杂的机械系统时，这种方法的优势便更为明显。

除此之外 ，机电相似性准则也可用于本课程的实验当中，通过把机械系统转化为与其具有相同数学模型的电路系统 ，利用电路元件模拟机械各组成部分，替代对机械系统的模拟 。

四、结语研究和应用机电相似性很有实际意义，若把这-特性应用在《控制工程基捶课程当中，可加深对机、电作用原理和相互关系的理解，把复杂问题简单化，从而做到更加熟练的分析系统，并广开研究、设计思路。

同时，这种相似性不仅限于机械-电路系统 ，在-定条件下，液压-电、热力-电、生物-电、化学-电等也能构成相似系统，所以在进行系统建模时，可通过这-相似性使-些复杂问题转化为相对简单的问题I 1。