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摩擦学设计
世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗,便可大量节省能源。另外,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的,如果能控制和减少磨损,则既减少设备维修次数和费用,又能节省制造零件及其所需材料的费用。
背景
摩擦学
研究作相对运动物体的相互作用表面、类型及其机理、中间介质及环境所构成的系统的行为与摩擦及损伤控制的科学与技术。
摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损,以及三者间相互关系的基础理论和实践
摩擦学研究的主要内容是摩擦、磨损和润滑,其主要任务就是要控制摩擦和磨损,改善润滑,以达到节能、节材、降耗和减排的目的。
不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同,Stribeck曲线表现了这些摩擦状态,u、η、p 分别表示速度、润滑剂粘度和压力。
摩擦状态
润滑膜厚度
摩擦系数
干摩擦(无润滑)
>~1
边界摩擦
100~102nm
~
流体摩擦
>
~
弹性流体动力润滑
~
~
混合摩擦
~
摩擦状态
磨损
1、磨合磨损过程
2、稳定磨损阶段
3、急剧磨损阶段
新的零件在开始使用时一般处于这一阶段,磨损率较高,所占时间比率较小
经磨合的摩擦表面加工硬化,形成了稳定的表面粗糙度,摩擦条件保持相对稳定,磨损较缓,该段时间长短反映零件的寿命
经稳定磨损后,零件表面破坏,运动副间隙增大→动载振动→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效
摩擦系统能量传递与消耗
机械能的损耗过程
(1)功输入接触区----形成真实接触面积;
(2)接触区能量的变换----弹性变形、塑性变形、黏附;
(3)能量消耗
储存----产生点缺陷及位错、应变能储存
发射----声子(声波、声音)
光子(摩擦发光)
电子
热能----产生热和熵
减摩方法
工况:
运行条件
合理布置结构位置
润滑(润滑剂,粘度etc)
材料
工件参数:
尺寸参数
表面形貌,Ra
微织构
润滑剂粘度的影响
结论:由实验结果可知,粘度大润滑膜厚度越大,润滑效果好。
传统摩擦学研究认为, 相互接触的两个表面越光滑摩擦系数越小。近年来的研究表明, 表面并非越光滑就越耐磨, 而是具有一定非光滑形态的表面反而具有更好的耐磨性能。
表面织构,是指在摩擦副表面通过一定的加工技术加工出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的点阵。
微织构的影响
从目前来看,绝大多数研究成果都是通过实验得出,虽然实验结果具有客观真实性,但实验成本相对较高,并且研究工况受实验条件限制,大多数实验只能在低载低速下进行。为了弥补实验不足,用数值模拟的方法代替实验方法去研究高载高速高副等特殊工况下的表面摩擦润滑性能具有非常重要的意义。
实验原理及重要参数
实验原理图:实验时,钢球静止,上面施加有实验所需载荷,样品绕旋转中心旋转,富油润滑。
实验下试样样品:
三角形微织构:边长443um
微坑面积比分别为5%、10%、15%、20%。
微坑深度:20um。