供大家写文献综述参考---凸轮磨损的研究综述与思考

文章编号:1004-2539(2010)08-0095-04凸轮磨损的研究综述与思考唐 琴1,2 章易程1 林晨岚1 廖志远2(1中南大学交通运输工程学院, 湖南长沙 410004)(2湖南工业职业技术学院机械工程系, 湖南长沙 410208)摘要 通过对国内外研究现状的调查总结,分析了目前凸轮磨损工程及仿真实验的研究现状,概述了凸轮磨损的预防措施,归纳了失效凸轮常用修复方法,最后对凸轮磨损问题研究在利用载荷谱进行实验研究、利用阶段磨损率进行仿真研究、利用在线自动修复实现防修结合等方面提出了有益的建议。

关键词 凸轮磨损 工程实验 仿真实验 预防 修复Overview and Consideration on Cam WearTang Qin1,2 Zhang Yicheng1 Lin Chenlan1 Liao Zhiyuan2(1School of Traffic and Transportation Engineeri ng,Central South University,Changsha410004,China)(2Department of M echanical Engineeri ng,Hunan Industry Pol ytechnic,Changsha410802,China)Abstract Based on the investigation and summary of the research research status about cam wear at home and abroad,the research status on the engineering experiment and simulation e xperiment of cam wear are analyzed.Pre caution measure against ca m wear are summarized and c om mon repairment methods of failure ca m are present.Finally, some helpful suggestions against cam wear,such as experimental study with load spectra,simulation study with the different wear rate at different wear phase,on line auto repairing for the combination of precaution and repairment are proposed.Key words Ca m wear Engineering experiment Simulation experiment Precaution Repairment0 引言凸轮机构是典型的常用机构之一。

凸轮与从动件往往为高副接触,通常在高温、高转速与变压力作用下工作,容易导致凸轮工作面产生剧烈摩擦、磨损,从而影响设备的工作精度。

在高速机械(内燃机、纺织机械)和重载机械中,凸轮的磨损就变得更为突出。

随着经济的发展,绿色制造成为解决资源短缺与环境恶化的重要手段之一,而凸轮磨损的研究也就是绿色制造所面临的具体课题。

基于上述理由,我们从凸轮的实验、预防与修复三个方面对凸轮磨损研究进行综述。

1 实验1.1 工程实验工程实验是研究磨损最实用的技术。

凸轮磨损的工程实验主要用于其磨损机理与影响因素的分析。

国内外学者对凸轮磨损实验进行了一些有益的研究。

R.Ipeka对凸轮轮廓的干磨损研究表明,凸轮在不同的部位表现出黏着磨损、磨粒磨损等不同的磨损机理[1]。

吴东方在研究凸轮/挺柱过度磨损的问题时提出,在结构设计合理的前提下,解决凸轮与挺拄磨损的关键在于两者材质的合理匹配,其中冷激合金铸铁的耐磨性与柱氏体或针状渗碳体的大小、分布、数量有关,且冷激合金铸铁挺柱表面进行磷化处理,有利于促进凸轮与挺柱磨合[2]。

夏奇松等针对某发动机凸轮、摇臂副的异常磨损的问题提出了改善润滑条件和减少因窜气而机油受污染等措施[3]。

江亲瑜以机车柴油机中供、排气凸轮材料为研究对象,探讨了磨损率随载荷的变化规律[4]。

C.Ala msyah针对凸轮磨合期的磨损研究指出,凸轮磨损形式受表面加工方法和钢材微观结构的共同影响[5]。

M.Soejima通过煤烟污染后的机油对凸轮磨损的实验研究表明,污染物以及添加剂将影响凸轮的摩擦磨损特性[6]。

在凸轮磨损测量实验[7-8]中,通常利用专用凸轮轮廓线检测仪或配合光学分度头进行检测,采用敏感点法、转折点法、平均点法等评价凸轮的升程误差。

近来采用三坐标测量仪进行轮廓测量具有高速、精确、自动化检测的特点。

1.2 仿真实验目前,数值计算机仿真技术己成了磨损研究的重要方向。

数值计算机磨损仿真技术主要解决两方面的问题: 根据磨损机理建立数学模型进行数值计算,然后和工程实验数据进行比较,以验证理论的正确性;利用成熟的理论模型计算磨损量,以进行优化设计、寿命设计、耐久性设计等。

国内外学者己经在这一领域进行了许多工作。

格利布通过对磨损过程的离散研究了摩擦副的磨损及寿命预测问题的求解方法,包括网格法、有限元法[9],该方法对包括凸轮在内的各种摩擦副的磨损仿真具有普遍指导意义。

J.Hugnen A. B.和Andersson S.等人使用改进的Archard磨损方程,建立了一种基于单点观测法的凸轮机构磨损仿真模型,对凸轮的轻度磨损进行的仿真[10-11]。

唐少雄以Archard公式为基础,建立了凸轮磨损的动态仿真实验,表明了凸轮的磨损量随时间变化的规律[12]。

李宝良、江亲瑜等人基于有限元法对平底从动件凸轮机构系统磨损及可靠性寿命进行了数值仿真[13]。

Vasilyev. A.提出了一种内燃机阀动装置凸轮磨损的计算方法,并对凸轮轴在设计和运行阶段的适用性及耐用性做了预测[14]。

Nagaraj Nayaka将线性磨损关系和弹流或边界润滑模型与动力分析相结合,计算了稳定磨损状态下的从动件的外形轮廓,并采用有限元分析、AVL TYCON仿真软件进行了从动件磨损预测[15]。

Pennestr Ettore为了比较不同凸轮轮廓的接触力及磨损,建立了一种适用于完整的变速仿真的虚拟模型。

该模型考虑到了凸轮和从动件间相对运动的主曲率的变化[16]。

2 预防2.1 结构通过合理结构设计可以减少凸轮的磨损。

凸轮传动系统的摩擦学设计可以从凸轮廓线、动力学特性等方面进行考虑[17]。

直动从动件凸轮最大压力角不宜大于30!,减小压力角,可降低接触应力,降低磨损[18]32。

吉建平指出:在凸轮与挺杆机构设计中,可采用顶置式凸轮轴,使运动正时链缩短;或者采用滚轮挺杆,使凸轮与挺杆间的运动为纯滚动[19];何振俊提出凸轮机构压力角是反映凸轮与从动件之间速度与力传递关系的重要参数[18]32。

Flocker F.W.指出从动件加速度是影响凸轮过度磨损一个主要因素,并提出了一种可调节传动件向前和向后梯形加速度的凸轮轮廓[20]。

2.2 材料通过对表面材料的处理与匹配,可减少凸轮的磨损。

可供选用的常用耐磨材料类型有金属材料、陶瓷材料、高分子材料等。

江民涛指出可采用梯度功能材料对表面进行强化处理来实现减磨,如喷涂、堆焊、表面沉积、自蔓延合成方法等[21]。

Sert H.对凸轮轴进行不同表面处理的实验表明,渗硼和PVD-Ti N涂层可成功地应用于凸轮材料GGG50球墨铸铁,增强了凸轮的耐磨性[22]。

陈凌珊对凸轮/挺柱副的材料和工艺进行匹配的实验表明,球铁凸轮与钢挺柱配对,在9.268MPa接触应力条件下,有比较好的适应性,凸轮的磨损值最小[23]。

何振俊指出凸轮硬度应略低于从动件硬度,硬度过大或硬度相同都会使擦伤倾向增加[18]32。

2.3 润滑润滑是减轻磨损的有效手段。

润滑油必须具有较高的清洁度和润滑性,应定期检测机油质量,防止柴油、水和杂质混进机油中,并适时更换机油。

Per Lind holm针对柴油机凸轮磨合问题提出凸轮磨损状态与流体润滑状态有关[24]。

温诗铸指出,在工程设计中,凸轮机构的弹流润滑计算可以按准稳定状态处理[25]。

Rothbart指出润滑油的黏度和供油方式的选择要考虑从动件的形状和凸轮的转速[26-27]。

曹一通过计算从动件不同运动规律下凸轮机构的最小油膜厚度表明,基圆半径越大、转速越高,则油膜越厚[28]。

廖海平指出,通过计算最小油膜厚度和膜厚比,可判断凸轮磨损的可能性[29]。

胡首立指出,通过增加凸轮基圆半径与最小曲率半径、加大凸轮与从动件接触宽度、降低接触表面粗糙度,控制凸轮转速及对从动件运动规律进行优化设计,从而来改善润滑状况[30]。

3 修复磨损失效后的凸轮一般可以通过修复来重新使用,应用于凸轮修复的主要方法如下。

3.1 堆焊堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法,越来越广泛地应用于包括凸轮在内的零件修复中。

堆焊的常用方法有,气体保护堆焊(C O2气体保护电弧堆焊、氩弧焊等)、感应堆焊、激光堆焊、等离子堆焊、冷焊堆焊、振动堆焊等。

张唏指出,堆焊修复主要适合于磨损量较大、必须填补大量的材料才能恢复其原始尺寸的凸轮工作表面[31]。

王鹏提出了在堆焊材料优良、堆焊技术高超、焊接设备先进的情况下,氩弧堆焊层可以达到高硬度、无裂纹、无咬边、夹杂、气孔的质量优良,非常适合用于凸轮修复[32]。

Steffen Nowotny 指出,激光堆焊可用于凸轮等发动机零部件的表面保护与修复[33]。

3.2 热喷涂热喷涂是近代各种喷涂、喷熔(或称喷焊)工艺的总称。

热喷涂技术常用于凸轮等零件在各种磨损状态下的表面处理和修复[34-36]。

该方法使凸轮修复后具有耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温、隔热等各种优良性能[37]。

常用的热喷涂方法可分为火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂、激光喷涂、冷喷涂等。

Frank G rtner指出,冷喷涂不需将待喷涂的金属加热至高温甚至融化,这一独特性是传统热喷涂所不具备的,适于凸轮轴的修复[38]。

宫俊刚采用热喷焊工艺方法对8300柴油机凸轮进行修复后,各项技术指标完全达到规定要求[39]。

3.3 电刷镀发动机凸轮轴轴颈的主要失效方式是磨损或划伤。

以前凸轮轴轴颈出现磨损或划伤一般就报废了或者采用加厚轴瓦的办法磨削轴颈后使用,给用户的维修带来很大的麻烦。

近年来,电刷镀技术由于具有设备简单、操作方便、安全可靠、镀积速度快的特点,在修复凸轮轴轴颈取得明显效果[40-41]。

解培民采用镍阳极电刷镀修复汽车发动机凸轮轴轴颈和凸轮廓,其镀层的硬度、结合强度,抗冲击性、疲劳强度和耐磨性等均符合设计要求[42]。