工程摩擦学9 摩擦学设计[精]
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摩擦学设计是机械设备零件设计经历了运动学设计与强 度设计以后的第三阶段没计，它涉及到流体力学、固体力学、 流变学、数学、材料科学、物理和化学等内容.
一般来说，与摩擦有关的工业部件主要用于传递动力、 控制方向、机械加工及材料成形等。因此，它包括了各种部 件，如齿轮、轴、活塞、缸衬、轴承和密封件等。
2019/11/2
2019/11/2
9. Tribology Design
9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（1）磨粒磨损的摩擦副材料的选配 对于磨粒磨损，纯金属和未经热处理的钢的耐磨性与自然硬度
成正比。靠热处理提高硬度时，其耐磨性提高不如同样硬度的退火 钢。对淬硬钢来说，硬度相同时，含碳量高的淬硬钢耐磨性优于含 碳量低的淬硬钢。
9. Tribology Design
9.1 摩擦学设计概述
一个零部件能工作多长的时问，引起它失效的模式是什么等 等都特别需要摩擦学的知识。许多部件都在追求免维护和终身润 滑的日标，如内燃机，人工关节，空间部件，打印机头，计算机 硬盘等. 如何达到这一点，是当今摩擦学界面临的一个挑战.
在摩擦学设计中有两个重要的原则，一个是避免相对运动表 面间的直接接触、另一个是将润滑介质作为机器的一个组成元件 来看待。因此，将摩擦学知识转移到工业中去的最有效的途径就 是在设计开始阶段就并行地进行摩擦学设计。
9.2 耐 磨 设 计
9.2.1 考虑的因素 1）选 材
要提高机器的耐磨性，最重要的问题就是要合理选择符合该 工况条件的最佳性能材料，不同类型的磨损方式，选择的方向也 不同。
例如，拖拉机发动机气缸套是易磨损件，当它严重磨损后， 发动机的功率下降，油耗增加。通过磨损的失效分析，确定了气 缸磨损的主要机制是磨料磨损和粘着磨损，因此选择材料的成分 及组织均希望能有利于抵抗上述两种磨损的性能，选用了中硅矾 铁缸套材料后比用高磷铸铁缸套的寿命提高4倍以上，而且抗腐 蚀性能良好。
工程摩擦学基础
Fundamental of Engineering Tribology
2019/11/2
9. Tribology Design
9.1 摩擦学设计概述
摩擦学设计以摩擦、磨损及润滑理论为基础、从系统工程 程观点出发，通过一系列计算与经验类比分析．预测并排除 可能发生的故障，使机械设备在使用过程中达到尽可能小的 摩擦、损耗和经济的稳定磨损率。
斗轮式挖掘机斗齿角度和形状对其使用寿命有影响。如果斗 齿底面与所切割的矿岩之间的夹角太小，则整个齿底面与磨料相 对运动而磨损，磨损在齿面上划出长长的磨沟，只有在一最佳角 度时，斗齿才能减少磨损。在这方面，仿生学设计大有用武之地。
2019/11/2
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9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 1）润 滑
成正比。靠热处理提高硬度时，其耐磨性提高不如同样硬度的退火 钢。对淬硬钢来说，硬度相同时，含碳量高的淬硬钢耐磨性优于含 碳量低的淬硬钢。
耐磨性与金属的显微组织有关。马氏体耐磨性优于珠光体，珠 光体优于铁素体。对珠光体的形态，片状的比球状的耐磨，细片的 比粗片的耐磨。回火马氏体常常比不回火的耐磨，这是因为未回火 的组织硬而脆。
摩擦学系统是机器系统的一种抽象，它由机器中的全体摩擦 副和必要的支持系统组成。设计一个能经济而可靠地实现运动并 保证功能的摩擦学系统就是摩擦学设计的任务，所以，摩擦学设 计必须理解为摩擦学系统的设计，它不仅仅只是一个摩擦副或其 中一个摩擦学元素的设计。
2019/11/2
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减少摩擦与磨损的有效方法之一是在摩擦副中采用液体润滑。 这就意味着在流体动压润滑状态下连续运转，只要摩擦副能够保持 这种润滑状态，就可使磨损减少。
—般说来，润滑状态对粘着磨损值有很大影响。试验表明，流体 静压润滑状态时粘着磨损佰最小，其次足流体动压润滑状态，边界 润滑状态时的粘着磨损值最大。在润滑油脂中加入油性和极压添加 剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜厚度，因而能成倍提高抗粘着磨 损能力。
耐磨性与金属的显微组织有关。马氏体耐磨性优于珠光体，珠 光体优于铁素体。对珠光体的形态，片状的比球状的耐磨，细片的 比粗片的耐磨。回火马氏体常常比不回火的耐磨，这是因为未回火 的组织硬而脆。
对于同样硬度的钢，含合金碳化物的比普通渗碳体耐磨．碳化 物的元素原子越多就越耐磨。
2019/11/2
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9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（2）粘着磨损的摩擦副材料的选配 粘着现象常常因摩擦热引起材料的再结晶、扩散加速或表面软
化出现。甚至由于接触区的局部高压、高温而导致表面熔化。因此 粘着磨损与表面材料匹配密切相关。对于材料的匹配有以下规律：
9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（1）磨粒磨损的摩擦副材料的选配 对于三体磨损来说，一般是提高摩擦表面的硬度，当表面硬度
约为1.4倍磨粒硬度时耐磨效果最好，再高则无效。三体磨损的颗 粒粒度对磨损率也有影响。实验表明，当粒度小于100μm时，越小 则表面磨损率越低；粒度大于100μm时，粒度与磨损率天关。
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9.2 耐 磨 设 计
9.2.1 考虑的因素 2）结构设计
磨损率受结构的影响很大，包括整机的结构和零件的形状尺 寸。例如：4M3电铲斗齿寿命较低，首钢公司迁安煤矿通过改善 斗齿形状，即把斗齿上下面上挖一长槽，将这部分材料放在齿尖 部位，加长了斗齿长Biblioteka Baidu，改变了矿石与零件表面接触时的力流状 况，从而增加了耐磨性。
根据弹性流体动压润滑理论，适当提高润滑油的粘度，可使接触 部分的压力接近平均分布，从而提高了抗疲劳磨损能力。
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9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（1）磨粒磨损的摩擦副材料的选配 对于磨粒磨损，纯金属和未经热处理的钢的耐磨性与自然硬度
一般来说，与摩擦有关的工业部件主要用于传递动力、 控制方向、机械加工及材料成形等。因此，它包括了各种部 件，如齿轮、轴、活塞、缸衬、轴承和密封件等。
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9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（1）磨粒磨损的摩擦副材料的选配 对于磨粒磨损，纯金属和未经热处理的钢的耐磨性与自然硬度
成正比。靠热处理提高硬度时，其耐磨性提高不如同样硬度的退火 钢。对淬硬钢来说，硬度相同时，含碳量高的淬硬钢耐磨性优于含 碳量低的淬硬钢。
9. Tribology Design
9.1 摩擦学设计概述
一个零部件能工作多长的时问，引起它失效的模式是什么等 等都特别需要摩擦学的知识。许多部件都在追求免维护和终身润 滑的日标，如内燃机，人工关节，空间部件，打印机头，计算机 硬盘等. 如何达到这一点，是当今摩擦学界面临的一个挑战.
在摩擦学设计中有两个重要的原则，一个是避免相对运动表 面间的直接接触、另一个是将润滑介质作为机器的一个组成元件 来看待。因此，将摩擦学知识转移到工业中去的最有效的途径就 是在设计开始阶段就并行地进行摩擦学设计。
9.2 耐 磨 设 计
9.2.1 考虑的因素 1）选 材
要提高机器的耐磨性，最重要的问题就是要合理选择符合该 工况条件的最佳性能材料，不同类型的磨损方式，选择的方向也 不同。
例如，拖拉机发动机气缸套是易磨损件，当它严重磨损后， 发动机的功率下降，油耗增加。通过磨损的失效分析，确定了气 缸磨损的主要机制是磨料磨损和粘着磨损，因此选择材料的成分 及组织均希望能有利于抵抗上述两种磨损的性能，选用了中硅矾 铁缸套材料后比用高磷铸铁缸套的寿命提高4倍以上，而且抗腐 蚀性能良好。
工程摩擦学基础
Fundamental of Engineering Tribology
2019/11/2
9. Tribology Design
9.1 摩擦学设计概述
摩擦学设计以摩擦、磨损及润滑理论为基础、从系统工程 程观点出发，通过一系列计算与经验类比分析．预测并排除 可能发生的故障，使机械设备在使用过程中达到尽可能小的 摩擦、损耗和经济的稳定磨损率。
斗轮式挖掘机斗齿角度和形状对其使用寿命有影响。如果斗 齿底面与所切割的矿岩之间的夹角太小，则整个齿底面与磨料相 对运动而磨损，磨损在齿面上划出长长的磨沟，只有在一最佳角 度时，斗齿才能减少磨损。在这方面，仿生学设计大有用武之地。
2019/11/2
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9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 1）润 滑
成正比。靠热处理提高硬度时，其耐磨性提高不如同样硬度的退火 钢。对淬硬钢来说，硬度相同时，含碳量高的淬硬钢耐磨性优于含 碳量低的淬硬钢。
耐磨性与金属的显微组织有关。马氏体耐磨性优于珠光体，珠 光体优于铁素体。对珠光体的形态，片状的比球状的耐磨，细片的 比粗片的耐磨。回火马氏体常常比不回火的耐磨，这是因为未回火 的组织硬而脆。
摩擦学系统是机器系统的一种抽象，它由机器中的全体摩擦 副和必要的支持系统组成。设计一个能经济而可靠地实现运动并 保证功能的摩擦学系统就是摩擦学设计的任务，所以，摩擦学设 计必须理解为摩擦学系统的设计，它不仅仅只是一个摩擦副或其 中一个摩擦学元素的设计。
2019/11/2
9. Tribology Design
减少摩擦与磨损的有效方法之一是在摩擦副中采用液体润滑。 这就意味着在流体动压润滑状态下连续运转，只要摩擦副能够保持 这种润滑状态，就可使磨损减少。
—般说来，润滑状态对粘着磨损值有很大影响。试验表明，流体 静压润滑状态时粘着磨损佰最小，其次足流体动压润滑状态，边界 润滑状态时的粘着磨损值最大。在润滑油脂中加入油性和极压添加 剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜厚度，因而能成倍提高抗粘着磨 损能力。
耐磨性与金属的显微组织有关。马氏体耐磨性优于珠光体，珠 光体优于铁素体。对珠光体的形态，片状的比球状的耐磨，细片的 比粗片的耐磨。回火马氏体常常比不回火的耐磨，这是因为未回火 的组织硬而脆。
对于同样硬度的钢，含合金碳化物的比普通渗碳体耐磨．碳化 物的元素原子越多就越耐磨。
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9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（2）粘着磨损的摩擦副材料的选配 粘着现象常常因摩擦热引起材料的再结晶、扩散加速或表面软
化出现。甚至由于接触区的局部高压、高温而导致表面熔化。因此 粘着磨损与表面材料匹配密切相关。对于材料的匹配有以下规律：
9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（1）磨粒磨损的摩擦副材料的选配 对于三体磨损来说，一般是提高摩擦表面的硬度，当表面硬度
约为1.4倍磨粒硬度时耐磨效果最好，再高则无效。三体磨损的颗 粒粒度对磨损率也有影响。实验表明，当粒度小于100μm时，越小 则表面磨损率越低；粒度大于100μm时，粒度与磨损率天关。
2019/11/2
9. Tribology Design
9.2 耐 磨 设 计
9.2.1 考虑的因素 2）结构设计
磨损率受结构的影响很大，包括整机的结构和零件的形状尺 寸。例如：4M3电铲斗齿寿命较低，首钢公司迁安煤矿通过改善 斗齿形状，即把斗齿上下面上挖一长槽，将这部分材料放在齿尖 部位，加长了斗齿长Biblioteka Baidu，改变了矿石与零件表面接触时的力流状 况，从而增加了耐磨性。
根据弹性流体动压润滑理论，适当提高润滑油的粘度，可使接触 部分的压力接近平均分布，从而提高了抗疲劳磨损能力。
2019/11/2
9. Tribology Design
9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（1）磨粒磨损的摩擦副材料的选配 对于磨粒磨损，纯金属和未经热处理的钢的耐磨性与自然硬度