1、 摩擦学设计组员：李兵组员：李兵 江鹏江鹏 龚文强龚文强 韩猛猛韩猛猛 赵奎鹏赵奎鹏 Contents摩擦学设计的定义摩擦学设计的定义1摩擦学设计的主要内容和方法摩擦学设计的主要内容和方法2摩擦学设计的研究现状摩擦学设计的研究现状3摩擦学设计的应用摩擦学设计的应用41.1定义定义是近是近4040年来发展起来年来发展起来的一门新的边缘学科。的一门新的边缘学科。v其其定义定义为：为：研究作相对运动的相互作用表研究作相对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的一门科学。它是面及其有关理论和实践的一门科学。它是一门跨学科的科学。一门跨学科的科学。其内容包括摩擦、磨其内容包括摩擦、磨损、润滑、接触力学、表
2、面物理和化学等损、润滑、接触力学、表面物理和化学等方面的专题。方面的专题。 空气与金属的摩擦导致哥伦比亚号左翼上的裂纹哥伦比亚号失事哥伦比亚号失事(a)自行车链传动 (b) 链条 自行车链条的磨损 简单实例简单实例1.1定义定义一组数据调查一组数据调查全世界工业能源的全世界工业能源的1/31/3被摩擦损耗掉；被摩擦损耗掉；失效零件的失效零件的80%80%是由磨损造成的；是由磨损造成的；2020世纪世纪8080年代我国在冶金、煤炭、农机等五个行年代我国在冶金、煤炭、农机等五个行业的调查表明：由于磨粒磨损损耗的备用钢材达业的调查表明：由于磨粒磨损损耗的备用钢材达100100万吨以上，如考虑停机等费
3、用造成的损失每年万吨以上，如考虑停机等费用造成的损失每年达几亿元。达几亿元。 如果从摩擦学方面采取正确的措施, 就可以大大节约能源消耗。1.1定义定义v摩擦学设计摩擦学设计即是运用摩擦学的理论、方法即是运用摩擦学的理论、方法、技术和数据，将摩擦和磨损减小到最低、技术和数据，将摩擦和磨损减小到最低程度，从而设计出高性能、低功耗、具有程度，从而设计出高性能、低功耗、具有足够可靠性及合适寿命的经济合理的新产足够可靠性及合适寿命的经济合理的新产品。品。 选择选择设计设计规范规范l润滑方式润滑方式（工况参数）（工况参数）l润滑剂润滑剂l表面材料表面材料l力学要求力学要求l形状尺寸形状尺寸l寿命要求寿命要
4、求2 摩擦学设计的主要内容和方法摩擦学设计的主要内容和方法任务：任务：对特定的机械在给定的工况设计出要求的对特定的机械在给定的工况设计出要求的 稳定、可靠、耐磨的摩擦副零件稳定、可靠、耐磨的摩擦副零件；对象：对象：机械系统中的摩擦副；机械系统中的摩擦副；依据：依据：摩擦副的工况及运行环境、摩擦副的接触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；副的精度及零件的重要性；内容：内容：表面形貌设计；润滑设计；摩擦副表面层设计表面形貌设计；润滑设计；摩擦副表面层设计 2.1 2.1表面形貌设计表面形貌设计v 表
5、面形貌设计主要是表面粗糙度的设计。表面形貌设计主要是表面粗糙度的设计。v 当表面过于光滑时当表面过于光滑时, , 液体或气体润滑介质难以介入摩擦副液体或气体润滑介质难以介入摩擦副之间之间, , 运动中导致摩擦副表面的氧化膜破裂而发生干摩擦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易于疲劳破坏或粘着拉脱, , 但是但是, , 当表面过于粗糙时当表面过于粗糙时, , 微微凸体接触数量少凸体接触数量少, , 接触应力大接触应力大, , 微凸体之间发生严重的弹微凸体之间发生严重的弹塑性变形塑性变形, , 相对滑动时相对滑动时, , 摩擦表面发生粘着磨损和表面剥摩擦表面发
6、生粘着磨损和表面剥离离. .v 粗糙度的设计原则粗糙度的设计原则 一是用加工精度与粗糙度相对应的方式设计一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；二是与机械工况相适应的润滑模式设计； 三是在特殊的润滑情况下粗糙度及其纹理方向应三是在特殊的润滑情况下粗糙度及其纹理方向应 特殊设计。特殊设计。 2.2润滑设计润滑设计1.润滑剂类型的选择润滑剂类型的选择 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并由粘度决定相应的润滑剂类型. . 当按运动形式选润滑剂当按运动形式选润
7、滑剂时时, , 滚动润滑选用高粘度的润滑脂滚动润滑选用高粘度的润滑脂, ,滑动润滑选用低粘度滑动润滑选用低粘度的润滑油的润滑油; ; 当按工况参数选润滑剂时当按工况参数选润滑剂时, , 高速低载荷选用低高速低载荷选用低粘度润滑油粘度润滑油, , 低速高载荷选用高粘度的润滑油低速高载荷选用高粘度的润滑油. . 另外另外, , 因为机械启动和停车时因为机械启动和停车时, , 机械的润滑状态要经历边机械的润滑状态要经历边界润滑阶段界润滑阶段, , 因此因此, , 在润滑油选择时在润滑油选择时, , 润滑油的油性和极润滑油的油性和极压性也应考虑压性也应考虑, , 保证机械启动和停车时在边界状态下润滑保
8、证机械启动和停车时在边界状态下润滑条件良好条件良好. . 2.2润滑设计润滑设计2.润滑方式的确定润滑方式的确定 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润滑方式的选择主要依据是摩擦副的运动速度, , 当当滑动速度滑动速度 12 m/s 12 m/s时时, , 一般选用注油和喷油润滑方一般选用注油和喷油润滑方式式; ; 当滑动速度在当滑动速度在3 312 m/s 12 m/s 之间时之间时, , 一般选用溅一般选用溅油和喷油润滑方式油和喷油润滑方式; ; 当滑动速度低于当滑动
9、速度低于3m/s3m/s时时, , 一般一般选用浴油和滴油润滑方式选用浴油和滴油润滑方式. . 2.3摩擦副表层设计摩擦副表层设计v一般设计法则一般设计法则1) 1) 摩擦副若是粘着磨损为主摩擦副若是粘着磨损为主, , 则应采用互溶性小、则应采用互溶性小、化学活性强而抗剪切强度低的表面层；化学活性强而抗剪切强度低的表面层；2) 2) 摩擦副若是磨粒磨损为主摩擦副若是磨粒磨损为主, , 则应采用非常硬的则应采用非常硬的表面；表面；3) 3) 摩擦副若是几种摩擦磨损过程混合的情况摩擦副若是几种摩擦磨损过程混合的情况, , 即即采用强度正梯度法则采用强度正梯度法则- -硬度负梯度法则的复合梯度硬度负
10、梯度法则的复合梯度法则设计法则设计. . 2.3摩擦副表层设计摩擦副表层设计v摩擦副表面层设计要求摩擦副表面层设计要求 三是在热负荷作用下耐磨层应呈热压应力状态。三是在热负荷作用下耐磨层应呈热压应力状态。一是耐磨薄膜与基体结合强度高一是耐磨薄膜与基体结合强度高, , 防止耐磨层防止耐磨层与基体材料在机械力或热应力的作用下脱落与基体材料在机械力或热应力的作用下脱落; ;二是薄膜具有良好的弹性和抗断裂性能；二是薄膜具有良好的弹性和抗断裂性能； 2.4摩擦学设计的方法摩擦学设计的方法v磨料磨损计算方程、粘着磨损计算方程、胶合计磨料磨损计算方程、粘着磨损计算方程、胶合计算方程；算方程；vIBM IBM
11、 的零磨损、可测磨损的计算方法的零磨损、可测磨损的计算方法; ;v组合磨损计算方法组合磨损计算方法; ;v以数值解为基础以数值解为基础, , 考虑热效应的热弹流、考虑动考虑热效应的热弹流、考虑动态效应的非稳态流、考虑润滑剂非牛顿性的流变态效应的非稳态流、考虑润滑剂非牛顿性的流变弹流以及分析粗糙表面的微观弹流等润滑理论与弹流以及分析粗糙表面的微观弹流等润滑理论与方法方法; ;v将各种实际因素全部纳入分析的普适性最高的润将各种实际因素全部纳入分析的普适性最高的润滑方程；滑方程；3 摩擦学设计的研究现状与发展摩擦学设计的研究现状与发展v国外发展现状国外发展现状 6060年代末年代末, , 英国发表英
12、国发表Jost Jost 的调查报告的调查报告, , 正式正式提出提出Tribology Tribology 一词一词, , 摩擦学从此成为一门独立摩擦学从此成为一门独立的学科。的学科。 经典流体润滑理论已经基本成熟经典流体润滑理论已经基本成熟, , 研究的重点研究的重点转向特殊介质和极端工况下的润滑理论；转向特殊介质和极端工况下的润滑理论； 材料磨损研究已从早期的宏观现象分析转向微材料磨损研究已从早期的宏观现象分析转向微观机理研究；观机理研究； 近年来国际上提出基于能量理论或材料疲劳机近年来国际上提出基于能量理论或材料疲劳机制的各种磨损理论制的各种磨损理论, , 可以作为摩擦副材料选择和可以
13、作为摩擦副材料选择和抗磨损设计的依据。抗磨损设计的依据。 此外此外, , 新型轴承和动密封装置的结构新型轴承和动密封装置的结构; ; 新型材新型材料与表面热处理技术料与表面热处理技术; ; 新型润滑材料与添加剂等新型润滑材料与添加剂等方面的研究均有较大的进展。方面的研究均有较大的进展。 3 摩擦学设计的研究现状与发展摩擦学设计的研究现状与发展v国内发展现状国内发展现状 从从1956 1956 年至今年至今, , 摩擦学受到广泛的重视摩擦学受到广泛的重视, , 现已初步拥有一批研究设备和手段配套的基地现已初步拥有一批研究设备和手段配套的基地, ,并并形成一支训练有素的研究队伍形成一支训练有素的研
14、究队伍, , 同时在清华大学同时在清华大学等单位已成立摩擦学国家重点实验室。在理论研等单位已成立摩擦学国家重点实验室。在理论研究方面究方面, , 我国润滑理论研究具有相当高的学术水我国润滑理论研究具有相当高的学术水平平, , 其中弹流润滑理论、滑动轴承静动态性能与其中弹流润滑理论、滑动轴承静动态性能与系统稳定性以及动静压混合轴承等方面的研究已系统稳定性以及动静压混合轴承等方面的研究已经达到或接近国际先进水平。经达到或接近国际先进水平。 和国外相比和国外相比, , 我国机械产品普遍存在能耗高我国机械产品普遍存在能耗高和磨损寿命低的缺点和磨损寿命低的缺点, , 基础件的质量在总体上和基础件的质量在
15、总体上和国外先进水平还存在很大的差距。国外先进水平还存在很大的差距。3 摩擦学设计的研究现状与发展摩擦学设计的研究现状与发展v发展趋势发展趋势 1234静态静态特性特性动态动态过程过程定性定性分析分析定量定量分析分析宏观宏观现象现象微观微观机理机理单一学单一学科分散科分散多学科多学科综合综合4 摩擦学设计的应用摩擦学设计的应用在机械工业方面的应用在机械工业方面的应用一是基础件开发: 主要有滚动轴承、滑动轴承、螺旋和传动件( 齿轮、蜗轮、链、无级变速器、减速器等) 等; 二是产品开发: 主要有铁路车辆、内燃机、汽车、农机、矿山机械、冶炼设备和发电设备等。4 摩擦学设计的应用摩擦学设计的应用v颗粒
16、摩擦学颗粒摩擦学研究应用于粉末冶金、陶瓷等的成形研究应用于粉末冶金、陶瓷等的成形工艺工艺, , 以及颗粒物质以及颗粒物质( (如粮食、煤粉等如粮食、煤粉等) )堆积和输堆积和输送送, , 水土流失水土流失, , 海岸和堤坝建设等；海岸和堤坝建设等；v生态摩擦学生态摩擦学研究可生物降解的绿色润滑材料研究可生物降解的绿色润滑材料, , 代代替含多种有害元素的以矿物油为基础的润滑油添替含多种有害元素的以矿物油为基础的润滑油添加剂加剂; ; 开发不含石棉而性能优异的摩阻材料开发不含石棉而性能优异的摩阻材料; ;研制研制不含氯的制冷设备用润滑材料；不含氯的制冷设备用润滑材料；v仿生技术与生物摩擦学仿生技
17、术与生物摩擦学应用于应用于人造关节研制、血人造关节研制、血液流变性能测定和牙齿磨损。液流变性能测定和牙齿磨损。参考文献参考文献1温诗铸.机械学发展战略研究M.北京:清华大学出版社,2003.2刘正林.摩擦学原理M.北京：高等教育出版社，2009.3温诗铸.我国摩擦学研究的现状与发展J.机械工程学 报,2004,40（11):2-6.4纪平.现代摩擦学设计的方法研究、关键技术及发展趋势J. 中国机械工程，2005,10（8）：131-142.5滕启，等.试论摩擦学设计技术J.北京机械工业学院学报， 2000,15（4）:11-15. 6刘力红，高青鹏.机械设计中的摩擦学设计J.科技信息， 2004，43（10）：142-149.7刘焜，焦明华.机械产品创新与摩擦学设计J.合肥工业大学 学报2005,28(9):899-995.8曹仁涛.新型机械设计方法浅析J.机械制造与自动化,2013， 42（5）：36-39.
