摩擦学设计
Tribology Design
组员：李兵 江鹏 龚文强 韩猛猛 赵奎鹏
Contents
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摩擦学设计的定义 摩擦学设计的主要内容和方法 摩擦学设计的研究现状 摩擦学设计的应用
1.1定义
摩擦学（Tribology）是近40年来发展起来 的一门新的边缘学科。 其定义为：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 一门跨学科的科学。其内容包括摩擦、磨 损、润滑、接触力学、表面物理和化学等 方面的专题。
简单实例
(a)自行车链传动
哥 伦 比 亚 号 失 事
哥伦比亚号左翼上的裂纹
(b) 链条 自行车链条的磨损
空气与金属的摩擦导致
1.1定义 一组数据调查 全世界工业能源的1/3被摩擦损耗掉； 失效零件的80%是由磨损造成的； 20世纪80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 100万吨以上，如考虑停机等费用造成的损失每年 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。
3 摩擦学设计的研究现状与发展 国外发展现状 60年代末, 英国发表Jost 的调查报告, 正式 提出Tribology 一词, 摩擦学从此成为一门独立 的学科。 经典流体润滑理论已经基本成熟, 研究的重点 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 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 制的各种磨损理论, 可以作为摩擦副材料选择和 抗磨损设计的依据。 此外, 新型轴承和动密封装置的结构; 新型材 料与表面热处理技术; 新型润滑材料与添加剂等 方面的研究均有较大的进展。
2.1表面形貌设计
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. 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; 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 特殊设计。
3 摩擦学设计的研究现状与发展
发展趋势
静态 特性 动态 过程
定性 分析 定量 分析
宏观 现象 微观 机理
单一学 科分散 多学科 综合
4 摩擦学设计的应用 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。
3 摩擦学设计的研究现状与发展
国内发展现状 从1956 年至今, 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,并 形成一支训练有素的研究队伍, 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 究方面, 我国润滑理论研究具有相当高的学术水 平, 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 经达到或接近国际先进水平。 和国外相比, 我国机械产品普遍存在能耗高 和磨损寿命低的缺点, 基础件的质量在总体上和 国外先进水平还存在很大的差距。
2.2润滑设计
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> 12 m/s时, 一般选用注油和喷油润滑方 式; 当滑动速度在3～12 m/s 之间时, 一般选用溅 油和喷油润滑方式; 当滑动速度低于3m/s时, 一般 选用浴油和滴油润滑方式.
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-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.
4 摩擦学设计的应用
颗粒摩擦学研究应用于粉末冶金、陶瓷等的成形 工艺, 以及颗粒物质(如粮食、煤粉等)堆积和输 送, 水土流失, 海岸和堤坝建设等； 生态摩擦学研究可生物降解的绿色润滑材料, 代 替含多种有害元素的以矿物油为基础的润滑油添 加剂; 开发不含石棉而性能优异的摩阻材料;研制 不含氯的制冷设备用润滑材料； 仿生技术与生物摩擦学应用于人造关节研制、血 液流变性能测定和牙齿磨损。
2.3摩擦副表层设计
一般设计法则 1) 摩擦副若是粘着磨损为主, 则应采用互溶性小、 化学活性强而抗剪切强度低的表面层； 2) 摩擦副若是磨粒磨损为主, 则应采用非常硬的表 面； 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.
2.3摩擦副表层设计
2.2润滑设计
1.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, 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的润滑油. 另外, 因为机械启动和停车时, 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.
摩擦副表面层设计要求
一是耐磨薄膜与基体结合强度高, 防止耐磨层 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； 三是在热负荷作用下耐磨层应呈热压应力状态。
2.4摩擦学设计的方法 磨料磨损计算方程、粘着磨损计算方程、胶合计 算方程； IBM 的零磨损、可测磨损的计算方法; 组合磨损计算方法; 以数值解为基础, 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 弹流以及分析粗糙表面的微观弹流等润滑理论与 方法; 将各种实际因素全部纳入分析的普适性最高的润 滑方程；
1.1定义
摩擦学设计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 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 品。
选择
设计 规范
润滑方式 （工况参数） 润滑剂 表面材料
力学要求 形状尺寸 寿命要求
2 摩擦学设计的主要内容和方法 任务：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； 对象：机械系统中的摩擦副； 依据：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； 内容：表面形貌设计；润滑设计；摩擦副表面层设计