摩擦学设计PPT之1-2章：绪论、固体表面特性

摩擦学设计第一章绪论摩擦学设计的概念，经常在国内外摩擦学领域中讨论和应用，机械设计领域也已经正式引入这个概念，并且逐步得到人们的认识和重视。但是，还有很多人对此并不理解，常常提出“什么是摩擦学设计？”、“怎样进行摩擦学设计？”等一系列问题。要弄清楚这些问题，首先，我们需要从整体上对摩擦学和摩擦学设计有一个系统正确地了解和认识。所以我们讨论的第一个问题是摩擦学和摩擦学设计。1.1摩擦设计的概念1.1.1摩擦学概念摩擦学是二十世纪六十年代逐渐形成的一门新兴边缘学科。摩擦学—Tribology：是由希腊语tribos派生而来。定义：摩擦学是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技术。定义中着重强调了“相对运动”和“相互作用”。通俗说来，摩擦学就是研究相互作用表面在相对运动过程中发生的摩擦、磨损、润滑现象的一门科学与技术，是摩擦、磨损和润滑及其有关的实践活动的总称。实践表明，作相对运动的接触表面在摩擦过程中，将产生一系列的物理、化学、冶金学、力学等方面的变化。要研究这一过程和变化，必将涉及数学、物理、化学、力学、冶金学、机械工程、材料科学、石油化工等多种学科领域。因而摩擦学是一门理论性和实践性都很强、综合性边缘学科。1.1.2摩擦学发展的概况摩擦、磨损和润滑是一个古老而又年轻的课题人类对摩擦现象早有认识，并能用来为自己服务，如史前人类的钻木取火，《诗经》中有“载脂载辖，还车言迈”的诗句，表明我国在春秋时期已应用动物脂肪来润滑车轴。应用矿物油作润滑剂的记载最早见于西晋张华所著《博物志》，书中提到酒泉延寿和高奴有石油，并且用于“膏车及水碓甚佳”。但长久以来摩擦学的研究进展缓慢，直到15世纪，意大利的列奥纳多·达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的途径。1785年，法国库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年，英国的鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦，1950年，鲍登提出了粘着理论。关于润滑的研究，英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破。1.1.2摩擦学发展的概况对磨损的研究较晚，20世纪50年代提出粘着理论后，60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以迅速开展。特别是工业革命以后，机器的大量使用对其产生了迫切需求，使其研究和发展进入了一个新的时期。1966年英国的H.Perer.Jost先生在其著名的报告—“AReportonthePresentandIndustry‘sNeeds”中提出了“摩擦学（Tribology）”的概念，这一名词的创立标志着该领域研究的系统化和革命化进展。至此，综合研究摩擦、润滑和磨损相互关系的条件已初步具备，并逐渐形成摩擦学这一新的发展中的学科。1.1.3摩擦学研究的内容摩擦学研究的基本内容是摩擦、磨损（包括材料转移）和润滑（包括固体润滑）的原理及其应用。大体上可概括为以下几方面：（1）摩擦学现象的机理（2）材料的摩擦学特性。（3）摩擦学元件（包括人体人工关节）的特性与设计及其摩擦学失效分析（4）摩擦学材料（5）润滑材料（6）摩擦学状态的测试技术与仪器设备。（7）机器设备摩擦学失效状态的在线检测与监控以及早期预报与诊断。（8）摩擦学数据库与知识库。1.1.4摩擦学的特点从学科性质上看，摩擦学具有以下三个特点：(1)摩擦学是一门在某些传统学科的基础上综合发展起来的边缘学科。摩擦、磨损和润滑涉及到科学技术的极其广泛的专业领域，包括力学、物理学、化学、热力学、传热学、表面科学以及机械学和材料科学与工程等多种学科。(2)摩擦学是一门具有很强应用背景的横断学科。摩擦学的产生主要是以节约资源、节省能源、提高效益等实用性很强的课题为背景。然而，它的应用背景已远远超出了机械行业以及工业和交通运输业的领域，因而产生了生物摩擦学、地质摩擦学和生态摩擦学等新的学科分支。(3)摩擦学是一门学科边界还没有完全界定的新兴学科。随着科学技术的发展，摩擦学与一些先进的技术和方法相结合，并且不断地向其他学科渗透，从而又逐步形成新的学科分支，如摩擦化学、摩擦学设计以及陶瓷摩擦学、高分子材料摩擦学、空间摩擦学、核反应系统摩擦学和纳米摩擦学以及计算摩擦学等。图1-1摩擦学的基本框架1.2摩擦学设计摩擦学设计—tribodesign，tribologicaldesign摩擦学设计是以摩擦学理论为基础，从系统工程观点出发，对系统进行设计的一种系统设计方法。系统可以是机械设备、电器系统、磁记录系统等。对机械设备而言，通过摩擦学设计最终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、稳定的磨损率。也就是说，摩擦学设计是使机械系统在满足磨损寿命、摩擦功耗、振动与噪声等条件下，根据摩擦学的观点对系统进行的设计。摩擦学设计是机械设备经历了运动学设计和强度设计以后的第三阶段设计，但是摩擦学设计的思想应贯穿于整个设计过程中。影响摩擦学性能的因素非常多，而且，各种因素往往错综复杂，涉及到多门学科的综合运用，因此，摩擦学设计的重要特点是多学科的综合分析和运用。1.3摩擦学设计与摩擦学1.1.3.摩擦学设计与摩擦学摩擦学是研究接触表面在相对运动中的相互作用的，具有很强的实践性。从摩擦学的发展历史可以看出，随着工程技术的发展和新产品开发的需要，出现许多重要的摩擦学现象和摩擦学问题需要解释和解决，这就促进了摩擦学理论的形成和发展，而摩擦学新的研究成果反过来又为产品的设计提供理论指导，使人们设计出更为可靠耐用的产品。摩擦学研究的最终目的是能够成功的应用于工程设计。而把摩擦学的理论和最新研究成果应用于工程设计的最合适的形式就是对产品进行摩擦学设计。摩擦学设计就是研究如何把摩擦学的理论应用于产品设计的一种设计方法和设计思想。1.4摩擦学设计的任务摩擦学设计是指对摩擦学系统进行的设计，设计目标是可靠和经济地实现运动保证功能。具体包括以下内容：（1）最小目标功耗；（2）最低制造和运行成本；（3）合适的使用寿命；（4）与摩擦学行为有关的必要的可靠性；（5）与摩擦学行为有关的最大生产率。1.5摩擦学设计的地位和作用一、摩擦学设计的地位和作用摩擦学设计是在产品完成了功能原理设计，或说是完成方案设计之后，就必须进行地。一方面是对产品系统进行设计；另一方面是对在摩擦学性能方面起重要作用的所有零部件进行设计，机械零件的摩擦学设计是在完成了运动学设计和强度设计之后进行的。机械系统及其零部件的摩擦学设计是其他任何设计方法所不能替代的。1.5摩擦学设计的地位和作用二、摩擦学设计的意义摩擦是能量转换的一种形式，有摩擦就会有能量的损耗；磨损是伴随摩擦过程而发生的必然结果，磨损的结果是材料的损耗和破坏。通过摩擦学设计可以减少或避免摩擦，减少摩擦功耗可以节约能源。通过摩擦学设计可以减少磨损、延长易损件的寿命，以减少维修和更换次数，从而节约材料和能源，降低维护成本和提高劳动生产率。通过摩擦学设计可以提高产品的精度和可靠性。机器系统的摩擦学失效并不仅限于磨损。由于摩擦原因而导致的非法运动（振动、噪声、爬行、溜行等）以及发热和变形等，都将导致运动精度的降低和运动保证功能丧失，这些都是属于与摩擦学行为有关的可靠性问题。通过摩擦学设计就可以避免这些情况的出现，从而提高产品的精度和可靠性。1.5摩擦学设计的地位和作用在零件上，接受摩擦学行为作用的是零件的表面，工作条件十分苛刻。而对于零件的整体结构，又有关于材质的其他要求。能够使表面材质与整体结构材质相互独立起来的设计和工艺，应予以优先考虑，这样可以用较低的成本获得很高的表面摩擦学性能。所以，各种涂层技术以及表面工程中的其他技术近年来获得了迅速发展，并在摩擦学设计中得到广泛的应用。1.5摩擦学设计的地位和作用从总体体上看，我国的摩擦学研究与国际先进水平相比差距还很大，摩擦学设计引入工程设计还是近几年的事情，很多工程设计人员对此还没有充分地了解和足够地认识。致使所设计产品的精度、可靠性和使用寿命，特别是易损件的寿命远远低于发达国家，在市场上缺乏竞争力。例如，日本和德国的汽车性能好、耗油低、易损件寿命长，日本的音响设备图像清晰、音质优美，都具有非常强的市场竞争力。其原因就是他们对这些产品的摩擦学系统进行了很好地摩擦学设计。就拿我们的石油矿场机械设备来说，也存在这样的问题。举一个小小的例子，美国生产的钻井泵无故障运行期比国产同类产品长一倍，其中一个易损件——缸套的使用寿命在150～300小时，而国产的同类产品的使用寿命只有几十个小时，问题的关键就是在设计过程中没有解决好它的摩擦学特性。由此可以看出，在设计过程中重视和积极的对产品进行摩擦学设计具有显著地经济效益和社会效益。第二章固体表面特性由摩擦学的定义我们已经知道，摩擦学特性是接触表面在相对运动过程中表现出的行为和特性。要对机械系统进行摩擦学设计，就必须全面系统的掌握摩擦学的基本原理，而它与相互作用表面的性质有着极其密切的联系。为此，我们首先对固体表面的特性进行学习和讨论。2.1．固体表面几何特性2.1.1．固体表面形貌特征真实的固体表面无论它是由什么方法形成，都不是几何所说的理想平面。在显微镜观察，固体表面就像地球表面一样布满了峡谷、丘陵和山峰。不同方法形成的、不同品质的表面，其表面形貌不同，具有不同的表面几何特征，主要有下述几个方面。图1、图2（见图片）图2-1三维表面形貌图2-2三维表面形貌的等高线图2.1.1．固体表面形貌特征一、宏观几何形状误差即形位公差，是实际表面离开名义表面形状的偏差。主要由机床精度、工件和设备的弹性变形（夹紧力、切削力引起的）所造成。GB1182～1184规定的形位公差项目中与摩擦学有关的主要有平面度、圆度、圆柱度。特点：连续的、不重复的，波距一般在10mm以上。2.1.1．固体表面形貌特征二、中等几何形状误差也称作表面波度。是由机床—刀具—工件系统的振动引起的。用波高和波距两个参数来评定。特点：具有一定的周期性，波距一般在1～10mm。2.1.1．固体表面形貌特征三、微观几何形状误差即通常所说的表面粗糙度。主要是由切削过程中工作表面留下的刀痕、屑瘤引起表面的塑性变形，以及机床—刀具—工件系统的高频振动引起的。表面粗糙度是影响摩擦学性能的最重要的表面几何特性参数。特点：没有明显地周期性，波距一般在2～800μm。此外，表面纹理等构成了固体表面形貌。图2-3固体的工程表面特征A—理想表面Ｂ－工程表面１－宏观几何形状误差（平面度）２－中等几何形状误差（表面波度）３－微观几何形状误差（表面粗糙度）图2-4可分解为粗糙度.波纹度和形状误差的表面轮廓曲线a)粗糙度b)波纹度c)形状误差2.1.2．固体表面几何特性评定参数固体表面几何特性的评定参数分一维参数、二维参数和三维参数。现在我们学习与摩擦学密切相关的一维、二维参数中的主要的几项。表面粗糙度评定指标，按照GB1031-83《表面粗糙度代号及标注方法》中规定，与轮廓高度特性有关的描述参数，主要有下列几项：2.1.2．固体表面几何特性评定参数（一）轮廓算术平均偏差Ra又称为中心线平均值。是指在取样长度L内，被测轮廓上各点到轮廓中线距离y(x)绝对值总和的算术平均值，用Ra表示。如图2-1所示。用数学式子表示为：(2-1)2.1.2．固体表面几何特性评定参数(二)轮廓均方根偏差Rq是指在取样长度L内轮廓上各点至中线y(x)平均值的平方根，即：(2-2)21021LqdxxyLR2.1.2．固体表面几何特性评定参数(三)微观不平度十点高度RZ是样本长度内五个最高峰平均值和五个最低谷平均值之和。即:515151ijvjpizYYR(2-3)2.1.2．固体表面几何特性评定参数(四)轮廓最大间距Ry(Rmax)指取样长度L区间内，最高