摩擦学原理第7章

第7章系统1第七章摩擦学系统与摩擦学设计主讲：高诚辉第7章系统2目录近几年来，应用总的系统理论和工程系统分析的原理来综合研究摩擦学的对象，引起了人们的重视。对这门学科的综合研究将具有重要意义。一、系统的基本概念二、系统的静态和动态分析三、系统分析的应用四、减少磨损与抗磨设计第7章系统3一、系统的基本概念系统科学或系统理论是近三十年发展起来的一门涉及基础科学、技术科学和社会科学的综合性学科。目前，它不仅在理论研究方面取得了一定成果，而且应用范围也在不断扩大，已成为解决综合性的复杂科技问题的一门行之有效的科学。但是，将系统理论应用于摩擦学的研究只是近20多年才开始的。荷兰萨拉姆(O.Salamon)教授较早提出系统设想在摩擦学的应用，而西德契可斯(H.Oslohg)教授则是第一次用系统分析的数学方法来研究摩擦学系统，他们的研究初步论述了摩擦学系统的基本原则。一般说来，摩擦学系统的基本概念是指系统的定义，系统的类型，系统的数学描述以及研究系统的基本方法。第7章系统41.系统的定义什么是摩擦学系统呢?要回答这一问题，首先要明确“系统”这一概念。它是表示由相互作用和相互依赖的若干组成部分(可以是环节、元素或部件)结合成具有特定功能的有效机体，而且这个“系统”本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。换句话说，“系统”即是“有一定关系的元素的集合”或者“用结构和功能来相互联系的一组元素”。系统有大有小，有简有繁，任何复杂的大系统都可以按功能或工序流动情况及信息逐级分解成若干小系统。这样，要组成一个“系统”必须具备两个条件：（1）有特定的功能；（2）由相互有联系的若干元素构成。第7章系统52.系统的结构如图所示是表示一种典型的摩擦学系统的结构(它是常见的齿轮传动)，它由四个元素构成：摩擦副齿轮1和2，中间材料3和周围介质4。其特定的功能是传递扭矩和角速度。齿轮1和2具有“相对运动”，并且是“相互作用的表面”。因此，是符合我们所讨论的摩擦学系统的定义的。由元素A、其性质P和相互作用R组成的摩擦学系统的结构，通常以S表示。S＝{A，P，R}第7章系统63.系统的分类目前，系统的分类方法比较多，通常可以分为开式和闭式系统。当物质和能量与周围介质等出现相互变化时，系统是开式的；当互相变化不大时，则系统是闭式的。在开式系统中，当动能转变为热能或其它形式的能量时，通过确定不变的过程，则称为“离散系统”。当输入和输出随时间而变，则系统处于“动态”。在某些情况下，当系统处于动力平衡状态时，就叫“静态”或“稳态”。根据系统理论，摩擦学系统是属于“开式、离散、动态系统”，因为在摩擦过程中，将引起能量损失和材料损失，摩擦学的结构和功能都将随之发生变化。第7章系统74.系统的数学描述下图是系统的数学描述。这是采用在物理、化学中使用的从系统中分离出方框的方法而得的，和在力学中采用取“脱离体”的方法一样。由图不仅可看出系统的结构，即S＝{A，P，R}，而且表示了输入、输出和功能的关系。第7章系统84.系统的数学描述每一个系统都可以从它周围的区域中分离出一个假设的系统方框，用方框分离出来的小系统与周围区域之间的联系可以分为输入{x}和输出{y}。系统的功能是将输入{x}转换为输出{y}。转换可以用任何一个数学方程、物理的相似、词的描述等来表示。下图是用词的描述表达输入到输出关系。必须指出：系统分析常常选取“建立模型”的形式，即以图解或分析的方式来表示系统，可以容许利用该“模型”来研究系统的功能。但是，目前摩擦学系统的研究还不能完全采用数学分析的方法，因为许多因素的数学函数关系尚未建立，故多以图解方式来研究。第7章系统9二、系统的静态和动态分析摩擦学系统一般是属于“开式、离散、动态系统’。为了便于分析，可先从静态时摩擦学系统入手，以理想的齿轮传动作为一个例子来分析静态时的情况。齿轮传动是以半径r1和r2的两个齿轮组成，齿轮的传动比为i=r2/r1。这一对齿轮传动将转换扭矩M1M2，和角速度ω1ω2。这是从机械能到机械能量的转换。（1）系统结构S={A,P,R}齿轮传动系统的元素组A是由齿轮l和2，润滑剂和周围环境所组成。作为元素组的性质P是与齿轮1和2所选用的材料几何参数等有关；与润滑剂的化学成分、粘度等因素有关；与周围环境的化学成分、温度等有关。第7章系统10（1）系统结构S={A,P,R}元素间的相互作用以及表示：齿轮1和2之间的相互作用可以用“接触”这一术语来描述，而齿轮表面与润滑剂或介质之间的相互作用特征是“摩擦化学反应”，润滑剂与介质之间的相互作用是属于“扩散”性质的。（2）输入、输出系统可以从周围环境中以系统方框的形式分离出来，输入和输出以齿轮1和2的相应的扭矩和角速度表示。第7章系统11（3）功能齿轮传动系统的输入、输出功能关系可以按照电学的克希荷夫定律的相似性得出。①从力的相等考虑，则作用于相互作用的齿轮的齿形上的力应该相等，即F1＝F2。引入传动比i，则可得输出扭矩M2是等于输入扭矩M1乘以传动比i。②从几何参数的相似性研究，则接触表面的速度应该一样，即v2＝v1。若输入扭矩M1和输入角速度ω1用输入向量X来表示，输入向量又可以转换为输出向量Y及转换为矩阵，则上述分析表明，理想的摩擦学系统的静态状况是摩擦和磨损的损失很小，可以忽略不计，这时输入到输出的转换完全是自由的，无损失的，而系统的结构S＝{A，P，R}不变化，不会影响输入—输出关系的功能。11MX22MY/iiT100第7章系统12（3）功能——动态系统下图表示动态时的摩擦学系统。在这种情况下，首先是输入同样转换成输出，其次是系统的功能和结构借助于摩擦和磨损机构(其特征是“摩擦学工序”)来影响。即摩擦和磨损过程既可以改变系统的结构，导致不需要的“损失”——输出，也可以影响系统的功能，最后完全丧失功能。更具体地说，摩擦学工序中的摩擦极大地影响系统功能(能量损失)，而摩擦学工序中的磨损极大地影响系统结构(材料损失)。第7章系统13三、系统分析的应用1.在摩擦磨损试验数据表中的应用下面是数据表的基本原理。该数据表包括四项内容：系统的技术功能，系统的工作参数，系统的结构，系统的特性。第一组参数是关于摩擦学系统的技术功能。从物理学的观点来看功能可分为四种类型：①运动的传导借助于各种类型的“轴承”；②利用凸轮机构等来传递信息；③通过齿轮传动等传递能量；④材料的变形如挤压或拉丝。第二组参数是系统的工作参数。包括运动的类型(滑动、滚动、振动等)，载荷，速度，温度，工作的持续性等。第三组参数是系统的结构。一般是由四个元素构成，其中由相对运动形成的相互作用的表面部分是摩擦学元素1和2；其它两个基本元素是润滑剂3和周围环境4。在系统中四个基本元素在摩擦和磨损过程中都是相互作用的。第7章系统141.在摩擦磨损试验数据表中的应用第四组参数是系统的特性。其数据可以在摩擦学试验时进行测量，它的特性可以分为三部分：(1)摩擦引起的系统结构的变化是非常重要的，这是和电力系统不同的。一般说来，电力系统的结构(如变压器)是不随时间变化的。而在摩擦学系统中结构将随时间而变，这是因为摩擦和磨损在起作用。这种变化表现在系统中元素的破坏，元素特性的改变(即接触区域和表面位置的变化)，以及在工作参数的作用下磨损机构的变化。(2)摩擦引起的能量损失，有可能变成熵的输出。(3)磨损引起的材料消耗。借助于摩擦学系统数据表的形式来整理摩擦和磨损试验的有用数据具有一定优越性。戴熊杰教授的《摩擦学》书中给出一个应用实例。第7章系统15摩擦学系统分析数据表的主要内容组别摩擦学参数主要内容Ⅰ摩擦学系统的技术功能运动、信息、能量、材料的传递Ⅱ工作变量运动类型；载荷、速度、温度；时间；材料Ⅲ摩擦学系统的结构1.组元：(1)摩擦组元1；(2)摩擦组元2；(3)润滑剂；(4)大气2.组元特性：上述(1)(2)(3)(4)的有关几何形状和材料性能3.组元间的关系Ⅳ摩擦学特征1.摩擦引起的系统结构变化；2.摩擦引起的能量损耗；3.摩擦引起的材料损耗。第7章系统162.在摩擦磨损失效分析中的应用失效分析是近30年来发展起来的一门技术科学。所谓失效，是指机械设备或零件不能达到预期功能。失效分析即是通过合乎逻辑的思路、科学的方法，使用必要的实验技术和手段，包括近代发展起来的各种微观表面分析仪器，找出失效的原因，判断失效的机理，并提出防止失效的措施。也就是说，失效分析既包括失效分析思想方法本身，也包括失效分析的实验技术，二者密切配合。美国60年代初提出的“失效树分析法”及近代各种先进分析仪器的产生，促使失效分析技术获得广泛的应用和迅猛的发展。第7章系统17（1）磨损失效及分析的特点失效分析包括机械设备和机械零件的失效分析。机械零件失效方式主要有三大类：断裂、腐蚀和磨损。磨损失效分析与断裂失效分析相比，具有许多不同之处和特点，但在整个思路上和多数实验技术上还是相同的。由于磨损是一个十分复杂的过程，目前对各种磨损机理的研究还很不完善，因此磨损失效分析不同于其它失效分析(如断裂失效分析)而具有自己的特点。磨损问题的普遍性磨损失效广泛存在于自然界。第7章系统18确定磨损失效模式的重要性目前对磨损的分类还存在争论。人们根据磨损件表面、亚表面等和残留物(包括磨屑)的特征，首先判断失效的模式，进而推断引起失效的根本原因。确定失效模式是磨损失效分折的核心。磨损的表面现象磨损是表面相互作用的结果。其严重程度及失效方式与表面材料、表面膜的成份、组织、处理工艺有关，也即与表面的物理、化学、力学性能以及形状、形貌有关，这与断裂失效分析主要注重整体材料性能不同。磨损失效分析极为重视表面分析仪器的应用，在扫描电镜+能谱技术、俄歇谱仪出现以前，要同时测定磨损形貌和成份，要分析几个原子层厚的表面的磨损机理是根本不可能的。第7章系统19磨损的动态过程另一方面，由于磨损是一动态过程，瞬间产生的磨损痕迹会被随之而来的表面接触所破坏以致前面的信息来不及提取出来就自行消失，这和断裂问题的断口能够保留断裂瞬间的现场形貌有所不同。磨损失效的表面性和动态性造成磨损测试研究的困难，现在还不可能对正在磨损过程中的两不透光表面进行动态观察和测试，实际接触点上的“闪温”也无法实测到，微区应力应变和磨屑形成等还主要靠模型来推测。第7章系统20磨损研究的系统性磨损是对复杂的摩擦学系统进行的。最简单的摩擦学系统也包括有两个相对运动的接触表面，各自的材质、原始表面形貌、运动方式、载荷、速度、环境介质等都将影响磨损结果。实际磨损工况则要复杂得多。因此前面所提到的失效模式也往往不是单一的，而是多因素交叉结合造成的多种失效模式的综合结果。为了综合考虑磨损失效中多因素影响，特别是处理复杂工况条件下的磨损问题，磨损的系统分析方法是十分有效的。第7章系统21磨损失效分析的综合性磨损失效分析涉及到摩擦学、材料学、断口学、力学、物理学、化学、腐蚀科学、工艺学、设计基础等学科知识，此外，实验和表面分析技术如无损检测、机械性能试验、金相检验、化学分析、磨损和断裂试验，以及模拟试验等也非常重要。零件的磨损失效分析与机械设备的失效分析既有共同点又有区别。为了提高设备的可靠性和寿命，把设备整体作为对象，进行磨损状态测试，研究一般的磨损规律，划分从磨合到失效的若干阶段，对可靠度和寿命进行计算等。而零件磨损失效分析着重磨损零件损坏原因的分析，不同磨损类型的零件较易区分，对其分析有利于揭示磨损过程、磨损机理和转化，也为选用耐磨材料和强化工艺提供可靠的依据。第7章系统22磨损失效分析处经验性阶段目前，系统分析中对磨损各组元的参数分析、计算仍是十分困难。因此对实际磨损零件进行有效的失效分析是当前磨损失效分析工作的重点。即便如此，也仍有赖于经验积累。如分析零件磨损时掉落的碎屑，这些碎屑可视为微观区域断裂的结果，断裂方式可以是韧性断裂、疲劳，也可以是脆性断裂，同时伴随不同程度和一定范围的塑性变形。再说磨损失效有多种形式，可以因密封失效、表面粗糙增加、各种原因的损伤累积等造成，也可以是磨损不直接造成失效，但却