摩擦學(xué)設(shè)計PPT之第6章：摩擦學(xué)系統(tǒng)分析

摩擦學(xué)設(shè)計第六章摩擦學(xué)系統(tǒng)分析

AnalysisofTriboligicalSystem6.1.摩擦學(xué)系統(tǒng)一、摩擦學(xué)系統(tǒng)的定義1、系統(tǒng)定義：系統(tǒng)是指相互之間具有有機(jī)聯(lián)系、相互作用、相互依賴的若干組成部分（可以是環(huán)節(jié)、元素或部件）結(jié)合而成，并具有特定功能的有機(jī)整體。系統(tǒng)有大有小、有繁有簡。系統(tǒng)具有集合性、相關(guān)性、階層性、整體性、目的性和環(huán)境適應(yīng)性。從不同的觀點和不同的角度可把系統(tǒng)分為：自然系統(tǒng)與人工系統(tǒng)、實體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)、靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)、確定系統(tǒng)和離散系統(tǒng)等等。2、摩擦學(xué)系統(tǒng)根據(jù)摩擦學(xué)和系統(tǒng)的概念，可將摩擦學(xué)系統(tǒng)定義如下：摩擦學(xué)系統(tǒng)是由具有特定功能的機(jī)械系統(tǒng)或其他自然系統(tǒng)抽象而成的、由摩擦學(xué)元素構(gòu)成的、用以研究摩擦學(xué)元素的行為結(jié)果的系統(tǒng)。6.1.摩擦學(xué)系統(tǒng)二、摩擦學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成一臺機(jī)器通常有多個摩擦副，它們是摩擦學(xué)系統(tǒng)的基本組成部分。這些摩擦副的結(jié)構(gòu)、載荷、相對運動、環(huán)境條件可能有很大差別，但是它們又是處在同一系統(tǒng)中，相互之間具有多方面的聯(lián)系和影響。如：一個摩擦副上的力和運動，往往通過構(gòu)件傳遞到其他許多摩擦副上；在使用油潤滑的機(jī)器中，各個摩擦副往往共用一個潤滑系統(tǒng)。進(jìn)入機(jī)器的磨粒、各個摩擦副產(chǎn)生的磨屑和摩擦熱都由這個系統(tǒng)的潤滑油作為載體攜帶到機(jī)器的各個部分。這些都表明，各摩擦副之間具有物質(zhì)和能量的流動。此外，為了保證摩擦副的正常工作，還需要許多支持子系統(tǒng)。如潤滑子系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷子系統(tǒng)、狀態(tài)補(bǔ)償和控制子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)一般是針對整個系統(tǒng)而不是針對哪一個摩擦副的。一臺機(jī)器中所有摩擦副和支持子系統(tǒng)的集合構(gòu)成了一個摩擦學(xué)系統(tǒng)，如圖6—1所示。6.1.摩擦學(xué)系統(tǒng)摩擦學(xué)系統(tǒng)摩擦副１摩擦副２摩擦副n…潤滑子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷狀態(tài)補(bǔ)償與控制子系統(tǒng)圖6-1摩擦學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成6.2.摩擦學(xué)系統(tǒng)的描述對摩擦學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析的首要步驟是確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立起摩擦學(xué)系統(tǒng)。摩擦學(xué)系統(tǒng)建立的方法是：將一臺機(jī)器或裝置中需要進(jìn)行摩擦學(xué)研究或試驗的對象以適當(dāng)?shù)姆绞綇闹刑崛〕鰜恚c摩擦學(xué)特性無關(guān)的構(gòu)件分隔開來。將研究對象及其所有參與摩擦磨損過程的材料表示為系統(tǒng)的元素放在一個框圖內(nèi)，并用各種符號加以說明。這些符號不僅顯示系統(tǒng)中所包含的子系統(tǒng)和元素，還要描述元素之間的摩擦學(xué)行為、力的傳遞以及物質(zhì)、能量和信息的流動，摩擦學(xué)系統(tǒng)符號如圖6—2所示。圖6-2摩擦學(xué)系統(tǒng)符號摩擦學(xué)系統(tǒng)符號１．摩擦學(xué)行為５．系統(tǒng)框２．施加載荷３．能流或物流４．信息流6.2.摩擦學(xué)系統(tǒng)的描述摩擦學(xué)系統(tǒng)的描述就是用上述符號建立起系統(tǒng)的框圖，即系統(tǒng)框圖法。左邊是描述摩擦學(xué)系統(tǒng)所使用的符號及其意義；右邊是描述膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子軸承摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。用系統(tǒng)框圖來描述摩擦學(xué)系統(tǒng)是因為，摩擦學(xué)系統(tǒng)中各元素之間的關(guān)系十分復(fù)雜，難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述。對于那些可以用數(shù)學(xué)方法描述的系統(tǒng)，盡可能采用數(shù)學(xué)描述方法。

圖6-3摩擦學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)框圖6.3.摩擦學(xué)系統(tǒng)的特征摩擦學(xué)系統(tǒng)不同于一般的實體系統(tǒng)，摩擦學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)具有顯著地時變特征，是一個時變系統(tǒng)。具體表現(xiàn)為：①系統(tǒng)的行為使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化。如摩擦熱引起熱變形；磨損使間隙增大；材料轉(zhuǎn)移改變了表層材料的性質(zhì)；相對運動使某些潤滑油的粘度下降等等。②運行參數(shù)使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化。如流體動壓潤滑軸承的支承（油膜）剛度和阻尼，隨表面的相對運動速度的變化而變化。③環(huán)境使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化。塵埃進(jìn)入摩擦副成為磨粒，將會使磨損加劇；振動使摩擦系數(shù)減小；氣氛不同將影響表面膜的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等等。④維護(hù)管理使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生躍變。這是摩擦學(xué)系統(tǒng)的獨具特點。6.3.摩擦學(xué)系統(tǒng)的特征在系統(tǒng)生成后，運行中系統(tǒng)的行為使結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生連續(xù)的變化，達(dá)到一定程度后就要更換那些變化過度的元素，例如添加或更換潤滑劑、修復(fù)或更換易損件，包括更換濾清器的濾芯，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生躍變。有時機(jī)器在維修后反而會出現(xiàn)嚴(yán)重故障，就是這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（非正常）躍變的結(jié)果。運行管理水平，影響兩次更換之間連續(xù)變化的規(guī)律，維護(hù)水平則決定躍變的方向和程度。摩擦學(xué)系統(tǒng)的時變特征要求在進(jìn)行摩擦學(xué)設(shè)計時，不僅應(yīng)考慮系統(tǒng)生成時的狀態(tài)，而且要考慮生成后運行各個階段中狀態(tài)的變化，其中包括磨合過程、正常運行階段中系統(tǒng)的變化，以及維護(hù)中可能發(fā)生的情況，直至完全損壞。6.3.摩擦學(xué)系統(tǒng)的特征另一方面，摩擦學(xué)系統(tǒng)還具有空間特征。摩擦學(xué)特性不僅取決于構(gòu)成摩擦副的元素，而且還與摩擦學(xué)元素特性的系統(tǒng)依賴有關(guān)。也就是說，摩擦學(xué)特性不僅依賴于所有參與摩擦磨損過程的材料，而且還與運行條件等因素有關(guān)。通常，只要某一個影響因素發(fā)生微小變化，摩擦副的磨損量和摩擦系數(shù)就會發(fā)生明顯地變化，摩擦副的摩擦學(xué)特性并不像硬度、強(qiáng)度或其它力學(xué)性能那樣僅表現(xiàn)為材料的固有特性，而是表現(xiàn)為在給定的工作變量下受所有參與摩擦磨損過程的元素的共同作用制約的系統(tǒng)特性。因此在考慮摩擦學(xué)問題時，我們必須利用系統(tǒng)分析的方法，綜合考慮各個方面的因素。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析一、步驟與方法1.步驟一臺機(jī)器或一套裝置在方案設(shè)計階段，通常提出一個或多個結(jié)構(gòu)方案。一個結(jié)構(gòu)方案就給定了一組摩擦學(xué)元素和子系統(tǒng)的組合，就可以構(gòu)成一個摩擦學(xué)系統(tǒng)。對所提出結(jié)構(gòu)方案的摩擦學(xué)系統(tǒng)，需要運用系統(tǒng)分析的方法進(jìn)行分析比較，以確定最優(yōu)設(shè)計方案。摩擦學(xué)系統(tǒng)分析的基本內(nèi)容和一般步驟，如圖6—3所示。圖6-4摩擦學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)分析的步驟產(chǎn)生設(shè)計方案作系統(tǒng)方塊圖確定分析范圍與元素分析各元素間摩擦學(xué)行為為簡單系統(tǒng)建模分析力，運動，物質(zhì)，信息及能量傳遞分析各種行為與各部分行為的耦合分析環(huán)境對力，運動，物質(zhì)，信息及能量傳遞的影響為環(huán)境對系統(tǒng)的輸入建模建立系統(tǒng)狀態(tài)方程求解狀態(tài)方程與輸出方程結(jié)果最優(yōu)？與其他結(jié)果最優(yōu)矛盾？打印結(jié)果修改或更換方案是是否否6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析首先是用摩擦學(xué)系統(tǒng)符號畫出方案的摩擦學(xué)系統(tǒng)框圖。這種圖能定性地描述元素、子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系和在系統(tǒng)中分析中所要考慮的各種影響因素。在系統(tǒng)框圖形成之后，參照圖6—3所給的分析步驟進(jìn)行分析。摩擦學(xué)系統(tǒng)分析過程總的概括起來有以下四個主要步驟：①目標(biāo)系統(tǒng)的分析與選定；②系統(tǒng)的模型化；③系統(tǒng)最優(yōu)化；④對解的評價。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析在分析時應(yīng)注意下面幾個方面的問題：迄今為止，還不能給出一個普遍接受的大系統(tǒng)的分析方法。然而，對于只含兩表面和潤滑劑的摩擦學(xué)系統(tǒng)，其摩擦學(xué)行為在很多方面已經(jīng)有比較成熟的模型。在系統(tǒng)分析時，常常先從這些部分開始。在簡單系統(tǒng)的分析中，要考慮各個元素或子系統(tǒng)之間力的傳遞，物質(zhì)、能量和信息的流動。對于各個子系統(tǒng)而言，它們是子系統(tǒng)的輸入和輸出；對于大系統(tǒng)而言，則是反映各個子系統(tǒng)之間行為的耦合。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析如果在分析中，能夠?qū)Ω鞣N耦合作出比較全面的定量描述，再結(jié)合摩擦學(xué)行為的模型，就可以建立級別較高的摩擦學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)方程，從而對于系統(tǒng)在時間歷程中的變化（狀態(tài)變化和結(jié)構(gòu)變化）作出量的預(yù)測，同時可以由求解輸出方程確定上述變化對環(huán)境的影響。當(dāng)變化和輸出已經(jīng)獲得，就能據(jù)此對某一方案設(shè)計所做的選擇作出評估。如果有一個以上的方案平行進(jìn)行分析，就可以通過尋優(yōu)獲得最佳方案。如果從摩擦學(xué)系統(tǒng)設(shè)計得到的最佳方案，與由結(jié)構(gòu)設(shè)計或熱力學(xué)流程設(shè)計等其他方面的設(shè)計，所做出的選擇發(fā)生矛盾，這就要從全局最優(yōu)的目標(biāo)出發(fā)作出決策。原則是局部最優(yōu)服從全局最優(yōu)。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析2.分析的方法摩擦學(xué)行為的系統(tǒng)分析是在系統(tǒng)論的指導(dǎo)下，以摩擦學(xué)理論知識為基礎(chǔ)，靈活運用已有的分析方法對摩擦學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，以獲得最佳設(shè)計方案的分析過程。對于機(jī)械系統(tǒng)，常用的系統(tǒng)分析方法有以下幾種：①黑箱切割法也稱系統(tǒng)撕裂法。就是把模型切割成較小的單元，使系統(tǒng)與它周圍的介質(zhì)分開，然后匯集所有的輸入和輸出，識別系統(tǒng)的元素，表明各元素之間的相互關(guān)系和相互作用，確定有關(guān)元素的性能。②黑箱法從系統(tǒng)外部可以把系統(tǒng)看作是有輸入和輸出的黑箱，技術(shù)功能表示輸入和輸出之間的關(guān)系，用傳遞函數(shù)表示它們之間的數(shù)量關(guān)系。用黑箱法可以確定出系統(tǒng)的輸入、有用輸出、損耗輸出和干擾因素之間的數(shù)量關(guān)系。這種方法在摩擦學(xué)系統(tǒng)分析中的應(yīng)用愈來愈受到人們的重視。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析③灰箱法認(rèn)為系統(tǒng)內(nèi)部相當(dāng)一部分因素的性質(zhì)和相互作用是已知的，在黑箱分析過程中在把這些已知因素給以考慮。④鍵圖法是把工程系統(tǒng)用給定空間區(qū)域內(nèi)的多端網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成來表示，用ENPORT計算機(jī)程序從適當(dāng)?shù)逆I圖模型和規(guī)定的擾動直接提供動態(tài)響應(yīng)，而不需要預(yù)先明確地列出狀態(tài)方程。這種方法在摩擦學(xué)系統(tǒng)分析中，只能用于磨損的穩(wěn)態(tài)模型分析。在摩擦學(xué)系統(tǒng)分析中，一般系統(tǒng)的各種分析方法也可以根據(jù)需要加以選用，并與上述方法配合使用。所以說，摩擦學(xué)系統(tǒng)分析并不是另外搞一套方法，而是盡可能利用已有的分析方法，在系統(tǒng)論指導(dǎo)下處理好這些方法聯(lián)合使用時的關(guān)系。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析二、摩擦學(xué)系統(tǒng)分析內(nèi)容1.摩擦磨損過程的分析上面已經(jīng)提到，一臺機(jī)器或裝置中所有摩擦副和支持子系統(tǒng)的集合，構(gòu)成了摩擦學(xué)系統(tǒng)。對于摩擦副這樣的子系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，首先是將一臺機(jī)器或裝置中需要進(jìn)行摩擦學(xué)研究或試驗的對象以適當(dāng)?shù)姆绞脚c其它與摩擦學(xué)特性無關(guān)的構(gòu)件分隔開；將對象所有參與摩擦磨損過程的材料表示為系統(tǒng)的元素，并把它放在系統(tǒng)框圖中，建立摩擦學(xué)系統(tǒng)的分析系統(tǒng)，如圖6-4所示。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析例如，用這種方法來描述齒輪傳動裝置，如圖6—5所示。輸入轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)矩M1輸出轉(zhuǎn)速n2，轉(zhuǎn)矩M2通過齒輪傳動裝置這一摩擦學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。這個系統(tǒng)的元素包括兩個齒輪、潤滑介質(zhì)和空氣。例如一個滑動軸承，由軸、軸瓦、潤滑介質(zhì)和氣氛組成。輸入量從外部影響摩擦學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并決定摩擦學(xué)系統(tǒng)的工作變量(負(fù)荷集)，它通過摩擦學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)向有用輸出轉(zhuǎn)化。同時，摩擦磨損作為損耗量被輸出。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析這些元素有著各自的性能，其中齒輪由具有給定力學(xué)、物理和化學(xué)性能的材料制成并處于圖示的狀態(tài)。潤滑介質(zhì)具有一定的粘度并在必要時加入特殊的極壓添加劑。通過傳動過程，齒輪之間以及齒輪與潤滑劑之間產(chǎn)生相互作用。這些相互作用可以是潤滑劑中的添加劑與齒面之間的摩擦化學(xué)反應(yīng)，并由此形成起保護(hù)作用的反應(yīng)模；也可以由于持久的交變機(jī)械應(yīng)力作用而引起點蝕。如果潤滑膜遭到破壞，最嚴(yán)重的后果是導(dǎo)致粘著失效，也就是所謂的“膠合”。傳動過程中，摩擦和磨損作為損耗量出現(xiàn)。由于磨損，齒輪的尺寸發(fā)生變化，從而導(dǎo)致齒輪的形狀特性和整個摩擦學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變。于是，傳動裝置的功能將逐漸降低，而且當(dāng)齒輪“膠合”時，傳動裝置將會突然失效。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析2.潤滑狀態(tài)分析潤滑是用以控制摩擦和減少磨損的主要手段。不同的潤滑狀態(tài)，就會有不同的摩擦阻力和不同的磨損規(guī)律，其它許多派生的過程也會完全不同。由此潤滑狀態(tài)分析常常是其它摩擦學(xué)特性分析的基礎(chǔ)，一般先行進(jìn)行分析。在方案設(shè)計時，正確選擇潤滑狀態(tài)是十分重要的，這是系統(tǒng)能否可靠而經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)運動保證功能的關(guān)鍵。因為各種潤滑狀態(tài)下潤滑劑的作用機(jī)理差別很大，其分析方法也完全不同。在系統(tǒng)分析時，先要對方案設(shè)計中所采用的潤滑狀態(tài)由核算或試驗加以確認(rèn)，然后才能選取相應(yīng)的分析方法。潤滑狀態(tài)可根據(jù)Stribeck曲線來判定，如圖6-6所示。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析這條曲線給出了主要幾種潤滑狀態(tài)的基本描述，它使用于以油作潤滑劑的情況。曲線的縱坐標(biāo)是摩擦系數(shù)μ，橫坐標(biāo)是一個與系統(tǒng)特性有關(guān)的參數(shù)組合，稱為狀態(tài)系數(shù)G，其關(guān)系表達(dá)式如下：G=ηU/Pm（6-1）式中：η—潤滑油粘度（Pa.s）；

U—兩表面相對運動速度（m/s）；

Pm—摩擦表面上的平均壓力，（Pa）。當(dāng)h＝0時，為干摩擦狀態(tài)；當(dāng)0＜h＜R時，為邊界潤滑狀態(tài)；當(dāng)h≈R時，為混合潤滑狀態(tài)；當(dāng)R<<h時，流體潤滑狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，摩擦系數(shù)隨狀態(tài)系數(shù)G的增加而增加。6.4.摩擦學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析3.磨損分析磨損的發(fā)展時間歷程與摩擦副的潤滑狀態(tài)有密切關(guān)系，不同的潤滑狀態(tài)下有不同的磨損規(guī)律。磨損分析主要解決兩方面的問題。（1）獲得系統(tǒng)在某種穩(wěn)定潤滑狀態(tài)下的磨損規(guī)律，這種量的估計對于確定系統(tǒng)或子系