結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課題設(shè)計(jì)-提高強(qiáng)度和剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課題設(shè)計(jì)

題目：1）提高強(qiáng)度和剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2）提高耐磨性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組員：

李秀彥1004040136

張策升1004040122

王宇1004040143

目錄

一、提高強(qiáng)度和剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、載荷分擔(dān)

2、載荷均布

3、減少及其零件的應(yīng)力集中

4、利用設(shè)置肋板的設(shè)施提高剛度

二、提高耐磨性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、改善潤(rùn)滑條件

2、合理選擇摩擦副的材料和處理

3、使磨損均勻，避免局部磨損

4、調(diào)節(jié)和補(bǔ)償

一、提高強(qiáng)度和剛度的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括兩種：一是應(yīng)用新技術(shù)、新方法開(kāi)發(fā)創(chuàng)造新機(jī)械；二是在

原有機(jī)械的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)或進(jìn)行局部改進(jìn)，從而改變或提高原有機(jī)械的性

能。因此掌握豐富的工程知識(shí)是機(jī)械專業(yè)的教師應(yīng)具備的素質(zhì)之一；是連接

基礎(chǔ)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的橋梁；是正確進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提；同時(shí)也是從事

科研活動(dòng)、將力學(xué)、材料、工藝、制圖等多學(xué)科知識(shí)綜合運(yùn)用的過(guò)程。

機(jī)械結(jié)構(gòu)形式雖然千差萬(wàn)別，但其功能的實(shí)現(xiàn)幾乎都與力（力矩）的產(chǎn)生、

轉(zhuǎn)換、傳遞有關(guān)。機(jī)械零件具有足夠的承載能力是保障機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功

能的先決條件。所以在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)力學(xué)理論對(duì)零件的強(qiáng)度、剛度

和

穩(wěn)定性進(jìn)行分析是必不可少的，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。改善力學(xué)性能

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理地運(yùn)用力學(xué)知識(shí)，遵循以下幾個(gè)原則：

一、載荷分擔(dān)原則

作用在零件上的外力、彎矩、扭矩等統(tǒng)稱為載荷。這些載荷中不隨時(shí)間變

化或隨時(shí)間變化緩慢的稱為靜載荷。隨時(shí)間作周期性變化或非周期性變化的稱

為變載荷。它們?cè)诹慵幸鹄?、壓、彎、剪、扭等各種應(yīng)力，并

產(chǎn)生相應(yīng)的變形。如果同一零件上同時(shí)承擔(dān)了多種載荷的作用，則可考慮將

這些載荷分別由不同的零件來(lái)承擔(dān)。設(shè)計(jì)時(shí)采取一定的結(jié)構(gòu)形式，將載荷分給

兩個(gè)或多個(gè)零件來(lái)承擔(dān)，從而減輕單個(gè)零件的載荷，稱為載荷分擔(dān)原則。這樣

有利于提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的承載能力。

1.改變結(jié)構(gòu)，減小軸的受力

如圖1-a所示，軸已經(jīng)承受了彎矩的作用，如果齒輪再經(jīng)過(guò)軸將轉(zhuǎn)矩傳遞給

卷筒，則軸為轉(zhuǎn)軸（工作時(shí)既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩），受力較大。如果將齒輪

和卷筒改用螺栓直接聯(lián)接，則軸不受轉(zhuǎn)矩作用，軸為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸（用來(lái)支承轉(zhuǎn)

動(dòng)零件，只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩），軸的受力情況得到改善，結(jié)構(gòu)較合理。

如圖1-b所示。

圖1轉(zhuǎn)軸改進(jìn)為心軸

圖2螺栓聯(lián)接中的減載元件

a）較差結(jié)構(gòu)b）改進(jìn)結(jié)構(gòu)

2.采用減載裝置，提高螺紋聯(lián)接的可靠性

如圖2所示，靠摩擦力傳遞橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接，要求保持較大的預(yù)緊力，

結(jié)果會(huì)使螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸增大。此外，在振動(dòng)、沖擊或變載荷下，摩擦系

數(shù)的變動(dòng)，將使聯(lián)接的可靠性降低，有可能出現(xiàn)松脫。為了避免上述缺點(diǎn)，

常用銷、套筒、鍵等減載元件來(lái)承擔(dān)部分橫向載荷，提高螺紋聯(lián)接的可靠

性。

二、載荷均布原則

在工作載荷大小確定的情況下，可以通過(guò)在結(jié)構(gòu)上均勻分布載荷的方法，來(lái)提

高結(jié)構(gòu)承載能力。設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免集中載荷，盡可能地將載荷分散在結(jié)構(gòu)上，

即為載荷均布原則。

1.將集中力改為均布力

如圖3所示，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的受力分析可知，受集中力的簡(jiǎn)支梁在C點(diǎn)所受彎

矩如圖a）比受均布力的簡(jiǎn)支梁在C點(diǎn)所受彎矩如圖b）大了一倍，所以圖3

-b簡(jiǎn)支梁的強(qiáng)度要好于圖3-ao

圖3簡(jiǎn)支梁受力分析

a）集中力b）均布力

2.改善螺紋牙間的載荷分布

普通螺栓和螺母的剛度不同、變形不一樣。一般螺栓聯(lián)接受載后，各圈螺

紋牙間的載荷分布是不均勻的（見(jiàn)圖4-a）,螺母支承面上第一圈所受的力為

總載荷的1/3以上。為改善螺紋牙間載荷分配不均勻的現(xiàn)象，可采用：懸置

螺母圖4-b）:使螺母與螺栓均受拉，減小兩者的剛度差，使其變形趨于協(xié)

調(diào)。內(nèi)斜螺母圖4-c）:螺母內(nèi)斜10°-15°可減小原受力大的螺紋牙的剛

度，從而把力分流到原受力小的螺紋牙上，使其螺紋牙間的載荷分配趨于合

理。環(huán)槽螺母圖4-d）:與懸置螺母類似。

圖4改善螺紋牙間載荷分布

a）螺紋受載示意圖b）懸置螺母c）內(nèi)斜螺母d）環(huán)槽螺母

三、載荷平衡原則

在力的傳遞過(guò)程中，一些機(jī)械結(jié)構(gòu)常常不可避免地出現(xiàn)不做功的附加力，例

如，斜齒輪嚙合的軸向力，產(chǎn)生摩擦力的正壓力，往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性力

等，這些對(duì)結(jié)構(gòu)功能毫無(wú)作用的附加力，加大了結(jié)構(gòu)的負(fù)載，降低了機(jī)械結(jié)

構(gòu)的承載能力。如果在設(shè)計(jì)時(shí)使其在同一零件內(nèi)與其它同類載荷構(gòu)成平衡力

系，則其它零件不受這些載荷的影響，有利于提高結(jié)構(gòu)的承載能力，這就是

載荷平衡原則。主要措施為：引入平衡件和對(duì)稱安裝。在高速回轉(zhuǎn)機(jī)械中，

必須靠結(jié)構(gòu)的措施及動(dòng)平衡的方法使旋轉(zhuǎn)慣性力降低到允許的大小，這就要求

回轉(zhuǎn)件的質(zhì)量相對(duì)于回轉(zhuǎn)中心盡量對(duì)稱分布。通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)件在動(dòng)平衡機(jī)做動(dòng)平

衡實(shí)驗(yàn)，測(cè)出并消除超出允許值的不平衡質(zhì)量。做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，如連桿機(jī)

構(gòu)，可在設(shè)計(jì)中采取結(jié)構(gòu)措施和動(dòng)平衡的方法，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生盡可能小的

慣性力。

四、減小應(yīng)力集中原則

對(duì)承受交變應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中是影響承載能力的重要因素，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)

法緩解應(yīng)力集中程度。在應(yīng)力集中的部位，零件的疲勞強(qiáng)度將顯著降低。最

大應(yīng)力比該截面上的平均應(yīng)力可以大2?5倍以上。應(yīng)力集中程度與零件的局

部變化形式（見(jiàn)圖5）有關(guān)，零件截面突變的地方（尖角處）應(yīng)力集中較嚴(yán)

重，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將突變的截面改為平緩過(guò)渡形式（采用過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu)），

可減緩應(yīng)力集中的程度，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。

圖5局部形狀與應(yīng)力集中

另外，降低截面尺寸變化處附近的剛度，可以降低應(yīng)力集中的影響程度。如

圖6所示。設(shè)計(jì)時(shí)還要注意避免多個(gè)應(yīng)力集中源疊加。如圖7所示的軸結(jié)

構(gòu)中臺(tái)階和鍵槽端部都會(huì)引起軸在彎矩作用下的應(yīng)力集中，a圖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集

中狀況比b圖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中狀況要嚴(yán)重得多。

圖7避免多個(gè)應(yīng)力集中源疊加

圖6降低截面尺寸變化處附近的剛度

a）較差結(jié)構(gòu)b）改進(jìn)結(jié)構(gòu)

a）較差結(jié)構(gòu)b）改進(jìn)結(jié)構(gòu)

五、提高剛度原則

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在不增加零件質(zhì)量的前提下，要盡量提高零件結(jié)構(gòu)的剛

度。對(duì)于不同類型的零件，應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用相應(yīng)的措施。但總的來(lái)

說(shuō)要注意以下幾點(diǎn)：

(1)用受壓、拉零件替代受彎曲零件；

(2)合理布置受彎曲零件支承；

(3)合理設(shè)計(jì)受彎曲零件的截面形狀；

(4)合理采用筋板，盡可能使筋板受壓；

(5)采用預(yù)變形方法。

六、變形協(xié)調(diào)原則

一個(gè)零件和另一個(gè)零件相接觸，當(dāng)在接觸處難以同步變形時(shí)，零件間在接觸區(qū)

域里應(yīng)力會(huì)急劇上升，這是應(yīng)力集中的另一種情況。在接觸處降低零件在力

流方向上的剛度，盡量使兩零件在接觸區(qū)域里同步變形，降低應(yīng)力集中的影

響，這就是變形協(xié)調(diào)原則。變形不協(xié)調(diào)不僅會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的

強(qiáng)度，而且還可能損害機(jī)械的功能。如圖8所示，過(guò)盈配合聯(lián)接結(jié)構(gòu)在輪轂

端部應(yīng)力集中嚴(yán)重，可通過(guò)降低軸或輪轂相應(yīng)部位的局部剛度使應(yīng)力集中得到

有效緩解。

圖8過(guò)盈配合的聯(lián)接結(jié)構(gòu)

七、等強(qiáng)度原則

一般機(jī)械設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度要求是通過(guò)零件中最大工作應(yīng)力等于或小于材料許用應(yīng)

力來(lái)滿足，為了充分利用材料，最理想的設(shè)計(jì)是應(yīng)力處處相等，同時(shí)達(dá)到材料

的許用應(yīng)力值，即為等強(qiáng)度原則。工程中大量出現(xiàn)的變截面梁就是按照等強(qiáng)度

原則來(lái)設(shè)計(jì)的。比如，搖臂鉆的橫臂AB,汽車用的板簧和階梯軸等(見(jiàn)圖

9)。

圖9滿足等強(qiáng)度原則的結(jié)構(gòu)

a)搖臂鉆的橫臂b)車用的板簧c)階梯軸

八、其他設(shè)計(jì)原則

1.空心截面原則

彎曲應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力在橫截面上都是越遠(yuǎn)離中心越大，而在中心處卻很小，為

了充分利用材料，應(yīng)盡量將材料放在遠(yuǎn)離截面中心處，使其成為空心結(jié)構(gòu)，

從而提高零件的強(qiáng)度和剛度，此即為空心截面原則。

2.受扭截面封閉原則

受扭轉(zhuǎn)作用的薄壁零件的截面應(yīng)盡量制造成為封閉形狀，因?yàn)榉忾]形狀比開(kāi)口

形狀抗剪切能力強(qiáng)，抗扭剛度大，此即為受扭截面封閉原則。

3.最佳著力點(diǎn)原則

著力點(diǎn)的位置要盡量通過(guò)中心點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)等位置，避免產(chǎn)生附加彎矩，這樣有

助于提高零件的承載能力。

4.受沖擊載荷結(jié)構(gòu)柔性原則

為了提高零件的抗沖擊的能力，應(yīng)減小結(jié)構(gòu)的剛度，加大柔性，這將有助于

改善結(jié)構(gòu)的性能。

下面著重提一下提高剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

提高剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

一、剛度的作用

結(jié)構(gòu)（或系統(tǒng)）的剛度:在外載荷作用下結(jié)構(gòu)（或系統(tǒng)）抵抗其自身變形的能力。在相

同的外載荷作用下，剛度愈大則變形愈小。

剛度也表明結(jié)構(gòu)（或系統(tǒng)）的工作能力：

1）過(guò)大的變形會(huì)破壞結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的正常工作，從而可能導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力；

2）過(guò)大的變形也可能破壞載荷的均衡分布，使產(chǎn)生大大超過(guò)正常數(shù)值的局部應(yīng)力;

3）殼體的剛度不夠大,影響安裝在里面的零件的相互作用，增加運(yùn)動(dòng)副的摩擦與磨

損。

4）受動(dòng)載荷作用的固定連接的剛度不夠，會(huì)導(dǎo)致表面的摩擦腐蝕、硬化和焊連。

5）金屬切削機(jī)床的床身及工作機(jī)構(gòu)的剛度影響機(jī)床的加工精度。

在運(yùn)輸機(jī)械、飛機(jī)、火箭等需要嚴(yán)格限制自身重量的機(jī)械裝置中,剛度更具有重

要意義。

剛度的類型：

1）一個(gè)零件、一個(gè)結(jié)構(gòu)本身的整體剛度；

2）兩相互接觸表面間的接觸剛度（如機(jī)床的滑臺(tái)與床身導(dǎo)軌、滾動(dòng)支承中的滾動(dòng)

體與其支承零件之間）

3）動(dòng)壓或靜壓滑動(dòng)軸承的油膜（或氣膜）剛度這些都影響結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的性能和工作

能力。

二、決定結(jié)構(gòu)剛度的基本因素

結(jié)構(gòu)剛度決定于下列因素：

1.材料的彈性模量

2.變形體斷面的幾何特征數(shù)

3.變形體的線性尺寸長(zhǎng)度1

4.載荷及支承形式

1.材料的彈性模量

拉、壓和彎曲條件下的彈性模量E

扭轉(zhuǎn)條件下的剪切彈性模量G

彈性模量是材料的固有特性數(shù)，工業(yè)用金屬中僅僅W、Mo等有較高的彈性模量。

2.變形體斷面的幾何特征數(shù)

拉、壓時(shí)為斷面積A

彎曲時(shí)是斷面的慣性矩J

扭轉(zhuǎn)時(shí)是斷面的極慣性矩Jp

斷面的尺寸和形狀對(duì)剛度的影響最大。

3.變形體的線性尺寸長(zhǎng)度I

4.載荷及支承形式

載荷:集中載荷或分布載荷

支承:錢支或插入端等。

材料的選用主要取決于零件的工作條件。因此，提高剛度最常用的措施是合理地

配置系統(tǒng)的幾何參數(shù)。

三、提高剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1）用構(gòu)件受拉、壓代替受彎曲準(zhǔn)則

2）合理布置受彎曲零件的支承，避免對(duì)剛度不利的受載形式準(zhǔn)則

3）合理設(shè)計(jì)受彎曲零件的斷面形狀,盡可能大的斷面慣性矩準(zhǔn)則

4）正確采用肋板以加強(qiáng)剛度，盡可能使肋板受壓準(zhǔn)則

5）用預(yù)變形（由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的）抵消工作時(shí)的受載變形準(zhǔn)則

1.用拉、壓代替彎曲準(zhǔn)則

桿件受彎矩作用:在距中性面遠(yuǎn)的材料，，纖維，，中產(chǎn)生大的彎曲應(yīng)力;在中性面處彎

曲應(yīng)力為零。大部分的負(fù)荷由靠邊界附近的材料承受;中性面附近相當(dāng)大部分的

材料得不到充分利用。

桿件受拉伸則與此不同:若無(wú)應(yīng)力集中的影響，應(yīng)力基本上均勻分布。材料得到較

好的利用。用拉、壓代替彎曲可獲得較高的剛度。

小工。%/6aG/G\°

9X10*550〃0.35c

2-I*325-

1-0.6P35“

圖2期結(jié)構(gòu)的改善

a）簡(jiǎn)支梁b）桁架c）弓形梁

如圖所示之簡(jiǎn)支架（受彎曲）可以用較支的三角桁架或弓形梁（受壓縮）代替。

2-70改善鑄造支座的剛度

圖示之鑄造支座受橫向力,由結(jié)構(gòu)a改為結(jié)構(gòu)b,輻板則由受彎曲改變?yōu)槭芾?/p>

壓。

2、合理布置支承準(zhǔn)則

支承條件對(duì)零件或系統(tǒng)的剛度有明顯的影響，且常與對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響同時(shí)

存在。

圖示三種不同支承條件最大彎矩Mmax和最大撓度f(wàn)max有顯著的差別。

圖2.72支承條件對(duì)剛度、強(qiáng)度的影響

xFL祀

b)%=乎;J=晶c)%u一&,Jf-192EJ

3、合理設(shè)計(jì)斷面形狀準(zhǔn)則

例:肋板的合理布置

如圖所示的空心矩形梁，在其端部作用集中載荷F1,其抗彎慣性矩較大。

而作用力為F2方向時(shí)，按表抗彎慣性矩小很多。

不同截面形狀的慣性矩比較

抗彎慣性矩。抗扭微歌

序號(hào)。截面形狀。m

（相對(duì)值）。（相對(duì)值）。

,綱

2P3.03^2.89/

3/5.04~5.37P

4/0.0743

a1

110(

5P.4b1.04Q0.8“

1t

60fi4.13-0.43/

例:合理設(shè)計(jì)肋的形狀

b)d)

圖2-74肋的各種形式

a）井字肋b）米字肋c）菱形肋

d）六角形肋

肋的形式主要有兩種，即井字肋與米字肋。模型實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明，采用米字肋

與采用井字肋的大型零件相比,抗扭剛度高兩倍以上，抗彎剛度相近。

合理設(shè)計(jì)肋的形狀

圖2-75兩種肋的剛度分析

梁受扭矩時(shí)，梁有兩個(gè)角向上動(dòng)，兩個(gè)角向下動(dòng),各在四邊形的一個(gè)對(duì)角線的兩端。

這對(duì)于米字肋的肋板產(chǎn)生彎曲作用，而對(duì)井字肋的肋板除彎曲外還產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用,

而薄肋板的抗扭剛性較差,所以米字肋的抗扭剛度高。

4、用肋或隔板增強(qiáng)剛度準(zhǔn)則

平置矩形斷面梁受彎曲，因斷面的抗彎慣性矩小，所以剛度很低。若必須采用

這種,可用肋板加強(qiáng)剛度。

為了加強(qiáng)空心方形斷面的剛度,可在里面加不同形式的隔板，表2-8o

除了鎂合金以外，幾乎所有的鑄造材料,其抗壓強(qiáng)度都明顯高于抗拉強(qiáng)度。所以,

在可能條件下盡量使肋板受壓縮。

這樣做，肋板起了加強(qiáng)剛度的作用，同時(shí)，它本身又有較好的強(qiáng)度。

下面再提一下有關(guān)于肋板加強(qiáng)剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肋板和外型結(jié)構(gòu)

如果需要提高塑料結(jié)構(gòu)的承載能力或剛度，則有必要增加這種結(jié)構(gòu)的截面性能

或更換材料。有時(shí)，更換材料或改變材料等級(jí)（如玻纖含量更高）是可行的，

但是這種方法通常不實(shí)用（不同的收縮值）或不經(jīng)濟(jì)。

增加截面性能（即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）通常是一種較好的方法。正如在其它部分討論的

那樣，盡管僅增加面壁部分是最實(shí)用的方法，其也有自身不可避免的弱點(diǎn)。

?增加厚度相應(yīng)地會(huì)增加制件的重量和成本。

?增加厚度的面積相應(yīng)地會(huì)延長(zhǎng)冷卻時(shí)間。

如果制件結(jié)構(gòu)的負(fù)載要求制件厚度超過(guò)4mm（0.16英寸）,則建議使用肋板

或箱形截面來(lái)增強(qiáng)，以在可接受的壁厚范圍內(nèi)獲得所要求的強(qiáng)度。

肋板結(jié)構(gòu)的效率可通過(guò)下例說(shuō)明：

固體板和肋板的重量及剛度。

盡管肋板具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，其存在翹曲和外觀問(wèn)題。因此，應(yīng)當(dāng)遵循下述指

示：

如下圖所示，肋板厚度不能超過(guò)標(biāo)稱壁厚的一半。

在某些結(jié)構(gòu)比外觀重要的區(qū)域，或材料收縮率很低時(shí)，肋板厚度可以超過(guò)壁厚

的一半。這會(huì)在與肋板相反的面壁表面產(chǎn)生凹陷。另外，厚的肋板可能充當(dāng)流

動(dòng)導(dǎo)流器，導(dǎo)致在注射中發(fā)生偏向性流動(dòng)，從而產(chǎn)生熔接線和內(nèi)部氣泡。

肋板的最大高度不得超過(guò)標(biāo)稱壁厚的3倍，因?yàn)楹穸却蟮睦甙搴茈y被充填，且

在頂出過(guò)程中可能會(huì)粘在模具上。

典型的拔模角度是每側(cè)1至1.5度（最小值為0.5度）。一般而言，拔模角度

和厚度會(huì)限制肋板高度。

在肋板底部的交叉處和標(biāo)稱面壁上，應(yīng)當(dāng)包含一個(gè)的25至50%標(biāo)稱面壁截面

的圓角（最小值為0.4mm）。該圓角可以消除潛在的應(yīng)力集中，并改善肋板周

圍的流動(dòng)和冷卻特性。應(yīng)用更大的圓角改善不大，且會(huì)使面壁另一側(cè)產(chǎn)生凹陷

的可能性增加。

推薦的肋板尺寸

平行肋板間最小間距為標(biāo)稱壁厚的兩倍，這有助于避免產(chǎn)生冷卻問(wèn)題，也避免

在模具結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄片。

肋板的設(shè)計(jì)最好是平行于熔體流動(dòng)的方向，因?yàn)榇┻^(guò)肋板的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分

歧，從而導(dǎo)致困氣或受阻流動(dòng)。受阻流動(dòng)會(huì)增加內(nèi)應(yīng)力和短射風(fēng)險(xiǎn)。

肋板

肋板的排列必須沿彎曲的方向，以達(dá)到最大的剛度。參考上圖，一個(gè)長(zhǎng)而薄的

平板只有兩端有支撐。如果在平板的長(zhǎng)度方向上增加肋板，則會(huì)很大程度地增

加剛度。然而，如果在平板寬度的方向上增加肋板，剛度增加不大。

一般地，應(yīng)用肋板會(huì)：

1.增加彎曲剛度或較大平面區(qū)域的強(qiáng)度

2.增加開(kāi)放截面的扭轉(zhuǎn)剛度

在設(shè)計(jì)中，加入波紋可以增加波紋方向平面的剛度（見(jiàn)下圖）。波紋非常有效,

且無(wú)需更多的材料或延長(zhǎng)冷卻時(shí)間。增加材料到制件中心軸的平均距離可以增

強(qiáng)剛度，如增加第二轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

平的和開(kāi)放截面

肋板和箱形截面可以增加剛度，因此提高成型件的承載能力。這些增強(qiáng)型方法

可以減少壁厚，而仍能取得與更大壁厚時(shí)同樣的強(qiáng)度。

案例1-6的尺寸圖表

不同外型結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲度比較

上述結(jié)果表明，使用對(duì)角肋板對(duì)截面的扭轉(zhuǎn)剛度最具效果。從、'1"型截面到''C"

型截面的改變對(duì)橫向彎曲方向負(fù)荷有幫助而不是扭轉(zhuǎn)方向。雙交叉肋板（選項(xiàng)6）

會(huì)產(chǎn)生加工（冷卻）問(wèn)題，推薦使用選項(xiàng)8的解決方案可以獲得最好的扭轉(zhuǎn)性

能。

視制件要求的不同，要特別考慮在肋板與外壁的交叉部分是否允許存在凹陷。為

實(shí)現(xiàn)最好的性能和功能，肋板和外壁中軸線必須相交于同一點(diǎn)。不符合這項(xiàng)要求

會(huì)降低結(jié)構(gòu)的可靠性。如果由于審美的要求而將對(duì)角肋板略微往外移動(dòng)，則剛度

會(huì)隨之降低35%。如果在設(shè)計(jì)中增加一個(gè)短的垂直型肋板，則扭轉(zhuǎn)剛度會(huì)再降

低5%見(jiàn)下圖。

肋板連接至外型結(jié)構(gòu)上的扭轉(zhuǎn)剛度和抗扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

二、提高耐磨性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潤(rùn)滑的作用和潤(rùn)滑技術(shù)

機(jī)械中的可動(dòng)零、部件，在壓力下接觸而作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其接觸表面間就會(huì)產(chǎn)生

摩擦，造成能量損耗和機(jī)械磨損，影響機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度和使用壽命。因此，在機(jī)械

設(shè)計(jì)中，考慮降低摩擦，減輕磨損，是非常重要的問(wèn)題，其措施之一就是采用潤(rùn)

滑。

潤(rùn)滑的作用主要是：

(1)減少摩擦，減輕磨損加入潤(rùn)滑劑后，在摩擦表面形成一層油膜，可防止金

屬直接接觸，從而大大減少摩擦磨損和機(jī)械功率的損耗。

(2)降溫冷卻摩擦表面經(jīng)潤(rùn)滑后其摩擦因數(shù)大為降低，使摩擦發(fā)熱量減少；當(dāng)

采用液體潤(rùn)滑劑循環(huán)潤(rùn)滑時(shí)，潤(rùn)滑油流過(guò)摩擦表面帶走部分摩擦熱量，起散熱降

溫作用，保證運(yùn)動(dòng)副的溫度不會(huì)升得過(guò)高。

(3)清洗作用潤(rùn)滑油流過(guò)摩擦表面時(shí)，能夠帶走磨損落下的金屬磨屑和污物。

(4)防止腐蝕潤(rùn)滑劑中都含有防腐、防銹添加劑，吸附于零件表面的油膜，可

避免或減少由腐蝕引起的損壞。

(5)緩沖減振作用潤(rùn)滑劑都有在金屬表面附著的能力，且本身的剪切阻力小，

所以在運(yùn)動(dòng)副表面受到?jīng)_擊載荷時(shí)，具有吸振的能力。

(6)密封作用潤(rùn)滑脂具有自封作用，一方面可以防止?jié)櫥瑒┝魇?，另一方面?/p>

以防止水分和雜質(zhì)的侵入。潤(rùn)滑技術(shù)包括正確地選用潤(rùn)滑劑、采用合理的潤(rùn)滑

方式并保持潤(rùn)滑劑的質(zhì)量等。

潤(rùn)滑劑及其選用

生產(chǎn)中常用的潤(rùn)滑劑包括潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂、固體潤(rùn)滑劑、氣體潤(rùn)滑劑及添加劑等

幾大類。其中礦物油和皂基潤(rùn)滑脂性能穩(wěn)定、成本低，應(yīng)用最廣。固體潤(rùn)滑劑如

石墨、二硫化鋁等耐高溫、高壓能力強(qiáng)，常用在高壓、低速、高溫處或不允許有

油、脂污染的場(chǎng)合，也可以作為潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂的添加劑使用。氣體潤(rùn)滑劑包括

空氣、氫氣及一些惰性氣體，其摩擦因數(shù)很小，在輕載高速時(shí)有良好的潤(rùn)滑性能。

當(dāng)一般潤(rùn)滑劑不能滿足某些特殊要求時(shí)，往往有針對(duì)性地加入適量的添加劑來(lái)改

善潤(rùn)滑劑的粘度、油性、抗氧化、抗銹、抗泡沫等性能。1.潤(rùn)滑油潤(rùn)滑

油的特點(diǎn)是：流動(dòng)性好，內(nèi)摩擦因數(shù)小，冷卻作用較好，可用于高速機(jī)械，更換

潤(rùn)滑油時(shí)可不拆開(kāi)機(jī)器。但它容易從箱體內(nèi)流出，故常需采用結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的密

封裝置，且需經(jīng)常加油。

常用潤(rùn)滑油主要分為礦物潤(rùn)滑油、合成潤(rùn)滑油和動(dòng)植物潤(rùn)滑油三類。礦物潤(rùn)滑油

主要是石油制品，具有規(guī)格品種多、穩(wěn)定性好、防腐蝕性強(qiáng)、來(lái)源充足且價(jià)格較

低等特點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。主要有機(jī)械油、齒輪油、汽輪機(jī)油、機(jī)床專用油等。

合成潤(rùn)滑油具有獨(dú)特的使用性能，主要用于特殊條件下，如高溫、低溫、防燃以

及需要與橡膠、塑料接觸的場(chǎng)合。動(dòng)植物油產(chǎn)量有限，且易變質(zhì)，故只用于有特

殊要求的設(shè)備或用作添加劑。

潤(rùn)滑油的性能指標(biāo)有：粘度、油性、閃點(diǎn)、凝點(diǎn)和傾點(diǎn)。粘度是潤(rùn)滑油最重要的

物理性能指標(biāo)。它反映了液體內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)分子間內(nèi)摩擦阻力的大小。潤(rùn)

滑油粘度越大，承載能力也越大。潤(rùn)滑油的粘度并不是固定不變的，而是隨著溫

度和壓強(qiáng)而變化的。當(dāng)溫度升高時(shí)，粘度降低；壓力增大時(shí)，粘度增高。潤(rùn)滑

油的粘度分為動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)粘度和相對(duì)粘度，各粘度的具體含義及換算關(guān)系可

參看有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。油性又稱潤(rùn)滑性，是指潤(rùn)滑油潤(rùn)濕或吸附于摩擦表面構(gòu)成邊界油

膜的能力。這層油膜如果對(duì)摩擦表面的吸附力大，不易破裂，則潤(rùn)滑油的油性就

好。油性受溫度的影響較大，溫度越高，油的吸附能力越低，油性越差。潤(rùn)滑油

在火焰下閃爍時(shí)的最低溫度稱為閃點(diǎn)。它是衡量潤(rùn)滑油易燃性的一項(xiàng)指標(biāo)，另一

方面閃點(diǎn)也是表示潤(rùn)滑油蒸發(fā)性的指標(biāo)。油蒸發(fā)性越大，其閃點(diǎn)越低。潤(rùn)滑油的

使用溫度應(yīng)低于閃點(diǎn)20?30℃。凝點(diǎn)是指在規(guī)定的冷卻條件下，潤(rùn)滑油冷卻到

不能流動(dòng)時(shí)的最高溫度，潤(rùn)滑油的使用溫度應(yīng)比凝點(diǎn)高5?7C。傾點(diǎn)是潤(rùn)滑油

在規(guī)定的條件下，冷卻到能繼續(xù)流動(dòng)的最低溫度，潤(rùn)滑油的使用溫度應(yīng)高于傾點(diǎn)

3c以上。潤(rùn)滑油的選用原則是：載荷大或變載、沖擊載荷、加工粗糙或未經(jīng)

跑合的表面，選粘度較高的潤(rùn)滑油；轉(zhuǎn)速高時(shí)，為減少潤(rùn)滑油內(nèi)部的摩擦功耗，

或采用循環(huán)潤(rùn)滑、芯捻潤(rùn)滑等場(chǎng)合，宜選用粘度低的潤(rùn)滑油；工作溫度高時(shí)，宜

選用粘度高的潤(rùn)滑油。

2.潤(rùn)滑脂

潤(rùn)滑脂習(xí)慣上稱為黃油或干油，是一種稠化的潤(rùn)滑油。其油膜強(qiáng)度高，粘附性好,

不易流失，密封簡(jiǎn)單，使用時(shí)間長(zhǎng)，受溫度的影響小，對(duì)載荷性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)速度的

變化等有較大的適應(yīng)范圍，因此常應(yīng)用在：不允許潤(rùn)滑油滴落或漏出引起污染的

地方（如紡織機(jī)械、食品機(jī)械等），力口、換油不方便的地方、不清潔而又不易密

封的地方（潤(rùn)滑脂本身就是密封介質(zhì)），特別低速、重載或間歇、搖擺運(yùn)動(dòng)的機(jī)

械等。潤(rùn)滑脂的缺點(diǎn)是內(nèi)摩擦大，起動(dòng)阻力大，流動(dòng)性和散熱性差，更換、清洗

時(shí)需停機(jī)拆開(kāi)機(jī)器。潤(rùn)滑脂的主要性能指標(biāo)有滴點(diǎn)和錐入度。滴點(diǎn)是指在

規(guī)定的條件下，將潤(rùn)滑脂加熱至從標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量杯孔滴下第一滴時(shí)的溫度。它反映

了潤(rùn)滑脂的耐高溫能力。選擇潤(rùn)滑脂時(shí)，工作溫度應(yīng)低于滴點(diǎn)15?20℃。錐入

度是衡量潤(rùn)滑脂粘稠程度的指標(biāo)。它是指將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的錐形體，置于25c的潤(rùn)

滑脂表面，在其自重作用下，經(jīng)5后，該錐形體沉入脂內(nèi)的深度（以0.1為單

位）。國(guó)產(chǎn)潤(rùn)滑脂都是按錐入度的大小編號(hào)的，一般使用2、3、4號(hào)。錐入度越

大的潤(rùn)滑脂，其稠度越小，編號(hào)的順序數(shù)字也越小。根據(jù)稠化劑皂基的不

同，潤(rùn)滑脂主要有：鈣基潤(rùn)滑脂、鈉基潤(rùn)滑脂、鋰基潤(rùn)滑脂、鋁基潤(rùn)滑脂等類型。

選用潤(rùn)滑脂類型的主要根據(jù)是潤(rùn)滑零件的工作溫度、工作速度和工作環(huán)境條件。

常用機(jī)械零部件的潤(rùn)滑

潤(rùn)滑方法有分散潤(rùn)滑和集中潤(rùn)滑兩大類。分散潤(rùn)滑是各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)用獨(dú)立的分散的

潤(rùn)滑裝置來(lái)潤(rùn)滑，這種潤(rùn)滑可以是連續(xù)的或間斷的，有壓的或無(wú)壓的；集中潤(rùn)滑

則是一臺(tái)機(jī)器或一個(gè)車間的許多潤(rùn)滑點(diǎn)由一個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)來(lái)同時(shí)潤(rùn)滑。選擇

潤(rùn)滑方法主要考慮機(jī)器零部件的工作狀況、采用的潤(rùn)滑劑及供油量要求。低速、

輕載或不連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械需要油量少，一般采用簡(jiǎn)單的手工定期加油、力口脂、滴

油或油繩、油墊潤(rùn)滑。中速、中載較重要的機(jī)械，要求連續(xù)供油并起一定的冷卻

作用，常用油?。ń停?、油環(huán)、濺油潤(rùn)滑或壓力供油潤(rùn)滑。高速、輕載齒輪及

軸承發(fā)熱大，用噴霧潤(rùn)滑效果較好。高速、重載、供油量要求大的重要部件應(yīng)采

用循環(huán)壓力供油潤(rùn)滑。當(dāng)機(jī)械設(shè)備中有大量潤(rùn)滑點(diǎn)或建立車間自動(dòng)化潤(rùn)滑系統(tǒng)

時(shí)可使用集中潤(rùn)滑裝置。

1.齒輪傳動(dòng)潤(rùn)滑

（1）閉式齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑齒輪的圓周速度＜0.8時(shí)，一般采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，

否則應(yīng)采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油的粘度可根據(jù)齒輪的材料和圓周速度，在表17

-1-3中查取，然后由表17-1-1或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選定潤(rùn)滑油的牌號(hào)。用潤(rùn)

滑油的齒輪潤(rùn)滑方法有浸油潤(rùn)滑、飛濺潤(rùn)滑、壓力噴油潤(rùn)滑等，

（2）開(kāi)式、半開(kāi)式齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑開(kāi)式齒輪傳動(dòng)一般速度較低、載荷較大、

接觸灰塵和水分、工作條件差且油易流失。為維持潤(rùn)滑油膜，應(yīng)采用粘度很高、

防銹性好的開(kāi)式齒輪油。速度不高的開(kāi)式齒輪也可采用脂潤(rùn)滑。開(kāi)式齒輪傳動(dòng)的

潤(rùn)滑可用手工、滴油、油池浸油等方式供油。

2.滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承可采用油潤(rùn)滑或脂潤(rùn)滑。

機(jī)械密封摩擦副材料的選擇

眾所周知由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成的摩擦副、彈性元件和輔助密封元件是構(gòu)成旋轉(zhuǎn)

軸端面機(jī)械密封的三種基本元件。端面機(jī)械密封的工作質(zhì)量和使用壽命主要與

上述三種基本元件的工作能力有關(guān)尤其是摩擦副的工作能力。為了保證旋轉(zhuǎn)軸

端面機(jī)械密封的良好密封性應(yīng)該這樣來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械密封使其在給定的條件下保證

摩擦副的工作最輕易。這意味著，要想獲得一個(gè)性能比較良好的機(jī)械密封部件,

除了要正確地設(shè)計(jì)確定彈性元件和輔助密封元件之外，還必須花費(fèi)較多的精力

去正確地完成摩擦副的材料選擇、結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)。在機(jī)械密封中，摩擦副的工

作條件是十分復(fù)雜的，比如，即使是在潤(rùn)滑條件良好的情況下，也不能排除在摩擦

副的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)接觸面間產(chǎn)生干摩擦或半干摩擦的可能性。泵在啟動(dòng)瞬間或在

具有較大運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)的情況下就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。因此，作為機(jī)械密封摩擦副的制

造材料就必須滿足一定的技術(shù)要求。

一般情況下，這些技術(shù)要求主要是具有較小的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性對(duì)被密封

液體的不可滲透性具有足夠的強(qiáng)度和其它機(jī)械性能對(duì)被密封浪體的耐化學(xué)腐蝕

性具有良好的熱穩(wěn)定性良好的機(jī)械加工性能良好的熱傳導(dǎo)性能，在電解液中的

耐電化學(xué)腐蝕性相配材料的抗膠合性能材料易得,價(jià)格便宜……

運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐證明，能夠致使旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封的滑動(dòng)表面產(chǎn)生破壞的因素很多，比如機(jī)械

負(fù)荷過(guò)大、

熱負(fù)荷過(guò)高、化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損過(guò)烈等等。因此機(jī)械密封中摩擦環(huán)的材料應(yīng)根

據(jù)密封部件在運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐中所可能碰到的最苛刻的條件來(lái)選取。用作機(jī)械密封摩

擦副的材料一般可分為五大類碳石墨、金屬、金屬氧化物、碳化物和塑料。碳

石墨是旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封中最廣泛使用的摩擦環(huán)制造料。采用不同的加工制造方法,

可以將天然碳粉制成非晶碳、碳石墨和電化石墨

等。這幾種材料分別具有不同的物理性能和機(jī)械淚三能非晶碳具有高的機(jī)械強(qiáng)度

和低的熱傳導(dǎo)性與此相反，電化石墨具有低的機(jī)械強(qiáng)度和高的熱傳導(dǎo)性而碳石

墨的性能則介于非晶碳和電化石墨之間。由于碳石墨具有良好的自潤(rùn)滑性能,

摩擦系數(shù)很低、耐腐蝕性較好、并不與接觸的金屬咬合，因此是一種能應(yīng)用于各

種運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的常用密封摩擦環(huán)的制造材料。在一般情況下，多用碳石墨制造靜

環(huán)。輕載情況下，可以采用模壓方法將碳石墨制成所需大小和形狀的摩擦環(huán)而不

需進(jìn)一步加工，而承受重載的形狀復(fù)雜的摩擦環(huán)也可以很容易加工到準(zhǔn)確的尺

寸。

在一般情況下，由于碳石墨材料具有多孔性，被密封的液體有可能通過(guò)石墨晶

體間的孔隙滲透,所以很少單獨(dú)使用為了進(jìn)一步改善碳石墨的性能使之更適合于

制作摩擦環(huán),一般多是應(yīng)用各種合成樹(shù)脂、聚四氟丁烯、金屬或鹽溶液浸漬過(guò)的

不透性碳石墨浸潰物的存在會(huì)降低碳石墨的多孔度,提高彈性模數(shù)，增高材料強(qiáng)

度，增大硬度和熱膨脹系數(shù)，改善其耐磨性能。一般，浸債樹(shù)脂的石墨可以用在中

載情況下，而浸漬金屬的石墨可以用于重載條件。由于浸漬物的存在，一定程度上

能夠決定碳石墨材料的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和運(yùn)轉(zhuǎn)范圍,所以材料的選擇也需依據(jù)浸漬物的

種類而定。碳石墨具有良好的高溫運(yùn)轉(zhuǎn)性能,其溫度的最高值受到材料本身抗氧

化能力的限制在高速無(wú)潤(rùn)滑條件下，由于密封表面處于高溫狀態(tài)，

浸漬有抗氧化物的非晶碳適于與碳鋼、格鋼以及陶瓷材料配用。電化石墨不

適于這種使用條件，因?yàn)樗鼈兙哂泻芨叩哪Σ料禂?shù)，會(huì)造成表面溫度的急劇升高并

使磨損速度大大加,快碳石墨在溫度低于°C時(shí)的特性與在高溫時(shí)的特性基本

相似,但摩擦系數(shù)和磨損速度會(huì)隨著溫度的升高而略有增高浸漬一層樹(shù)脂的碳

石墨在高溫情況下也具有在低溫所具備的良好特性。

苯酚樹(shù)脂、金屬氟化物和金屬碘化物以及聚四氟乙烯和尼龍等塑料用來(lái)作為碳石

墨的浸債物，會(huì)在液態(tài)氮中具有良好的摩擦和磨損特性金屬是被旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封普

遍用來(lái)作為制造摩擦環(huán)的材料，常用的材料品種是碳鋼，合金鋼、鑄鐵和青銅等鋼

可以不酗勺形式應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械密封中但是普通碳鋼的使用是不理想的，因

為它沒(méi)有好的耐蝕性，也沒(méi)有足夠的硬度，

因此，在要求化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能的地方，可以采用能夠淬硬的不銹鋼和

具有高耐腐蝕性的合金如銀一鉆一鋁一鐵合金等當(dāng)然，使用淬硬不銹鋼的效果

也不盡令人滿意,因?yàn)榇阌埠笠徊糠植讳P鋼會(huì)喪失耐蝕性，另外，表面淬硬的深度

有限,很快就會(huì)磨穿所以通常是以它們作為基體，在其表面上用涂敷或滲透的方法

粘附一層硬質(zhì)合金,或者施行噴鍍應(yīng)該說(shuō)，在使用條件良好的情況下，最普遍采用

的是具有良好疲勞特性的可淬火的鋼為了提高耐磨蝕性能，可以采用鍍銘鋼或

格鋼碳鋼和格鋼能經(jīng)鍛造達(dá)到石,適用于具低化學(xué)腐蝕性的介質(zhì)如水和石油產(chǎn)

品等鍍格鋼還較適用于在溫度較高的情況下與碳石墨組成密封配用材料在潤(rùn)滑

條件較差的情況下，其使用速度可控制在以內(nèi)，而溫度應(yīng)不超過(guò)。C。如課線速度和

溫度超過(guò)上述值，不應(yīng)采用鋼作為碳石墨的配用材料，而應(yīng)采用含有鍥、鉆、銘、

鑰和鴿等合金元素的合金鋼材料鋼的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而下降,而合金的熱導(dǎo)

率卻會(huì)隨著溫度的增高而略有增高值得注意的是，某些合金如銀銘不誘鋼等雖然

在某些化學(xué)腐蝕性介質(zhì)如硝酸和硫酸等中具有足夠的穩(wěn)定性，但由于它們屬于

韌性材料并且不能采用淬火方法提高其硬度,因而使其應(yīng)用受到一定限制在這種

情況下，我們可以取用具有良好耐化學(xué)腐蝕性能的硬質(zhì)合金取代之。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械

密封中，硬質(zhì)合金可以兩種型式得到應(yīng)用一種是作為鋼基材料的噴鍍材料,這樣而

得到的摩擦環(huán)一般用在低腐蝕性介質(zhì)如石油產(chǎn)品和弱酸中工作的機(jī)械密封另一

種是制成硬質(zhì)合金摩擦環(huán)，它可用于含有固體懸浮顆粒的介質(zhì)中。

在海水泵、泥漿泵和污水泵等的旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械密封中，經(jīng)常采用硬質(zhì)合金摩擦

環(huán)。在低負(fù)荷條件下可以采用鋁青銅和鉛青銅等青銅材料可以認(rèn)為青銅是碳石

墨的理想代用材料，因?yàn)樗梢钥朔拇嘈?。另?從化學(xué)角度看，在一些潤(rùn)

滑性能良好的中性介質(zhì)中，青銅是一種良好的耐磨材料同時(shí)青銅還具有高強(qiáng)度、

高熱導(dǎo)性、低磨耗性、優(yōu)良加工性和易于獲得等優(yōu)點(diǎn)在水潤(rùn)滑條件下，鉛青銅和

鋁青銅能與浸漬脂或巴氏合金的碳石墨配用如果具有潤(rùn)滑條件,或者被密封的

液體是油基礦物油的話，青銅還可以與碳石墨組成配用由于鋁青銅還具有良好

的耐海水腐蝕性，所以可以將它與金屬浸債的石墨組成摩擦偶用于海水輸送系

統(tǒng)設(shè)備的機(jī)械密封中在無(wú)潤(rùn)滑條件下,青銅只能用于低負(fù)荷和低轉(zhuǎn)速。如果在高

速情況下出現(xiàn)潤(rùn)滑破壞,則仍會(huì)造成青銅的急劇磨損并導(dǎo)致密封失效鑄鐵具有良

好的磨擦特性。普通灰口鑄鐵的熱導(dǎo)率與其它含鐵材料的熱導(dǎo)率大體相同隨著鑄

鐵中石墨含量的增加，其熱導(dǎo)率也會(huì)隨之增高。鑄鐵的熱膨脹系數(shù)比鋼低,而且會(huì)

隨著所含其它合金成份的改變而改變。鑄鐵有較好的機(jī)械性能，其抗壓強(qiáng)度極限

要高于抗拉強(qiáng)度極限。

特別值得提出的是，鑄鐵真有優(yōu)異的振動(dòng)阻尼特性。為了提高鑄鐵的耐腐蝕性能,

可以加入適量的鍥、銘和銅等元素構(gòu)成鐵合金由于原材料的價(jià)格低廉，而且加工

成形所耗費(fèi)的資金也比較低，所以用鑄鐵制作機(jī)械密封摩擦環(huán)是便宜的。鑄鐵與

碳石墨組成摩擦偶，可適用于輸送介質(zhì)為石油或某些石油制成品的機(jī)械密封中。

金屬氧化物也是制造機(jī)械密封摩擦環(huán)的良好材料。

氧化鋁、氧化被、氧化鎂、氧化硅和氧化牡等都屬金屬氧化物。其中最常用

的金屬氧化物是氧化鋁和氧化被。氧化鋁和氧化鍍的彈性模數(shù)無(wú)論是在數(shù)值上

還是在變化范圍上都十分相似。對(duì)氧化鋁而言，其揚(yáng)氏彈性模數(shù)的變化范圍是。

到護(hù)。巴而氧化披彈性模數(shù)的變化范圍是到巴。氧化被的熱導(dǎo)率很高，而氧化鋁

的熱導(dǎo)率比較低。兩種材料都具有較低的熱膨脹系數(shù)，而且硬度很高。三氧化二

鋁的硬度為，氧化被的硬度為三氧化二鋁的耐腐蝕性能要優(yōu)于氧化被，但的來(lái)說(shuō)

兩者都不錯(cuò)。由于氧化被具有高的熱導(dǎo)率和低的熱膨脹系數(shù)，因而具有優(yōu)異的抗

熱沖擊能力。這兩種材料與各種型號(hào)的碳石墨配用都能顯示出較好的耐腐蝕性能

和耐磨性能。金屬氧化物總的來(lái)說(shuō)都具有易脆性，因此它們承受機(jī)械沖擊的能力

很差，容易破碎。如果采用這些金屬氧化物作為其它金屬基體的外包層，則整個(gè)零

件的抗機(jī)械沖擊性能將會(huì)得到改善。但是應(yīng)該注意,如果金屬基體的熱膨脹數(shù)很

高,那么高溫使用時(shí),就有可能使金屬氧化物外包層脹裂。碳化物和氮化物也是制

造旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械密封摩擦環(huán)的可用材料。金屬碳化物以其高硬度和高耐磨性能而聞

名，能夠承受局負(fù)荷。

由于制造上的原因，碳化物本身通常都不是很純的,而是要加入一些類如鍥

和鉆等金屬粘結(jié)成份。加入的成份不同，其熱導(dǎo)性會(huì)存在很大的差別。含有一定

量鉆元素的碳化鋁是旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封中的常用材料，當(dāng)被密封液體為化學(xué)純水和氧

化物時(shí)，碳化鋁的使用溫度可達(dá)。C。碳化鋁還可用于密封液態(tài)氧和硝酸。碳化欽

是一種熱導(dǎo)性系數(shù)較低的金屬碳化物,然而它可以使用于溫度非常高的條件下并

且具有優(yōu)異的抗氧化性能。加入適量的鐵或銘鑲成份，可以改善碳化欽的性能。

這種加入適量成份的碳化欽可以在加工到所需要的尺寸形狀后再將其淬硬。

銘的碳化物不宜于制作相對(duì)滑動(dòng)的零件，

因?yàn)檫@種材料對(duì)熱沖擊和機(jī)械沖擊十分敏感非金屬的碳化硅和氮化硅都是

可以在旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封中推廣使用的非金屬材料，其性能的優(yōu)越性已被很好的密封

實(shí)踐所證明。碳化硅是一種能耐高溫、抗氧化性好、耐腐蝕性好,硬度高且相當(dāng)

耐磨的材料。碳化硅同石墨配用時(shí)的摩擦系數(shù)為正,在氧化氣體中可用到℃,

在印氫氟酸和印氧化硝酸溶液中不會(huì)被腐蝕。氮化硅工程陶瓷是以硅粉為原料經(jīng)

加熱氮化而制成的新型陶瓷材料。

按照其工藝可以將它分為反應(yīng)燒結(jié)氮化硅和熱壓氮化硅兩種。氮化

硅具有極好的抗震性，較高的抗彎強(qiáng)度,優(yōu)異的耐磨性和良好的化學(xué)

穩(wěn)定性。其半成品具有可機(jī)械加工性，因此可以制成尺寸形狀比較復(fù)雜的零件，燒

結(jié)之后制成品的收縮率不大于千分之三。氮化硅工程陶瓷可廣泛應(yīng)用于石油、化

工、冶金、機(jī)械、電器和儀表等工業(yè)部門，同時(shí)還適用于制作各種清水泵、化工

泵、船用泵、紙漿泵的機(jī)械密封元件由于其最小成型厚度可達(dá)，最大相對(duì)運(yùn)動(dòng)速

度可達(dá)，加上其良好的耐腐蝕性和耐磨性，因而被認(rèn)為制作機(jī)械密封中摩擦環(huán)的較

理想材料在機(jī)械密封中采用塑料來(lái)制作摩擦環(huán)這是機(jī)械密封材料研究的一種向。

目前，塑料只能用于輕負(fù)荷和低密封壓力的情況下。塑料主要指工程塑料在一般

情況下都具有較好的抗磨性、較高的硬度和強(qiáng)度，但其熱導(dǎo)率很低，使用受到限制。

在塑料類材料中,填充有某些類如玻璃纖維、石墨、二硫化鑰、青銅粉或石油粉

等物質(zhì)的聚四氟乙烯是較為廣泛地被用來(lái)制作機(jī)械密封摩擦環(huán)的材料這種材料

更經(jīng)常用作機(jī)械密封的輔助密封填料它具有很好的耐腐蝕性能，較高的抗壓強(qiáng)

度和良好的耐磨性。填充有礦物或石棉粉、織物纖維、石墨或白色金屬粉末以錫

或鉛、錦為基的合金的酚醛樹(shù)脂塑料在某些場(chǎng)合下也能獲得應(yīng)用。當(dāng)配用零件的

材料是鑄鐵、銘鋼、青銅或陶瓷時(shí)，即使被密封液體是常溫清水，這種酚醛樹(shù)脂塑

料也具有良好的耐磨性能。一般說(shuō)來(lái)，由于塑料類材料的高熱膨脹系數(shù)、低熱導(dǎo)

率和低強(qiáng)度,使其使用受到較大的限制。但在運(yùn)轉(zhuǎn)條件不惡劣的場(chǎng)合下，塑料的高

耐磨性和容易通過(guò)熱壓加工成型的優(yōu)點(diǎn)，使它們?nèi)匀怀蔀橐活惓Ｓ玫臋C(jī)械密封

材料。以上敘述了旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械密封中常用作制造摩擦環(huán)的碳石墨、金屬、金屬氧

化物、碳化物和塑料等五大類材料。應(yīng)該說(shuō)，可用作機(jī)械密封摩擦環(huán)的材料是很

多的，有金屬、有合金，有非金屬，有金屬非金屬混合物等。但是值得指出的是，每一

種材料都不是完美無(wú)缺的，它們各自都有其不足之處正是其自身的不足,致使其

局限于一定的應(yīng)用范圍這種限制因素是很多的，除了其耐化學(xué)腐蝕性能外，材料

的強(qiáng)度，耐磨性，熱導(dǎo)率和溫度膨脹系數(shù)等均屬于限制因素。因此可以這樣認(rèn)為，

機(jī)械密封摩擦副材料的選擇是一種多元方程的求解,它霜要顧及機(jī)械密封裝置具

體的工作參數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)條件,同時(shí)還需要考慮摩擦環(huán)零件的尺寸和形狀的復(fù)雜

性,制造工藝上的難易程度以及與材料成本、加工處理和安裝維護(hù)、使用壽命等

有關(guān)的經(jīng)濟(jì)性。還應(yīng)該強(qiáng)調(diào)說(shuō)明的是，由于旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械密封是由一對(duì)相互接觸且

作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦環(huán)構(gòu)成，因此在選擇摩擦環(huán)的制造材料時(shí)除了要求摩擦副中每

一摩擦環(huán)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)在不同程度上滿足所提的要求外，還必須注意材料的組合。

合理的組合，可以充分發(fā)揮侮種材料的優(yōu)點(diǎn),相互低償或互相彌補(bǔ)組合材料的不

足，從而能獲得使用壽命長(zhǎng)、液體泄漏少、運(yùn)行平穩(wěn)等所需效果不恰當(dāng)?shù)慕M合，不

僅不能體現(xiàn)材料本身的長(zhǎng)處，而且得不到理想的密封效果在選擇材料時(shí)，除了注意

其化學(xué)成份外，還應(yīng)該注意材料的結(jié)構(gòu)晶體組織、機(jī)械特性和制造工藝性等因素,

因?yàn)檫@些因素在一定程度上都能直接決定該材料的工作能力。譬如當(dāng)選擇鑄鐵作

為摩擦副的一種材料時(shí)，應(yīng)使鑄鐵的晶體結(jié)構(gòu)為珠光體型當(dāng)選擇碳鋼作為摩擦

副的一種材料時(shí),應(yīng)該充分注意其表面硬度以及熱處理方法當(dāng)選擇錫青銅作為摩

擦副的一種材料時(shí)，必須認(rèn)真審視其鑄造工藝，因?yàn)殄a青銅的熔化溫度和熔化時(shí)

間會(huì)對(duì)其化學(xué)成份、金相組織和機(jī)械性能產(chǎn)生很大的影響，比如過(guò)長(zhǎng)的熔化時(shí)間

會(huì)導(dǎo)致偶錫現(xiàn)象?……由于機(jī)械密封摩擦副動(dòng)環(huán)和靜環(huán)間不可避免的摩擦和磨

損，因而制造摩擦副的材料中，至少有一個(gè)環(huán)的材料要具有良好的導(dǎo)熱性。與此同

時(shí)，應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為摩擦副提供導(dǎo)熱通路。對(duì)于陶瓷和塑料等導(dǎo)熱性比較差

的材料，必要時(shí)還應(yīng)提供冷卻介質(zhì)為了消除動(dòng)環(huán)和靜環(huán)間摩擦生熱對(duì)密封造成

的不利影響，可以針對(duì)機(jī)械密封的工作參數(shù)以及使用機(jī)械密封的設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)

等情況，采用相適應(yīng)的冷卻措施,包括直接向密封面提供冷卻介質(zhì)很多人習(xí)慣于選

擇具有不同硬度的材料來(lái)組成摩擦副，甚至有人還偏重于用非金屬制作靜環(huán)，用金

屬制作動(dòng)環(huán)但是從動(dòng)力相似的觀點(diǎn)來(lái)看，由于密封性能是因兩互相接觸且作相對(duì)

運(yùn)動(dòng)的摩擦環(huán)磨合而獲得，故任何一種材料的轉(zhuǎn)動(dòng)或是固定是沒(méi)有什么不同的。

當(dāng)然,由于運(yùn)轉(zhuǎn)條件如振動(dòng)和熱沖擊等和材料本身質(zhì)地的不同，上述選擇也具有一

定的道理。另外,有很多人認(rèn)為硬度較高的材料的磨損量要低于硬度較低的材料

的磨損量，但事實(shí)并不盡然。在某些情況下，當(dāng)被密封的液體具有一定的腐蝕性時(shí),

硬度較差材料的抗蝕性能反而顯得優(yōu)越。

當(dāng)然，在一般情況下，硬度是反映材料耐磨性的一個(gè)重要參數(shù)，但它并不是表征

材料耐磨性的唯一準(zhǔn)則。應(yīng)該說(shuō)明的是，我們絕對(duì)不能忽視硬度對(duì)機(jī)械密封摩擦

環(huán)材料耐磨性的重要作用,相反還必須重視它。大家知道，硬度很低的材料是不能

用來(lái)制作摩擦環(huán)的,因?yàn)檫@種材料在與另一材料作相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)粘滯和涂敷

等現(xiàn)象，表而很快被拉毛,從而造成被密封液體的嚴(yán)重泄漏而使密封失效。在一般

情況下，人們習(xí)慣于這樣來(lái)組成摩擦副一個(gè)摩擦環(huán)用硬質(zhì)材料制作,而另一個(gè)摩擦

環(huán)采用硬度較低一點(diǎn)的材料。在這時(shí)候，由硬質(zhì)材料制成的摩擦環(huán)，其密封接觸表

面的徑向?qū)挾龋仨毚笥谟幂^軟材料制成的摩擦環(huán)接觸表面的徑向?qū)挾?。如果?/p>

實(shí)恰如其反，那么用硬質(zhì)材料制成的摩擦環(huán)就會(huì)逐漸嵌入另一摩擦環(huán)的接觸表面

中,從而造成材料的輾碎和兩環(huán)的劇烈摩擦和磨損。經(jīng)常會(huì)碰到在機(jī)械密封中對(duì)

兩個(gè)摩擦環(huán)都采用同一制造材料的現(xiàn)象。

這樣一來(lái)，就可以使兩摩擦環(huán)采用同樣的硬度和相同的接觸表面徑向?qū)挾取?/p>

此時(shí)應(yīng)該注意的是，必須要求兩摩擦環(huán)具有足夠的硬度。過(guò)軟的相同材料是不能

組成摩擦副的。當(dāng)采用兩種具不同硬度的不同材料或同一材料組成摩擦副時(shí)，用

硬度較小材料制成的摩擦環(huán)的接觸表面徑向?qū)挾戎祵?duì)于摩擦副的工作質(zhì)量具有

特別重要的意義。隨著這個(gè)寬度值的減小，生熱量也減小了,熱的導(dǎo)出條件可以得

到改善，并且由于摩擦環(huán)接觸面內(nèi)外徑差值的減小而使密封表面的磨損比較均

勻。隨著這個(gè)寬度值的加大,表面摩擦加劇，磨損增加，導(dǎo)熱條件變壞,產(chǎn)生干摩擦的

可能性加大，當(dāng)然，過(guò)小的接觸寬度又會(huì)受到強(qiáng)度的限制，同時(shí)又容易產(chǎn)生過(guò)大的

泄漏量。有些外國(guó)學(xué)者認(rèn)為，在構(gòu)成摩擦副的兩摩擦環(huán)中最小接觸表面徑向?qū)挾?/p>

應(yīng)取其外徑的十分之一左右但是根據(jù)作者對(duì)數(shù)十臺(tái)安裝有機(jī)械密封的泵包括齒

輪泵、螺桿泵、旋渦泵和離心泵等所進(jìn)行的調(diào)查其結(jié)果與上述不同。

由此可知，機(jī)械密封摩擦環(huán)接觸表面的徑向?qū)挾仁桥c很多因素有關(guān)的,在設(shè)計(jì)

時(shí)務(wù)必對(duì)各種因素加以全面和綜合的考慮?？紤]到機(jī)械密封工作時(shí)所產(chǎn)生的磨粒

會(huì)落入摩