摩擦学设计PPT之第6章：摩擦学系统分析

1、 一、摩擦学系统的定义一、摩擦学系统的定义1、系统、系统定义：系统是指定义：系统是指相互之间具有有机联系、相互作用、相互依赖的若干组相互之间具有有机联系、相互作用、相互依赖的若干组成部分（可以是环节、元素或部件）结合而成，并具有成部分（可以是环节、元素或部件）结合而成，并具有特定功能特定功能的有机的有机整体整体。系统有大有小、有繁有简。系统具有集合性、相关性、阶层性、整体性、系统有大有小、有繁有简。系统具有集合性、相关性、阶层性、整体性、目的性和环境适应性。目的性和环境适应性。从不同的观点和不同的角度可把系统分为：自然系统与人工系统、实体从不同的观点和不同的角度可把系统分为：自然系统与人工系统

2、、实体系统与概念系统、闭式系统和开式系统、静态系统和动态系统、确定系系统与概念系统、闭式系统和开式系统、静态系统和动态系统、确定系统和离散系统等等。统和离散系统等等。2、摩擦学系统、摩擦学系统根据摩擦学和系统的概念，可将摩擦学系统定义如下：根据摩擦学和系统的概念，可将摩擦学系统定义如下：摩擦学系统摩擦学系统是由是由具有特定功能具有特定功能的机械系统或其他自然系统抽象而成的、的机械系统或其他自然系统抽象而成的、由由摩擦学元素摩擦学元素构成的、用以构成的、用以研究摩擦学元素的行为结果的系统研究摩擦学元素的行为结果的系统。 二、摩擦学系统的构成二、摩擦学系统的构成一台机器通常有多个摩擦副，它们是摩擦

3、学系统的基本组成部分。这些一台机器通常有多个摩擦副，它们是摩擦学系统的基本组成部分。这些摩擦副的结构、载荷、相对运动、环境条件可能有很大差别，但是它们摩擦副的结构、载荷、相对运动、环境条件可能有很大差别，但是它们又是处在同一系统中，相互之间具有多方面的联系和影响。如：一个摩又是处在同一系统中，相互之间具有多方面的联系和影响。如：一个摩擦副上的力和运动，往往通过构件传递到其他许多摩擦副上；在使用油擦副上的力和运动，往往通过构件传递到其他许多摩擦副上；在使用油润滑的机器中，各个摩擦副往往共用一个润滑系统。进入机器的磨粒、润滑的机器中，各个摩擦副往往共用一个润滑系统。进入机器的磨粒、各个摩擦副产生的

4、磨屑和摩擦热都由这个系统的润滑油作为载体携带到各个摩擦副产生的磨屑和摩擦热都由这个系统的润滑油作为载体携带到机器的各个部分。这些都表明，各摩擦副之间具有物质和能量的流动。机器的各个部分。这些都表明，各摩擦副之间具有物质和能量的流动。此外，为了保证摩擦副的正常工作，还需要许多支持子系统。如润滑子此外，为了保证摩擦副的正常工作，还需要许多支持子系统。如润滑子系统、状态监测和故障诊断子系统、状态补偿和控制子系统。这些子系系统、状态监测和故障诊断子系统、状态补偿和控制子系统。这些子系统一般是针对整个系统而不是针对哪一个摩擦副的。统一般是针对整个系统而不是针对哪一个摩擦副的。一台机器中所有摩擦副和支持子

5、系统的集合构成了一个摩擦学系统，如一台机器中所有摩擦副和支持子系统的集合构成了一个摩擦学系统，如图图61所示。所示。摩擦学系统摩擦学系统摩摩擦擦副副摩摩擦擦副副摩摩擦擦副副n润润滑滑子子系系统统状态状态监测监测与与故障故障诊断诊断状态状态补偿补偿与与控制控制子系子系统统图图6-1 摩擦学系统的构成摩擦学系统的构成对摩擦学系统进行分析的首要步对摩擦学系统进行分析的首要步骤是确定系统的结构，建立起摩骤是确定系统的结构，建立起摩擦学系统。摩擦学系统建立的方擦学系统。摩擦学系统建立的方法是：将一台机器或装置中需要法是：将一台机器或装置中需要进行摩擦学研究或试验的对象以进行摩擦学研究或试验的对象以适当的

6、方式从中提取出来，与摩适当的方式从中提取出来，与摩擦学特性无关的构件分隔开来。擦学特性无关的构件分隔开来。将研究对象及其所有参与摩擦磨将研究对象及其所有参与摩擦磨损过程的材料表示为系统的元素损过程的材料表示为系统的元素放在一个框图内，并用各种符号放在一个框图内，并用各种符号加以说明。这些符号不仅显示系加以说明。这些符号不仅显示系统中所包含的子系统和元素，还统中所包含的子系统和元素，还要描述元素之间的摩擦学行为、要描述元素之间的摩擦学行为、力的传递以及物质、能量和信息力的传递以及物质、能量和信息的流动，的流动，摩擦学系统符号如图摩擦学系统符号如图62所示。所示。摩擦学系统符号摩擦学行为摩擦学行为

7、系统框系统框施加载荷施加载荷能流或物流能流或物流信息流信息流摩擦学系统的描述就是用上摩擦学系统的描述就是用上述符号建立起系统的框图，述符号建立起系统的框图，即即系统框图法系统框图法。左边是描述摩擦学系统所使左边是描述摩擦学系统所使用的符号及其意义；右边是用的符号及其意义；右边是描述膨胀机转子轴承摩擦学描述膨胀机转子轴承摩擦学系统的系统框图。系统的系统框图。用系统框图来描述摩擦学系用系统框图来描述摩擦学系统是因为，摩擦学系统中各统是因为，摩擦学系统中各元素之间的关系十分复杂，元素之间的关系十分复杂，难以用数学表达式来描述。难以用数学表达式来描述。对于那些可以用数学方法描对于那些可以用数学方法描述

8、的系统，尽可能采用数学述的系统，尽可能采用数学描述方法。描述方法。 摩擦学系统不同于一般的实体系统，摩擦学系统的结构参数摩擦学系统不同于一般的实体系统，摩擦学系统的结构参数具有显著地具有显著地时变特征时变特征，是一个时变系统。具体表现为：，是一个时变系统。具体表现为： 系统的行为使系统的结构参数变化系统的行为使系统的结构参数变化。如摩擦热引起热变形；磨损使间隙增大；材料转移改变了表层材料的性如摩擦热引起热变形；磨损使间隙增大；材料转移改变了表层材料的性质；相对运动使某些润滑油的粘度下降等等。质；相对运动使某些润滑油的粘度下降等等。 运行参数使系统的结构参数变化运行参数使系统的结构参数变化。如流

9、体动压润滑轴承的支承（油膜）刚度和阻尼，随表面的相对运动速如流体动压润滑轴承的支承（油膜）刚度和阻尼，随表面的相对运动速度的变化而变化。度的变化而变化。 环境使系统的结构参数变化环境使系统的结构参数变化。尘埃进入摩擦副成为磨粒，将会使磨损加剧；振动使摩擦系数减小；气尘埃进入摩擦副成为磨粒，将会使磨损加剧；振动使摩擦系数减小；气氛不同将影响表面膜的组成、结构和性质等等。氛不同将影响表面膜的组成、结构和性质等等。 维护管理使系统的结构参数发生跃变维护管理使系统的结构参数发生跃变。 这是这是摩擦学系统的独具特点摩擦学系统的独具特点。 在系统生成后，运行中系统的行为使结构参数发生连续的在系统生成后，运

10、行中系统的行为使结构参数发生连续的变化，达到一定程度后就要更换那些变化过度的元素，例变化，达到一定程度后就要更换那些变化过度的元素，例如添加或更换润滑剂、修复或更换易损件，包括更换滤清如添加或更换润滑剂、修复或更换易损件，包括更换滤清器的滤芯，从而使系统结构参数发生跃变。有时机器在维器的滤芯，从而使系统结构参数发生跃变。有时机器在维修后反而会出现严重故障，就是这种系统结构参数（非正修后反而会出现严重故障，就是这种系统结构参数（非正常）跃变的结果。运行管理水平，影响两次更换之间连续常）跃变的结果。运行管理水平，影响两次更换之间连续变化的规律，维护水平则决定跃变的方向和程度。变化的规律，维护水平则

11、决定跃变的方向和程度。 摩擦学系统的时变特征摩擦学系统的时变特征要求在进行摩擦学设计时，不仅应要求在进行摩擦学设计时，不仅应考虑系统生成时的状态，而且要考虑生成后运行各个阶段考虑系统生成时的状态，而且要考虑生成后运行各个阶段中状态的变化，其中包括磨合过程、正常运行阶段中系统中状态的变化，其中包括磨合过程、正常运行阶段中系统的变化，以及维护中可能发生的情况，直至完全损坏。的变化，以及维护中可能发生的情况，直至完全损坏。 另一方面，另一方面，摩擦学系统还具有空间特征摩擦学系统还具有空间特征。摩擦学特性不仅。摩擦学特性不仅取决于构成摩擦副的元素，而且还与摩擦学元素特性的系取决于构成摩擦副的元素，而且

12、还与摩擦学元素特性的系统依赖有关。也就是说，摩擦学特性不仅依赖于所有参与统依赖有关。也就是说，摩擦学特性不仅依赖于所有参与摩擦磨损过程的材料，而且还与运行条件等因素有关。通摩擦磨损过程的材料，而且还与运行条件等因素有关。通常，只要某一个影响因素发生微小变化，摩擦副的磨损量常，只要某一个影响因素发生微小变化，摩擦副的磨损量和摩擦系数就会发生明显地变化，摩擦副的摩擦学特性并和摩擦系数就会发生明显地变化，摩擦副的摩擦学特性并不像硬度、强度或其它力学性能那样仅表现为材料的固有不像硬度、强度或其它力学性能那样仅表现为材料的固有特性，而是表现为在给定的工作变量下受所有参与摩擦磨特性，而是表现为在给定的工作

13、变量下受所有参与摩擦磨损过程的元素的共同作用制约的系统特性。因此在考虑摩损过程的元素的共同作用制约的系统特性。因此在考虑摩擦学问题时，我们必须利用系统分析的方法，综合考虑各擦学问题时，我们必须利用系统分析的方法，综合考虑各个方面的因素。个方面的因素。 一、步骤与方法一、步骤与方法 1.步骤步骤 一台机器或一套装置在方案设计阶段，通常提出一个或多一台机器或一套装置在方案设计阶段，通常提出一个或多个结构方案。一个结构方案就给定了一组摩擦学元素和子个结构方案。一个结构方案就给定了一组摩擦学元素和子系统的组合，就可以构成一个摩擦学系统。对所提出结构系统的组合，就可以构成一个摩擦学系统。对所提出结构方案

14、的摩擦学系统，需要运用系统分析的方法进行分析比方案的摩擦学系统，需要运用系统分析的方法进行分析比较，以确定最优设计方案。较，以确定最优设计方案。 摩擦学系统分析的基本内容和一般步骤，如图摩擦学系统分析的基本内容和一般步骤，如图63所示。所示。产生设计方案产生设计方案作系统方块图作系统方块图确定分析范围与元素确定分析范围与元素分析各元素间摩擦学行为分析各元素间摩擦学行为为简单系统建模为简单系统建模分析力，运动，物质，分析力，运动，物质，信息及能量传递信息及能量传递分析各种行为与各部分析各种行为与各部分行为的耦合分行为的耦合分析环境对力，运动，物质，分析环境对力，运动，物质，信息及能量传递的影响信

15、息及能量传递的影响为环境对系统的输入建模环境对系统的输入建模建立系统状态方程建立系统状态方程求解状态方程与输出方程求解状态方程与输出方程结果最优？结果最优？与其他结果最优矛盾？与其他结果最优矛盾？打印结果打印结果修改或更换方案修改或更换方案是是是是否否否否 首先是用摩擦学系统符号画出方案的摩擦学系统框图。这首先是用摩擦学系统符号画出方案的摩擦学系统框图。这种图能定性地描述元素、子系统之间的相互关系和在系统种图能定性地描述元素、子系统之间的相互关系和在系统中分析中所要考虑的各种影响因素。在系统框图形成之后，中分析中所要考虑的各种影响因素。在系统框图形成之后，参照图参照图63 所给的分析步骤进行分

16、析。所给的分析步骤进行分析。 摩擦学系统分析过程总的概括起来有以下四个主要步骤：摩擦学系统分析过程总的概括起来有以下四个主要步骤： 目标系统的分析与选定；目标系统的分析与选定； 系统的模型化；系统的模型化； 系统最优化；系统最优化； 对解的评价。对解的评价。 在分析时应注意下面几个方面的问题：在分析时应注意下面几个方面的问题： 迄今为止，还不能给出一个普遍接受的大系统的分析方法。迄今为止，还不能给出一个普遍接受的大系统的分析方法。然而，对于只含两表面和润滑剂的摩擦学系统，其摩擦学然而，对于只含两表面和润滑剂的摩擦学系统，其摩擦学行为在很多方面已经有比较成熟的模型。在系统分析时，行为在很多方面已

17、经有比较成熟的模型。在系统分析时，常常先从这些部分开始。常常先从这些部分开始。 在简单系统的分析中，要考虑各个元素或子系统之间力的在简单系统的分析中，要考虑各个元素或子系统之间力的传递，物质、能量和信息的流动。对于各个子系统而言，传递，物质、能量和信息的流动。对于各个子系统而言，它们是子系统的输入和输出；对于大系统而言，则是反映它们是子系统的输入和输出；对于大系统而言，则是反映各个子系统之间行为的耦合。各个子系统之间行为的耦合。 如果在分析中，能够对各种耦合作出比较全面的如果在分析中，能够对各种耦合作出比较全面的定量描述定量描述，再结合摩擦学行为的模型，就可以建立级别较高的摩擦学再结合摩擦学行

18、为的模型，就可以建立级别较高的摩擦学系统的状态方程，从而对于系统在时间历程中的变化（状系统的状态方程，从而对于系统在时间历程中的变化（状态变化和结构变化）作出量的预测，同时可以由求解输出态变化和结构变化）作出量的预测，同时可以由求解输出方程确定上述变化对环境的影响。方程确定上述变化对环境的影响。 当变化和输出已经获得，就能据此对某一方案设计所做的当变化和输出已经获得，就能据此对某一方案设计所做的选择作出评估。如果有一个以上的方案平行进行分析，就选择作出评估。如果有一个以上的方案平行进行分析，就可以通过寻优获得最佳方案。可以通过寻优获得最佳方案。 如果从摩擦学系统设计得到的最佳方案，与由结构设计

19、或如果从摩擦学系统设计得到的最佳方案，与由结构设计或热力学流程设计等其他方面的设计，所做出的选择发生矛热力学流程设计等其他方面的设计，所做出的选择发生矛盾，这就要从全局最优的目标出发作出决策。盾，这就要从全局最优的目标出发作出决策。原则是原则是局部局部最优服从全局最优。最优服从全局最优。 2.分析的方法分析的方法摩擦学行为的系统分析是在系统论的指导下，以摩擦学理论知识为基础，摩擦学行为的系统分析是在系统论的指导下，以摩擦学理论知识为基础，灵活运用已有的分析方法对摩擦学系统进行分析，以获得最佳设计方案的灵活运用已有的分析方法对摩擦学系统进行分析，以获得最佳设计方案的分析过程。分析过程。对于机械系

20、统，常用的系统分析方法有以下几种：对于机械系统，常用的系统分析方法有以下几种：黑箱切割法黑箱切割法 也称系统撕裂法。就是把模型切割成较小的单元，使系统也称系统撕裂法。就是把模型切割成较小的单元，使系统与它周围的介质分开，然后汇集所有的输入和输出，识别系统的元素，表与它周围的介质分开，然后汇集所有的输入和输出，识别系统的元素，表明各元素之间的相互关系和相互作用，确定有关元素的性能。明各元素之间的相互关系和相互作用，确定有关元素的性能。黑箱法黑箱法 从系统外部可以把系统看作是有输入和输出的黑箱，技术功能从系统外部可以把系统看作是有输入和输出的黑箱，技术功能表示输入和输出之间的关系，用传递函数表示它

21、们之间的数量关系。用黑表示输入和输出之间的关系，用传递函数表示它们之间的数量关系。用黑箱法可以确定出系统的输入、有用输出、损耗输出和干扰因素之间的数量箱法可以确定出系统的输入、有用输出、损耗输出和干扰因素之间的数量关系。这种方法在摩擦学系统分析中的应用愈来愈受到人们的重视。关系。这种方法在摩擦学系统分析中的应用愈来愈受到人们的重视。 灰箱法灰箱法 认为系统内部相当一部分因素的性质和相互作用认为系统内部相当一部分因素的性质和相互作用是已知的，在黑箱分析过程中在把这些已知因素给以考虑。是已知的，在黑箱分析过程中在把这些已知因素给以考虑。 键图法键图法 是把工程系统用给定空间区域内的多端网络构成是把

22、工程系统用给定空间区域内的多端网络构成来表示，用来表示，用ENPORT计算机程序从适当的键图模型和规定的计算机程序从适当的键图模型和规定的扰动直接提供动态响应，而不需要预先明确地列出状态方程。扰动直接提供动态响应，而不需要预先明确地列出状态方程。这种方法在摩擦学系统分析中，只能用于磨损的稳态模型分这种方法在摩擦学系统分析中，只能用于磨损的稳态模型分析。析。 在摩擦学系统分析中，一般系统的各种分析方法也可以根据在摩擦学系统分析中，一般系统的各种分析方法也可以根据需要加以选用，并与上述方法配合使用。所以说，摩擦学系需要加以选用，并与上述方法配合使用。所以说，摩擦学系统分析并不是另外搞一套方法，而是

23、尽可能利用已有的分析统分析并不是另外搞一套方法，而是尽可能利用已有的分析方法，在系统论指导下处理好这些方法联合使用时的关系。方法，在系统论指导下处理好这些方法联合使用时的关系。 二、摩擦学系统分析内容二、摩擦学系统分析内容 1.摩擦磨损过程的分析摩擦磨损过程的分析上面已经提到，一台机器或装置中所上面已经提到，一台机器或装置中所有摩擦副和支持子系统的集合，构成有摩擦副和支持子系统的集合，构成了摩擦学系统。对于摩擦副这样的子了摩擦学系统。对于摩擦副这样的子系统进行系统分析，首先是将一台机系统进行系统分析，首先是将一台机器或装置中需要进行摩擦学研究或试器或装置中需要进行摩擦学研究或试验的对象以适当的

24、方式与其它与摩擦验的对象以适当的方式与其它与摩擦学特性无关的构件分隔开；将对象所学特性无关的构件分隔开；将对象所有参与摩擦磨损过程的材料表示为系有参与摩擦磨损过程的材料表示为系统的元素，并把它放在系统框图中，统的元素，并把它放在系统框图中，建立摩擦学系统的分析系统，如建立摩擦学系统的分析系统，如图图6-4所示所示。例如，用这种方法来描述齿轮传例如，用这种方法来描述齿轮传动装置，如图动装置，如图65所示。所示。输入转速输入转速n1，转矩，转矩M1输出转速输出转速n2，转矩，转矩M2通过齿轮传动装置这一摩擦学系通过齿轮传动装置这一摩擦学系统的结构实现的。这个系统的元统的结构实现的。这个系统的元素包

25、括两个齿轮、润滑介质和空素包括两个齿轮、润滑介质和空气。气。例如一个滑动轴承，由轴、轴瓦、润滑介质和气氛组成。输入量从外部影例如一个滑动轴承，由轴、轴瓦、润滑介质和气氛组成。输入量从外部影响摩擦学系统的结构，并决定摩擦学系统的工作变量响摩擦学系统的结构，并决定摩擦学系统的工作变量(负荷集负荷集)，它通过摩擦，它通过摩擦学系统的结构向有用输出转化。同时，摩擦磨损作为损耗量被输出。学系统的结构向有用输出转化。同时，摩擦磨损作为损耗量被输出。这些元素有着各自的性能，其中齿轮由具有给定力学、物理和化学性能的这些元素有着各自的性能，其中齿轮由具有给定力学、物理和化学性能的材料制成并处于图示的状态。润滑介

26、质具有一定的粘度并在必要时加入特材料制成并处于图示的状态。润滑介质具有一定的粘度并在必要时加入特殊的极压添加剂。通过传动过程，齿轮之间以及齿轮与润滑剂之间产生相殊的极压添加剂。通过传动过程，齿轮之间以及齿轮与润滑剂之间产生相互作用。互作用。这些相互作用可以是润滑剂中的添这些相互作用可以是润滑剂中的添加剂与齿面之间的摩擦化学反应，加剂与齿面之间的摩擦化学反应，并由此形成起保护作用的反应模；并由此形成起保护作用的反应模；也可以由于持久的交变机械应力作也可以由于持久的交变机械应力作用而引起点蚀。如果润滑膜遭到破用而引起点蚀。如果润滑膜遭到破坏，最严重的后果是导致粘着失效，坏，最严重的后果是导致粘着失

27、效，也就是所谓的也就是所谓的“胶合胶合”。传动过程。传动过程中，摩擦和磨损作为损耗量出现。中，摩擦和磨损作为损耗量出现。由于磨损，齿轮的尺寸发生变化，由于磨损，齿轮的尺寸发生变化，从而导致齿轮的形状特性和整个摩从而导致齿轮的形状特性和整个摩擦学系统结构的改变。于是，传动擦学系统结构的改变。于是，传动装置的功能将逐渐降低，而且当齿装置的功能将逐渐降低，而且当齿轮轮“胶合胶合”时，传动装置将会突然时，传动装置将会突然失效。失效。 2.润滑状态分析润滑状态分析润滑是用以控制摩擦和减少磨损的主要手段。不同的润滑状态，就会有不润滑是用以控制摩擦和减少磨损的主要手段。不同的润滑状态，就会有不同的摩擦阻力和

28、不同的磨损规律，其它许多派生的过程也会完全不同。由同的摩擦阻力和不同的磨损规律，其它许多派生的过程也会完全不同。由此润滑状态分析常常是其它摩擦学特性分析的基础，一般先行进行分析。此润滑状态分析常常是其它摩擦学特性分析的基础，一般先行进行分析。在方案设计时，正确选择润滑在方案设计时，正确选择润滑状态是十分重要的，这是系统能状态是十分重要的，这是系统能否可靠而经济地实现运动保证功否可靠而经济地实现运动保证功能的关键。因为各种润滑状态下能的关键。因为各种润滑状态下润滑剂的作用机理差别很大，其润滑剂的作用机理差别很大，其分析方法也完全不同。在系统分分析方法也完全不同。在系统分析时，先要对方案设计中所采用析时，先要对方案设计中所采用的润滑状态由核算或试验加以确的润滑状态由核算或试验加以确认，然后才能选取相应的分析方认，然后才能选取相应的分析方法。润滑状态可根据法。润滑状态可根据Stribeck曲曲线来判定，如图线来判定，如图6-6所示。所示。这条曲线给出了主要几种润滑状态的基本描述，它使用于以油作润滑这条曲线给出了主要几种润滑状态的基本描述，它使用于以油作润滑剂的情况。曲线的纵坐标是摩擦系数剂的情况。曲线的纵坐标是摩擦系数，横坐标是一个与系统特性有关，横坐标是一个与系统特性有关的参数组合，称为状态系数的参数组合，称为状态系数G，其关系表达式如下：，其关系表达