摩擦学设计PPT之第6章：摩擦学系统分析

摩擦学设计第六章摩擦学系统分析

AnalysisofTriboligicalSystem6.1.摩擦学系统一、摩擦学系统的定义1、系统定义：系统是指相互之间具有有机联系、相互作用、相互依赖的若干组成部分（可以是环节、元素或部件）结合而成，并具有特定功能的有机整体。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、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。2、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：摩擦学系统是由具有特定功能的机械系统或其他自然系统抽象而成的、由摩擦学元素构成的、用以研究摩擦学元素的行为结果的系统。6.1.摩擦学系统二、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。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系统的集合构成了一个摩擦学系统，如图6—1所示。6.1.摩擦学系统摩擦学系统摩擦副１摩擦副２摩擦副n…润滑子系统状态监测与故障诊断状态补偿与控制子系统图6-1摩擦学系统的构成6.2.摩擦学系统的描述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进行摩擦学研究或试验的对象以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。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、力的传递以及物质、能量和信息的流动，摩擦学系统符号如图6—2所示。图6-2摩擦学系统符号摩擦学系统符号１．摩擦学行为５．系统框２．施加载荷３．能流或物流４．信息流6.2.摩擦学系统的描述摩擦学系统的描述就是用上述符号建立起系统的框图，即系统框图法。左边是描述摩擦学系统所使用的符号及其意义；右边是描述膨胀机转子轴承摩擦学系统的系统框图。用系统框图来描述摩擦学系统是因为，摩擦学系统中各元素之间的关系十分复杂，难以用数学表达式来描述。对于那些可以用数学方法描述的系统，尽可能采用数学描述方法。

图6-3摩擦学系统系统框图6.3.摩擦学系统的特征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时变特征，是一个时变系统。具体表现为：①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质；相对运动使某些润滑油的粘度下降等等。②运行参数使系统的结构参数变化。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。③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；气氛不同将影响表面膜的组成、结构和性质等等。④维护管理使系统的结构参数发生跃变。这是摩擦学系统的独具特点。6.3.摩擦学系统的特征在系统生成后，运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变化的规律，维护水平则决定跃变的方向和程度。摩擦学系统的时变特征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。6.3.摩擦学系统的特征另一方面，摩擦学系统还具有空间特征。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，综合考虑各个方面的因素。6.4.摩擦学系统的系统分析一、步骤与方法1.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。摩擦学系统分析的基本内容和一般步骤，如图6—3所示。图6-4摩擦学系统系统分析的步骤产生设计方案作系统方块图确定分析范围与元素分析各元素间摩擦学行为为简单系统建模分析力，运动，物质，信息及能量传递分析各种行为与各部分行为的耦合分析环境对力，运动，物质，信息及能量传递的影响为环境对系统的输入建模建立系统状态方程求解状态方程与输出方程结果最优？与其他结果最优矛盾？打印结果修改或更换方案是是否否6.4.摩擦学系统的系统分析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6—3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：①目标系统的分析与选定；②系统的模型化；③系统最优化；④对解的评价。6.4.摩擦学系统的系统分析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。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，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，则是反映各个子系统之间行为的耦合。6.4.摩擦学系统的系统分析如果在分析中，能够对各种耦合作出比较全面的定量描述，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。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盾，这就要从全局最优的目标出发作出决策。原则是局部最优服从全局最优。6.4.摩擦学系统的系统分析2.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，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。对于机械系统，常用的系统分析方法有以下几种：①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。②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。6.4.摩擦学系统的系统分析③灰箱法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。④键图法是把工程系统用给定空间区域内的多端网络构成来表示，用ENPORT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。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。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。6.4.摩擦学系统的系统分析二、摩擦学系统分析内容1.摩擦磨损过程的分析上面已经提到，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，首先是将一台机器或装置中需要进行摩擦学研究或试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，建立摩擦学系统的分析系统，如图6-4所示。6.4.摩擦学系统的系统分析例如，用这种方法来描述齿轮传动装置，如图6—5所示。输入转速n1，转矩M1输出转速n2，转矩M2通过齿轮传动装置这一摩擦学系统的结构实现的。这个系统的元素包括两个齿轮、润滑介质和空气。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)，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。6.4.摩擦学系统的系统分析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互作用。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，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，也就是所谓的“胶合”。传动过程中，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，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，传动装置的功能将逐渐降低，而且当齿轮“胶合”时，传动装置将会突然失效。6.4.摩擦学系统的系统分析2.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。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认，然后才能选取相应的分析方法。润滑状态可根据Stribeck曲线来判定，如图6-6所示。6.4.摩擦学系统的系统分析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μ，横坐标是一个与系统特性有关的参数组合，称为状态系数G，其关系表达式如下：G=ηU/Pm（6-1）式中：η—润滑油粘度（Pa.s）；

U—两表面相对运动速度（m/s）；

Pm—摩擦表面上的平均压力，（Pa）。当h＝0时，为干摩擦状态；当0＜h＜R时，为边界润滑状态；当h≈R时，为混合润滑状态；当R<<h时，流体润滑状态，在这种状态下，摩擦系数随状态系数G的增加而增加。6.4.摩擦学系统的系统分析3.磨损分析磨损的发展时间历程与摩擦副的润滑状态有密切关系，不同的润滑状态下有不同的磨损规律。磨损分析主要解决两方面的问题。（1）获得系统在某种稳定润滑状态下的磨损规律，这种量的估计对于确定系统或子系