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机械运行与维修

微动磨损理论

作者：朱旻昊，蔡振兵，周仲荣

出版社：科学出版社出版时间：2021-11-01

开本：其他页数： 380

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微动磨损理论版权信息

ISBN：9787030572196
条形码：9787030572196 ; 978-7-03-057219-6
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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机械运行与维修

微动磨损理论内容简介

微动是指紧配合或间隙配合部件在各种振动环境（如机械振动、电磁振动、冷热循环、流致振动、人体运动等）下，接触界面间发生极小幅度的相对运动，其幅值通常在微米量级。微动可导致配合部件间的材料磨损，引发咬合、松动、界面污染、振动噪声增加等现象，也可导致零部件局部疲劳裂纹萌生与扩展，使服役寿命显著低于常规疲劳。飞行器、载运工具、医学植入器件、核能装置、海洋工程装备、武器系统等领域大量的工程案例的失效主要原因都指向微动损伤，由于这种事故事先没有明显的征兆且不易被发现,且往往造成灾难性的后果，所以微动损伤被称为“现代工业的癌症”。

微动磨损理论目录

目录
第1章绪论 1
1.1 微动摩擦学概述 1
1.1.1 微动摩擦学的相关概念 1
1.1.2 微动摩擦学的分类 3
1.1.3 微动的运动状态及其力学分析 4
1.2 微动磨损理论的发展 16
1.2.1 微动磨损的发展过程 16
1.2.2 微动磨损的早期理论 18
1.2.3 微动运动调节机理和三体理论 21
1.2.4 微动图理论 23
1.3 微动磨损的试验模拟 25
1.3.1 微动磨损试验装置的发展现状 25
1.3.2 微动驱动方式的对比 28
1.3.3 微动磨损试验系统的发展趋势 29
1.4 微动摩擦学理论体系 29
参考文献 30
第2章工业领域的典型微动损伤现象 36
2.1 各种可拆分式联接 37
2.1.1 螺纹联接 37
2.1.2 铆接 41
2.1.3 销联接 42
2.1.4 卡扣联接 43
2.2 过盈配合 44
2.2.1 轮轴配合 44
2.2.2 其他过盈配合 47
2.3 各种紧配合 48
2.3.1 榫槽配合 48
2.3.2 键配合与花键配合 50
2.3.3 紧固与夹持配合 52
2.4 间隙配合 53
2.4.1 蒸汽发生器传热管 53
2.4.2 控制棒驱动机构 55
2.4.3 接触网定位钩/钩环结构 56
2.5 回转配合 57
2.5.1 销轴 57
2.5.2 心盘 58
2.5.3 球窝接头 58
2.5.4 球阀 60
2.5.5 人工关节 61
2.6 弹性支撑机构 62
2.6.1 燃料组件的弹性支撑 62
2.6.2 扣件系统 63
2.7 柔性机构 64
2.7.1 钢缆 64
2.7.2 电缆 66
2.7.3 接触网柔性机构 68
2.7.4 海底复合管缆 70
2.8 电接触部件 71
2.9 运输过程中防护不当的零部件 74
参考文献 75
第3章切向微动磨损及微动图理论 80
3.1 切向微动磨损试验方法 80
3.1.1 接触模式 80
3.1.2 切向微动磨损试验装置 81
3.2 运行工况微动图 83
3.2.1 摩擦力-位移幅值曲线 83
3.2.2 微动区域的定义 86
3.2.3 微动区域的影响因素 91
3.2.4 运行工况微动图分析 99
3.3 材料响应微动图 100
3.3.1 表面磨损 100
3.3.2 微动裂纹 102
3.3.3 材料响应微动图分析 104
3.4 微动磨损与微动疲劳 106
3.4.1 微动疲劳条件下的微动图 106
3.4.2 微动磨损与微动疲劳的关系 107
参考文献 109
第4章径向微动磨损 110
4.1 力学分析 111
4.1.1 径向微动磨损的弹性力学分析 111
4.1.2 Hertz弹性接触理论的局限性 113
4.2 径向微动磨损的实现 114
4.2.1 径向微动磨损模式分析 114
4.2.2 径向微动磨损试验装置 114
4.2.3 两种径向微动磨损试验的模拟 115
4.2.4 微滑产生的条件 117
4.3 径向微动磨损的运行机理 120
4.3.1 载荷-位移幅值曲线 121
4.3.2 位移随循环周次的变化 128
4.3.3 加载速度的影响 129
4.3.4 表面粗糙度的影响 130
4.4 径向微动磨损的损伤机理 131
4.4.1 Fe-C合金 131
4.4.2 2091Al-Li合金 133
参考文献 135
第5章扭动微动磨损 136
5.1 扭动微动磨损的实现 137
5.1.1 扭动微动模式分析 137
5.1.2 扭动微动磨损的试验装置 139
5.1.3 扭动微动的实现及相关参数 141
5.2 扭动微动磨损的运行行为 143
5.2.1 摩擦扭矩-角位移幅值曲线 143
5.2.2 摩擦扭矩时变曲线 144
5.2.3 摩擦耗散能的变化 149
5.2.4 接触刚度的变化 151
5.2.5 扭动微动磨损的区域特性 152
5.2.6 扭动微动磨损的运行工况微动图 155
5.3 扭动微动磨损的损伤机理 156
5.3.1 磨痕形貌及损伤的影响因素 156
5.3.2 材料响应微动图的建立 162
5.3.3 扭动微动磨损的损伤机制和物理模型 163
5.4 不同材料的扭动微动磨损 165
5.4.1 铝合金 165
5.4.2 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 171
5.4.3 超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 180
参考文献 183
第6章转动微动磨损 186
6.1 转动微动磨损的实现及试验装置 186
6.2 转动微动磨损的运行行为 186
6.2.1 摩擦力-角位移幅值曲线 186
6.2.2 运行工况微动图的建立 190
6.2.3 摩擦系数时变曲线 191
6.2.4 摩擦耗散能的变化 193
6.3 转动微动磨损的损伤机理 195
6.3.1 试验参数对转动微动磨损的影响 195
6.3.2 接触方式对转动微动磨损的影响 201
6.3.3 材料性质对转动微动磨损的影响 212
参考文献 220
第7章双向复合微动磨损 221
7.1 双向复合微动磨损的实现 221
7.1.1 双向复合微动磨损的试验装置 222
7.1.2 双向复合微动试验 225
7.2 双向复合微动磨损的运行机理 228
7.2.1 准梯形型F-D曲线 228
7.2.2 椭圆型F-D曲线 234
7.2.3 直线型F-D曲线 237
7.3 双向复合微动磨损的损伤过程 238
7.3.1 阶段Ⅰ的损伤 238
7.3.2 阶段Ⅱ的损伤 240
7.3.3 阶段Ⅲ的损伤 243
7.3.4 小结 247
7.4 双向复合微动磨损的损伤机理 248
7.4.1 微动模式转变 248
7.4.2 位移协调机制和物理模型 250
7.4.3 从切向微动到复合微动，再到径向微动 253
参考文献 254
第8章扭转复合微动磨损 255
8.1 扭转复合微动磨损的实现 255
8.1.1 扭转复合微动的试验装置 255
8.1.2 试验过程中动态力学特性获取及其复合过程分析 257
8.2 扭转复合微动磨损的运行行为 259
8.2.1 切向力-角位移幅值曲线 259
8.2.2 材料运行微动图的建立 262
8.2.3 等效摩擦系数时变曲线 265
8.2.4 摩擦耗散能的变化 266
8.3 扭转复合微动磨损的损伤机理 269
8.3.1 两种复合微动磨损的典型形貌对比 269
8.3.2 磨痕形貌及损伤的影响因素 270
8.3.3 微动磨损模式的转变 275
8.4 扭转复合微动条件下的局部疲劳与磨损行为 280
8.4.1 微动运行区域的影响 280
8.4.2 微动分量控制程度对疲劳裂纹行为的影响 286
8.5 两类不同的局部隆起 289
8.5.1 两类隆起的形貌特征 289
8.5.2 两类隆起的影响因素 290
8.5.3 两类隆起的硬度和化学成分分布特性 290
8.5.4 两类隆起的形成机理 292
参考文献 293
第9章微动白层 295
9.1 摩擦学白层研究中的争论 295
9.1.1 摩擦学白层的特征 296
9.1.2 白层的形成条件 298
9.1.3 白层的形成机制 299
9.1.4 白层对磨损过程的影响 301
9.2 摩擦学白层的*新研究进展 302
9.2.1 磨屑层与白层的区别 303
9.2.2 摩擦学白层的纳米结构 303
9.2.3 摩擦学白层的化学成分 304
9.2.4 摩擦学白层的力学性能 305
9.2.5 轮轨摩擦学白层 308
9.3 微动白层的形成 313
9.3.1 切向微动磨损的白层 314
9.3.2 扭动微动磨损的白层 316
9.3.3 径向微动磨损的白层 318
9.3.4 双向复合微动磨损的白层 319
9.3.5 扭转复合微动磨损的白层 320
9.3.6 微动白层的形成条件 323
9.4 微动白层的演变和对材料损伤过程的影响 324
参考文献 327
第10章微动磨损理论及其应用 333
10.1 微动磨损理论综述 333
10.2 微动磨损的防护准则 344
10.2.1 消除滑移区和混合区 345
10.2.2 增加接触表面强度 346
10.2.3 降低摩擦系数 346
10.2.4 材料的选用和匹配 347
10.3 抗微动磨损的表面工程设计方法及范例 348
10.3.1 表面工程设计方法 348
10.3.2 实际问题的分析方法 351
10.3.3 连杆与连杆盖齿形配合面损伤机理分析(案例失效分析) 352
10.3.4 连杆齿形配合面表面工程设计 358
参考文献 365

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微动磨损理论节选

第1章绪论　　1.1 微动摩擦学概述　　1.1.1 微动摩擦学的相关概念　　微动(fretting)是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动、流致振动或热循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的振幅极小的相对运动(位移幅值通常为微米量级)[1，2]，该接触表面通常名义上是“静止的”，即微动发生在“紧固”配合(也可能是间隙配合)的机械部件中。因此，微动摩擦学是研究微动的运行机理、损伤机制、测试、监控、预防和安全评估的一个学科分支，它是一门日益发展的新兴交叉学科，涉及的学科广泛，如机械学、材料学、力学、物理学、化学，甚至生物医学、电工学等。　　微动是一种不同于滑动和滚动的摩擦运动方式，其特点是具有高隐蔽性和危害性，主要表现如下。　　(1)近似原位接触，表面损伤区无法直接观察或检测；　　(2)损伤过程不伴随明显的摩擦热，难以被及时探测或预测；　　(3)其损伤机制复杂，涉及黏着、磨粒、氧化和疲劳四种基本磨损机制；　　(4)与滚动和滑动不同，磨屑形成过程的氧化过程和产物不同。　　虽然微动的相对运动幅度很小，但其造成的材料损伤是严重的，通常称为微动损伤，表现为两种基本形式[3-5]。　　(1)微动导致的磨损：微动可以造成接触面间的表面磨损(图1-1(a))，产生材料损失和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动、功率损失、振动噪声增加或形成污染源。　　(2)微动导致的疲劳：微动可以加速裂纹的萌生与扩展(图1-1(b)和(c))，使构件的疲劳寿命大大缩短，微动疲劳极限甚至可低至材料常规疲劳极限的1/5～1/3。往往此损伤形式的危险性和危害性更大，甚至可造成一些灾难性的事故。　　实际上，许多设计、工艺和维修人员在实践中都曾遇到各种微动损伤，由于其高隐蔽性，或者对其不够了解和认识，可能出现一些误判。在工程实际中，一般可通过如下4个步骤判断是否发生了微动损伤。　　(1)判断是否有振动源或承受交变载荷，电磁作用、噪声、冷热循环和流致振动等外加作用也可产生振动而导致微动；而实际的工程问题中，外加载荷往往是多种形式的叠加。这是微动发生的内因。　　图1-1 微动导致的磨损与微动导致的疲劳之典型损伤形貌　　(2)判断损伤是否发生在名义上静止的紧配合界面上，当然微动也可发生于间隙配合面间。　　(3)判断是否存在微动损伤的表面形貌。其相对滑动的痕迹可作为判断的重要依据，一般可参照同一部件的其他部分，检查局部的表面形貌和轮廓变化，如粗糙度、塑性变形、划痕、表面和亚表面裂纹等。　　(4)判断磨屑的特征。普通的铁锈成分为α-Fe3O4 H2O，具有层状结构，较易分散，而钢的微动磨屑为棕红色α-Fe2O3(干态无润滑时)，比普通铁锈鲜艳得多，磨屑明显不同于黑色的滑动磨损产物，这是由于磨屑难以排出微动接触界面，磨屑反复碾碎而细化、氧化，磨屑中观察不到金属颗粒。对于铝合金和钛合金等有色金属，磨屑往往呈黑色(而通常的氧化铝为白色)。　　1.1.2 微动摩擦学的分类　　在微动摩擦学领域，习惯上将微动分为三类(图1-2)[5]。　　(1)微动磨损(fretting wear)：通常是指接触表面的相对位移是由接触副外界振动引起的微动，接触副本身只承受局部接触载荷，或承受固定的预应力，如图1-2(a)所示。　　(2)微动疲劳(fretting fatigue)：是指接触表面的相对位移是由接触副承受外界的交变疲劳应力引起的变形而产生的微动，如图1-2(b)所示。　　(3)微动腐蚀(fretting corrosion)：是指在电解质或其他腐蚀介质(如海水、酸雨、腐蚀性气氛等)中发生的微动。微动过程都有腐蚀发生，但这时腐蚀作用占优势，如图1-2(c)所示。　　图1-2 微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀示意图　　P-法向压力；D-位移幅值；σ(t)-交变应力　　需要指出的是，微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀并不是三种损伤机制，而只是微动的三种类型，损伤机制只有两种，即微动导致的表面磨损和疲劳。换一种说法，可描述为：微动损伤是微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀造成的材料表面磨损和疲劳的统称；而微动的分类是基于形成的原因给出的。　　在国内对微动现象也曾使用过很多名词，如“咬蚀”“震蚀”“磨蚀”“微振磨蚀”“微振磨损”等，这些称呼与国际习惯不接轨，建议根据微动的工况条件和形成原因使用微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀等名词。　　实际工程问题的微动现象往往是比较复杂的，从接触副相对运动的关系来说，就存在十分复杂的运动形式。球/平面接触是研究中*常采用的接触模型，以此为例，按不同的相对运动方向，微动可分为四种基本运行模式[4，5](图1-3)：①切向微动，或称平移式微动；②径向微动；③转动微动；④扭动微动。后三类微动形式虽然在工业中也经常出现，但研究报道却相对较少，大概不足10%。而综合两种或两种以上的微动模式的研究，即复合模式的微动(简称复合微动)，因其问题复杂性大大增加，研究更是少见。　　在核反应堆的微动损伤研究中，国外一些学者习惯将在径向存在微幅冲击的运动称为冲击微动(见2.4节)[6-8]，实际上这是一种微幅冲击与切向微动复合的复杂微动，与之相对应，也有学者将切向微动称为摩擦微动，但这不为大多数学者所接受。对于电接触领域，因电磁振动导致的微动，国际上通常称为电接触微动(见2.8节)。　　图1-3 微动运行的四种基本模式示意图　　P-法向压力；D-位移幅值；Ω-角度振幅　　1.1.3 微动的运动状态及其力学分析　　1.微滑的产生　　摩擦是两接触副相对运动时所发生的重要物理现象，一个物体置于平面上，其顶部施加法向压力P后，在与界面平行的方向上施加切向力T，如图1-4(a)所示，同时存在摩擦力Ff与之达到平衡。如图1-4(b)所示，当施加的切向力从0线性地增加到Tmax时，此期间相对速度为0，物体仍处于静止状态，此现象为“静摩擦”；一旦切向力超过Tmax，相对速度在很短的加速过程中沿接触面从0增加到一个稳定的滑动速度。物体加速所需要的力超过了原来施加的切向力；此后，达到相对稳定的滑动速度，切向力降到常数值Tdyn，此现象称为“动摩擦”。Coulomb的试验证明了*大静摩擦力在运动开始时与接触面积无关，而与法向压力成正比[9]，所以静摩擦系数可以定义为　　(1-1) 　　对给定的摩擦系统该比值是常数，因此摩擦黏着(sticking)的条件为：T＜μs P。在滑动条件下，摩擦力为常数，同样可以定义动摩擦系数为　　(1-2) 　　对于球/平面接触，因接触压力是非均匀的，情形与上述平面/平面接触有所不同。可以把球/平面接触看成由一系列无限小的平面单元组成，而法向压力的大小则由压力分布确定，如图1-5所示。如果假设切向力是常数，在接触区外部，单元法向载荷小，已经处于滑动状态，而内部单元法向载荷大，仍处于黏着状态。因此，每个单元的摩擦力不同，有的单元处于静摩擦，而有的单元处于动摩擦。摩擦力的总和与施加的切向力相平衡。这就是接触中心黏着，而接触边缘发生微滑(micro-slip)的现象。因此，微滑产生的条件为：T＜μ P。　　图1-4 平面/平面接触摩擦模型示意图　　图1-5 球/平面接触的摩擦力分布示意图　　在微动条件下，相对运动存在两种情况：**种情况，接触中心黏着而接触边缘存在微滑，习惯称为部分滑移(partial slip)；第二种情况，两接触体各点之间均发生相对滑移，习惯上称为完全滑移(gross slip)。因此，微动摩擦学就是研究接触副处于部分滑移和完全滑移，以及两者转化或交替变化的摩擦行为的学科分支。　　2.完全滑移　　1)切应力分布　　若施加在球上的法向压力为P，根据Hertz(赫兹)理论，接触区Hertz半径a为[10] 　　(1-3) 　　(1-4) 　　式中，R是球的半径；Ei和是不同接触材料的杨氏弹性模量和泊松比。　　如果切向力达到极限摩擦力(T=μ P)，两个接触体将处于完全滑移状态。此时，切向力T(t)可描述为振幅为2Tmax的交变循环载荷(图1-6(a))，切向力从0增至Tmax，当达到Tmax时，接触载荷沿x方向滑动的位移；切向力从Tmax变到-Tmax，载荷被固定不动，一旦达到-Tmax，则接触载荷沿x的反向滑动的位移。根据Hertz理论，各阶段切应力分布(图1-6(b))由式(1-5)～式(1-7)给出[11]：　　(1-5) 　　式中，c是T的函数：　　(1-6) 　　式中，是接触中心*大压力：　　(1-7)

微动磨损理论作者简介

朱旻昊，西南交通大学首席教授，博导。国家杰出青年科学基金获得者、“”特聘教授、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家“百千万人才工程”入选者、全国很好博士论文获得者、教育部创新团队带头人。从事微动摩擦学研究二十余年，担任靠前微动疲劳专题委员会（International Symposium on FrettingFatigue）的靠前执委。曾获得国家自然科学奖二等奖；主持国家自然科学基金重大仪器专项、国家杰出青年科学基金、面上项目等纵向项目10余项；发表论文400余篇；获国家发明20余项。

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