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

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《結(jié)構(gòu)設(shè)計》課題設(shè)計 題目：1）提高強(qiáng)度和剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2）提高耐磨性的結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 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 1、改善潤滑條件 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 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計包括兩種 : 一是應(yīng)用新技術(shù) 、 新方法開發(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)理論與實踐經(jīng)驗的橋梁 ; 是正確進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提 ; 同時也是從事科研活動 、 將力學(xué) 、 材料 、 工藝 、 制圖等多學(xué)科知識綜合運(yùn)用的過程 。機(jī)械結(jié)構(gòu)形式雖然千差萬別 , 但其功能的實現(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)計中 , 根據(jù)力學(xué)理論對零件的強(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 。改善力學(xué)性能在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理地運(yùn)用力學(xué)知識 , 遵循以下幾個原則 : 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 。 這些載荷中不隨時間變化或隨時間變化緩慢的稱為靜載荷 。 隨時間作周期性變化或非周期性變化的稱為變載荷 。 它們在零件中引起拉 、 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承擔(dān) 。設(shè)計時采取一定的結(jié)構(gòu)形式 , 將載荷分給兩個或多個零件來承擔(dān) , 從而減輕單個零件的載荷 , 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)過軸將轉(zhuǎn)矩傳遞給卷筒 , 則軸為轉(zhuǎn)軸 ( 工作時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)動心軸 ( 用來支承轉(zhuǎn)動零件 , 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 。 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)果會使螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸增大 。 此外 , 在振動 、 沖擊或變載荷下 , 摩擦系數(shù)的變動 , 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 , 可以通過在結(jié)構(gòu)上均勻分布載荷的方法 , 來提高結(jié)構(gòu)承載能力 。 設(shè)計時盡量避免集中載荷 , 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)過簡單的受力分析可知 , 受集中力的簡支梁在 C 點(diǎn)所受彎矩如圖 a) 比受均布力的簡支梁在 C 點(diǎn)所受彎矩如圖 b) 大了一倍 , 所以圖 3 - b 簡支梁的強(qiáng)度要好于圖 3 - a 。 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 。 三 、 載荷平衡原則 在力的傳遞過程中 , 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)動的慣性力等 , 這些對結(jié)構(gòu)功能毫無作用的附加力 , 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)計時使其在同一零件內(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)量相對于回轉(zhuǎn)中心盡量對稱分布 。 通過對回轉(zhuǎn)件在動平衡機(jī)做動平衡實驗 , 測出并消除超出允許值的不平衡質(zhì)量 。做往復(fù)運(yùn)動的機(jī)械 , 如連桿機(jī)構(gòu) , 可在設(shè)計中采取結(jié)構(gòu)措施和動平衡的方法 , 使其在運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生盡可能小的慣性力 。 四 、 減小應(yīng)力集中原則 對承受交變應(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)計時將突變的截面改為平緩過渡形式 ( 采用過渡圓角結(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 。 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)計時還要注意避免多個應(yīng)力集中源疊加 。 如圖 7 所示的軸結(jié)構(gòu)中臺階和鍵槽端部都會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 。 五 、 提高剛度原則 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時 , 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 。 但總的來說要注意以下幾點(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 一個零件和另一個零件相接觸 , 當(dāng)在接觸處難以同步變形時 , 零件間在接觸區(qū)域里應(yīng)力會急劇上升 , 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 。 七 、 等強(qiáng)度原則 一般機(jī)械設(shè)計中的強(qiáng)度要求是通過零件中最大工作應(yīng)力等于或小于材料許用應(yīng)力來滿足 , 為了充分利用材料 ,最理想的設(shè)計是應(yīng)力處處相等 , 同時達(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)度原則來設(shè)計的 。 比如 , 搖臂鉆的橫臂 AB , 汽車用的板簧和階梯軸等 ( 見圖 9) 。 　 八 、 其他設(shè)計原則 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 , 因為封閉形狀比開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)計準(zhǔn)則 提高剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(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)過大的變形會破壞結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的正常工作,從而可能導(dǎo)致產(chǎn)生過大的應(yīng)力; 2)過大的變形也可能破壞載荷的均衡分布,使產(chǎn)生大大超過正常數(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)動副的摩擦與磨損。 4)受動載荷作用的固定連接的剛度不夠,會導(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) 一個零件、一個結(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)床的滑臺與床身導(dǎo)軌、滾動支承中的滾動體與其支承零件之間) 3)動壓或靜壓滑動軸承的油膜(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度l 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、壓時為斷面積A 彎曲時是斷面的慣性矩J 扭轉(zhuǎn)時是斷面的極慣性矩Jp 斷面的尺寸和形狀對剛度的影響最大。 3.變形體的線性尺寸長度l 4.載荷及支承形式 載荷:集中載荷或分布載荷 支承:鉸支或插入端等。 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,避免對剛度不利的受載形式準(zhǔn)則 3)合理設(shè)計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。 如圖所示之簡支架(受彎曲)可以用鉸支的三角桁架或弓形梁(受壓縮)代替。 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?、壓? 2、合理布置支承準(zhǔn)則 支承條件對零件或系統(tǒng)的剛度有明顯的影響,且常與對彎曲強(qiáng)度的影響同時存在。 圖示三種不同支承條件最大彎矩Mmax和最大撓度fmax有顯著的差別。 3、合理設(shè)計斷面形狀準(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,按表抗彎慣性矩小很多。 不同截面形狀的慣性矩比較 例:合理設(shè)計肋的形狀 肋的形式主要有兩種,即井字肋與米字肋。模型實驗和計算結(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)計肋的形狀 梁受扭矩時,梁有兩個角向上動,兩個角向下動,各在四邊形的一個對角線的兩端。 這對于米字肋的肋板產(chǎn)生彎曲作用,而對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2-8 。 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,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 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，更換材料或 改變材料等級（如玻纖含量更高）是 可行的，但是這種方法通常不實用 （不同的收縮值）或不經(jīng)濟(jì)。 增加截面性能（即轉(zhuǎn)動慣量）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)地會增加制件的重量 和成本。 ? 增加厚度的面積相應(yīng)地會延長冷卻 時間。 如果制件結(jié)構(gòu)的負(fù)載要求制件厚度超 過4mm（0.16英寸），則建議使用肋板 或箱形截面來增強(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)的效率可通過下例說明： 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，其存在 翹曲和外觀問題。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，肋板厚度可以超 過壁厚的一半。這會在與肋板相反的 面壁表面產(chǎn)生凹陷。另外，厚的肋板 可能充當(dāng)流動導(dǎo)流器，導(dǎo)致在注射中 發(fā)生偏向性流動，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標(biāo)稱壁厚 的3倍，因為厚度大的肋板很難被充填， 且在頂出過程中可能會粘在模具上。 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 周圍的流動和冷卻特性。應(yīng)用更大的 圓角改善不大，且會使面壁另一側(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)生冷卻問題，也 避免在模具結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄片。 肋板的設(shè)計最好是平行于熔體流動的 方向，因為穿過肋板的流動會產(chǎn)生流 動分歧，從而導(dǎo)致困氣或受阻流動。 受阻流動會增加內(nèi)應(yīng)力和短射風(fēng)險。 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，一個長而薄的平板只有兩端有支撐。如果在平 板的長度方向上增加肋板，則會很大 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： 1. 增加彎曲剛度或較大平面區(qū)域的強(qiáng) 度 2. 增加開放截面的扭轉(zhuǎn)剛度 在設(shè)計中，加入波紋可以增加波紋方 向平面的剛度（見下圖）。波紋非常 有效，且無需更多的材料或延長冷卻 時間。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 慣量。 平的和開放截面 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，使用對角肋板對截面的扭轉(zhuǎn)剛度最具效果。從“I”型截面到“C”型截面的改變對橫向彎曲方向負(fù)荷有幫助而不是扭轉(zhuǎn)方向。雙交叉肋板（選項6）會產(chǎn)生加工（冷卻）問題，推薦使用選項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)。不符合這項要求會降低結(jié)構(gòu)的可靠性。如果由于審美的要求而將對角肋板略微往外移動，則剛度會隨之降低35%。如果在設(shè)計中增加一個短的垂直型肋板，則扭轉(zhuǎn)剛度會再降低5%見下圖。 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 潤滑的作用和潤滑技術(shù) 機(jī)械中的可動零、部件，在壓力下接觸而作相對運(yùn)動時，其接觸表面間就會產(chǎn)生摩擦，造成能量損耗和機(jī)械磨損，影響機(jī)械運(yùn)動精度和使用壽命。因此，在機(jī)械設(shè)計中，考慮降低摩擦，減輕磨損，是非常重要的問題，其措施之一就是采用潤滑。 潤滑的作用主要是： （1）減少摩擦，減輕磨損 加入潤滑劑后，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)采用液體潤滑劑循環(huán)潤滑時，潤滑油流過摩擦表面帶走部分摩擦熱量，起散熱降溫作用，保證運(yùn)動副的溫度不會升得過高。 （3）清洗作用 潤滑油流過摩擦表面時，能夠帶走磨損落下的金屬磨屑和污物。 （4）防止腐蝕 潤滑劑中都含有防腐、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)動副表面受到?jīng)_擊載荷時，具有吸振的能力。 （6）密封作用 潤滑脂具有自封作用，一方面可以防止?jié)櫥瑒┝魇?，另一方面可以防止水分和雜質(zhì)的侵入。 潤滑技術(shù)包括正確地選用潤滑劑、采用合理的潤滑方式并保持潤滑劑的質(zhì)量等。 潤滑劑及其選用 生產(chǎn)中常用的潤滑劑包括潤滑油、潤滑脂、固體潤滑劑、氣體潤滑劑及添加劑等幾大類。其中礦物油和皂基潤滑脂性能穩(wěn)定、成本低，應(yīng)用最廣。固體潤滑劑如石墨、二硫化鉬等耐高溫、高壓能力強(qiáng)，常用在高壓、低速、高溫處或不允許有油、脂污染的場合，也可以作為潤滑油或潤滑脂的添加劑使用。氣體潤滑劑包括空氣、氫氣及一些惰性氣體，其摩擦因數(shù)很小，在輕載高速時有良好的潤滑性能。當(dāng)一般潤滑劑不能滿足某些特殊要求時，往往有針對性地加入適量的添加劑來改善潤滑劑的粘度、油性、抗氧化、抗銹、抗泡沫等性能。 1．潤滑油 潤滑油的特點(diǎn)是：流動性好，內(nèi)摩擦因數(shù)小，冷卻作用較好，可用于高速機(jī)械，更換潤滑油時可不拆開機(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。 常用潤滑油主要分為礦物潤滑油、合成潤滑油和動植物潤滑油三類。礦物潤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)、來源充足且價格較低等特點(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、塑料接觸的場合。動植物油產(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)生相對運(yùn)動時分子間內(nèi)摩擦阻力的大小。潤滑油粘度越大，承載能力也越大。潤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，粘度降低；壓力增大時，粘度增高。 潤滑油的粘度分為動力粘度、運(yùn)動粘度和相對粘度，各粘度的具體含義及換算關(guān)系可參看有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。油性又稱潤滑性，是指潤滑油潤濕或吸附于摩擦表面構(gòu)成邊界油膜的能力。這層油膜如果對摩擦表面的吸附力大，不易破裂，則潤滑油的油性就好。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。潤滑油在火焰下閃爍時的最低溫度稱為閃點(diǎn)。它是衡量潤滑油易燃性的一項指標(biāo)，另一方面閃點(diǎn)也是表示潤滑油蒸發(fā)性的指標(biāo)。油蒸發(fā)性越大，其閃點(diǎn)越低。潤滑油的使用溫度應(yīng)低于閃點(diǎn)20～30℃。凝點(diǎn)是指在規(guī)定的冷卻條件下，潤滑油冷卻到不能流動時的最高溫度，潤滑油的使用溫度應(yīng)比凝點(diǎn)高5～7℃。傾點(diǎn)是潤滑油在規(guī)定的條件下，冷卻到能繼續(xù)流動的最低溫度，潤滑油的使用溫度應(yīng)高于傾點(diǎn)3℃以上。 潤滑油的選用原則是：載荷大或變載、沖擊載荷、加工粗糙或未經(jīng)跑合的表面，選粘度較高的潤滑油；轉(zhuǎn)速高時，為減少潤滑油內(nèi)部的摩擦功耗，或采用循環(huán)潤滑、芯捻潤滑等場合，宜選用粘度低的潤滑油；工作溫度高時，宜選用粘度高的潤滑油。 2．潤滑脂 潤滑脂習(xí)慣上稱為黃油或干油，是一種稠化的潤滑油。其油膜強(qiáng)度高，粘附性好，不易流失，密封簡單，使用時間長，受溫度的影響小，對載荷性質(zhì)、運(yùn)動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），加、換油不方便的地方、不清潔而又不易密封的地方（潤滑脂本身就是密封介質(zhì)），特別低速、重載或間歇、搖擺運(yùn)動的機(jī)械等。潤滑脂的缺點(diǎn)是內(nèi)摩擦大，起動阻力大，流動性和散熱性差，更換、清洗時需停機(jī)拆開機(jī)器。 潤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，將潤滑脂加熱至從標(biāo)準(zhǔn)的測量杯孔滴下第一滴時的溫度。它反映了潤滑脂的耐高溫能力。選擇潤滑脂時，工作溫度應(yīng)低于滴點(diǎn)15～20℃。錐入度是衡量潤滑脂粘稠程度的指標(biāo)。它是指將一個標(biāo)準(zhǔn)的錐形體，置于25℃的潤滑脂表面，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）。國產(chǎn)潤滑脂都是按錐入度的大小編號的，一般使用2、3、4號。錐入度越大的潤滑脂，其稠度越小，編號的順序數(shù)字也越小。 根據(jù)稠化劑皂基的不同，潤滑脂主要有：鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂、鋰基潤滑脂、鋁基潤滑脂等類型。選用潤滑脂類型的主要根據(jù)是潤滑零件的工作溫度、工作速度和工作環(huán)境條件。 常用機(jī)械零部件的潤滑 潤滑方法有分散潤滑和集中潤滑兩大類。分散潤滑是各個潤滑點(diǎn)用獨(dú)立的分散的潤滑裝置來潤滑，這種潤滑可以是連續(xù)的或間斷的，有壓的或無壓的；集中潤滑則是一臺機(jī)器或一個車間的許多潤滑點(diǎn)由一個潤滑系統(tǒng)來同時潤滑。 選擇潤滑方法主要考慮機(jī)器零部件的工作狀況、采用的潤滑劑及供油量要求。 低速、輕載或不連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械需要油量少，一般采用簡單的手工定期加油、加脂、滴油或油繩、油墊潤滑。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，常用油浴（浸油）、油環(huán)、濺油潤滑或壓力供油潤滑。高速、輕載齒輪及軸承發(fā)熱大，用噴霧潤滑效果較好。高速、重載、供油量要求大的重要部件應(yīng)采用循環(huán)壓力供油潤滑。當(dāng)機(jī)械設(shè)備中有大量潤滑點(diǎn)或建立車間自動化潤滑 系統(tǒng)時可使用集中潤滑裝置。 1．齒輪傳動潤滑 （1）閉式齒輪傳動的潤滑 齒輪的圓周速度 ＜0.8 時，一般采用潤滑脂潤滑，否則應(yīng)采用潤滑油潤滑。潤滑油的粘度可根據(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)計手冊選定潤滑油的牌號。 用潤滑油的齒輪潤滑方法有浸油潤滑、飛濺潤滑、壓力噴油潤滑等， （2）開式、半開式齒輪傳動的潤滑 開式齒輪傳動一般速度較低、載荷較大、接觸灰塵和水分、工作條件差且油易流失。為維持潤滑油膜，應(yīng)采用粘度很高、防銹性好的開式齒輪油。速度不高的開式齒輪也可采用脂潤滑。開式齒輪傳動的潤滑可用手工、滴油、油池浸油等方式供油。 2．滾動軸承的潤滑 滾動軸承可采用油潤滑或脂潤滑。 機(jī)械密封摩擦副材料的選擇 眾 所 周 知由動環(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 設(shè)計機(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,要想獲得一個性能 比較良好的機(jī)械密封部件,除了要正確地設(shè)計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。在機(jī)械密封中,摩擦副的工作條件是十分復(fù)雜的,比如,即使是在潤滑條件良好的情況下,也不能排除在摩擦副的動環(huán) 和靜環(huán)接觸面間產(chǎn)生干摩擦或半干摩擦的可能性。泵在啟動瞬間或在具有較大運(yùn)轉(zhuǎn)振動的 情況下就會出現(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,價格便宜… … 運(yùn)轉(zhuǎn)實踐證明,能夠致使旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封的滑動表面產(chǎn)生破壞的因素很多,比如機(jī)械負(fù)荷過大、 熱負(fù)荷過高、化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損過烈等等。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)實踐中所可能碰到的最苛刻的條件來選取。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 各種合成樹脂、聚四氟丁烯、金屬或鹽溶液浸漬過的不透性碳石墨浸潰物的存在會降低碳石 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潤滑條件下,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、鉻鋼以及陶瓷材料配用。電化石墨不適于這種使用條件,因為它們具有很高的摩擦系數(shù),會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 ℃ 時的特性與在高溫時的特性基本相似,但摩擦系數(shù)和磨損速度會隨著溫度 的升高而略有增高浸漬一層樹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作為碳石墨的浸債物,會在液態(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,因為它沒有好的耐蝕性,也沒有足夠的硬度, 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 合金如鎳一鉆一鎢一鐵合金等當(dāng)然,使用淬硬不銹鋼的效果也不盡令人滿意,因為淬硬后一 部分不銹鋼會喪失耐蝕性,另外,表面淬硬的深度有限,很快就會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,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 采用鍍鉻鋼或鉻鋼碳鋼和鉻鋼能經(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)品等鍍鉻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℃。如課線速度和溫度超過上述值,不 應(yīng)采用鋼作為碳石墨的配用材料,而應(yīng)采用含有鎳、鉆、鉻、鑰和鎢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)率卻會隨著溫度的增高而略有增高值得注意的是,某些合金如鎳鉻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,因為它可以克服石墨的脆性。另外,從化學(xué)角度看,在一 些潤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)械密封中在無潤滑條件下,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)潤滑破壞,則仍會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)率也會隨之增高。鑄鐵的熱膨脹系數(shù)比鋼低,而且會隨著所含其 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)異的振動阻尼特性。為了提高鑄鐵的耐腐蝕性能,可以加入適 量的鎳、鉻和銅等元素構(gòu)成鐵合金由于原材料的價格低廉,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)無論是在數(shù)值上還是在變化范圍上都十分相似。對氧化鋁而言,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,但的來說兩者都不錯。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。金屬氧化物總的來說都具有易脆性,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,則整個零件的抗機(jī)械沖擊性能將會得 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,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,能夠承受高負(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 鎳和鉆等金屬粘結(jié)成份。加入的成份不同,其熱導(dǎo)性會存在很大的差別。含有一 定量鉆元素的碳化鎢是旋轉(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,碳化鎢的使用溫度可達(dá)℃。碳化鎢還可用于密封液態(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。加入適量的鐵或鉻鎳成份,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。 鉻的 碳化物不宜于制作相對滑動的零件, 因為這種材料對熱沖擊和機(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),最大相對運(yùn)動速度可達(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、銻為基的合金的酚醛樹脂塑料在某些場合下也能獲得應(yīng)用。當(dāng)配用零件的材料是鑄鐵、鉻鋼、青銅或陶瓷時,即使被密封液體是常溫清水,這種酚醛樹脂塑料也具有良好的耐磨性能。一般說來,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)條件不惡劣的場合下,塑料的高耐磨性和容易通過熱壓加工成型的優(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,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)說明的是,由于旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械密封是由一對相互接觸且 作相對運(yùn)動的摩擦環(huán)構(gòu)成,因此在選擇摩擦環(huán)的制造材料時除了要求摩擦副中每一摩擦環(huán)動環(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、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)材料本身的長處,而且得不到理想的密封效果在選擇材料時,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, 因為這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,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,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,必須認(rèn)真審視其鑄造工藝,因為錫青銅的熔化溫度和熔化時 間會對其化學(xué)成份、金相組織和機(jī)械性能產(chǎn)生很大的影響,比如過長的熔化時 間會導(dǎo)致偶錫現(xiàn)象… …由于機(jī)械密封摩擦副動環(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,至少有一個環(huán)的材料要具有良好的導(dǎo)熱性。與此同時,應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計時為摩擦副提供導(dǎo)熱通路。對于陶瓷和塑料等導(dǎo)熱性比較差的材料,必要時還應(yīng)提供冷卻介質(zhì)為了消除動環(huán)和靜環(huán)間摩擦生熱對密封造成 的不利影響,可以針對機(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),用金屬制作動環(huán)但是從動力相似的觀點(diǎn)來看,由于密封性能是因兩互相接觸且作相對運(yùn)動的摩擦環(huán)磨合而獲得,故任何一種材料的轉(zhuǎn)動或是固定是沒有什么不同的。當(dāng)然,由于運(yùn)轉(zhuǎn)條件如振動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,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)該說明的是,我們絕對不能忽視硬度對機(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制作摩擦環(huán)的,因為這種材料在與另一材料作相對滑動時,會出現(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)慣于這樣來組成摩擦副一個摩擦環(huán)用硬質(zhì)材料制作,而另一個摩擦環(huán)采用硬度較低一點(diǎn)的材料。在這時候,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?必須大于用較軟材料制成的摩擦環(huán)接觸表面的徑向?qū)挾?。如果事實恰如其?那么用硬質(zhì)材料制成的摩擦環(huán)就會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)常會碰到在機(jī)械密封中對兩個摩擦環(huán)都采用同一制造材料的現(xiàn)象。 這樣一來,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?。此時應(yīng)該注意的是,必須要求兩摩擦環(huán)具有足夠的硬度。過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,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τ谀Σ粮钡墓ぷ髻|(zhì)量具有特別重要的意義。隨著這個寬度值的減小,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,過小的接觸寬度又會受到強(qiáng)度的限制,同時又容易產(chǎn)生過大的泄漏量。有些外國學(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)挾葢?yīng)取其外徑的十分之一左右但是根據(jù)作者對數(shù)十臺安裝有機(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)計時務(wù)必對各種因素加以全面和綜合的考慮?？紤]到機(jī)械密封工作時所產(chǎn)生的磨粒會落入摩擦與接觸表面間的間隙中而給密封帶來大的危害,在設(shè)計時應(yīng)偏重采用這樣的結(jié)構(gòu),在這種結(jié)構(gòu)中,慣性力給予磨損物質(zhì)向著接觸表面間隙中的運(yùn)動以反作用。摩擦副接觸表面上的比壓不能超過允許值,這種允許值是由摩擦環(huán)材料的強(qiáng)度所限制的。每一種材料都有相對應(yīng)的允許比壓值,不同材料配用時,允許比壓應(yīng)取低的一個值。對于摩擦副尤其是用非金屬材料制成的摩擦副,所設(shè)計的形狀和斷面尺寸,均應(yīng)該保證機(jī)械密封工作時在密封接觸表面上產(chǎn)生最小的變形。最常用的方法之一是使兩摩擦環(huán)都具有對稱形狀。因為這樣才能使其承受接觸表面產(chǎn)生畸性的應(yīng)力變形和溫度變形。摩擦副的密封接觸表面通常都作成光滑平面,但是如果其中某一摩擦環(huán)材料的磨合跑合性能很差, 那么其接觸表面也可以作成錐形。當(dāng)被密封液體的潤滑性能較差或者摩擦環(huán)密封接觸表面因強(qiáng)度要求而采用較大徑向尺寸時,在接觸表面上也可以開有凹槽。前面已經(jīng)提到,制造摩擦環(huán)的材料必須滿足一定的工藝要求。同一材料如果取用不同的工藝措施,會得到不同的物理機(jī)械性能,用于制造摩擦環(huán)后也會得到不同的密封效果。機(jī)械密封摩擦副的設(shè)計,必須要慎重地選用機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)形式,以便能更好地滿足使用機(jī)械設(shè)備對密封性能的要求。由于機(jī)械密封裝置在整體設(shè)計時要考慮到其經(jīng)濟(jì)性,而摩擦副又是其主要零部件,因此在進(jìn)行摩擦副設(shè)計時除了要滿足對密封性能和使用壽命等方面的要求外,還應(yīng)該適當(dāng)考慮摩擦環(huán)制造材料的價格、制造成本和有關(guān)費(fèi)用等方面的經(jīng)濟(jì)問題。美國機(jī)械工程師學(xué)會曾對有關(guān)材料價格方面的問題進(jìn)行過調(diào)查,得出了相應(yīng)的統(tǒng)計資料資料指出,如果以鑄鐵的價格為計算,則碳石墨為,青銅為、陶瓷為,碳化鎢為,碳化硅為……由此可見,對于結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)械密封來說,摩擦環(huán)的成本在其中將會占有較大的比重。 開式齒輪的齒面磨損后，輪齒變薄，齒根滿足強(qiáng)度要求。因而適當(dāng)加大齒輪模數(shù)（加大10%~15%），一保證齒輪有一定壽命。機(jī)床導(dǎo)軌，未使用時如正好平直，使用時則由于磨損，精度不斷降低。如作成一定的上凸則可在較長時間內(nèi)保持精度 有些零件在磨損后喪失原有的功能，采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)整方法，可部分或全部恢復(fù)原有的功能，如圖中整體式圓柱軸承磨損后調(diào)整困難，圖中的部分式軸承可以在上蓋和軸座承之間頂加墊片，磨損后間隙變大，減少墊片厚度可調(diào)整間隙。使之見笑到適當(dāng)大小。 圖示的推力軸承中心與邊緣處華東速度差別很大，邊緣磨損比中間嚴(yán)重得多，因而中心處壓強(qiáng)怎打。所以一般斷面摩擦而多做成環(huán)形。吧中間部分去掉，內(nèi)外徑的差別不宜太大以保證磨損較為均勻，此外，應(yīng)使摩擦表面各處姐處壓強(qiáng)相等，以免產(chǎn)生不均勻的磨損，這就要求零件有足夠的剛度和精度，以保證均勻的接觸。如圖中的制動瓦塊，應(yīng)有足夠的厚度，并保證安裝瓦塊的軸A，與制動輪軸O平行，是瓦塊和制動輪均勻的接觸。 對于在多塵條件下工作的機(jī)械應(yīng)注意防塵和蜜蜂，以免異物進(jìn)入摩擦面，產(chǎn)生磨粒磨損。如鏈條加防塵罩，導(dǎo)軌為防止切削進(jìn)入摩擦而長生嚴(yán)重磨損，也應(yīng)加防護(hù)罩 當(dāng)一對相互接觸的華東表面尺寸不同，因而有一部分表面不接觸時，則可能由于有的部分不磨損二與有磨損的部分之間形成臺階，成為階梯磨損 如圖中如果移動件的形成比支撐件短，則有一部分支撐件無磨損二發(fā)生階梯磨損。因而要合理設(shè)計形成終端的位置。 軸肩與推力滑動軸承的止推端面尺寸很難達(dá)到完全一致，一般采用磨損量較大的一側(cè)全面磨損效果，另一側(cè)為鋼軸肩磨損量很小，階梯磨損效果不顯著。如果兩側(cè)摩擦面都有明顯的磨損，則令較易修復(fù)的一面出現(xiàn)階梯磨損較合理 氈圈密封、皮圈密封等接觸式密封適用于滾動軸承蛋不適用于滑動軸承。當(dāng)軸承間隙和磨損量較小時可以考慮采用間隙式或徑向曲路密封。這是因為滑動軸承比滾動軸承間隙大，而且當(dāng)滑動軸承間隙大，而且當(dāng)滑動軸承磨損后，軸中心位置有較大變化 參考文獻(xiàn) 【1】 汪琪。機(jī)械零件設(shè)計問題解析 【2】 陳立德。機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 【3】 劉鴻文。材料力學(xué)