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机械零件的磨损机理与疲劳分析引言：机械零件是构成各种机械设备的核心组成部分，其质量和可靠性直接影响着整个设备的性能和寿命。
在机械运动过程中，零件之间的接触和磨擦不可避免地会导致磨损和疲劳，从而降低机械零件的工作效率和寿命。
因此，研究机械零件的磨损机理与疲劳分析成为提高机械设备的性能和寿命的重要课题。
一、磨损机理磨损是机械零件在相对运动过程中表面材料的损失，主要包括磨粒磨损、疲劳磨损和润滑磨损等。
1. 磨粒磨损磨粒磨损是由于杂质等颗粒物进入零件表面的接触区域，与零件表面发生相对滑动而引起的既摩擦又磨损现象。
磨粒磨损会导致零件表面粗糙度增加，磨粒在摩擦接触区域形成凹槽和划痕，进一步加剧磨损。
2. 疲劳磨损疲劳磨损是由周期性应力作用引起的损伤，主要发生在机械零件承受往复或交变载荷的部位。
机械零件在往复运动过程中，由于应力的交变作用，材料表面会出现微裂纹，随着应力的不断作用，微裂纹会逐渐扩展并最终导致零件的疲劳破坏。
3. 润滑磨损润滑磨损是由于润滑油膜的破坏而引起的磨损现象。
当机械零件表面的润滑油膜无法保持稳定时，摩擦接触表面之间的直接接触会增加，摩擦热和摩擦力会增大，从而导致零件表面的磨损加剧。
二、疲劳分析疲劳分析是研究机械零件在循环加载下的疲劳性能和寿命的工程方法。
通过对零件材料的应力应变状态和疲劳强度的分析，可以判断零件在正常工况下的抗疲劳性能，并提出相应的改进措施。
1. 应力分析应力是导致机械零件疲劳破坏的主要因素。
在进行疲劳分析时，需要对零件所受的静态和动态载荷进行分析，计算出零件的应力分布情况，并结合材料的疲劳强度曲线，判断零件是否会发生疲劳破坏。
2. 循环载荷循环载荷是指在零件使用过程中的周期性变化的载荷。
循环载荷下，机械零件会发生应力集中和应力交变，进而引起疲劳裂纹和疲劳破坏。
因此，在疲劳分析中，需要对循环载荷进行精确的统计和计算，以准确评估零件在实际工作条件下的疲劳性能。
3. 疲劳强度分析疲劳强度是指材料在循环加载作用下能够承受的最大载荷水平。
疲劳破坏特征
疲劳是指物体在受到重复加载或振动后逐渐失效的过程。
在工程材料和结构中，疲劳破坏是一种常见的失效形式，它会导致材料和结构的性能下降甚至失效。
疲劳破坏特征是指在材料或结构受到疲劳加载后出现的一些特征性破坏形态，了解这些特征对于预防疲劳破坏具有重要意义。
一、疲劳裂纹
疲劳裂纹是疲劳破坏的主要特征之一。
在材料或结构受到重复加载后，裂纹会逐渐形成并扩展，最终导致疲劳失效。
疲劳裂纹的形成和扩展是一个渐进的过程，通常会在材料的表面或表面下形成裂纹，然后逐渐扩展至整个截面，最终导致失效。
因此，对于疲劳裂纹的监测和控制至关重要。
二、表面粗糙度增加
在疲劳加载下，材料表面的粗糙度会逐渐增加。
这是因为疲劳加载会导致微观裂纹的形成和扩展，进而导致表面的粗糙度增加。
当表
面粗糙度增加到一定程度时，会导致应力集中和疲劳裂纹的形成，加剧了疲劳破坏的发展。
三、变形增加
在疲劳加载下，材料或结构的变形会逐渐增加。
这是因为疲劳加载会导致材料的塑性变形，进而导致变形增加。
随着变形的增加，材料或结构的强度和刚度会逐渐下降，最终导致疲劳失效。
综上所述，疲劳破坏特征包括疲劳裂纹的形成和扩展、表面粗糙度的增加以及变形的增加。
了解这些特征对于预防疲劳破坏具有重要意义，可以通过监测和控制这些特征来延缓疲劳失效的发生，提高材料和结构的使用寿命。
钻井液润滑剂润滑性能及影响因素国内外研究者对钻井液的润滑性能进行了评价，得出的结论是：空气与油处于润滑性的两个极端位置，而水基钻井液的润滑性处于其间。
用Baroid公司生产的钻井液极压润滑仪测定了三种基础流体的摩阻系数(钻井液摩阻系数相当于物理学中的摩擦系数)，空气为0．5，清水为0．35，柴油为0．07。
在配制的三类钻井液中，大部分油基钻井液的摩阻系数在o．08～o．09之间，各种水基钻井液的摩阻系数在0．20～0．35之间，如加有油晶或各类润滑剂，则可降到0．10以下。
对大多数水基钻井液来说，摩阻系数维持在o．20左右时可认为是合格的。
但这个标准并不能满足水平井的要求，对水平井则要求钻井液的摩阻系数应尽可能保持在0．08～0．10范围内，以保持较好的摩阻控制。
因此，除油基钻井液外，其它类型钻井液的润滑性能很难满足水平井钻井的需要，但可以选用有效的润滑剂改善其润滑性能，以满足实际需要。
近年来开发出的一些新型水基仿油性钻井液，其摩阻系数可小于0．10，很接近油基钻井液，其润滑性能可满足水平井钻井的需要。
从提高钻井经济技术指标来讲，润滑性能良好的钻井液具有以下优点：(1)减小钻具的扭矩、磨损和疲劳，延长钻头轴承的寿命；(2)减小钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻时间；(3)能用较小的动力来转动钻具；(4)能防粘卡，防止钻头泥包。
钻井液润滑性好，可以减少钻头、钻具及其它配件的磨损，延长使用寿命，同时防止粘附卡钻、减少泥包钻头，易于处理井下事故等。
在钻井过程中，由于动力设备有固定功率，钻柱的抗拉、抗扭能力以及井壁稳定性都有极限。
若钻井液的润滑性能不好，会造成钻具回转阻力增大，起下钻困难，甚至发生粘附卡钻和日钻具事故；当钻具回转阻力过大时，会导致钻具振动，从而有可能引起钻具断裂和井壁失稳。
1．钻井作业中摩擦现象的特点随着密封轴承的出现，改善钻井液润滑性能的目的主要是为了降低钻井过程中钻柱的扭矩和阻力。
在钻井过程中，按摩擦副表面润滑情况，摩擦可分为以下三种情况(见图4-11)：(1)边界摩擦：两接触面间有一层极薄的润滑膜，摩擦和磨损不取决润滑剂的粘度，而是与两表面和润滑剂的特性有关，如润滑膜的厚度和强度、粗糙表面的相互作用以及液体中固相颗粒间的相互作用。
《滚动轴承故障机理的动力学分析基础》阅读札记一、内容描述本书《滚动轴承故障机理的动力学分析基础》围绕滚动轴承的故障机理进行了深入而详尽的阐述。
在阅读过程中，我对于书中内容进行了详细的札记记录，对理解轴承故障机理的动力学分析过程起到了很大的帮助。
本书的主要内容可以概括为以下几个方面：滚动轴承的基本结构和工作原理：对滚动轴承的基本构造，如内圈、外圈、滚动体及保持架等进行了介绍，并对其工作原理进行了简要说明。
这是理解后续故障机理分析的基础。
滚动轴承的力学特性分析：对滚动轴承的力学特性进行了深入的分析，包括其动力学模型、载荷分布、应力分布等，为理解滚动轴承的故障产生提供了理论基础。
滚动轴承的故障类型及原因：详细介绍了滚动轴承可能出现的各种故障类型，如磨损、疲劳、断裂等，并对这些故障产生的原因进行了深入剖析。
这些内容为后续的动力学分析提供了重要的依据。
故障机理的动力学分析：重点介绍了滚动轴承故障机理的动力学分析方法，包括振动分析、温度场分析、油膜动力学分析等，这些分析方法为滚动轴承的故障诊断提供了重要的理论依据。
在阅读过程中，我对每个部分的内容都进行了详细的札记记录，包括对一些重要概念的理解、对一些复杂问题的思考等。
这些内容不仅帮助我深入理解了滚动轴承的故障机理及其动力学分析过程，也为我后续的研究工作提供了重要的参考。
《滚动轴承故障机理的动力学分析基础》是一本对滚动轴承故障研究非常有价值的书籍。
二、滚动轴承基本概念及结构滚动轴承作为一种重要的机械基础元件，广泛应用于各种机械设备中，其主要功能在于支撑旋转部件并减少其摩擦。
本节主要介绍了滚动轴承的基本概念及其结构。
滚动轴承的核心组成部分是内外滚道及滚动的球体或圆柱体，这些组件之间通过接触表面进行相互作用，形成一个稳定的承载结构。
滚动轴承的主要作用是支撑旋转部件，并使其运转平稳，同时降低摩擦和磨损。
其工作原理基于滚动摩擦原理，相较于滑动摩擦，滚动摩擦具有更低的摩擦系数，从而减少了能量的损失和磨损的产生。
磨损的类型磨损机理表面疲劳磨损形成及影响因素磨损实际是接触表面随着时间增加和载荷作用损伤的累积过程。
自然界中不论机械零件，还是人造关节都存在着磨损。
可以说，磨损无处不在。
它直接影响着机器的运转精度和寿命。
据统计,每年全世界生产总值的近五分之二被摩擦磨损消耗掉了。
因此，开展系统的摩擦学设计，尽量减少或消除磨损，对人类具有重大意义。
前苏联学者进一步较全面地提出了区分磨损类别的方法。
他将磨损分为三个过程，依次为表面的相互作用两体摩擦表面的相互作用可以是机械的或分子的。
机械作用包括弹性变形、塑性变形和犁沟效应，可以是两体表面的粗糙峰直接啮合引起的，也可以是夹在中间的外界磨粒造成的。
表面分子的作用包括相互吸引和粘着，前者作用力小于后者。
表面层的变化在表面摩擦的作用下，表面层将发生机械的，组织结构的及物理的和化学的变化，这是由于表面变形、摩擦温度和环境介质等因素的影响造成的。
表面层的塑性变形会使金属冷作硬化而变脆，反复的弹性变形会使金属出现疲劳破坏。
摩擦热引起的表面接触高温可以使表层金属退火软化，而接触后急剧冷却将导致再结晶或固溶体分解。
外界环境的影响主要表现为介质在表层的扩散，包括氧化和其他化学腐蚀作用，因而会改变金属表面层的组织结构。
表面层的破坏形式有擦伤、点蚀、剥落、胶合、微观磨损。
近年来的研究普遍认为, 按照不同的机理对磨损来进行分类是比较恰当的。
通常可将磨损划分为个基本类型粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。
虽然这种分类还不十分完善, 但概括了各种常见的磨损形式。
磨损机理通常从机理上可以把磨损分为粘着磨损，磨粒磨损，表面疲劳磨损，侵蚀磨损，腐蚀磨损和热磨损等。
粘着磨损相对运动的表面因存在分子间的吸引而在表面的微观接触处产生粘着作用，当粘着作用的强度大于材料内部的联接强度时，经过一定周期的接触就会产生磨损。
粘着磨损的磨损度常常是压力的函数，低压软表面或高压下都会产生严重的粘着磨损。
对于可以认为是同类材料的摩擦副表面，磨损常数趋于较大值，因为粘着作用的实质是原子或分子间产生了融合。
滚动轴承的寿命计算(总8页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除滚动轴承的寿命计算1 基本额定寿命和基本额定动载荷轴承中任一元件出现疲劳点蚀前的总转数或一定转速下工作的小时数称为轴承寿命。
大量实验证明，在一批轴承中结构尺寸、材料及热处理、加工方法、使用条件完全相同的轴承寿命是相当离散的（图1是一组20套轴承寿命实验的结果），最长寿命是最短寿命的数十倍。
对一具体轴承很难确切预知其寿命，但对一批轴承用数理统计方法可以求出其寿命概率分布规律。
轴承的寿命不能以一批中最长或最短的寿命做基准，标准中规定对于一般使用的机器，以90%的轴承不发生破坏的寿命作为基准。
（1）基本额定寿命 一批相同的轴承中90%的轴承在疲劳点蚀前能够达到或超过的总转数r L （610转为单位）或在一定转速下工作的小时数()h h L 。
图1 轴承寿命试验结果可靠度要求超过90%，或改变轴承材料性能和运转条件时，可以对基本额定寿命进行修正。
（2）基本额定动载荷 滚动轴承标准中规定，基本额定寿命为一百万转时，轴承所能承受的载荷称为基本额定动载荷，用字母C 表示，即在基本额定动载荷作用下，轴承可以工作一百万转而不发生点蚀失效的概率为90%。
基本额定动载荷是衡量轴承抵抗点蚀能力的一个表征值，其值越大，轴承抗疲劳点蚀能力越强。
基本额定动载荷又有径向基本额定动载荷（r C ）和轴向基本额定动载荷（a C ）之分。
径向基本动载荷对向心轴承（角接触轴承除外）是指径向载荷，对角接触轴承指轴承套圈间产生相对径向位移的载荷的径向分量。
对推力轴承指中心轴向载荷。
轴承的基本额定动载荷的大小与轴承的类型、结构、尺寸大小及材料等有关，可以从手册或轴承产品样本中直接查出数值。
2 当量动载荷轴承的基本额定动载荷C （r C 和a C ）是在一定条件下确定的。
对同时承受径向载荷和轴向载荷作用的轴承进行寿命计算时，需要把实际载荷折算为与基本额定动载荷条件相一致的一种假想载荷，此假想载荷称为当量动载荷，用字母P 表示。
材料性能学_南昌大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.低碳钢在整个拉伸过程中的变形可分为（）、（）、（）和（）四个阶段答案:弹性变形_均匀塑性变形_屈服变形_不均匀集中塑性变形2.格里菲斯裂纹理论仅适用于脆性材料，如玻璃、无机晶体、超高强度钢等。
答案:正确3.薄板反向弯曲成型是利用了材料的（）来实现的。
答案:包申格效应4.形状记忆合金是利用材料的（）来实现的。
答案:伪弹性5.弹簧常用作减振或储能元件，主要是利用其高的（）。
答案:弹性比功6.（）是防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材的依据。
答案:屈服强度7.冲击功可表示材料的变脆倾向，真正反映材料的韧脆程度。
答案:错误8.微孔聚集型断裂是韧性断裂的普遍方式。
答案:正确9.为了区分材料的脆性断裂和韧性断裂，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于（）者为脆性断裂。
答案:5%10.剪切唇表面光滑，与拉伸轴呈（）度角，属于切断型断裂，微观为韧性断裂特征。
答案:4511.（）是单向静拉伸曲线上应力的最大值，表征最大均匀塑性变形抗力指标。
答案:抗拉强度12.音叉在真空中做弹性振动，但是由于（）的作用，振幅逐渐衰减，最后停止。
答案:内耗13.拉拔的钢棒经辊压校直是利用了材料的（）来实现的。
答案:包申格效应14.包申格效应与金属材料中（）运动所受的阻力变化有关。
答案:位错15.合金的形状记忆效应是一种特殊的热-机械行为，是热弹性马氏体相变产生的低温相-马氏体在加热时向高温相-（）进行可逆转变的结果。
答案:奥氏体16.材料的粘弹性在（）中表现得比较突出。
答案:高分子材料17.当对粘弹性体施加恒定应变，则应力将随时间而（），弹性模量也随时间而降低，这个现象称为弛豫。
答案:减小18.为提高材料的弹性比功，可以提高弹性极限，或者降低（）。
答案:弹性模数19.σp0.01表示规定非比例伸长率为（）时的应力。
答案:0.01%20.对于服役条件不允许产生塑性变形的机件，设计时应按（）为选择材料的依据。
高温润滑环境下硬质连接界面微动磨损和疲劳断裂竞争
失效机制研究
在高温润滑环境下，硬质连接界面的微动磨损和疲劳断裂是一种复杂的竞争失效机制。
微动磨损是两个接触表面在相对运动中产生的表面损伤现象。
在高温和润滑剂的影响下，硬质连接界面的微动磨损会更加复杂。
一方面，润滑剂的黏性会加剧微动的发生；另一方面，高温可能导致材料软化，进一步影响磨损行为。
疲劳断裂是由于循环应力或应变导致的材料断裂。
在硬质连接界面，疲劳断裂通常源于局部应力集中区域，如界面缺陷、划痕或材料不均匀性。
在高温环境下，材料的抗疲劳性能通常会降低，因为高温会导致材料内部微观结构发生变化，如晶粒长大或出现蠕变现象。
因此，对于硬质连接界面的失效机制，需要综合考虑微动磨损和疲劳断裂的影响。
这涉及到摩擦学、材料科学和力学的跨学科研究。
通过深入研究这种竞争失效机制，可以更好地理解硬质连接界面的性能退化机制，从而为提高其使用寿命和可靠性提供理论支持。
混合润滑状态下粗糙界面法向接触刚度计算模型与特性研究肖会芳;孙韵韵;徐金梧;邵毅敏【摘要】机械装备系统的静态特性和动力学特性取决于系统接触界面法向接触刚度.基于粗糙表面形貌的Greenwood-Williamson统计模型描述与液体润滑界面的油膜共振模型和弹簧模型,推导了机械结构混合润滑粗糙界面固体接触刚度和液体润滑介质接触刚度,并实现粗糙微凸体固体接触刚度与液体润滑介质接触刚度的耦合,提出了一种混合润滑状态下粗糙界面法向接触刚度的计算模型,分析了接触界面形貌参数、润滑介质和接触基体材料属性对界面法向接触刚度的影响规律.结果表明:润滑介质的声阻抗是影响液体接触刚度的主要因素,声阻抗增大时,液体接触刚度减小;接触基体材料的表面形貌和弹性模量是影响固体接触刚度的主要因素,界面粗糙度和弹性模量增大时,固体接触刚度增大.混合润滑粗糙界面接触刚度计算模型的提出,为机械结构润滑接触界面的刚度计算、性能预测与优化提供理论和实验参考.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2018(037)024【总页数】10页(P106-114,147)【关键词】混合润滑;粗糙界面;固体接触刚度;液体介质接触刚度【作者】肖会芳;孙韵韵;徐金梧;邵毅敏【作者单位】北京科技大学机械工程学院,北京100083;西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031;北京科技大学机械工程学院,北京100083;北京科技大学机械工程学院,北京100083;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TH113机械设备中广泛存在着相互接触的各类界面，例如齿轮的轮齿啮合界面、轴承的滚动体-滚道界面、机床螺栓连接界面、轧制过程的轧辊与带钢形成的轧制界面、高速列车的车轮-轨道形成的轮轨界面等[1-4]。
各种类型复杂多样的接触界面的共性特征是相互接触的表面具有粗糙形貌，同时界面工作在混合润滑状态。
对混合润滑粗糙界面而言，界面的法向载荷由润滑油膜和粗糙体共同承担。
润滑条件下铜锌合金的摩擦磨损性能及其磨损模型研究润滑条件下铜锌合金的摩擦磨损性能及其磨损模型研究摘要铜锌合金是一种常用的工程材料，在工业生产中具有广泛的应用。
本文通过实验研究和模拟计算，对铜锌合金在不同润滑条件下的摩擦磨损性能进行了测试，并建立了相应的磨损模型。
结果表明，润滑条件对铜锌合金的摩擦磨损性能有显著影响。
在涂有润滑油的情况下，铜锌合金的磨损量显著降低，摩擦系数也减小了很多。
同时，本文还建立了铜锌合金摩擦磨损模型，可为工程实践提供优化设计方案。
关键词：铜锌合金；摩擦磨损性能；润滑条件；磨损模型；优化设计AbstractCopper-zinc alloy is a commonly used engineering material, with a wide range of applications in industrial production. In this paper,the friction and wear performance of copper-zinc alloy under different lubrication conditions were tested through experimental research and simulation calculation, and corresponding wear models were established. The results show that lubrication conditions have a significant impact on the friction and wear performance of copper-zinc alloy. Under the condition of lubricating oil, the wear amount of copper-zinc alloy is significantly reduced, and the friction coefficient also decreases alot. At the same time, this paper also established a friction andwear model of copper-zinc alloy, which can provide optimization design solutions for engineering practice.Keyword: Copper-zinc alloy; friction and wear performance; lubrication condition; wear model; optimization design.一、引言铜锌合金是一种常用的工程材料，具有优良的物理和化学性能，在电工、机械等领域得到广泛应用。
第十一章齿轮传动1.（1）闭式齿轮传动的主要失效形式及设计准则是什么？开式齿轮传动的主要失效形式及设计准则是什么？答：软齿面闭式齿轮传动的主要失效形式为齿面点蚀，故应先进行齿面接触疲劳强度校核，再进行齿根弯曲疲劳强度校核。
硬齿面闭式齿轮传动的主要失效形式是齿轮疲劳折断，故应先进行齿根弯曲疲劳强度校核，再进行齿面接触疲劳强度校核。
开式齿轮传动的主要失效形式是齿面磨损，一般只进行齿根弯曲疲劳强度校核，同时考虑磨损的影响将模数增加10%～15%。
（对于高速大功率的齿轮传动还要进行齿面抗胶合计算）2.（1）选择齿轮材料时，为何小齿轮的材料硬度要选得比大齿轮材料硬度高？答：因为小齿轮应力循环次数多，弯曲应力更大。
3.（1）提高轮齿的抗弯曲疲劳折断能力和齿面抗点蚀能力有哪些可能的措施？答：抗弯曲疲劳折断能力的措施：通过计算齿根弯曲疲劳强度来保证；增大齿根过渡圆角半径，消除加工刀痕，降低应力集中；增大轴和支承的刚度，减小局部载荷程度；使齿轮芯具有足够的韧性；在齿根处采取强化措施（喷丸或挤压）等。
齿面抗点蚀措施：通过计算齿面接触疲劳强度来保证；提高齿面硬度；减小齿面的粗糙度值；增加润滑油的粘度。
4.什么是硬齿面齿轮？什么是软齿面齿轮？各适用于什么场景？（此题略去）答：当齿面硬度大于350HBS时，称为硬齿面齿轮；当齿面硬度≤350HBS时，称为软齿面齿轮；硬齿面齿轮适用于高速、重载和精密仪器，而软齿面齿轮适用于对速度、载荷和精密度要求都不是很高的场合。
5.齿轮产生齿面磨损的主要原因是什么？它是哪一种齿轮传动的主要失效形式？防止磨损失效的最有效办法是什么？答：在齿轮传动时，当落入磨料性物质时，就会发生磨损，当齿轮表面比较粗糙时也会发生齿轮磨损；是开式齿轮传动的主要失效形式；最有效的方法就是改为闭式齿轮传动，其次是各种增大齿面硬度的方法。
6.齿面接触疲劳强度计算的计算点在何处？其计算的力学模型是什么？齿面接触疲劳强度针对何种失效形式？（此题略去）答：节点；两个半径为两齿轮接触点出曲率半径的圆柱之间的弹性接触；针对齿面点蚀失效形式。
第３５卷第２期中国机械工程V o l ．３５㊀N o ．２２０２４年２月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．２２１Ｇ２２８喷油润滑聚醚醚酮的接触疲劳性能吴㊀若１㊀魏沛堂１㊀谢怀杰２㊀边㊀疆２㊀卢泽华１㊀刘怀举１１．重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆,４０００４４２．吉林中研高分子材料股份有限公司,长春,１３０１１３摘要:聚醚醚酮(P E E K )是一种高强度㊁耐热的工程塑料,但其接触疲劳基础数据的缺失制约了它在重载场合下的高可靠㊁长寿命服役.开展了喷油润滑下的P E E K 滚子滚动接触疲劳试验与P E E K 齿轮接触疲劳试验,绘制了接触疲劳S ＧN 曲线.对比发现,P E E K 滚子滚动接触疲劳极限比齿轮接触疲劳极限高１４％,接触压力１３５M P a 下的滚子滚动接触疲劳寿命比齿轮接触疲劳寿命长５８％,进而提出P E E K 的滚子齿轮接触疲劳寿命转换公式.关键词:聚醚醚酮;齿轮;滚子;接触疲劳;应力寿命曲线中图分类号:T H １３２．４１D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２４．０２．００５开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):C o n t a c t F a t i gu eP e r f o r m a n c e o fP E E Ku n d e r O i l Ｇi n je c t e dL u b r i c a t i o n WU R u o １㊀W E IP e i t a n g １㊀X I E H u a i j i e ２㊀B I A NJ i a n g ２㊀L UZ e h u a １㊀L I U H u a i ju １１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fM e c h a n i c a lT r a n s m i s s i o n ,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g ,４０００４４２．J i l i n J o i n a t u r eP o l y m e rC o ．,L t d ．,C h a n gc h u n ,１３０１１３A b s t r a c t :P E E Kw a s a h i g h Ｇs t r e n g t h ,h e a t Ｇr e s i s t a n t e n g i n e e r i n g p o l ym e r ,b u t t h e a b s e n c e o f b a s Ｇi c d a t a o f P E E Kc o n t a c t f a t i g u e r e s t r i c t e d t h e r e l i a b l e a n d l o n g Ｇl i f e a p p l i c a t i o n s u n d e r h e a v y Ｇd u t y c o n Ｇd i t i o n s ．P E E Kr o l l i n g c o n t a c t f a t i g u e t e s t s a n d g e a r c o n t a c t f a t i g u e t e s t s u n d e r o i l i n je c t i o n l u b r i c a t i o n w e r e c o n d u c t e dh e r e i n ,a n d t h e S ＧN c u r v e sw e r eo b t a i n e d ．I t i sf o u n d t h a t t h eP E E Kr o l l i ng co n t a c t f a t i g u e l i m i t i s １４％h i g h e r t h a n g e a r c o n t a c t f a t i g u e l i m i t ,a n d t h e r o l l i n g c o n t a c t f a t i gu e l i f e o f r o l l e r s u n d e r t h e c o n t a c t p r e s s u r e o f １３５M P a i s ５８％h i g h e r t h a n g e a r f a t i gu e l i f e ．A n d t h e n ,t h e c o n v e r s i o n f o r m u l a o f P E E Kr o l l e r Ｇg e a r c o n t a c t f a t i g u e l i f ew a s f u r t h e r p r o po s e d ．K e y wo r d s :p o l y e t h e r e t h e r k e t o n e (P E E K );g e a r ;r o l l e r ;c o n t a c t f a t i g u e ;S ＧNc u r v e 收稿日期:２０２２１２２６基金项目:国家自然科学基金(５２２７５０５０,５２１７５０４１);重庆市研究生科研创新项目(C Y B ２２００８)０㊀引言塑料齿轮具有质量小㊁耐磨损㊁成本低㊁噪声小等优势,广泛用于航空㊁汽车㊁医疗㊁智能家居等领域,并呈现出明显的 以塑代钢 趋势[１Ｇ３].近２０年来,随着高强度㊁高耐热的工程塑料的涌现,以及注塑工艺的成熟,塑料齿轮朝着更高功率㊁更大扭矩方向发展[４].部分场合下,聚醚醚酮(p o l ye t h e r e t h e r k e t o n e ,P E E K )能满足承载零部件长寿命㊁高可靠服役的需求.P E E K 齿轮在不同润滑工况下的失效形式和承载能力有显著区别.K U R O K AWA 等[５]开展了干接触和脂润滑的P E E K 齿轮耐久试验,发现P E E K 在高温环境下依然表现出了良好的耐磨性能.D E A R N 等[６Ｇ７]将P E E K 齿轮用于小型汽车减速器,研究了干膜润滑剂对P E E K 齿轮耐磨性能的影响.Z O R K O 等[８]测试了干接触和脂润滑的钢ＧP E E K 齿轮的耐久寿命,发现脂润滑可降低P E E K 轮齿的温度,延长服役寿命.相比于干接触/脂润滑的P E E K 齿轮,油润滑下P E E K 齿轮能满足动力传递领域的需求.I L L E N B E R G E R 等[９]开展了油润滑钢ＧP E E K 配对齿轮的承载试验,发现油润滑P E E K 齿轮出现点蚀破坏,并探究了P E E K 齿轮点蚀损伤的演化规律.L U 等[１０]通过试验发现,随着载荷增大,油润滑的P E E K 齿轮失效模式发生改变:在轻载和中载下出现点蚀损伤,在重载下倾向发生齿根断裂.I L ＧL E N B E R G E R 等[１１]发现油润滑的P E E K 齿轮可在１２０ʎC 下正常运行.上述研究表明P E E K 具有用于齿轮动力传递的潜力,但P E E K 齿轮接触疲劳试验数据的缺失导致无法沿用金属齿轮的强度设计方法,这限制了P E E K 齿轮在动力传递领域的推广应用.齿轮接触疲劳试验成本高㊁周期长,因此可将齿轮运转试验简化为滚动件径向对滚试验,通过调整试验中滚子的相对速度㊁滑滚比和载荷,近似模１２２拟齿轮的滑滚接触疲劳行为[１２].由滚动接触疲劳试验模拟齿轮接触疲劳已被国际标准I S O６３３６Ｇ２和国家标准G B/T３４８０．２所采纳.H O S K I N S 等[１３]通过两个P E E K滚子对滚来模拟聚合物齿轮齿廓节点区域的摩擦磨损行为,发现P E E K滚子能在低负载和高负载下以低滑动比运行,且耐磨性能随着滑移率的增大而降低.A V A N Z I N I 等[１４]开展了P E E K复合材料的滚动接触疲劳试验,发现纯料P E E K滚子出现微点蚀,碳纤强化P E E K滚子出现分层和剥落.聚合物齿轮服役性能受温度㊁载荷㊁应变率㊁湿度等环境因素综合影响,接触疲劳失效机理复杂,因此齿轮与等效滚子接触疲劳失效之间的关联规律不明.本文针对P E E K滚动接触疲劳与齿轮接触疲劳失效之间关联规律不明的问题,开展了油润滑P E E K滚动接触疲劳试验和齿轮接触疲劳试验研究,获得了喷油润滑下的P E E K滚动接触疲劳和齿轮接触疲劳SＧN曲线,评估了由滚子接触疲劳试验预测齿轮接触疲劳性能的可行性,并探索了两者的寿命转换公式.１㊀疲劳试验方法１．１㊀试验样件为获取齿轮接触疲劳性能与滚子滚动接触疲劳性能的转化关系,进行了两种疲劳试验.滚子与齿轮的接触疲劳试验均采用钢ＧP E E K配合,主试件为P E E K７７０G,材料性能如表１所示.陪(副)试件材料为A I S I９３１０航空齿轮钢,该材料具有高硬度和高疲劳强度,可视为具有无限的接触疲劳寿命.表１㊀P E E K试验材料的性能参数T a b．１㊀T e s tm a t e r i a l p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o fP E E K 性能参数数值性能参数数值弹性模量(G P a)４．０玻璃化转变温度(ħ)１４３密度(g/c m３)１．３熔点(ħ)３４３抗拉强度(M P a)９８抗弯强度(M P a)１６５㊀注:弹性模量㊁抗拉强度㊁抗弯强度均为２３ħ下的数值.滚子试验采用主试件与陪试件线接触径向对滚的方式.钢制滚子直径为８０mm,采用磨削加工,表面粗糙度S a为０．６１μm.P E E K滚子主体部分的直径为５６mm,试验区域圆面的直径为６０mm,试验区域宽度为３mm,采用切削加工,表面粗糙度Sa为４．０μm,如图１a所示.试验齿轮均为圆柱直齿轮,为保证失效形式可控,设计试验齿轮的最大滑移率小于１.钢制齿轮采用磨削加工,齿轮精度为国标５级,表面粗糙度S a为０．６１μm.P E E K齿轮采用滚齿加工,齿轮精度为国标１０级,表面粗糙度S a为４．０μm,如图１b所示.表２为齿轮接触疲劳主副试件参数表.㊀㊀(a)P E E K滚子㊀㊀㊀㊀㊀(b)P E E K齿轮图１㊀接触疲劳试样F i g．１㊀C o n t a c t f a t i g u e s p e c i m e n表２㊀两类接触疲劳试件的参数T a b．２㊀P a r a m e t e r s o f t w ok i n d s o f c o n t a c tf a t ig u e s p e c i m e n s项目主试件陪试件滚动接触疲劳材料P E E K７７０G A I S I９３１０接触圆直径(mm)６０８０表面粗糙度S a(μm)４．００．６１接触宽度(mm)３齿轮接触疲劳材料P E E K７７０G A I S I９３１０齿数３６２４变位系数０．９５６７０．７８７３表面粗糙度S a(μm)４．００．６０精度等级(G B/T１００９５)１０５齿宽(mm)２０模数(mm)３压力角(ʎ)２０１．２㊀试样表征方法为避免结晶度差异对P E E K接触疲劳性能的影响[１５],利用低温差示扫描量热仪检测P E E K 材料在试验前后的玻璃化转变温度和结晶度.接触疲劳性能与表面形貌特征及润滑状态紧密相关,表面粗糙度对接触疲劳性能有极大的影响[１６],为保证滚子与齿轮接触疲劳的一致性,试验前后对试件进行表面粗糙度检测.P E E K试件在超声波清洗１５m i n后氮气干燥,利用白光干涉仪(M F TＧ５０００白光干涉检测模块)对试验前后P E E K滚子和齿轮试件表面粗糙度S a进行表征.试验结束后,利用扫描电子显微镜(S E M),对接触疲劳滚子试样剥落坑和齿轮点蚀坑进行表征,分析不同试件疲劳失效微观形貌的区别,探索P E E K接触疲劳点蚀的演变过程,以及内部裂纹的扩展机理.１．３㊀试验方法油润滑P E E K滚子和齿轮的接触疲劳试验均采用多用途传动摩擦学试验台,如图２所示.该试验台由２个主轴箱㊁２个驱动电机㊁导轨和监测系统等组成.主动轮主轴箱可沿导轨移动来调２２２中国机械工程第３５卷第２期２０２４年２月整齿轮中心距,移动精度可达１μm .该试验台可实现油温和扭矩的实时监测与记录,同时通过实时监控振动信号实现自动停机.图２㊀多用途传动摩擦学试验台与试验现场F i g ．２㊀M u l t i p u r p o s e t r a n s m i s s i o n t r i b o l o gi c a l t e s t r i g an d t e s t s i t e 试验选用的润滑油为极压润滑油,牌号为MO B I L G E A RS H C６２７,黏度等级为V G１００,润滑油参数的主要参数如表３所示.试验采用喷油润滑,为确保试件之间的良好润滑状态,喷油量为(０．６ʃ０．２)L /m i n ,以连续供油方式直接对啮合区域进行润滑.表３㊀试验润滑油基本性能T a b ．３㊀B a s i c p r o p e r t i e s o f t e s t l u b r i c a t i n g oi l 参数名称数值参数名称数值密度(k g /L )０．８９黏度系数(V．I )９８倾点(ħ)－２７环境黏度(P as )０．０７５沸点(ħ)２４５黏压系数(P a－１)２．１９ˑ１０－８㊀㊀滚子接触疲劳试验设置的载荷即径向加载力为０．４,０．６,０．７,０．８k N ,齿轮接触疲劳试验设置的载荷即输出扭矩为４０,６０,８０,１００N m .每个应力水平下至少开展２组试验,总的试验数据共计２０组.试验前,先对P E E K 滚子和齿轮进行超声波清洗,清洗后的滚子和齿轮在标准环境(温度为(２３ʃ２)ħ,环境湿度为(５０ʃ５)％)静置８８h 后开展接触疲劳试验.试验时,通过红外热成像仪(F o t r i c ,２３８)监测运转过程中滚子和齿轮的运行温度,每隔１０５次循环记录一次试验件接触点和出油口的温度,以每次记录的３个温度的平均值作为该时刻的稳定温度.对于P E E K 材料温度测量,热成像仪发射率ε设为０．９５[８].试验件失效后,记录试验点的失效形式和循环寿命.１．４㊀P E E K 滚子与齿轮接触应力计算方法依据金属材料滚动接触疲劳试验方法Y B /T ５３４５ ２０１４[１７]可得试件滚动接触压力的计算公式:σH ＝F ρs u m πL (１－ν２１E １＋１－ν２２E ２)(１)ρs u m ＝ρ１１＋ρ１２＋ρ２１＋ρ２２＝１R １１＋１R １２＋１R ２１＋１R ２２(２)式中,σH 为接触应力,M P a ;ρs u m 为主试件㊁陪试件的主曲率之和,mm －１;F 为加载在试件上的径向力,N ;ν１㊁ν２分别为主试件和陪试件的泊松比;E １㊁E ２分别为主试件和陪试件的弹性模量,M P a ;L 为主试样接触长度,mm ;R １１为P E E K 主试件垂直于滚动方向的曲率半径,mm ;R １２为P E E K 主试件沿滚动方向的曲率半径,mm ;R ２１为陪试件垂直于滚动方向的曲率半径,mm ;R ２２为陪试件沿滚动方向的曲率半径,mm .经计算,０．４,０．６,０．７,０．８k N 的P E E K 滚动件接触应力分别为１０２,１２５,１３５,１４４．４M P a .为模拟齿轮啮合状态,试验过程中的滑差率选取１０％,陪试件转速设置为１０００r /m i n ,主试件转速为１１００r /m i n.根据塑料齿轮强度推荐手册V D I ２７３６B l a t t２ ２０１４[１８],按下式计算试验塑料齿轮的接触应力:㊀σH ＝Z E Z H Z εZ βF t K H b w d １u ＋１u ɤσH P ＝σH ,l i m NZ R S H ,m i n(３)式中,Z E 为弹性系数,取３８．１８;Z H 为区域系数,取２．１３１;Z ε为重合度系数,取０．９６４;Z β为螺旋角系数,取１;K H 为齿面载荷系数,取１．２５;b w 为公共面宽度;d １为小齿轮直径;F t 为标称切向力;G H P 为允许的牙侧压力;σH ,l i m N 为滚动接触疲劳强度;Z R 为表面粗糙因数;S H ,m i n 为最小要求安全因数.经计算,４０,６０,８０,１００N m 下P E E K 齿轮的齿面接触应力分别为８１．２,９９．４,１１４．８,１２８．４M P a ,齿轮运转过程中,输入转速保持为１０００r /m i n.为研究P E E K 材料的接触疲劳性能,测试实验前后P E E K 表面形貌和结晶度的变化.通过低温差示扫描量热仪测量了P E E K 材料的结晶度和玻璃化转变温度,并通过扫描电子显微镜(S E M )和光干涉仪(R t e c ,M F T Ｇ５０００)测量了齿轮和滚子失效区域表面微观形貌.一旦齿轮(滚子)出现接触疲劳失效或发生其他失效,测试自动停止.试验技术路线如图３所示.２㊀结果与讨论２．１㊀表征测试结果如图４所示,试验过程中,滚子和齿轮啮合区的温度明显高于其他区域,金属滚子(齿轮)温度高于P E E K 滚子(齿轮)温度.由于金属热导率高,运行过程中产生的摩擦热可以有效传递到P E E K 滚子(齿轮)上,因此主试件温度分布较为均匀.表４所示为不同载荷下齿轮和滚子出油口油液温度,油温稳定在(３２ʃ２)ħ,说明载荷对油润滑P E E K 齿轮和滚子温度的影响可以忽略不计.３２２ 喷油润滑聚醚醚酮的接触疲劳性能吴㊀若㊀魏沛堂㊀谢怀杰等图３㊀接触疲劳试验技术路线图F i g ．３㊀T e c h n i c a l r o u t e o f c o n t a c t f a t i gu e t e st ㊀㊀(a )P E E K 滚子㊀㊀㊀㊀㊀(b )P E E K 齿轮图４㊀油润滑下接触疲劳试验热成像图F i g ．４㊀T h e r m a l i m a g i n gp i c t u r e o f c o n t a c t f a t i gu e t e s t s u n d e r o i l l u b r i c a t i o n表４㊀油润滑下接触疲劳试验油液温度T a b ．４㊀O i l t e m p e r a t u r e o f c o n t a c t f a t i gu e t e s t s u n d e r o i l l u b r i c a t i o n径向加载力(k N )润滑油温度(ħ)滚动接触疲劳试验０．４３３．４０．６３１．７０．７３０．３０．８３１．０齿轮接触疲劳试验输出扭矩(N m )润滑油温度(ħ)４０３０．７６０３１．７８０３１．２１００３０．４㊀㊀图５所示为接触疲劳试验前后P E E K 滚子和齿轮的差示扫描量热(d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y,D S C )曲线,可知,失效前后滚子和齿轮的玻璃化转变温度基本保持一致,约为１５０ħ.D S C 法测量材料的结晶度公式为[１９]W C ,X＝ΔHΔH ０m(４)式中,W C ,X 为聚合物结晶度;ΔH ㊁ΔH ０m 分别为部分结晶样品的熔融焓和１００％结晶度样品的熔融焓.D S C 曲线中,熔融峰的积分面积即为部分结晶聚合物的熔融焓,１００％结晶P E E K 聚合物的熔融焓ΔH ０m ＝１３０J /g [２０].计算得到试验前滚子与齿轮的P E E K 材料结晶度分别为３６．１４％和３４．９４％,滚子与齿轮的P E E K 玻璃化转变温度和结晶度几乎相同,说明滚子与齿轮试验件材料的一致性.失效后,滚子与齿轮的P E E K 结晶度分别为３４．４７％和３４．７７％,说明试验件是否发生失效并不会明显影响P E E K 的结晶度.图５㊀不同状态下P E E K 材料的D S C 曲线F i g．５㊀D S Cc u r v e s o fP E E Ki nd i f f e r e n t s t a t e s 基于白光干涉仪对接触疲劳试验前后试件表面微观形貌特征进行表征,其中,图６所示为P E E K 滚子在０．６k N 载荷㊁１０００r /m i n 转速㊁喷油润滑条件下接触疲劳试验前后的表面粗糙度,图７所示为P E E K 齿轮在８０N m 输出扭矩㊁１０００r /m i n 输入转速㊁喷油润滑条件下接触疲劳试验前后的表面粗糙度.P E E K 滚子车削加工后的平均表面粗糙度S a 为４．００μm ,P E E K 齿轮切４２２ 中国机械工程第３５卷第２期２０２４年２月齿加工后的平均表面粗糙度S a为４．００μm.试验滚子与齿轮的表面均残余沿切削方向的加工痕迹,滚子和齿轮试样的平均表面粗糙度S a几乎相同(在分散范围内).失效后的滚子表面粗糙度S a的平均值为３．９２μm,失效后的齿面粗糙度S a的平均值为３．９５μm,与耐久试验前对比,两者的表面粗糙度变化不大.试验后,加工痕迹淡化,出现沿运转方向的轻微擦伤.总体而言,润滑状态下,接触疲劳试验前后的试件表面微观形貌较为完整,润滑油对接触表面起到了良好的保护作用.(a)初始态(b)失效后图６㊀滚子接触疲劳试验前后的表面粗糙度F i g．６㊀S u r f a c e r o u g h n e s s o f r o l l e r b e f o r e a n da f t e rc o n t a c t f a t i g u e t e s t(a)初始态(b)失效后图７㊀齿轮接触疲劳试验前后的表面粗糙度F i g．７㊀S u r f a c e r o u g h n e s s o f g e a r b e f o r e a n da f t e rc o n t a c t f a t i g u e t e s t２．２㊀失效形式与失效机理塑料齿轮的应用领域已延伸至动力传递,为保证齿轮的服役性能,齿面润滑是必不可少的.齿面失效形式的研究表明,润滑油膜的存在及厚度直接影响传动件的承载能力和使用寿命.齿轮/滚子啮合处任意位置的最小油膜厚度的计算公式为H m i n＝２．６５α０．５３(η０U)０．７５R０．４１(Eᶄ)－０．０６W－０．１６(５)１Eᶄ＝１２(１－ν２１E１＋１－ν２２E２)式中,H m i n为两滑动粗糙表面间的最小公称油膜厚度;α为润滑油的黏压系数;η０为润滑油的环境黏度;U为两接触表面沿相对运动方向的平均速度;R为接触点的综合曲率半径;Eᶄ为当量弹性模量;W为单位接触宽度上的载荷.计算得到:０．６k N(赫兹接触压力１２５M P a)下的滚子最小油膜厚度为４．８３μm,１００N m (赫兹接触压力１２８．４M P a)下的齿轮节点处最小油膜厚度为５．１９μm,在相同接触压力水平下,两者最小油膜厚度相当.齿轮和滚子的润滑状态可用膜厚比λλ＝H m i nσ(６)σ＝(R q１)２＋(R q２)２式中,σ为两齿轮齿面的综合粗糙度;R q１㊁R q２分别为两表面形貌轮廓的均方根偏差.λɤ１,润滑状态处于边界润滑状态;１＜λɤ３,润滑状态处于混合润滑状态;λ＞３,润滑状态处于流体润滑状态.计算得到:０．６k N(赫兹接触压力１２５M P a)下的滚子膜厚比为１．１９３,１００N m(赫兹接触压力１２８．４M P a)下的齿轮节点处膜厚比为１．２８４,均处于混合润滑状态.图８所示为P E E K的滚动接触疲劳失效形貌.失效主要表现为出现大块的扇型剥落坑,其形成原因为受接触应力影响的次表面区域附近产径向加载力:０．４k N㊀㊀㊀㊀㊀径向加载力:０．６k N失效寿命:７．８ˑ１０６次失效寿命:２．０ˑ１０６次径向加载力:０．７k N㊀㊀㊀㊀㊀径向加载力:０．８k N失效寿命:１．６ˑ１０６次失效寿命:５．５ˑ１０５次图８㊀油润滑下P E E K滚子接触疲劳的典型失效形式F i g．８㊀T y p i c a l c o n t a c t f a t i g u e f a i l u r em o d e o fP E E Kr o l l e r u n d e r o i l l u b r i c a t i o n生疲劳裂纹,疲劳裂纹分叉并扩展到滚子表面,导致材料的大块剥落,形成不同大小的凹坑[２１].图９所示为P E E K滚动接触疲劳的非典型失效形貌,失效表现为滚子表面萌生的疲劳裂纹向平行于台阶方向扩展,形成一圈连续的微小裂痕.５２２喷油润滑聚醚醚酮的接触疲劳性能 吴㊀若㊀魏沛堂㊀谢怀杰等加载力:０．７k N㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀径向加载力:０．８k N失效寿命:１．６ˑ１０６次失效寿命:１．２ˑ１０６次图９㊀油润滑下P E E K 滚子接触疲劳的非典型失效形式F i g ．９㊀A t y p i c a l c o n t a c t f a t i gu e f a i l u r em o d e o fP E E K r o l l e r u n d e r o i l l u b r i c a t i o n图１０所示为不同输出扭矩下P E E K 齿轮的接触疲劳失效形貌,其失效方式为齿面节线区域的点蚀和剥落.图１０㊀油润滑下P E E K 齿轮的接触疲劳失效形式F i g ．１０㊀C o n t a c t f a t i gu e f a i l u r em o d e o fP E E K g e a r u n d e r o i l l u b r i c a t i o n图１１所示为S E M 获得的滚子(径向加载力０．６k N )剥落坑处微观形貌特征,可以看到滚子有两条沿不同方向扩展的疲劳裂纹,一条裂纹以与表面平行的方向扩展,另一条裂纹与表面成６０ʎ角向材料内部扩展,此裂纹是导致剥落坑形成的重要原因.(a )P E E K 滚子失效形貌㊀㊀(b)失效区域微观形貌图１１㊀P E E K 滚子的典型失效形貌F i g ．１１㊀T y p i c a l f a i l u r em o r p h o l o g y ofP E E Kr o l l e r 图１２所示为S E M 获得的非典型滚子(径向加载力０．８k N )点蚀失效的微观形貌,可以看到疲劳裂纹在滚子表面萌生,并沿滚动方向扩展,导致滚子表面并未形成大的剥落坑.非典型滚子点蚀失效原因推测为材料表面存在的划痕㊁夹杂物或粗糙接触.高载荷下,滚子表面出现应力集中,导致滚子工作表面出现微点蚀.运转过程中,表面裂纹沿滚动方向扩展,呈现出连续的微小裂痕.图１３所示为S E M 获得的齿轮(输出转矩４０(a )P E E K 滚子失效形貌㊀㊀(b)失效区域微观形貌图１２㊀P E E K 滚子的非典型失效形貌F i g ．１２㊀A t y p i c a l f a i l u r em o r p h o l o g y ofP E E Kr o l l e r N m )点蚀失效处微观形貌,可看到齿轮点蚀坑底有向内部扩展的裂纹.齿轮节线处的次表层是齿轮齿面最容易产生疲劳裂纹的位置[２２],初始裂纹在次表层形成后向齿轮齿面和内部扩展.裂纹相互汇集或扩展至齿面时裂纹生长停止,导致剥落和分层[２１].(a )P E E K 齿轮点蚀形貌㊀㊀(b)失效区域微观形貌图１３㊀P E E K 齿轮失效形貌F i g ．１３㊀F a i l u r em o r p h o l o g y ofP E E K g e a r ２．３㊀喷油润滑下接触疲劳寿命对比齿轮样品制造工艺复杂㊁测试时间长,因此开展齿轮试验的成本高.由滚子疲劳试验预测齿轮疲劳寿命已成为一种可行的解决方案[２３Ｇ２４].为更好地反映P E E K 滚动接触疲劳与齿轮接触疲劳寿命的关系,在等接触应力下寻找P E E K 的滚子接触疲劳寿命与齿轮接触疲劳寿命的转换关系.工程常采用B a s qu i n 方程描述材料的疲劳性能:σm H N f ＝C(７)式中,σH 为接触应力幅值;N f 为疲劳寿命;m ㊁C 为材料待定常数.根据各应力水平下的对数寿命均值,由最小二乘法拟合的存活率为５０％的滚动接触疲劳S ＧN 曲线方程为l g σH １＝２．９１８７－０．１２８６l g N f １(８)同样得到齿轮接触疲劳中值S ＧN 曲线方程为l g σH ２＝３．２３２８－０．１８５５l g N f ２(９)式中,σH １㊁σH ２分别为滚子和齿轮的接触压力;N f １㊁N f ２分别为滚子和齿轮的接触疲劳寿命.基于P E E K 滚子和P E E K 齿轮的疲劳数据,６２２ 中国机械工程第３５卷第２期２０２４年２月绘制P E E K滚子与齿轮在５０％可靠度下的接触疲劳SＧN曲线,如图１４所示.油润滑条件下, P E E K滚子接触疲劳寿命集中在１０５~１０８内,接触应力在１００~１５０M P a之间.油润滑条件下, P E E K试验齿轮接触疲劳寿命集中在１０６~１０７内,接触应力在８０~１３０M P a之间.图１４㊀５０％可靠度下P E E K滚子与齿轮滚动接触疲劳SＧN曲线F i g．１４㊀C o n t a c t f a t i g u e SＧN c u r v e s o fP E E Kr o l l e r a n dg e a r u n d e r５０％r e l i a b i l i t y对比图１４中的两条SＧN曲线可发现,同等载荷级下,P E E K滚子的接触疲劳寿命比P E E K 齿轮略长,且差异随载荷增大而缩小.载荷循环基数为５ˑ１０６时,P E E K齿轮的接触疲劳强度极限约为９９M P a,P E E K滚子的接触疲劳强度极限约为１１３M P a,比齿轮的接触疲劳极限高１４％.高载荷(１３５M P a赫兹接触压力)下,滚子的接触疲劳寿命较齿轮长５８％;低载荷(１００M P a赫兹接触压力)下,滚子的接触疲劳寿命较齿轮长１５１％.滚子滚动接触疲劳寿命长的原因可能是,齿轮传动过程中的单双齿啮合区域交替导致传动平稳性不如滚子试件[２５].P E E K滚子与P E E K齿轮的接触疲劳寿命差异随载荷增大而缩小,且两者疲劳寿命的差值与载荷的大小呈强相关性,本文提出滚子齿轮接触疲劳寿命转换的经验公式:l g N f２－l g N f１＝k l gσH＋b(１０)其中,k㊁b为疲劳寿命的转换系数.通过P E E K 滚子和齿轮的SＧN曲线拟合式(８)㊁式(９),推导得到k＝２．３９,b＝－５．２７.在载荷０．６,０．７,０．８k N下进行４组滚动接触疲劳试验,通过滚子齿轮接触疲劳寿命转换公式预测齿轮疲劳寿命数据点,验证转换公式的准确性.绘制P E E K齿轮接触疲劳SＧN曲线,以及预测的齿轮疲劳寿命数据点,如图１５所示,所有预测疲劳寿命点均在试验接触疲劳寿命的１．５倍分散带内.总体而言,采用滚子齿轮接触疲劳寿命转换经验公式可以较为准确地预测齿轮的接触疲劳寿命.通过本文的寿命转换公式可以不进行P E E K齿轮台架试验而获得较为准确的P E E K 齿轮接触疲劳寿命,降低了测试成本,缩短了试验周期,具有一定的工程参考意义.图１５㊀齿轮接触疲劳寿命的测试结果与预测结果F i g．１５㊀P r e d i c t e d r e s u l t s a n d t e s t r e s u l t s o f g e a rc o n t a c t f a t i g u e l i f e３㊀结论(１)采用滚子试验评估齿轮的接触疲劳极限存在一定的误差,载荷循环基数为５ˑ１０６时, P E E K滚子的滚动接触疲劳极限比齿轮的接触疲劳极限高１４％.(２)载荷相同时,P E E K滚子的滚动接触疲劳寿命比P E E K齿轮的接触疲劳寿命长,且差异随载荷的增大而减小.高载荷(１３５M P a赫兹接触压力)下,滚子的接触疲劳寿命较齿轮的接触疲劳寿命长５８％;中等载荷(１００M P a赫兹接触压力)下,滚子的接触疲劳寿命较齿轮的接触疲劳寿命长１５１％.(３)通过对比P E E K滚子与齿轮的接触疲劳SＧN曲线的差异性,评估了由滚子接触疲劳试验预测齿轮接触疲劳寿命的可行性,并给出了滚子齿轮接触疲劳寿命转换经验公式.该公式的预测精度满足工程要求,并减少了测试成本,缩短了试验周期.参考文献:[１]㊀MA O K,L I W,HO O K E CJ,e ta l．F r i c t i o na n d W e a rB e h a v i o u r o f A c e t a la n d N y l o n G e a r s[J]．W e a r,２００９,２６７(１/４):６３９Ｇ６４５．[２]㊀C HO P A N E A,G U P T A S,A J I T A,e t a l．D e s i g na n d A n a l y s i so fP l a s t i c G e a r si n R a c ka n d P i n i o nS t e e r i n g S y s t e mf o rF o r m u l aS u p r aC a r[J]．M a t e r iＧa l sT o d a y:P r o c e e d i n g s,２０１８,５(２):５１５４Ｇ５１６４．[３]㊀宁林波．车用精密塑料齿轮注射成型工艺参数优化[D]．长沙:中南大学,２０１１．N I N G L i n b o．O p t i m i z a t i o n o fI n j e c t i o n M o l d i n g７２２喷油润滑聚醚醚酮的接触疲劳性能 吴㊀若㊀魏沛堂㊀谢怀杰等P r o c e s s P a r a m e t e r sf o r A u t o m o t i v e P r e c i s i o n P l a s t i cG e a r s[D]．C h a n g s h a:C e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t y,２０１１．[４]㊀HA S L C,I L L E N B E R G E R C,O S T E R P,e ta l．P o t e n t i a l o fO i lＧl u b r i c a t e dC y l i n d r i c a l P l a s t i cG e a r s[J]．J o u r n a l o fA d v a n c e dM e c h a n i c a l D e s i g n,S y s t e m s,a n dM a n u f a c t u r i n g,２０１８,１２(１):J AM D S M００１６．[５]㊀K U R O K AWA M,U C H I Y AMA Y,N A G A I S．P e r f o r m a n c e o fP l a s t i cG e a r M a d eo fC a r b o nF i b e rR e i n f o r c e dP o l yＧe t h e rＧe t h e rＧk e t o n e:P a r t２[J]．T r iＧb o l o g y I n t e r n a t i o n a l,２０００,３３(１０):７１５Ｇ７２１．[６]㊀D E A R N K,HO S K I N ST,A N D R E IL,e t a l．L uＧb r ic a t i o n R e g i m e s i n H i g hＧp e r f o r m a n c e P o l y m e rS p u rG e a r s[J]．A d v a n c e s i nT r i b o l o g y,２０１３,２０１３．[７]㊀D E A R N K D,HO S K I N STJ,P E T R O V D G,e ta l．A p p l i c a t i o n s o fD r y F i l m L ub r ic a n t s f o rP o l y m e rG e a r s[J]．W e a r,２０１３,２９８:９９Ｇ１０８．[８]㊀Z O R K O D,K U L O V E CS,D UHO V N I KJ,e ta l．D u r a b i l i t y a n dD e s i g nP a r a m e t e r so f aS t e e l/PE E KG e a rP a i r[J]．M e c h a n i s m a n d M a c h i n e T h e o r y,２０１９,１４０:８２５Ｇ８４６．[９]㊀I L L E N B E R G E R C M,T O B I E T,S T A H L K．F l a n k L o a d C a r r y i n g C a p a c i t y o f O i lＧl u b r i c a t e dH i g hP e r f o r m a n c eP l a s t i cG e a r s[J]．F o r s c h u n g i mI n g e n i e u r w e s e n,２０１９,８３(３):５４５Ｇ５５２．[１０]㊀L U Z,L I U H,Z HU C,e ta l．I d e n t i f i c a t i o no fF a i l u r e M o d e so fa P E E KＧS t e e lG e a rP a i ru n d e rL u b r i c a t i o n[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fF a t i g u e,２０１９,１２５:３４２Ｇ３４８．[１１]㊀I L L E N B E R G E R C M,T O B I E T,S T A H L K．D a m a g e M e c h a n i s m sa n d T o o t h F l a n k L o a d C aＧp a c i t y o fO i lＧl u b r i c a t e dP e e k G e a r s[J]．J o u r n a l o fA p p l i e dP o l y m e r S c i e n c e,２０２２,１３９(３０):e５２６６２．[１２]㊀WR I G H T N,K U K U R E K A S．W e a rT e s t i n g a n d M e a s u r e m e n tT e c h n i q u e sf o rP o l y m e rC o m p o s i t eG e a r s[J]．W e a r,２００１,２５１(１/１２):１５６７Ｇ１５７８．[１３]㊀HO S K I NST,D E A R N K,C H E N Y,e t a l．T h e W e a ro fP E E Ki n R o l l i n gＧs l i d i n g C o n t a c tＧs i m u l aＧt i o n o f P o l y m e r G e a r A p p l i c a t i o n s[J]．W e a r,２０１４,３０９(１/２):３５Ｇ４２．[１４]㊀A V A N Z I N IA,D O N Z E L L A G,MA Z ZùA,e t a l．W e a ra n d R o l l i n g C o n t a c tF a t i g u eo fP E E K a n dP E E K C o m p o s i t e s[J]．T r i b o l o g y I n t e r n a t i o n a l,２０１３,５７:２２Ｇ３０．[１５]㊀刘瑞娟．面向人工置换关节的３D打印P E E K材料的力学性能及耐磨性能研究[D];咸阳:陕西科技大学,２０２１．L I U R u i j u a n．S t u d y o n M e c h a n i c a lP r o p e r t i e sa n dW e a rR e s i s t a n c eo f３D P r i n t i n g P E E Kf o rA r t i f iＧc i a l J o i n tR e p l a c e m e n t[D]．X i a n y a n g:S h a a n x iU n iＧv e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２０２１．[１６]㊀张帆,王文中,赵自强,等．渐开线直齿轮弹流润滑条件下的多轴疲劳寿命预估[J]．摩擦学学报,２０１７,３７(２):２６３Ｇ２６９．Z H A N GF a n,W A N G W e n z h o n g,Z H A OZ i q i a n g,e ta l．M u l t iＧa x i a l F a t i g u eL i f e t i m eM o d e l f o r I n v o l u t eG e a r u n d e rE H L L u b r i c a t i o nC o n d i t i o n s[J]．T r iＧb o l o g y,２０１７,３７(２):２６３Ｇ２６９．[１７]㊀冶金工业信息标准研究院,洛阳轴承研究所,钢铁研究总院．金属材料滚动接触疲劳试验方法:Y B/T５３４５ ２０１４[S]．北京:中国标准出版社,２０１４．I n s t i t u t e o f M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r y I n f o r m a t i o nS t a n d a r d s,L u o y a n g B e a r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e,G e n e r a l I n s t i t u t eo f I r o na n dS t e e lR e s e a r c h．M eＧt a l l i c m a t e r i a l s．R o l l i n g c o n t a c t f a t i g u e f a t i g u et e s t:Y B/T５３４５ ２０１４[S]．B e i j i n g:C h i n aS t a n dＧa r d sP ub l i s h i n g H o u s e,２０１４．[１８]㊀F Z G．T h e r m o p l a s t i c G e a r W h e e l sＧC y l i n d r i c a lG e a r sＧC a l c u l a t i o no ft h e L o a dＧc a r r y i n g C a p a c i t y:V D I２７３６B l a t t２ ２０１４[S]．M u n i c h:V e r e i nD e u tＧs c h e r I n g e n i e u r e,２０１４．[１９]㊀柯扬船,郑玉斌．聚醚醚酮结晶度的测定[J]．材料研究学报,１９９６(２):２０５Ｇ２０９．K E Y a n g c h u a n,Z H E N G Y u b i n．T h e M e a s u r eＧm e n t s o f C r y s t a l l i n i t y D e g r e e o f P E E K[J]．C h i n e s eJ o u r n a l o fM a t e r i a l sR e s e a r c h,１９９６(２):２０５Ｇ２０９．[２０]㊀C H E N M,C HU N GC T．C r y s t a l l i n i t y o f I s o t h e rＧm a l l y a n d N o n i s o t h e r m a l l y C r y s t a l l i z e d P o l y(E t h e rK e t o n e)C o m p o s i t e s[J]．P o l y m e rC o m p o sＧi t e s,１９９８,１９(６):６８９Ｇ６９７．[２１]㊀F A J D I G A G,G L O D EŽS,K R AMA R J．P i t t i n gF o r m a t i o nD u e t oS u r f a c e a n dS u b s u r f a c e I n i t i a t e dF a t i g u e C r a c kG r o w t hi n C o n t a c t i n g M e c h a n i c a lE l e m e n t s[J]．W e a r,２００７,２６２(９/１０):１２１７Ｇ１２２４．[２２]㊀L UZ,L I U H,Z HA N G R,e t a l．T h eS i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n tR e s e a r c ho nC o n t a c tF a t i g u eP e rＧf o r m a n c e o fA c e t a l G e a r s[J]．M e c h a n i c s o fM a t e r iＧa l s,２０２１,１５４:１０３７１９．[２３]㊀T R A U S MU T H A,S T O S C H K A M,G RÜN F．O p t i m i z a t i o no fD i s cG e o m e t r y a n d H a r d n e s sD i sＧt r i b u t i o n f o rB e t t e rT r a n s f e r a b i l i t y o fF a t i g u eL i f eP r e d i c t i o nf r o m D i s ct o F Z G T e s t s[J]．W e a r,２０２２,４９８:２０４３２９．[２４]㊀S A V O L A I N E N M,L E H T O V A A R A A．A n A pＧp r o a c ht o I n v e s t i g a t i n g S u b s u r f a c e F a t i g u ei n aR o l l i n g/S l i d i n g C o n t a c t[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fF a t i g u e,２０１８,１１７:１８０Ｇ１８８．[２５]㊀HÖHN BＧR,M I C HA E L I S K,D O L E S C H E L A．F r i c t i o n a l B e h a v i o u r o f S y n t h e t i cG e a rL u b r i c a n t s[M]ʊT r i b o l o g y S e r i e s．M u n i c h:E l s e v i e,２００１:７５９Ｇ７６８．(编辑㊀张㊀洋)作者简介:吴㊀若,男,２０００年生,硕士研究生.研究方向为高性能聚合物齿轮服役性能.发表论文２篇.EＧm a i l:W u r u o＠c q u．e d u．c n.魏沛堂(通信作者),男,１９８４年生,副教授㊁博士研究生导师.研究方向为高性能齿轮抗疲劳设计制造㊁智能精密重载丝杠传动.发表论文７０余篇.EＧm a i l:p e i t a n g w e i＠c q u．e d u．c n.８２２中国机械工程第３５卷第２期２０２４年２月。
机械结构的磨损与疲劳特性分析引言机械结构在长期使用过程中，不可避免地会出现磨损和疲劳现象。
磨损是指材料表面的慢性剥落和磨蚀，而疲劳则是由于反复应力加载而导致的材料损伤。
本文将从机械结构的磨损与疲劳特性分析的角度入手，探讨其机制和影响因素，为相关领域的研究提供一定的参考。
一、磨损的机制与分类1.1 磨损机制磨损机制是指导致机械结构磨损的基本原因和过程。
目前，磨损机制主要包括磨粒磨损机制、接触疲劳磨损机制和腐蚀磨损机制等。
磨粒磨损机制是指分散在润滑介质或杂质中的颗粒对材料表面产生剥落和磨蚀作用；接触疲劳磨损机制是由于反复应力加载引起材料断裂和剥落；腐蚀磨损机制是由于化学性质的反应导致材料表面产生腐蚀和剥落。
1.2 磨损的分类根据磨损表面形貌不同，磨损可分为磨粒磨损、疲劳磨损、划痕磨损、粘着磨损和腐蚀磨损等。
磨粒磨损是由于磨粒与材料表面相互作用引起的；疲劳磨损是由于动载荷导致材料疲劳破坏；划痕磨损是由于外界物体在材料表面上滑动引起；粘着磨损是由于材料表面粘附有其他材料引起；腐蚀磨损是由于液体、气体等环境介质腐蚀作用引起。
二、磨损对机械结构的影响磨损对机械结构的影响主要体现在以下几个方面：2.1 降低精度和寿命磨损使得机械结构的工作表面失去一定的平滑度，导致精度降低。
同时，磨损还会导致机械结构的寿命缩短，降低了机械设备的可靠性和使用效率。
2.2 增加能量损耗和噪音磨损会引起机械结构的摩擦增加，从而增加能量损耗和产生噪音。
这不仅对机械设备的运行效率和生产环境造成了不利影响，还会增加能源消耗和人们的心理负担。
2.3 引发故障和事故机械结构的磨损可能导致零部件的损坏和系统故障，甚至引发严重的事故。
例如，在交通工具中，车辆轮胎的磨损过度可能导致爆胎，引发交通事故。
三、疲劳特性分析3.1 疲劳失效疲劳失效是指机械结构在连续或循环加载下由于应力超过其承受范围而发生破坏。
其特点是在相对较小的载荷下引起的损伤，常常以裂纹扩展为主要特征，最终导致断裂。
表面状态对疲劳强度的影响
表面状态对疲劳强度有重要影响。
以下是不同表面状态对疲劳强度的可能影响：
1. 光滑表面：光滑表面能减少摩擦和磨损，减少表面缺陷和裂纹的形成，并减少应力集中的可能性，从而提高材料的疲劳强度。
2. 粗糙表面：粗糙表面可能导致应力集中，增加裂纹的形成和扩展的机会，因此降低材料的疲劳强度。
3. 表面氧化层：表面氧化层可以提供额外的保护，减少腐蚀和氧化的发生，从而减少裂纹的形成和材料的疲劳强度下降。
4. 表面处理：通过表面处理，如喷丸、镀层或化学处理等，可以改变材料的表面状态，例如增加粗糙度、消除缺陷或提高耐蚀性，从而对疲劳强度产生积极影响。
综上所述，表面状态可以对材料的疲劳强度产生显著影响，因此在设计和选择材料时，需要考虑和控制表面状态以获取所需的疲劳性能。
冲压加工需要使用润滑剂吗？一、润滑剂在冲压加工中的重要性在冲压加工过程中，常常需要使用润滑剂来降低摩擦力，保护模具和工件表面，提高生产效率和产品质量。
润滑剂的使用可以有效地减少金属与金属之间的接触面积，防止材料粘结和堆积，减少热量和摩擦产生的磨损，使金属材料在加工过程中更加顺畅。
1. 润滑剂降低摩擦力冲压加工中，金属材料与模具表面会产生摩擦力。
润滑剂能在金属与模具表面之间形成一层润滑膜，减少金属之间的直接接触，降低了摩擦力，使金属材料在加工过程中更轻松、顺畅。
2. 润滑剂保护模具和工件表面润滑剂的使用不仅能够减少金属与金属之间的摩擦，还能有效地保护模具和工件表面的质量。
润滑剂不仅能减少模具的磨损，延长模具的使用寿命，还能防止工件表面产生划痕和变形，保持工件表面的光洁度和精度。
3. 润滑剂提高生产效率和产品质量润滑剂的使用可以提高冲压加工的生产效率。
通过降低摩擦力和保护模具，润滑剂能够减小加工过程中的能量损失，提高加工速度和加工质量。
同时，润滑剂的使用还能减少材料残留和模具磨损，降低废品率，提高产品的质量水平。
二、润滑剂的种类和选择在冲压加工中，润滑剂的种类繁多，具体的选择需根据加工材料、模具类型和加工要求等多个因素来决定。
常见的润滑剂包括油基润滑剂、水基润滑剂和固体润滑剂。
1. 油基润滑剂油基润滑剂是最常用的润滑剂之一，具有良好的润滑性能和抗磨损性能。
根据加工的不同要求，可以选择不同类型的油基润滑剂，如矿物油基润滑剂、合成油基润滑剂等。
此外，油基润滑剂还具有防锈和防腐蚀的作用，可以有效地延长模具的使用寿命。
2. 水基润滑剂水基润滑剂以水为基础，具有环保性好、易清洗的特点。
水基润滑剂在冲压加工中广泛应用于大面积、高温和高速加工等工艺，能够提供良好的冷却效果，减少加工过程中的热量积累，防止工件变形和烧焦。
3. 固体润滑剂固体润滑剂是一种新兴的润滑材料，能够在高温和高压条件下提供有效的润滑效果。
常见的固体润滑剂包括钼酸钠、石墨等，其极压性能和耐磨性能较好。
齿轮接触疲劳极限表概述齿轮是机械传动中常用的元件，广泛应用于各种机械设备中。
齿轮在工作过程中，由于受到载荷和摩擦力的作用，容易出现接触疲劳现象。
为了确保齿轮的可靠运行和使用寿命，需要对其接触疲劳极限进行评估和控制。
接触疲劳及其影响因素接触疲劳是指在齿轮工作过程中，由于载荷和摩擦力的作用，在接触面上产生循环应力，导致材料逐渐疲劳损伤、开裂并最终失效的现象。
接触疲劳极限是指齿轮在特定工况下能承受的最大循环应力。
影响齿轮接触疲劳极限的因素主要包括： 1. 轴向载荷：扭转载荷、径向载荷以及两者之间相互作用对齿轮接触面上的应力分布有重要影响。
2. 齿形：包括齿廓曲线、齿数、模数等参数，不同的齿形会导致应力分布不均匀，从而影响接触疲劳极限。
3. 材料性能：包括强度、韧性、硬度等，材料的性能直接决定了齿轮的耐疲劳能力。
4. 润滑条件：润滑剂的种类和使用状态对减少摩擦和磨损起着重要作用。
齿轮接触疲劳极限表的作用齿轮接触疲劳极限表是一种工程方法，用于评估和预测齿轮在给定工作条件下的接触疲劳寿命。
通过该表格可以确定合适的设计参数，以使齿轮在使用寿命内不发生接触疲劳失效。
齿轮接触疲劳极限表的内容一份完整的齿轮接触疲劳极限表应包含以下内容： 1. 齿轮类型：根据具体应用需求和工作条件，将不同类型的齿轮进行分类，如直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、锥齿轮等。
2. 齿轮参数：列出各种类型齿轮的常用参数，如模数、压力角、齿数等。
3. 材料参数：针对不同材料，列出其相关性能指标，如强度、韧性、硬度等。
4. 轴向载荷和润滑条件：根据具体工作条件，给出不同载荷和润滑条件下的接触疲劳极限值。
5. 疲劳寿命预测方法：提供一种或多种疲劳寿命预测方法，如基于经验公式的估算方法或基于有限元分析的数值模拟方法。
使用齿轮接触疲劳极限表的步骤使用齿轮接触疲劳极限表进行设计和评估时，应按以下步骤进行： 1. 确定工作条件：包括载荷类型和大小、转速、工作温度等。
