Advanced engineering design:lifetime performance and reliability

1 全寿命周期性能和可靠性11.1 引言1

1.2 针对全寿命周期性能和可靠性的设计思想1

1.2.1 引言1

1.2.2 历史4

1.2.3 机械工程设计的发展趋势5

1.2.4 创新设计7

1.3 可靠性工程学8

1.3.1 部件可靠性8

1.3.2 系统可靠性13

1.4 失效分析15

1.4.1 失效起因分析15

1.4.2 失效分析技术和步骤16

2 机械部件失效模式21

2.1 引言21

2.2 滚珠轴承的失效机理21

2.2.1 轴承磨痕形态及其解释22

2.2.2 iso失效模式分类23

2.2.3 轴承失效23

2.3 齿轮失效机理29

2.3.1 iso失效模式分类29

.2.3.2 齿轮失效30

2.4 凸轮从动机构失效过程36

2.4.1 失效模式分类36

2.4.2 凸轮从动机构失效36

2.5 轨/轮系统和牵引系统失效39

2.5.1 失效模式分类39

2.5.2 轨/轮系统和牵引系统失效39

2.6 径向滑动轴承的失效分析42

2.6.1 失效模式分类42

2.6.2 径向滑动轴承的失效42

2.7 链传动的失效机理44

2.7.1 失效模式分类44

2.7.2 链驱动失效45

2.8 螺纹连接失效机理46

2.8.1 失效模式分类46

2.8.2 螺纹连接失效47

3 疲劳失效51

3.1 引言51

3.2 疲劳强度预测51

3.2.1 影响疲劳强度的因素51

3.2.2 疲劳强度和持久极限的估计56

3.3 可靠性设计59

3.3.1 动态载荷驱动轴的设计59

3.3.2 动态载荷螺栓联结接头设计63

3.3.3 受动态载荷的焊接结构设计70

4 额定载荷和滚动接触的疲劳寿命79

4.1 引言79

4.2 额定静态和动态载荷79

4.2.1 名义点接触80

4.2.2 椭圆接触86

4.2.3 名义线接触87

4.2.4 接触面 (几何形状)的相似性89

4.2.5 几何应力集中90

4.2.6 牵引驱动下的滚动90

4.2.7 许用接触压力93

4.3 弹性流体动力润滑(ehl)94

4.3.1 弹性流体动力润滑-线接触94

4.3.2 弹性流体动力润滑-点接触 (圆或椭圆)96

4.4 机械部件的额定载荷99

4.4.1 滚珠轴承的额定静态和动态载荷99

4.4.2 齿轮表面持久性102

4.4.3 牵引力驱动机构的额定动态载荷107

4.5 轴承和导向系统的滚动阻力111

4.5.1 深槽滚珠轴承111

4.5.2 滚珠导向机构114

4.5.3 角接触滚珠轴承114

4.5.4 止推球轴承114

5 机械系统中的摩擦现象123

5.1 引言123

5.2 真实接触面积123

5.2.1 表面粗糙度124

5.2.2 真实接触面积和名义接触面积的比值127

5.3 基础摩擦学129

5.3.1 犁沟作用130

5.3.2 粘着力131

5.4 经典摩擦定律136

5.4.1 名义接触面积的影响136

5.4.2 名义载荷的影响136

5.4.3 滑动速度的影响137

5.4.4 温度影响137

5.4.5 表面粗糙度的影响137

5.5 摩擦热和热失效138

5.5.1 名义接触温度139

5.5.2 瞬现温度145

5.6 机械系统中的摩擦现象147

5.6.1 线性激励器中的跃动现象147

5.6.2 侧滑减小有效摩擦149

5.6.3 线性导向结构的塞阻149

5.6.4 无级变速带驱动150

5.6.5 公制螺纹紧固件153

5.6.6 螺旋传动轴157

5.6.7 过盈配合158 5.7 测量摩擦160

5.7.1 人工测量161

5.7.2 电动摩擦仪162

6 机械部件磨损机理167

6.1 引言167

6.2 两体磨损机理167

6.2.1 粘着磨损168

6.2.2 磨料磨损169

6.2.3 腐蚀磨损170

6.2.4 表面疲劳172

6.3 单体磨损机理173

6.3.1 气体浸蚀173

6.3.2 液体冲击浸蚀173

6.3.3 气蚀173

6.3.4 粒子冲蚀174

6.4 接触条件174

6.4.1 接触面的共曲性175

6.4.2 静态接触175

6.4.3 重叠程度176

6.4.4 接触温度176

6.5 磨损率176

6.5.1 磨合期176

6.5.2 磨损率的计算177

6.5.3 表观磨损率分类178

6.6 选择或构建测试装置184

6.6.1 针-盘/C针-环结构185

6.6.2 针-平面/球-平面结构186

6.6.3 双盘结构186

6.7 摩擦和磨损测量标准187

6.7.1 试件制备187

6.7.2 试验188

6.7.3 报告188

6.7.4 重复性188

7 材料选择--一种系统方法193

7.1 引言193

7.2 滑动轴承材料193

7.2.1 金属材料选择准则193

7.2.2 聚合物选择准则197

7.2.3 专用陶瓷选择准则215

7.3 涂层和表面处理218

7.3.1 哪些情况需要用到表面处理技术218

7.3.2 表面处理技术的分类219

7.3.3 表面处理技术220

7.4 材料选择： 一种系统的方法227

7.4.1 系统识别228

7.4.2 材料选择准则的定义228

7.4.3 材料的预选228

7.4.4 实验设置228

7.4.5 最佳候选项的选择228

8 润滑剂的选择和润滑管理235

8.1 引言235

8.2 润滑状态235

8.2.1 stribeck曲线236

8.2.2 润滑过渡区域图238

8.3 润滑剂240

8.3.1 物理特性240

8.3.2 添加剂245

8.3.3 油添加剂247

8.3.4 发动机和工业润滑的发展趋势248

8.4 润滑剂类型和润滑剂的选择249

8.4.1 基础油249

8.4.2 生物润滑剂250

8.4.3 食用级润滑剂252

8.4.4 用于热塑性材料、热固性材料和弹性体的润滑剂252

8.4.5 油脂253

8.4.6 固体润滑剂255

8.4.7 特殊应用的润滑剂选择 258

8.5 润滑管理260

8.5.1 脂润滑和油润滑260

8.5.2 油润滑系统260

8.5.3 发动机润滑系统261

8.6 主动维护和润滑油分析262

8.6.1 保养工程262

8.6.2 主动维护263

8.6.3 润滑剂失效的原因及预防措施264

8.6.4 润滑油的化学和物理分析264

8.6.5 磨损颗粒分析266

9 流体动力润滑轴承和滑块设计271

9.1 引言271

9.2 流体动力润滑271

9.2.1 雷诺方程272

9.2.2 有效表面速度276

9.2.3 径向滑动轴承的膜厚度和集中载荷277

9.2.4 粘性剪切278

9.3 滑块轴承279

9.3.1 收敛楔形279

9.3.2 michell轴承281

9.3.3 rayleigh阶梯轴承284

9.3.4 锥形台瓦286

9.3.5 曲瓦288

9.4 普通径向滑动轴承289

9.4.1 轴承性能和设计289

9.4.2 承载膜厚度与轴承间隙的优化设计296

9.4.3 摩擦与膜厚的设计优化297

9.5 挤压膜阻尼和动力学响应298

9.5.1 平面上的带298

9.5.2 平面上的圆盘299

9.5.3 平面上的圆环300

9.5.4 平面上的圆柱301

9.5.5 挤压膜阻尼器301

9.5.6 冲击载荷径向滑动轴承303

9.5.7 动力载荷滑块轴承304

9.5.8 活塞环/衬套膜的设计306

9.5.9 动力载荷径向滑动轴承307

10 动密封系统的性能和选择317

10.1 引言317

10.2 密封系统317

10.2.1 密封系统分类317

10.2.2 运行限制317

10.3 转动密封318

10.3.1 唇式密封，v形环和o形圈318

10.3.2 机械面密封320

10.3.3 密封面形态323

10.3.4 间隙密封324

10.3.5 迷宫式密封325

10.3.6 磁性液体密封326

10.3.7 空气障密封327

10.3.8 多阶密封系统328

10.4 往复式密封328

10.4.1 液压结构的往复唇式密封328

10.4.2 气动结构的往复唇式密封330

10.4.3 o形圈在往复运动中的应用332

10.4.4 引擎活塞环密封334

11 流体静压轴承设计339

11.1 引言339

11.2 基本实施方法339

11.2.1 获得轴承刚度的方法340

11.2.2 供压流体轴承的优点和局限性341

11.3 流体静压轴承的设计342

11.3.1 基本结构部件342

11.3.2 具有浅凹槽的静压止推轴承347

11.3.3 具有楔状润滑膜的液体静压止推轴承347

11.3.4 具有毛细管节流器的液体静压止推轴承348

11.3.5 具有孔板节流器的液体静压止推轴承352

11.3.6 预置载荷液体静压止推轴承355

11.3.7 具有外部节流器的液体静压径向滑动轴承357

11.3.8 具有浅凹槽区的液体静压径向滑动轴承360

12 空气静压轴承设计369

12.1 引言369

12.2 基本运行方法369

12.2.1 计算轴承刚度的方法370

12.2.2 外压气体轴承的优点及其局限性372

12.3 空气静压轴承设计373

12.3.1 部件基本结构373

12.3.2 具有浅凹槽区的空气静压止推轴承375

12.3.3 具有部分刻槽表面的空气静压止推轴承376

12.3.4 具有楔状膜的空气静压止推轴承378

12.3.5 具有孔板节流器的空气静压止推轴承379

12.3.6 具有多孔节流器的空气静压止推轴承380

12.3.7 具有多孔圆环节流器的空气静压径向滑动轴承381

12.3.8 具有两个多孔圆环节流器的空气静压径向滑动轴承383

12.3.9 部分开槽外部施压径向滑动轴承384

12.3.10 设计具有浮动活塞的汽缸386

12.3.11 高性能线性运动轴的设计387

13 轴承在机械电子设备中的应用393

13.1 引言393

13.2 轴承选择393

13.2.1 轴承类型393

13.2.2 选择因素394

13.3 普通径向滑动轴承394

13.3.1 塑料轴承394

13.3.2 多孔金属轴承395

13.4 宝石轴承396

13.4.1 立式止推轴承系统397

13.4.2 环状宝石和端部宝石轴承系统398

13.4.3 刀刃轴承399

13.5 高精度滚动轴承400

13.5.1 运行精度400

13.5.2 临界速度401

13.6 螺旋槽轴承402

13.6.1 螺旋槽止推轴承403

13.6.2 螺旋槽径向滑动轴承409

13.7 磁性流体轴承411

13.7.1 磁性流体轴承基础412

13.7.2 为什么采用磁性流体轴承412

13.8 磁轴承412

13.8.1 磁轴承基础413

13.8.2 为什么使用磁轴承413

13.9 箔片空气轴承414

13.9.1 箔片轴承基础414

13.9.2 为什么使用箔片空气轴承415

13.10 混合轴承在高速转动中的应用415

13.10.1 混合箔片-磁性轴承415

13.10.2 混合磁性-螺旋槽轴承416

13.10.3 混合外压螺旋槽轴承416

14 高精度柔性机构设计419

14.1 引言419

14.2 基本设计原理和部件419

14.2.1 设计思想419

14.2.2 基本结构部件423

14.2.3 动态载荷激励响应425

14.2.4 孔铰机构设计429

14.2.5 微激励器431

14.3 其他各种应用432

14.3.1 柔性十字铰机构432

14.3.2 具有集成运动放大器的压电平行导向结构433

14.3.3 压电纳米级xy平面平行机构433

14.3.4 柔性联轴器435

14.3.5 整体柔性平面轴承435

参考文献439