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摩擦磨损的成本

发布日期:2015-01-28 22:01:28  点击量:1198   信息来源:原创

来自www.Engineering Tribology, translated by WangShuaishuai

对于国民经济来说,摩擦学的缺陷所导致的大量成本大多数是由大量的能源和资源的丧失所造成的,而这些能源和资源的丧失发生在操作中几乎每一个机械设备中。在每一台设备的基础上都进行检查,这种损失就会减少。然而,当同样的损失在一种类型的一百万机器中重复发生时,成本就会变得很大。

例如,大约两百年前,在英国,Jacobs Rowe表明车厢滚动轴承的使用相当于所有车厢和马车所需要的一定数量的马的作用一样。由于在那个时候涉及到这种运输形式的马的总数大约有40000匹,在18世纪初期的价格能节省出来的养护马的成本大约为每年一百万磅。

在当代,同样的分析揭示了在美国所有带有润滑油的蜗杆齿轮装置的使用相比使用传统的矿物油会提高5%的机器效率,每年还大约会节省6亿美元的费用。这样就可以推论在美国,额定功率7.5kw时候,能够操作3百万的蜗杆涡轮。每年国家节省的能源约为98亿千瓦时,在每千瓦时发电成本为每千瓦时0.06美元的时候,这些能源相应的价值为6亿美元。



图1.2  流程图说明操作条件和磨损类型之间的关系



这些简单的例子表明一种形式的摩擦学方程能够被用来从存在的或者改善的摩擦学实实践中获得一种简单的成本或者利润的估计。这一方程能被总结为:

摩擦总共花费或节省的金额=每台机器花费或节省的金额*机器的数量

一个阻碍摩擦学方程应用的主要问题是在摩擦和磨损方面,花费或节省的个体的数量是极大的,然而每一花费或节省的值相对较小(除特殊情况以外)。这意味着在实际的摩擦和磨损能够被适当的估计之前,要足够关注设备的精确核算和系统操作费用。

尽管非常有困难,在过去还是做了很多努力去计算摩擦学花费。在1966年,Peter Jost估计通过对摩擦学基本原理的应用,美国的经济能够在1965年的值得基础上每年节省515百万。最近的一次对最初估计的回顾通过实和摩擦学原理的应用把每年节省的资源设定在468万到700万。1976年在西德出版的一次类似的报道揭示了由摩擦和磨损造成的经济的损失每年能够花费100亿,在1975年,这就等同于1%的国民生产总值。约50%的这种损失是由磨料损失造成的。在美国,预计每年总共11%的能源能够通过摩擦学进步在运输、涡轮机械、发电量和工业生产过程四个主要领域被节省。

例如,单是在汽车方面的摩擦学改善就能够节省美国汽车总能源消耗的18.6%,这等同于每年143亿美元。据估计,来自碳氢化合物的可利用的总能源平均有28%浪费在乘用车里面发动机和传动装置的摩擦上。在典型工况下有超过21.5%的能源被用来驱动。另外,取决于汽车的速度,空气动力阻力消耗约10%的燃料能源。摩擦损失在增长的燃料消耗和相关成本中被反应出来。

对于发动机来说,明白摩擦经济学的问题是极其重要的。例如,在通过管道的空气运输的材料中,在弯曲段的冲蚀磨损能够达到50次,比直线段还要多。明显地,如甘蔗和木片等非粗糙的材料能够造成粗糙的磨损。一些摩擦学失效和轴承联系到一起。在美国,现代发动机组中简单的轴承失效每天花费约25000美元,然而把一个停泊在北海石油钻井平台单个点的20万欧元的轴承替换成约1百万欧元的一个偶然的预算是有必要的。另外,这里有一些产品的损失花费是非常大的。对于一台美国海军飞机来说,,磨损总共的费用已经被估计为每飞行一小时243美元。约10亿的材料在澳大利亚被挖掘。大量的这种材料都浪费掉了,他们必须要好好利用起来,为了检索金属的矿石或煤。磨损的费用达到了可供出售产品的2%。冶金矿山公司每年的产品可能会达到4000万,通过替换每年磨损部分的6百万美元,这涉及到直接的费用。

作为一种供选择的能源来源,风力涡轮机逐渐风靡全球。一种问题是由水和灰尘微粒频繁出现导致的润滑油的污染。当代设计使用一种周转的齿轮箱,这种齿轮箱允许当叶片和转子旋转很慢时发电机快速旋转。轮齿易受点蚀破坏。由于包括陡震负载的高扭矩,极端的轮齿加载造成成核位置的表面点蚀,成核位置接近于在赫兹接触的最高剪应力的区域。由于风涡轮被安装在高塔以及位于遥远的地方,一个主要的问题是维修的费用和困难。结果,风力涡轮机轴承和齿轮箱的使用寿命比期望的20-25年短的多。近期在英国风力涡轮机的学习展示出了他们显示的仅在12年后磨损的标志,也就是说,他们预期工作的一半时间。因此,摩擦学实践的改善迫切的需要确定风力涡轮机可靠性的操作和可接受的费用。

摩擦学经济占有巨大的部分,摩擦学的程序已经被世界范围内一些国家的工业和政府建立起来。摩擦和磨损原因的分析有直接的商业含义,甚至依据谁空投过多的磨损或摩擦的成本。例如,在一个煤气轮机的例子中,它的第一级叶片遭受了过大的损害,详细的分析磨损的原因帮助确定是所有者还是保险公司支付损坏。

一旦由于磨损和摩擦造成的经济损失的范围变得明确,研究者和工程师反对一些传统的机械性能的限制,他们已经发现或者正在发现新的材料和润滑剂去克服这些限制。一些设想的改进是如此的彻底以至于整个的产品的科技和经济可能会改变。一个古典的例子是这个绝热的发动机。这种发展的原理是去除油和润滑系统以及使用一个干的、高温度的自我润滑材料。如果发动机能够在高温下绝热的操作,先前被现在过时的散热器移除的热量能够转化为机械功。结果,一种节能高效的、轻便的发动机可能会建造出来,这将导致燃料、油和汽车生产成本的相当大的节省。一种节能高效的发动机在减少运输和农业成本方面是至关重要的,同时也是一个非常重要的研究和发展任务。

即使他们涉及到大多数传统的技术,新的风险,如矿业和油砂,能够把艰苦的状况强加到设备上以及需要新的抗磨损材料。油砂浆料能够在仅三个月的工作中磨损出一个高的铬白口铸铁泵叶轮。因此,有必要去发现新的强硬的材料为了更好地抵抗磨损和扩展设备的服务寿命。


其它的摩擦学的革新的例子包括为了剪羊毛表面处理的刀具,表面硬化土工具,为了煤泥而加工的聚乙烯管,为了骨头假体而植入的钛合金。无论摩擦磨损什么时候限制了这种功能或者一种装置的耐久性,对于摩擦学有一定的改善空间。


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