摩擦學在機械領域的應用現狀

程澄

摘 要：摩擦學是研究具有相對運動的兩表面之間的相互作用機理及實際工程摩擦應用的一門學科，關鍵詞是摩擦、磨損和潤滑，摩擦、磨損和潤滑問題也是機械領域的研究熱點。相對運動的兩表面之間產生相互作用，產生力的傳遞和機械能的轉換，材料的物理化學性質和表面形貌也發生變化。摩擦學研究的主要內容是研究兩表面之間的相互作用本質，獲得豐富的相互作用現象，解決實際工程問題。 本文將從摩擦學在機械領域里的應用方面進行闡述。

關鍵詞：摩擦學；原理；機械；應用

1 摩擦學原理

摩擦學原理分為三部分的內容：潤滑理論與潤滑設計；摩擦磨損機理和應用摩擦學。潤滑理論與潤滑設計部分包括潤滑膜的流變特性、流體潤滑理論基礎、潤滑計算的數值解法、典型機械零件的潤滑設計、特殊流體介質潤滑、邊界潤滑與添加劑、潤滑狀態轉化與薄膜潤滑和潤滑失效與混合潤滑。摩擦磨損機理與控制包括表面形態與表面接觸、固體摩擦與控制、磨損特征與機理、宏觀磨損規律與磨損理論、抗磨損設計與表面涂層、摩擦磨損實驗與狀態監測。應用摩擦學分為微觀摩擦學、金屬成型摩擦學、生物摩擦學以及生態摩擦學[1]。

機械領域中普遍存在零件之間的相對運動，故會涉及到較多的摩擦學原理。產生相對運動的零件之間的潤滑設計，包括潤滑膜的厚度，潤滑介質等都要適應一定的工況。在一些不容易保證潤滑條件的工況下，常見的就是零件之間的磨損，磨損不僅會造成機械傳動之間產生誤差，嚴重時會造成零件強度的下降，產生無法想象的后果。除了在機械工作過程中會運用到摩擦學原理，在機械加工過程中也會應用到摩擦學原理，典型的例子就是在鑄造或鍛造過程中，材料是否能均勻充滿在模具之中涉及金屬成型摩擦學。

2 在機械領域的應用

機械系統中普遍存在液壓系統，液壓系統具有體積小，重量輕，精度高，多種控制方式，具有其他系統沒有的自潤滑優點。建筑機械中的液壓系統常出現爬行現象：當液壓馬達低速運行時會出現執行機構運動速度不均勻的情況，存在速度突變情況。爬行的摩擦學原理解釋為：液壓馬達低速運行時，馬達提供的力不足以克服執行機構的靜摩擦力，使得執行機構保持不動；執行機構保持不動，空間一定，但是持續進油，壓力增大，當壓力大于靜摩擦力時，執行機構開始加速運動，空間增大，壓力逐漸減小，當壓力小于執行機構的摩擦力時，執行機構做減速運動，重復進行加速減速運動。爬行不利于機構運轉的穩定性及機構傳力的準確性，可通過減小靜動摩擦系數之差，添加防爬油等方式消除爬行帶來的不利條件[2]。

幾乎所有的機械設備中都會存在軸承系統，軸承系統用在具有相對回轉速度差的兩零件之間，用于減少摩擦。根據軸承中摩擦的性質不同分為滑動軸承和滾動軸承；根據軸承能承受的載荷類型可分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承。滑動軸承是利用動壓流體潤滑或者靜壓流體潤滑原理實現摩擦副表面的完全隔開，關于油膜的設計采用雷諾方程，進行各個潤滑參數的匹配，在軸頸和軸瓦之間形成潤滑油膜，潤滑性能主要取決于潤滑油的性能參數[3]。由于軸頸和軸瓦之間只有一層潤滑油膜，那么軸瓦的表面粗糙度、加工誤差等表面形貌特征對軸瓦的潤滑和磨損起著尤為重要的作用。對于動壓潤滑軸承來說，軸承放置潤滑油膜表面波紋的波長和波高會對摩擦效果產生決定性的影響。科學改進軸承加工中的刮研工藝會獲得質量更高的滑動軸承[4]。滾動軸承是利用滾珠在軸承內外圈之間做相對滾動，使得軸承內外圈之間可產生較大的相對速度。大多數的滾動軸承采用脂潤滑，在軸承的內外圈之間填滿潤滑脂，當軸承內外圈承受一定的載荷，滾動體不再是純滾動運動，滾動體的摩擦情況變的復雜，大多數情況下，滾動體處于邊界摩擦狀態，滾動軸承的常見失效形式之一就是滾動體點蝕。

除了機械設備工作狀態下存在各種各樣的摩擦，在機械零件的加工過程中也存在各種各樣的摩擦。機械零件的加工過程中必不可少的就是切削，切削過程中常見的為切削刀具的磨損。刀具的磨損分為前刀面磨損、后刀面磨損、前后刀面同時磨損三種模式。刀具的磨損可分為三個階段：前期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段。可采用相應的摩擦學原理，選擇刀具材料及設計刀具形狀[5]。鍛造也是機械加工中常見的工序，通過使金屬產生塑性變形獲得一定的機械性能以及一定的形狀尺寸。依據鍛造過程中兩接觸表面潤滑狀態，鍛造中的摩擦分為干摩擦、邊界摩擦、流體潤滑摩擦和混合摩擦。鍛造成形過程中的摩擦數學模型有兩種：經典摩擦模型和非經典摩擦模型。摩擦行為對金屬流變狀態、力學性能以及微觀組織產生影響，以至于影響鍛造質量[6]。

3 展望

（1）實際機械工況的復雜性要求摩擦學的研究向綜合性方向發展，必須結合多學科知識，從各個方面對摩擦學機理展開深入的研究，揭示出摩擦本質，從根本上提出改善摩擦性能的方法和技術，解決實際工程摩擦學問題。

（2）制造業的發展要求關鍵零部件的摩擦學性能越來越高，關注多功能材料、智能材料及仿生材料等新型材料的優勢，開發摩擦性能優異的新材料。

參考文獻：

[1]溫詩鑄， 黃平.摩擦學原理-第2版[M].清華大學出版社，2002.

[2]陳冠國.用摩擦學原理分析建筑機械液壓系統的爬行[J].建筑機械，1999（2）：38-40.

[3]張鎖懷，李憶平，丘大謀.齒輪-轉子-軸承系統中的摩擦學問題[J].西北輕工業學院學報，2000，18（2）：38-41.

[4]黃旻舒， 鄭哲文， 李桂芳.滑動軸承表面形貌的摩擦學研究[J].林產工業，2004，31（3）：40-43.

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[6]李衛旗， 馬慶賢.摩擦行為在鍛造過程中的研究現狀與進展[J].鍛壓技術，2014，39（6）：9-19.

[7]趙斌，張松，李劍峰.基于零件摩擦學性能的磨削參數優化[J].浙江大學學報：工學版2018，52（1）：16-32.

[8]Kadlo lu， Mustafa， and Ertu rul Durak.Study of the tribological properties of rolling element bearings under the effect of magnetic field.Industrial Lubrication and Tribology，2019.

[9]Clavería， Isabel， et al.Enhancement of Tribological Behavior of Rolling Bearings by Applying a Multilayer ZrN/ZrCN Coating.Coatings 9.7，2019：434.

[10]Djavanroodi， Faramarz， Mahmoud Ebrahimi， and Jamal F. Nayfeh.Tribological and mechanical investigation of multi-directional forged nickel.Scientific reports 9.1，2019：241.