摩擦學(xué)在機械領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

程澄

摘 要：摩擦學(xué)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(yīng)用的一門學(xué)科，關(guān)鍵詞是摩擦、磨損和潤滑，摩擦、磨損和潤滑問題也是機械領(lǐng)域的研究熱點。相對運動的兩表面之間產(chǎn)生相互作用，產(chǎn)生力的傳遞和機械能的轉(zhuǎn)換，材料的物理化學(xué)性質(zhì)和表面形貌也發(fā)生變化。摩擦學(xué)研究的主要內(nèi)容是研究兩表面之間的相互作用本質(zhì)，獲得豐富的相互作用現(xiàn)象，解決實際工程問題。 本文將從摩擦學(xué)在機械領(lǐng)域里的應(yīng)用方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：摩擦學(xué)；原理；機械；應(yīng)用

1 摩擦學(xué)原理

摩擦學(xué)原理分為三部分的內(nèi)容：潤滑理論與潤滑設(shè)計；摩擦磨損機理和應(yīng)用摩擦學(xué)。潤滑理論與潤滑設(shè)計部分包括潤滑膜的流變特性、流體潤滑理論基礎(chǔ)、潤滑計算的數(shù)值解法、典型機械零件的潤滑設(shè)計、特殊流體介質(zhì)潤滑、邊界潤滑與添加劑、潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)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(tài)與表面接觸、固體摩擦與控制、磨損特征與機理、宏觀磨損規(guī)律與磨損理論、抗磨損設(shè)計與表面涂層、摩擦磨損實驗與狀態(tài)監(jiān)測。應(yīng)用摩擦學(xué)分為微觀摩擦學(xué)、金屬成型摩擦學(xué)、生物摩擦學(xué)以及生態(tài)摩擦學(xué)[1]。

機械領(lǐng)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(xué)原理。產(chǎn)生相對運動的零件之間的潤滑設(shè)計，包括潤滑膜的厚度，潤滑介質(zhì)等都要適應(yīng)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(chǎn)生誤差，嚴(yán)重時會造成零件強度的下降，產(chǎn)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(xué)原理，在機械加工過程中也會應(yīng)用到摩擦學(xué)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(xué)。

2 在機械領(lǐng)域的應(yīng)用

機械系統(tǒng)中普遍存在液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)具有體積小，重量輕，精度高，多種控制方式，具有其他系統(tǒng)沒有的自潤滑優(yōu)點。建筑機械中的液壓系統(tǒng)常出現(xiàn)爬行現(xiàn)象：當(dāng)液壓馬達(dá)低速運行時會出現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)運動速度不均勻的情況，存在速度突變情況。爬行的摩擦學(xué)原理解釋為：液壓馬達(dá)低速運行時，馬達(dá)提供的力不足以克服執(zhí)行機構(gòu)的靜摩擦力，使得執(zhí)行機構(gòu)保持不動；執(zhí)行機構(gòu)保持不動，空間一定，但是持續(xù)進(jìn)油，壓力增大，當(dāng)壓力大于靜摩擦力時，執(zhí)行機構(gòu)開始加速運動，空間增大，壓力逐漸減小，當(dāng)壓力小于執(zhí)行機構(gòu)的摩擦力時，執(zhí)行機構(gòu)做減速運動，重復(fù)進(jìn)行加速減速運動。爬行不利于機構(gòu)運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及機構(gòu)傳力的準(zhǔn)確性，可通過減小靜動摩擦系數(shù)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(shè)備中都會存在軸承系統(tǒng)，軸承系統(tǒng)用在具有相對回轉(zhuǎn)速度差的兩零件之間，用于減少摩擦。根據(jù)軸承中摩擦的性質(zhì)不同分為滑動軸承和滾動軸承；根據(jù)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(xiàn)摩擦副表面的完全隔開，關(guān)于油膜的設(shè)計采用雷諾方程，進(jìn)行各個潤滑參數(shù)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(shù)[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(chǎn)生決定性的影響。科學(xué)改進(jìn)軸承加工中的刮研工藝會獲得質(zhì)量更高的滑動軸承[4]。滾動軸承是利用滾珠在軸承內(nèi)外圈之間做相對滾動，使得軸承內(nèi)外圈之間可產(chǎn)生較大的相對速度。大多數(shù)的滾動軸承采用脂潤滑，在軸承的內(nèi)外圈之間填滿潤滑脂，當(dāng)軸承內(nèi)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(fù)雜，大多數(shù)情況下，滾動體處于邊界摩擦狀態(tài)，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(shè)備工作狀態(tài)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(yīng)的摩擦學(xué)原理，選擇刀具材料及設(shè)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(chǎn)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(jù)鍛造過程中兩接觸表面潤滑狀態(tài)，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(shù)學(xué)模型有兩種：經(jīng)典摩擦模型和非經(jīng)典摩擦模型。摩擦行為對金屬流變狀態(tài)、力學(xué)性能以及微觀組織產(chǎn)生影響，以至于影響鍛造質(zhì)量[6]。

3 展望

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

（2）制造業(yè)的發(fā)展要求關(guān)鍵零部件的摩擦學(xué)性能越來越高，關(guān)注多功能材料、智能材料及仿生材料等新型材料的優(yōu)勢，開發(fā)摩擦性能優(yōu)異的新材料。

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