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摩擦学概述
作者: 发布于:2013-02-10 09:46:39 点击量:

摩擦学概述
摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损,以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。
世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗,便可大量节省能源。另外,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的,如果能控制和减摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损,以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。
世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗,便可大量节省能源。另外,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的,如果能控制和减少磨损,则既减少设备维修次数和费用,又能节省制造零件及其所需材料的费用。
人类对摩擦现象早有认识,并能用来为自己服务,如史前人类的钻木取火。《诗经·邶风·泉水》中有“载脂载宣,还车言迈”的诗句,表明中国在春秋时期已应用动物脂肪来润滑车轴。
应用矿物油作润滑剂的记载最早见于西晋张华所著《博物志》,书中提到酒泉延寿和高奴有石油,并且用于“膏车及水碓甚佳”。但长久以来摩擦学的研究进展缓慢,直到15世纪,意大利的列奥纳多·达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的途径。
1785年,法国库仑继前人的研究,用机械啮合概念解释干摩擦,提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年,英国的鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦,1950年,鲍登提出了粘着理论。关于润滑的研究,英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象,总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后,线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破。
对磨损的研究较晚,20世纪50年代提出粘着理论后,60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上,磨损研究才得以迅速开展。至此,综合研究摩擦、润滑和磨损相互关系的条件已初步具备,并逐渐形成摩擦学这一新的发展中的学科。
摩擦学研究的对象很广泛,在机械工程中主要包括动、静摩擦,如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等;零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击,如犁铧和水轮机转轮等;机械制造工艺的摩擦学问题,如金属成形加工、切削加工和超精加工等;弹性体摩擦,如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力渗漏等;特殊工况条件下的摩擦学问题,如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等,深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。
此外,还有生物中的摩擦学问题,如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计,研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎,研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。地质学方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆发和地震,以及山、海,断层形成等。在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。
摩擦学涉及许多学科。如完全流体润滑状态的滑动轴承的承载油膜,基本上可以运用流体力学的理论来解算。但是齿轮传动和滚动轴承这类点、线接触的摩擦,还需要考虑接触变形和高压下润滑油粘度变化的影响;在计算摩擦阻力时则需要认真考虑油的流变性质,甚至要考虑瞬时变化过程的效应,而不能把它简化成牛顿流体。
如果油膜厚度接近于接触表面的粗糙度,还需要考虑表面纹理对润滑油的阻遏和疏导作用,以及油温所引起的热效应。油膜再薄,两摩擦表面粗糙峰点 也会发生接触或碰撞,接触峰将分担一部分载荷,接触峰点区域处于边界润滑状态。在使用油性添加剂时,表面形成吸附膜,而在使用极压添加剂时,表面形成反应膜。
为了了解磨损的发生发展机理,寻找各种磨损类型的相互转化以及复合的错综关系,需要对表面的磨损全过程进行微观研究。仅就油润滑金属摩擦来说,就需要研究润滑力学、弹性和塑性接触、润滑剂的流变性质、表面形貌、传热学和热力学、摩擦化学和金属物理等问题,涉及物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等学科。
随着科学技术的发展,摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观,由静态进入动态,由定性进入定量,成为系统综合研究的领域。

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