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摩擦、磨损与润滑

2019-01-19 15:32:11
 
一、摩擦学发展简史

     摩擦学是19世纪60年代才开始发展起来的。在这以前,摩擦、磨损、润滑及零件设计4个方面之间缺乏有机的联系,以致零件的设计人员只限于力学基础知识考虑问题,很少了解摩擦磨损,润滑的知识,甚至缺乏这方面的基本知识,不单是中国如此,国外同样也是这样。英国1964年组成以乔斯特(H.Peter,Jost)为首的一个小组,受英国科研与教育部的委托,调查了润滑方面的科研与教育工作的现状心及工业企业在这方面的情况。后于1966年提出了一项调查报告,这就是著名的“乔斯特报告”。这项报告提到,通过充分利用现有的摩擦学理论,就可使英国工业每年节约5亿1千多万英镑,相当于英国国民经济总产值的1%。因而引起了英国政府和工业部门的重视。英国开始抓了一下摩擦、磨损、润滑方面的科学技术工作,并因此面提出了一个新科学技术领域的概念,命名为Tribolgy。我国为了正确翻译这一名词,曾经引起了一场激烈的争论,最后统一为“摩擦学”。至于名词,只是一个符号,并不重要,最要紧的是赋予这外名词的新概念,新内容,新定义。

摩擦学的定义:研究相对运动的相互作用表面及其有关理论的一门科学


 

     当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时,在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力,这种力叫摩擦力。接触面之间的这种现象或特性叫摩擦。摩擦有利也有害,但在多数情况下是不利的,例如,机器运转时的摩擦,造成能量的无益损耗和机器寿命的缩短,并降低了机械效率。因此常用各种方法减少摩擦,如在机器中加润滑油等。但摩擦又是不可缺少的,例如,人的行走,汽车的行驶都必须依靠地面与脚和车轮的摩擦。在泥泞的道路上,因摩擦太小走路就很困难,且易滑倒,汽车的车轮也会出现空转,即车轮转动而车厢并不前进。所以,在某些情况下又必须设法增大摩擦,如在太滑的路上撒上一些炉灰或沙土,车轮上加挂防滑链等。

   
      人类对摩擦的认识已有悠久的历史。史前人类就已认识到摩擦的两个方面:钻木取火,即利用摩擦生热;在重物运输中采用润滑剂减小阻力。大约在五千年前就已发明了轮子,这说明当时已经知道,为了克服摩擦,滚动优于滑动。15世纪中叶,达·芬奇巳经发现摩擦力F与载荷N成正比,他在当时的实验条件下得出了不精确的结论:对任何材料,比例系数均为
I/4,即F=N/4a对摩擦的动力学研究只是在咖利略发现惯性原理,特别是在I.牛顿发表运动三定律(见牛顿运动定律)以后才有可能。G.阿蒙通和C.-A.de库仑在大量实验的基础上,1699年和1781年提出如下的摩擦定律:

①互相接触的两个物体间的摩擦力,不超过某一最大值,这个最大值与接触面积的大小无关。

②摩擦力的最大值和两个物体之间的法向压力N成正比。

③摩擦力的方向与物体相对滑动的方向相反,大小与两个物体之间的法向压力N成正比。

上述结论只是粗略的经验规则,但因发现在力学科学的早期,当时就称为摩擦定律,又称库仑定律。

二、摩擦的类别

     摩擦的类别很多,按摩擦副的运动形式摩擦分为滑动摩擦滚动摩擦,前者是两相互接触物体有相对滑动或有相对滑动趋势时的摩擦,后者是两相互接触物体有相对滚动或有相对滚动趋势时的摩擦;而这两种摩擦在计算时须保证的条件是:物体状态是静止或匀速直线运动,这时摩擦力等于物体所受阻力。在相同条件下,滚动摩擦小于滑动摩擦。

     按摩擦表面的润滑状态,摩擦可分为干摩擦边界摩擦流体摩擦

     摩擦又可分为外摩擦内摩擦。外摩擦是指两物体表面作相对运动时的摩擦;内摩擦是指物体内部分子间的摩擦。干摩擦和边界摩擦属外摩擦,流体摩擦属内摩擦。

干摩擦  摩擦副表面直接接触,没有润滑剂存在时的摩擦。常用库仑摩擦定律表达摩擦表面间的滑动摩擦力F、法向力N和摩擦系数f间的关系:f=F/N。钢对钢的f值在大气中约为 0.15~0.20,洁净表面可达0.7~0.8。根据英国的F.P.鲍登等人的研究,极为洁净的金属(表面上的气体用加热、电子轰击等方法排除)在高真空度的实验条件下,表面接触处被咬死,f值可高达100。这种极为洁净的金属表面一旦与大气相接触便立即被污染或氧化,从而使f值显著下降。

       静摩擦的测定方法有倾斜法和牵引法。①倾斜法:把重力为N的欲测物体放在对偶材料的斜面上,逐渐增加斜面的倾角,测得物体开始滑动时的倾角 θ(摩擦角),由此求得摩擦系数f=tgθ。②牵引法:把重力为N 的欲测物体放在对偶材料的平面上,以力P牵引,物体开始滑动时的力F就是最大的静摩擦力(此时F=P),由此求得摩擦系数f=F/N。

动摩擦  可在各类型试验机上(如往复式摩擦磨损试验机、旋转圆盘-销式摩擦磨损试验机和四球式摩擦试验机)测定,为此在试验机上装设测定摩擦力或摩擦力矩的机构,先测出摩擦力,而后换算出摩擦系数。常见的测量方法有杠杆法、弹簧法和电测法等。测定时需要确保清洁,否则会影响所测的摩擦力。

边界摩擦和流体摩擦 边界润滑状态下的摩擦称为边界摩擦。边界摩擦系数低于干摩擦系数。边界摩擦状态下的摩擦系数只取决于摩擦界面的性质和边界膜的结构形式,而与润滑剂的粘度无关。流体润滑状态下的摩擦称为流体摩擦。这种摩擦是流体粘性引起的。其摩擦系数较干摩擦和边界摩擦为低。

     
      任何机器的运转,都依赖其构件在约束条件下的相对运动来实现,而相互作用的表面之间,在相对运动时必然会产生摩擦与磨损。摩擦学是研究相对运动中相互作用表面,类型及其机理,中间介质及环境所构成的系统的行为与摩擦及损伤控制的科学与技术。润滑就是用润滑剂减少两摩擦表面之间的摩擦和磨损,或其他形式的表面破坏的措施。

     机械设备润滑技术研究的内容十分广泛,除了应该连带地研究摩擦与磨损的机理以外,主要包括润滑理论、润滑方式,机械零部件与润滑系统设计,润滑剂的选用、配制与评价,以及润滑工作的组织管理等。设备润滑的良好实施对于保持机械设备的正常运转、提高设备使用寿命、节约材料、降低能源消耗起着十分重要的作用。因此,得到广泛重视,发展十分迅速。


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