細(xì)聊設(shè)備的磨損

■ 李 強(qiáng)

摩擦并不是一個(gè)陌生的字眼：在古代，人類就懂得鉆木取火，這是因?yàn)閮烧叩哪Σ聊墚a(chǎn)生熱量；而用玻璃棒和絲綢之間不停的摩擦，能產(chǎn)生靜電，這是對(duì)摩擦起電現(xiàn)象的最好解釋；還有，汽車輪胎上凹凸不平的花紋，如果磨平了就要及時(shí)更換，為的是增大輪胎與地面的摩擦。這些都是我們生活中耳熟能詳?shù)哪Σ连F(xiàn)象。在日常的生產(chǎn)和生活中,人們時(shí)刻都離不開摩擦，摩擦現(xiàn)象也是物理學(xué)中最古老、最有趣的問(wèn)題之一，并形成一門專業(yè)的學(xué)科——摩擦學(xué)，近年來(lái)，關(guān)于摩擦學(xué)方面的專著屢見不鮮。

在摩擦學(xué)上，關(guān)于摩擦是這樣表述的：當(dāng)兩個(gè)接觸表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，將會(huì)有阻止其產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。這個(gè)阻止其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力就叫作摩擦力（或阻力），而兩個(gè)成對(duì)的接觸面就叫做摩擦副。通過(guò)力的相互作用，摩擦副交換運(yùn)動(dòng)，也彼此制約著對(duì)方的運(yùn)動(dòng)。這在運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)設(shè)備中是經(jīng)常見到的。

事實(shí)上，動(dòng)設(shè)備中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部位一般都是經(jīng)過(guò)加工的，具有光滑的表面，可是，無(wú)論加工的精度有多高，機(jī)件表面都不可能絕對(duì)的平滑，在放大鏡、顯微鏡下都可以看見表面有高有低、凹凸不平。當(dāng)兩個(gè)物體相互擠壓時(shí)，接觸的表面上只有少數(shù)凸出點(diǎn)的相互接觸，這是大量分子相互接觸時(shí)的宏觀表現(xiàn)。如果接觸面承受載荷而又緊密接觸，兩個(gè)表面上的突起部分和陷下部分就會(huì)像犬齒一樣交錯(cuò)地嵌合在一起，當(dāng)兩個(gè)接觸表面做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面上的突起就會(huì)互相碰撞，阻礙表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從而產(chǎn)生摩擦、摩擦力。一般來(lái)說(shuō)，接觸面越大、相互運(yùn)動(dòng)的速度越快，摩擦力就越大，如行駛中的汽車，輕踩剎車時(shí)車體運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，人在車內(nèi)不會(huì)有太大的感覺(jué)，但在急剎車時(shí)，車內(nèi)的人不僅會(huì)前傾，制動(dòng)的聲音也很大、很刺耳，甚至還會(huì)發(fā)生跑偏、輪胎燒焦的現(xiàn)象。

在工業(yè)生產(chǎn)中，摩擦隨處可見，也不可避免。如果合理地加以引導(dǎo)、規(guī)劃，如熱交換、軸傳動(dòng)、輸送帶、新裝配的機(jī)器的配合件等，就能充分利用摩擦現(xiàn)象、發(fā)揮其工業(yè)價(jià)值。但是，摩擦在多數(shù)情況下是對(duì)生產(chǎn)不利的。

摩擦是一種現(xiàn)象，而磨損則是一種很現(xiàn)實(shí)的結(jié)果。磨損主要是指摩擦體接觸表面的材料在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中由于機(jī)械作用，間或伴有化學(xué)作用而產(chǎn)生的不斷損耗的現(xiàn)象。它是摩擦學(xué)研究的重要內(nèi)容，也是機(jī)械零件失效的主要原因之一。有工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在失效的機(jī)械零件中，大約有80%是由于各種形式的磨損造成的，一些高速運(yùn)轉(zhuǎn)的易損件，如軸承、滑輪等，不得不經(jīng)常更換。又比如，1998年，德國(guó)從漢堡開往慕尼黑的著名城際高速列車脫軌，造成101人死亡、84人重傷，經(jīng)濟(jì)損失約2億馬克。調(diào)查表明，事故緣于輪轂由于摩擦而引起的疲勞裂紋。可見，一些不太起眼的磨損，也會(huì)釀成慘痛的事故。

摩擦也是工業(yè)生產(chǎn)中降低動(dòng)設(shè)備無(wú)為能耗的關(guān)鍵。在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)的摩擦副既消耗能量又降低機(jī)械效率，還會(huì)影響到機(jī)械零件的強(qiáng)度和壽命、機(jī)械精度及可靠性。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，全世界工業(yè)部門使用的能源中，約有1/3～2/3最終以各種形式損耗在摩擦上?？梢姡刂颇Σ?、減少磨損，不僅可以大大發(fā)節(jié)約能量、節(jié)省材料，還可以延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命，獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。所以，在工業(yè)設(shè)備中有些摩擦是要盡量避免的。

影響摩擦、磨損的因素有很多，例如相互作用表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式（滑動(dòng)、滾動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、沖擊等）、載荷與速度的大小，表面材料的種類、組織，機(jī)械性能和物理化學(xué)性能等，各種表面處理工藝，表面幾何性質(zhì)（粗糙度、加工紋理、加工方法等），環(huán)境條件（溫度、濕度、真空度、輻射強(qiáng)度和介質(zhì)性質(zhì)等）和工況條件（連續(xù)或間歇工作）等。這些因素的相互影響對(duì)于磨損將產(chǎn)生或正或負(fù)的效果，從而使磨損過(guò)程更為復(fù)雜。按照表面破壞機(jī)理特征，磨損可以分為磨料磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動(dòng)磨損等。前三種是磨損的基本類型，后兩種只在某些特定條件下才會(huì)發(fā)生。

影響磨損的這些因素也并非都是可控的。一般來(lái)說(shuō)，減小設(shè)備磨損的方法主要有以下幾個(gè)方面：

首先是設(shè)備的設(shè)計(jì)。如果在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就能很好地處理好摩擦、磨損和潤(rùn)滑中的各種問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)效益將是巨大的。特別是現(xiàn)在的生產(chǎn)設(shè)備都在向著高速、高精度、大批量和生產(chǎn)過(guò)程高度自動(dòng)化、連續(xù)化的方向發(fā)展，必須要考慮摩擦、磨損和潤(rùn)滑關(guān)系，否則就不可能設(shè)計(jì)出符合要求的好產(chǎn)品。這包括配對(duì)材料的選擇（材料的溫升、組分、結(jié)構(gòu)、金相組織和物理、化學(xué)性質(zhì)等）、機(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)等。

其次是設(shè)備的潤(rùn)滑。常用的潤(rùn)滑介質(zhì)有潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂，它們的共同特點(diǎn)是：分子能夠牢固地吸附在金屬表面形成一層薄薄的油膜（又稱邊界油膜），一般只有0.1～0.4μm厚，但在一定條件下能夠承受一定的負(fù)荷而不破裂。在外力作用下，油膜與摩擦表面結(jié)合得很牢固，可以將兩個(gè)摩擦表面完全分開，從而將機(jī)件間的機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)化為油膜內(nèi)部分子之間的摩擦，進(jìn)而減少機(jī)件的摩擦和磨損，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

然后是新材料、新技術(shù)的應(yīng)用。以汽車為例，其發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的機(jī)械摩擦損耗占發(fā)動(dòng)機(jī)總能耗的12%。如果使用低揮發(fā)性、具有良好氧化安定性、抗氧化性的低黏度潤(rùn)滑油可以節(jié)約燃料0.6%～5.5%。近年來(lái)發(fā)展的納米熱噴涂工藝、納米和亞微米活化材料修復(fù)技術(shù)等，都可以降低摩擦系數(shù)，大大延長(zhǎng)零部件的使用壽命。美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室研究出有超滑性能和高耐磨性的表面膜，摩擦系數(shù)僅為0.001～0.003，是常規(guī)表面的1/10；其磨損率僅為10～10mm3/Nm，幾乎實(shí)現(xiàn)零摩擦和零磨損。

最后是設(shè)備的日常維護(hù)和保養(yǎng)。就是操作工人每班都必須進(jìn)行的保養(yǎng)，主要內(nèi)容是班前、班后檢查，使設(shè)備保持清潔，檢查零部件的狀況，潤(rùn)滑情況，緊固螺絲是否松動(dòng)，如有問(wèn)題要及時(shí)反映給保全班值班人員處理。對(duì)設(shè)備重要維護(hù)部位按照說(shuō)明書要求進(jìn)行必要的保養(yǎng)和潤(rùn)滑，對(duì)工程機(jī)械傳動(dòng)位置要求定期實(shí)施注油，補(bǔ)充潤(rùn)滑脂。