摩擦學(xué)在機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)的兩表面之間的相互作用機(jī)理及實(shí)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(rùn)滑，摩擦、磨損和潤(rùn)滑問題也是機(jī)械領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩表面之間產(chǎn)生相互作用，產(chǎn)生力的傳遞和機(jī)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?jī)杀砻嬷g的相互作用本質(zhì)，獲得豐富的相互作用現(xiàn)象，解決實(shí)際工程問題。 本文將從摩擦學(xué)在機(jī)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(jī)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(rùn)滑理論與潤(rùn)滑設(shè)計(jì)；摩擦磨損機(jī)理和應(yīng)用摩擦學(xué)。潤(rùn)滑理論與潤(rùn)滑設(shè)計(jì)部分包括潤(rùn)滑膜的流變特性、流體潤(rùn)滑理論基礎(chǔ)、潤(rùn)滑計(jì)算的數(shù)值解法、典型機(jī)械零件的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)、特殊流體介質(zhì)潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑與添加劑、潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)化與薄膜潤(rùn)滑和潤(rùn)滑失效與混合潤(rùn)滑。摩擦磨損機(jī)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(jī)理、宏觀磨損規(guī)律與磨損理論、抗磨損設(shè)計(jì)與表面涂層、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)與狀態(tài)監(jiān)測(cè)。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(jī)械領(lǐng)域中普遍存在零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故會(huì)涉及到較多的摩擦學(xué)原理。產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，包括潤(rùn)滑膜的厚度，潤(rùn)滑介質(zhì)等都要適應(yīng)一定的工況。在一些不容易保證潤(rùn)滑條件的工況下，常見的就是零件之間的磨損，磨損不僅會(huì)造成機(jī)械傳動(dòng)之間產(chǎn)生誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成零件強(qiáng)度的下降，產(chǎn)生無法想象的后果。除了在機(jī)械工作過程中會(huì)運(yùn)用到摩擦學(xué)原理，在機(jī)械加工過程中也會(huì)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(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

機(jī)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(rùn)滑優(yōu)點(diǎn)。建筑機(jī)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(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(yùn)行時(shí)，馬達(dá)提供的力不足以克服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靜摩擦力，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持不動(dòng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持不動(dòng)，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(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始加速運(yùn)動(dòng)，空間增大，壓力逐漸減小，當(dāng)壓力小于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的摩擦力時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)做減速運(yùn)動(dòng)，重復(fù)進(jìn)行加速減速運(yùn)動(dòng)。爬行不利于機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及機(jī)構(gòu)傳力的準(zhǔn)確性，可通過減小靜動(dòng)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(jī)械設(shè)備中都會(huì)存在軸承系統(tǒng)，軸承系統(tǒng)用在具有相對(duì)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(dòng)軸承和滾動(dòng)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?；瑒?dòng)軸承是利用動(dòng)壓流體潤(rùn)滑或者靜壓流體潤(rùn)滑原理實(shí)現(xiàn)摩擦副表面的完全隔開，關(guān)于油膜的設(shè)計(jì)采用雷諾方程，進(jìn)行各個(gè)潤(rùn)滑參數(shù)的匹配，在軸頸和軸瓦之間形成潤(rùn)滑油膜，潤(rùn)滑性能主要取決于潤(rùn)滑油的性能參數(shù)[3]。由于軸頸和軸瓦之間只有一層潤(rùn)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(duì)軸瓦的潤(rùn)滑和磨損起著尤為重要的作用。對(duì)于動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承來說，軸承放置潤(rùn)滑油膜表面波紋的波長(zhǎng)和波高會(huì)對(duì)摩擦效果產(chǎn)生決定性的影響?？茖W(xué)改進(jìn)軸承加工中的刮研工藝會(huì)獲得質(zhì)量更高的滑動(dòng)軸承[4]。滾動(dòng)軸承是利用滾珠在軸承內(nèi)外圈之間做相對(duì)滾動(dòng)，使得軸承內(nèi)外圈之間可產(chǎn)生較大的相對(duì)速度。大多數(shù)的滾動(dòng)軸承采用脂潤(rùn)滑，在軸承的內(nèi)外圈之間填滿潤(rùn)滑脂，當(dāng)軸承內(nèi)外圈承受一定的載荷，滾動(dòng)體不再是純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)體的摩擦情況變的復(fù)雜，大多數(shù)情況下，滾動(dòng)體處于邊界摩擦狀態(tài)，滾動(dòng)軸承的常見失效形式之一就是滾動(dòng)體點(diǎn)蝕。

除了機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)下存在各種各樣的摩擦，在機(jī)械零件的加工過程中也存在各種各樣的摩擦。機(jī)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(shí)磨損三種模式。刀具的磨損可分為三個(gè)階段：前期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段?？刹捎孟鄳?yīng)的摩擦學(xué)原理，選擇刀具材料及設(shè)計(jì)刀具形狀[5]。鍛造也是機(jī)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(jī)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(rùn)滑狀態(tài)，鍛造中的摩擦分為干摩擦、邊界摩擦、流體潤(rùn)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(duì)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(shí)際機(jī)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(shí)，從各個(gè)方面對(duì)摩擦學(xué)機(jī)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(shí)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(shì)，開發(fā)摩擦性能優(yōu)異的新材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]溫詩(shī)鑄， 黃平.摩擦學(xué)原理-第2版[M].清華大學(xué)出版社，2002.

[2]陳冠國(guó).用摩擦學(xué)原理分析建筑機(jī)械液壓系統(tǒng)的爬行[J].建筑機(jī)械，1999（2）：38-40.

[3]張鎖懷，李憶平，丘大謀.齒輪-轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)中的摩擦學(xué)問題[J].西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，18（2）：38-41.

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

[5]許重建.基于摩擦學(xué)原理的磨床砂輪的選用[J].科學(xué)之友，2012（16）：14-14.

[6]李衛(wèi)旗， 馬慶賢.摩擦行為在鍛造過程中的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].鍛壓技術(shù)，2014，39（6）：9-19.

[7]趙斌，張松，李劍峰.基于零件摩擦學(xué)性能的磨削參數(shù)優(yōu)化[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)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.