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摩擦學是研究表面摩擦行為的學科。摩擦學是研究相對運動的相互作用表面間的摩擦、潤滑和磨損,以及三者間相互關係的基礎理論和實踐(包括設計和計算、潤滑材料和潤滑方法、摩擦材料和表面狀態以及摩擦故障診斷、監測和預報等)的一門邊緣學科。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗於摩擦。

1概況

摩擦學是研究相對運動的作用表面間的摩擦、潤滑和磨損,以及三者間相互關係的理論與應用的一門邊緣
摩擦學系統過程研究

  摩擦學系統過程研究

學科。
世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗於摩擦。如果能夠儘力減少無用的摩擦消耗,便可大量節省能源。另外,機械產品的易損零件大部分是由於磨損超過限度而報廢和更換的,如果能控制和減少磨損,則既減少設備維修次數和費用,又能節省製造零件及其所需材料的費用。
人類對摩擦現象早有認識,並能用來為自己服務,如史前人類 的鑽木取火。《詩經·邶風·泉水》中有「載脂載宣,還車言邁」的詩句,表明中國在春秋時期已應用動物脂肪來潤滑車軸。
應用礦物油作潤滑劑的記載最早見於西晉張華所著《博物志》,書中提到酒泉延壽和高奴有石油,並且用於「膏車及水碓甚佳」。但長久以來摩擦學的研究進展緩慢,直到15世紀,義大利的列奧納多·達芬奇才開始把摩擦學引入理論研究的途徑。
摩擦學研究的對象很廣泛,在機械工程中主要包括動、靜摩擦,如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯接、電氣觸頭和磁帶錄音頭等;零件表面受工作介質摩擦或碰撞、衝擊,如犁鏵和水輪機轉輪等;機械製造工藝的摩擦學問題,如金屬成形加工、切削加工和超精加工等;彈性體摩擦,如汽車輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動力滲漏等;特殊工況條件下的摩擦學問題,如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等,深海作業的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等。
此外,還有生物中的摩擦學問題,如研究海豚皮膚結構以改進艦隻設計,研究人體關節潤滑機理以診治風濕性關節炎,研究人造心臟瓣膜的耐磨壽命以謀求最佳的人工心臟設計方案等。地質學方面的摩擦學問題有地殼移動、火山爆發和地震,以及山、海,斷層形成等。在音樂和體育以及人們日常生活中也存在大量的摩擦學問題。
摩擦學涉及許多學科。如完全流體潤滑狀態的滑動軸承的承載油膜,基本上可以運用流體力學的理論來解算。但是齒輪傳動和滾動軸承這類點、線接觸的摩擦,就還需要考慮接觸變形和高壓下潤滑油粘度變化的影響;在計算摩擦阻力時則需要認真考慮油的流變性質,甚至要考慮瞬時變化過程的效應,而不能把它簡化成牛頓流體。
如果油膜厚度接近於接觸表面的粗糙度,還需要考慮表面紋理對潤滑油的阻遏和疏導作用,以及油溫所引起的熱效應。油膜再薄,兩摩擦表面粗糙峰點 也會發生接觸或碰撞,接觸峰將分擔一部分載荷,接觸峰點區域處於邊界潤滑狀態。在使用油性添加劑時,表面形成吸附膜,而在使用極壓添加劑時,表面形成反應膜。
為了了解磨損的發生髮展機理,尋找各種磨損類型的相互轉化以及複合的錯綜關係,需要對錶面的磨損全過程進行微觀研究。僅就油潤滑金屬摩擦來說,就需要研究潤滑力學、彈性和塑性接觸、潤滑劑的流變性質、表面形貌、傳熱學和熱力學、摩擦化學和金屬物理等問題,涉及物理、化學、材料、機械工程和潤滑工程等學科。
隨著科學技術的發展,摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀,由靜態進入動態,由定性進入定量,成為系統綜合研究的領域。

2研究簡史

人類對摩擦現象早有認識,並能用來為自己服務,如史前人類已知鑽木取火。《詩經·邶風·泉水》已有「載
摩擦學系統過程

  摩擦學系統過程

脂載舝,還車言邁」的詩句,表明中國在春秋時期已較普遍地應用動物脂肪來潤滑車軸。應用礦物油作潤滑劑的記載最早見於西晉張華所著《博物志》。書中提到酒泉延壽和高奴有石油,並且用於「膏車及水碓甚佳」。但長久以來摩擦學的研究進展緩慢。直到15世紀,義大利的列奧納多·達芬奇才開始把摩擦學引入理論研究的途徑。1785年,法國C.庫侖繼前人的研究,用機械嚙合概念解釋干摩擦,提出摩擦理論。
後來又有人提出分子吸引理論和靜電力學理論。1935年,英國的F.P.鮑登等人開始用材料粘著概念研究干摩擦。1950年,鮑登提出了粘著理論。關於潤滑的研究,英國的O·雷諾於1886年繼前人觀察到的流體動壓現象,總結出流體動壓潤滑理論。20世紀50年代普遍應用電子計算機之後,線接觸彈性流體動壓潤滑的理論有所突破。對磨損的研究開展較晚,50年代提出粘著理論后,60年代在相繼研製出各種表面分析儀器的基礎上,磨損研究才得以迅速開展。至此綜合研究摩擦、潤滑和磨損相互關係的條件已初步具備,並逐漸形成摩擦學這一新的發展中的學科。然而發展成為Tribology還是1966年的事。中譯Tribology為「摩擦學」,在1980年冬才被正式確定。美國接受以Tribology代替Lubrication的地位,始於1984年。

3學科範圍

摩擦學研究的對象很廣泛,在機械工程中主要包括:①動、靜摩擦副,如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯接、電氣觸頭和磁帶-錄音頭等;②零件表面受工作介質摩擦或碰撞、衝擊,如犁鏵和水輪機轉輪等;③機械製造工藝的摩擦學問題,如金屬成形加工、切削加工和超精加工等;④彈性體摩擦副,如汽車輪胎與路面的摩擦(見地面車輛力學)、彈性密封的動力滲漏等;⑤特殊工況條件下的摩擦學問題。在音樂和體育以及人們日常生活中也存在大量的摩擦學問題。
摩擦學涉及許多學科。例如油潤滑的金屬摩擦副,處於完全流體潤滑狀態的滑動軸承的承載油膜,基本上可以運用流體力學的理論來解算。但是齒輪傳動和滾動軸承這類點、線接觸的摩擦副,在計算它的流體動壓潤滑的承載油膜時,還需要考慮接觸變形和高壓下潤滑油粘度變化的影響;在計算摩擦阻力時則需要認真考慮油的流變性質(從應力、應變、溫度和時間幾方面研究物質變形和流動的物理性質),甚至要考慮瞬時變化過程的效應,而不能把它簡化成牛頓流體。這樣,僅就油潤滑金屬摩擦副來說就需要研究潤滑力學、彈性和塑性接觸、潤滑劑的流變性質、表面形貌、傳熱學和熱力學、摩擦化學和金屬物理等問題,涉及物理、化學、材料、機械工程和潤滑工程等學科。隨著科學技術的發展,摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀,由靜態進入動態,由定性進入定量,成為系統綜合研究的領域。

4系統

摩擦學問題涉及多種因素,錯綜複雜,應用系統分析的方法進行研究,可以明了諸因素之間的依賴和制約關係,以及分析問題的思路。互相接觸的兩個物體,當有相對滑動或有相對滑動的趨勢時,在它們接觸面上出現的阻礙相對滑動的力。摩擦對工程技術和日常生活極為重要。摩擦阻礙物體的運動,使運動能量遭
摩擦學系統過程

  摩擦學系統過程

受損失,人類生產的總能量有很大一部分就是這樣被消耗掉的。因摩擦而損失的機械能轉化為熱,使機器中許多滑動面必須冷卻。同時,摩擦還伴隨著表面材料的損失,即發生磨損。磨損使零件的尺寸改變,失去應有的精度和功能。世界上有很大一部分生產力就是用於補充、替換因磨損而變為無用的零件的。
因此,人們採取各種減小摩擦的措施,例如在相對滑動的表面上施用潤滑劑;用輪子、滾柱和滾珠使滑動改為滾動等。但摩擦也有有用的一面,許多傳動與制動設備是通過摩擦起作用的。常用的皮帶傳動功能就是通過摩擦力實現的;汽車和機車的行駛也要依靠地面和鋼軌上的摩擦力。嚴冬冰雪覆蓋路面,有時必須在汽車後輪上加裝鐵鏈或在鋼軌上噴砂,才能產生足夠的摩擦力推動車輛前進。若摩擦力完全消失,則結繩、織布、打釘、執筆以至坐立行走,都將成為不可能。因此,摩擦又是人類生存所不可缺少的。
圖1以油潤滑金屬摩擦副為例表示摩擦學系統的組成,它表明運動件、靜止件、潤滑油和環境大氣間的相互作用原理。圖2是摩擦學系統的過程,用功能平面和由它分解出的3個概念性平面(功平面、熱平面、材料平面)來表示。材料平面包括固體材料面、流體(潤滑油、氣體)平面和反應產物平面。圖中畫出這些概念性平面間可能發生的摩擦學過程。垂直的實線表示化學轉變過程,垂直的虛線表示由功轉到熵的過程,它們都集中到熱平面上。因此系統過程圖是分析摩擦學問題時的有力工具。
兩個相接觸的物體做相對運動時發生的阻礙它們相對運動的現象,稱為「動摩擦」。 在動摩擦中出現的摩擦力稱為「動摩擦力」。對物體所施之力大於最大靜摩擦力時,物體就開始運動。在運動起來之後,若將所施加之力減小,物體便又停止運動。這一情況表明,物體運動之後,還有阻止物體運動的力,即還有摩擦阻力。這種物體運動時所產生的摩擦力即稱動摩擦力。
置於固定平面上的物體由於受沿它們接觸表面切向的外力作用有相對滑動的趨勢但還沒有發生相對滑動的時候,存在於接觸表面的阻礙這種滑動趨勢的現象,謂之「靜摩擦」。這裡應注意兩點:一是兩個緊密接觸而又相對靜止的物體;另一點是具有相對滑動的趨勢,但又還沒有發生相對的滑動。
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