摩擦学在机械领域的应用现状

程澄

摘 要：摩擦学是研究具有相对运动的两表面之间的相互作用机理及实际工程摩擦应用的一门学科，关键词是摩擦、磨损和润滑，摩擦、磨损和润滑问题也是机械领域的研究热点。相对运动的两表面之间产生相互作用，产生力的传递和机械能的转换，材料的物理化学性质和表面形貌也发生变化。摩擦学研究的主要内容是研究两表面之间的相互作用本质，获得丰富的相互作用现象，解决实际工程问题。 本文将从摩擦学在机械领域里的应用方面進行阐述。

关键词：摩擦学；原理；机械；应用

1 摩擦学原理

摩擦学原理分为三部分的内容：润滑理论与润滑设计；摩擦磨损机理和应用摩擦学。润滑理论与润滑设计部分包括润滑膜的流变特性、流体润滑理论基础、润滑计算的数值解法、典型机械零件的润滑设计、特殊流体介质润滑、边界润滑与添加剂、润滑状态转化与薄膜润滑和润滑失效与混合润滑。摩擦磨损机理与控制包括表面形态与表面接触、固体摩擦与控制、磨损特征与机理、宏观磨损规律与磨损理论、抗磨损设计与表面涂层、摩擦磨损实验与状态监测。应用摩擦学分为微观摩擦学、金属成型摩擦学、生物摩擦学以及生态摩擦学[1]。

机械领域中普遍存在零件之间的相对运动，故会涉及到较多的摩擦学原理。产生相对运动的零件之间的润滑设计，包括润滑膜的厚度，润滑介质等都要适应一定的工况。在一些不容易保证润滑条件的工况下，常见的就是零件之间的磨损，磨损不仅会造成机械传动之间产生误差，严重时会造成零件强度的下降，产生无法想象的后果。除了在机械工作过程中会运用到摩擦学原理，在机械加工过程中也会应用到摩擦学原理，典型的例子就是在铸造或锻造过程中，材料是否能均匀充满在模具之中涉及金属成型摩擦学。

2 在机械领域的应用

机械系统中普遍存在液压系统，液压系统具有体积小，重量轻，精度高，多种控制方式，具有其他系统没有的自润滑优点。建筑机械中的液压系统常出现爬行现象：当液压马达低速运行时会出现执行机构运动速度不均匀的情况，存在速度突变情况。爬行的摩擦学原理解释为：液压马达低速运行时，马达提供的力不足以克服执行机构的静摩擦力，使得执行机构保持不动；执行机构保持不动，空间一定，但是持续进油，压力增大，当压力大于静摩擦力时，执行机构开始加速运动，空间增大，压力逐渐减小，当压力小于执行机构的摩擦力时，执行机构做减速运动，重复进行加速减速运动。爬行不利于机构运转的稳定性及机构传力的准确性，可通过减小静动摩擦系数之差，添加防爬油等方式消除爬行带来的不利条件[2]。

几乎所有的机械设备中都会存在轴承系统，轴承系统用在具有相对回转速度差的两零件之间，用于减少摩擦。根据轴承中摩擦的性质不同分为滑动轴承和滚动轴承；根据轴承能承受的载荷类型可分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承。滑动轴承是利用动压流体润滑或者静压流体润滑原理实现摩擦副表面的完全隔开，关于油膜的设计采用雷诺方程，进行各个润滑参数的匹配，在轴颈和轴瓦之间形成润滑油膜，润滑性能主要取决于润滑油的性能参数[3]。由于轴颈和轴瓦之间只有一层润滑油膜，那么轴瓦的表面粗糙度、加工误差等表面形貌特征对轴瓦的润滑和磨损起着尤为重要的作用。对于动压润滑轴承来说，轴承放置润滑油膜表面波纹的波长和波高会对摩擦效果产生决定性的影响。科学改进轴承加工中的刮研工艺会获得质量更高的滑动轴承[4]。滚动轴承是利用滚珠在轴承内外圈之间做相对滚动，使得轴承内外圈之间可产生较大的相对速度。大多数的滚动轴承采用脂润滑，在轴承的内外圈之间填满润滑脂，当轴承内外圈承受一定的载荷，滚动体不再是纯滚动运动，滚动体的摩擦情况变的复杂，大多数情况下，滚动体处于边界摩擦状态，滚动轴承的常见失效形式之一就是滚动体点蚀。

除了机械设备工作状态下存在各种各样的摩擦，在机械零件的加工过程中也存在各种各样的摩擦。机械零件的加工过程中必不可少的就是切削，切削过程中常见的为切削刀具的磨损。刀具的磨损分为前刀面磨损、后刀面磨损、前后刀面同时磨损三种模式。刀具的磨损可分为三个阶段：前期磨损阶段、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段。可采用相应的摩擦学原理，选择刀具材料及设计刀具形状[5]。锻造也是机械加工中常见的工序，通过使金属产生塑性变形获得一定的机械性能以及一定的形状尺寸。依据锻造过程中两接触表面润滑状态，锻造中的摩擦分为干摩擦、边界摩擦、流体润滑摩擦和混合摩擦。锻造成形过程中的摩擦数学模型有两种：经典摩擦模型和非经典摩擦模型。摩擦行为对金属流变状态、力学性能以及微观组织产生影响，以至于影响锻造质量[6]。

3 展望

（1）实际机械工况的复杂性要求摩擦学的研究向综合性方向发展，必须结合多学科知识，从各个方面对摩擦学机理展开深入的研究，揭示出摩擦本质，从根本上提出改善摩擦性能的方法和技术，解决实际工程摩擦学问题。

（2）制造业的发展要求关键零部件的摩擦学性能越来越高，关注多功能材料、智能材料及仿生材料等新型材料的优势，开发摩擦性能优异的新材料。

参考文献：

[1]温诗铸， 黄平.摩擦学原理-第2版[M].清华大学出版社，2002.

[2]陈冠国.用摩擦学原理分析建筑机械液压系统的爬行[J].建筑机械，1999（2）：38-40.

[3]张锁怀，李忆平，丘大谋.齿轮-转子-轴承系统中的摩擦学问题[J].西北轻工业学院学报，2000，18（2）：38-41.

[4]黄旻舒， 郑哲文， 李桂芳.滑动轴承表面形貌的摩擦学研究[J].林产工业，2004，31（3）：40-43.

[5]许重建.基于摩擦学原理的磨床砂轮的选用[J].科学之友，2012（16）：14-14.

[6]李卫旗， 马庆贤.摩擦行为在锻造过程中的研究现状与进展[J].锻压技术，2014，39（6）：9-19.

[7]赵斌，张松，李剑峰.基于零件摩擦学性能的磨削参数优化[J].浙江大学学报：工学版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.