摩擦学论文 题目名称：机械设计中的摩擦学问题学 校：合肥工业大学
班 级：机械设计制造及其自动化学 号：
姓 名：曹志强
12-7班2012216755
2015年 6 月
机械设计中的摩擦学问题
摘要：本文指出了机械设计中重视零部件强度问题而忽视摩擦学方面问题的弊病，并分析了摩擦学方面设计的重要性、需要注意的问题及在机械设计中摩擦学设计所涉及的因素，包括弹流润滑、混合润滑、润滑剂应用等，并叙述了摩擦学设计的一般准则。
关键词：摩擦 摩擦学设计 摩擦学设计因素 润滑设计准则
一、前言
摩擦现象在日常生活中随处可见，它既给人们带来一些益处，又带来许多危害。任何机械中都存在着摩擦，摩擦是一种不可逆过程，其结果必然有能量损耗和产生磨损。据估计，世界上在工业方面约有1/3-1/2的能量消耗于摩擦过程中，大约有80%的损坏零件是由各种形式的磨损引起的，由于磨损，会使零件的表面形状和尺寸遭到缓慢而连续的破坏，使机械的效率和可靠性逐渐降低，丧失原有的工作性能。控制摩擦、磨损的有效手段是润滑，因此，把研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术统称为摩擦学，把在机械设计中正确应用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。
在机械设计中，人们普遍非常重视零部件的强度问题，而往往对涉及到的摩擦、磨损及润滑问题重视不够，主要因为摩擦学设计远不像强度设计那样可以定量分析，它是一个极其复杂的过程，涉及的问题和影响因素众多。
二、机械设计中摩擦学设计涉及的因素
（一）弹流润滑
（1）润滑膜高压性态
在弹流润滑条件下，润滑油通过接触区时，压力急剧增高，液体的粘性转变为类似固体的粘弹性，大大地增强了油膜的承载力。
（2）润滑膜极限剪切应力
弹流润滑膜处在高剪应变率和压力急剧变化状态下，呈非牛顿流体，达到极限剪切应力时，弹性润滑膜为粘塑性性质，在油膜内部或油膜与固体界面上将出现滑动，从而使油膜压力降低，甚至丧失承载力。
（3）润滑油膜承载力
经典润滑理论认为，随着载荷增加，润滑油膜逐渐变薄，当膜厚减小到粗糙度高峰直接接触时，即为润滑失效。因此，采用膜厚比入作为润滑状态的判断准则X -h/ a，式中：h 为最小油膜厚度。为表面综合粗糙度。通常认为入=2-3为全膜弹流润滑。然而对弹流润滑的深人研究发现，上述的判断准则不完全符合实际。粗糙度高峰附近的局部压力随着载荷增加而增加，此压力产生的表面变形足以使粗糙峰展平而不发生接触，这意味着弹流油膜有更大的承载力。
（4）乏油与干涸润滑
有关学者分析了充足供油、乏油和干涸润滑的性能，并提出了3种状态的判别方法。研究表明，弹流润滑膜可以存在于微米、亚微米甚至纳米膜厚很宽的范围内。
（二）磨损问题
磨损过程相当复杂，关于它的研究现在还处于初始阶段。研究内容涉及实际接触面积、磨损机理、磨屑形成机理及各种参数对磨损的影响等问题。许多磨损机理和计算方法均带有很大的局限性，距离工程上的应用还有相当大的距离。因此，对磨损规律、磨损机理及磨损计算方法的研究，应当予以足够的重视。
（三）新型润滑剂的应用
20世纪50年代以来，各种合成润滑油有较大的发展。我国的各种润滑油、添加剂发展也很迅速，近几年来，自润滑材料的研究和应用发展很快，是十分有前途的润滑材料。为了生态环境的可持续性发展，绿色润滑油和添加剂是今后的发展方向。
三、摩擦学设计的一般准则
从上面的分析可看出，摩擦学涉及到的问题和因素很多，因此目前还没有一套成熟的设计理论。现行的摩擦学设计依据主要有摩擦副的工况及运行环境、摩擦副的接触类型及运动方式、磨损类型及机理、配对副的精度及零件的重要性。设计的内容包括三个方面，分别是零件的表面形貌设计、工况参数和润滑设计以及摩擦副材料特别是零件表面及亚表面的显微组织结构、成分和理化性能设计。
（1）表面形貌设计
表面形貌通常用摩擦副的表面粗糙度来表征。粗糙度是表面的微观不平状态即微凸体的高度及其分布的描述，它直接影响着摩擦副的实际接触面面积、接触
应力、接触变形类型、表面持油能力及磨粒的嵌人特性等。表面形貌设计主要是表面粗糙度的设计。如果表面粗糙度设计得恰如其分，在摩擦副磨合后就能够得到适于工况条件的平衡粗糙度。粗糙度设计的原则有三条：一是用加工精度与粗糙度相对应的方式设计；二是与机械工况相适应的润滑模式设计；三是特殊的润滑情况下粗糙度及其纹理方向应特殊设计。
（2）润滑设计
润滑设计包括润滑剂类型的选择和润滑方式的确定。
润滑剂影响摩擦副摩擦性能，其关键指标是粘度。在设计中，润滑剂的粘度要根据摩擦副的运动形式和工况参数来确定，并由粘度决定相应的润滑剂类型。当按运动形式选润滑剂时，滚动润滑选用高粘度的润滑脂，滑动润滑选用低粘度的润滑油；当按工况参数选润滑剂时，高速低载荷选用低粘度润滑油，低速高载荷选用高粘度润滑油。另外，因为机械启动和停止时，机械的润滑状态要经历边界润滑阶段，因此，在润滑油选择时，润滑油的油性和极压性也应考虑，保证机械启动和停车时在边界状态下润滑条件良好。摩擦副常用的润滑方式有滴油、浴油、溅油、注油和喷油等几种。润滑方式的选择主要依据是摩擦副的运动速度，当滑动速度>>12m/s时，一般选用注油和喷油润滑方式; 当滑动速度在3-12m/s之间时，一般选用溅油或喷油润滑方式；当滑动速度低于3m/s时，一般选用浴油和滴油润滑方式。
（3）摩擦副表面层设计
在摩擦学设计中，摩擦副的耐磨层薄膜通常有三种设计法则：一是摩擦副若是粘着磨损为主，则采用互溶性小、化学活性强而抗剪切强度低的表面层，即用抗剪切强度正梯度法则设计。二是摩擦副若是磨粒磨损为主，则采用非常硬的表面，如TiC, TiN及表面淬硬层等，即采用表面硬度负梯度法则设计。三是摩擦副若是几种摩擦磨损过程混合的情况，即采用强度正梯度法则一硬度负梯度法则的复合梯度法则设计。
四、结语
摩擦学设计是一门正处于发展完善中的科学，许多问题还有待解决。摩擦学设计应与机械设计结合起来被工程上应用，在满足机械强度的条件下，推导出摩擦学公式，建立以摩擦学为基础的润滑模型，使机械设计更加牢固可靠。
参考文献：
【1】谢友柏. 摩擦学设计主要是摩擦系统的设计. 西安：西安交通大学润滑理论及轴承研究所，1995.
【2】刘左民. 摩擦学理论与设计. 武汉：武汉理工大学出版社.2009.
【3】蒲良贵，陈国定，吴立言. 机械设计（第九版）. 北京：高等教育出版社，2013