无处不在的摩擦与润滑

2015-10-16 16:29:00

在彼此接触的两个物体发生相对运动或存在相对运动趋势时,其接触表面会产生与其运动方向相反的摩擦阻力;同时在运动中会发生我们称之为机械磨损的材料脱落的自然现象。为了减少因摩擦阻力造成的能量损失和因磨损不可避免的材料损失,人们在相对运动的两个表面间加入了以流体和半流体物质为主的介质,并取得成效。这种旨在降低摩擦、减少磨损的措施,我们称之为润滑;而相应的功能介质,我们称之为润滑剂,如我们熟知的润滑油和润滑脂。以固态物质为润滑剂的固体润滑工程则是完全不同于传统流体润滑机理的更为现代的润滑技术,此处不再单述。因为日常中用得最多的还是流体型的润滑剂。

实际上,人类的祖先早已发现自然界的摩擦磨损现象和润滑方法,并在生产和生活中加以研究和利用。两万多年前,中国柳江人、资阳人、河套人和周口店的山顶洞人就已经掌握摩擦生热、磨削加工的原理,并用来钻木取火和磨制骨头和鹿角工具。我国周代中期的《诗经》中有过“载脂载辖、还车言迈”的诗句。意思是说,在车轴上涂上油指膏,便可顺利驱车遥行。这就是原始的润滑工程。

几千年过去了,如今的人类已走向太空,如我国神舟七号飞船上就搭载了能满足超低温、超高温、超真空、微重力、强辐射、高速度、高载荷等航空航天极限条件下使用的固体润滑材料。从远古燧人氏的人工取火到今天航天人的太空试验,人类文明史推动和成就了一门古老而又现代的科学与技术——摩擦学。

摩擦学这个名词出现于20世纪60年代。1964年12月22日,H.P.乔斯特博士受英国教育与科学国务大臣伯顿勋爵的委托组成了工作组,调查英国润滑工程教育和研究的现状。经过11个月的工作,完成了著名的乔斯特报告并于1966年2月公开发表。报告指出,如果重视和发展润滑技术,全英国每年仅在工业上便可节约5.5亿英磅。为了改变“润滑”一词所带来的认识局限性,报告建议用“摩擦学”一词来覆盖有关摩擦、磨损及润滑各自所有内涵和它们之间的有机联系。H.P.乔斯特博士在报告中是这样定义摩擦学的:摩擦学是研究作相对运动的相互作用表面及其有关实践的科学与技术。这个定义既表明了从此要用系统工程的理念而不是分立的方法研究摩擦磨损润滑问题;同时它又有针对性地强调了这门科学具有鲜明的实践性和应用性。

摩擦学的研究和应用深渗入渗出到我们生产、生活的方方面面。在新型的机械装置研发过程中,渗透了“摩擦学设计”的理念,在对诸如齿轮、轴承等进行产品设计时,可将其材料、尺寸、耦合件、润滑、工况、环境等作为一个系统加以考虑,并建立动态的应用反馈体系不断修正优化。例如汽车的能量形式转化与利用系统,其发动机和传动装置的机械摩擦损耗占发动机总能耗的12,如果采用摩擦学设计方法,使用低挥发性、具有良好氧化安定性、抗氧化性的低黏度润滑油可以节约燃料0.6~5.5。

摩擦学工作者自21世纪初开始研究在机械摩擦副之间添加减摩修复物质以减少摩擦、“愈合”表面磨损“伤痕”、延长零部件寿命的技术,这就是“润滑”。例如,我国铁路在内燃机车柴油机上开展了数年严格的减摩修复科学实验,取得成功。试验机车柴油机跨越3个中修期,连续安全运行了115万公里。气缸套经历正常磨损、磨损率降低和表面自修复三个阶段,恢复到新车出厂尺寸,寿命延长了3倍有余。同时,燃油节约率也达到2.5,显示出润滑技术良好的节能、节材经济前景。

近十余年,摩擦学又走进了生物工程领域,派生出所谓“生物摩擦学”,它包括人体摩擦学和仿生摩擦学。人体摩擦学最典型的例子就是人造骨关节和人工心脏瓣膜的例子,摩擦学与生命质量也有着不解之缘。所以说,摩擦学覆盖着人类生产、生活活动的每一个角落,无所不及。发展好、应用好这门科学技术有着重大的经济和社会意义。

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