浅析机械设计中及摩擦理论的研究动向

摘 要：本文针对机械设计中的及摩擦理论的研究动向进行讨论，重点介绍了摩擦学和理论中常见的模式，探讨了机械设计中应用这一理论的重要性，以及未来机械零件设计与制造过程中，这些理论的发展动向，为相关学者不断进行该理论的研究指明了方向。

关键词：机械设计；；摩擦

机械设计是人类高级而复杂的创造性思维活动。机械设计建立在多学科的基础上，涉及到数学、物理、化学、机械学、电子学、计算机学、制造工艺学、材料学、认知科学和设计学等领域的基础知识。特别是复杂的机械设计，在设计过程中要犹为考虑运动部件的之间的摩擦，即所谓的摩擦学设计。

由于摩擦现象发生于表面，其理论分析和实验研究都比较困难，目前摩擦研究正由宏观向微观、由定性向定量、由静态向动态、由单一因素向多种因素的综合研究阶段。相应的机械设计中遇到的许多问题也随着计算机技术及摩擦理论研究的发展而得到解决。及摩擦在机械设计中的理论及发张方向可分为如下几个方面：

一、流体动压

两摩擦表面相对运动时，具有一定粘度的流体将被带进两表面之间，靠粘性流体的动力学作用产生流体压力，形成膜以承受载荷并将两表面完全分离开的方式，称为流体动压。流体中所用的粘性流体可以是液体，也可以是气体。所以相应的成液体和气体。

流体动压理论属于粘性流体力学，以及由它导出的流体基本方程--雷诺方程。随着计算机技术的不断向前发展，以及许多关于粘性流体力学的软件的应用，用数值解决各类轴承问题已经日益成熟，从而更有力的推动了这方面技术的发展[1]。

二、弹性流体动压

弹性流体动压是现代摩擦学发展的重要领域。它主要研究了名义上的点线接触摩擦副的问题。

弹性流体动压理论是研究在点线接触中弹性体间的液体动力问题。与面接触的液体状态相比，点线接触副的弹性流体状态极为特殊，主要是油膜很薄，一般只有微米量级，油膜压力也很高，最大达到Gpa量级；接触瞬间，剂通过接触区的时间只有0.001s量级；有时还伴随着显著的温升。由于施加在点线接触运动副上很高的载荷会使弹性体产生很大的局部变形，从而剧烈改变油膜几何形状，而改变后的油膜几何形状又反过来决定压力分布规律，所以，在求解这一理论的问题时，在必须满足基本的弹性方程和方程的同时，还要考虑接触表面的形貌和顺滑剂的非牛顿特性。目前全膜弹性流体理论基本上成熟，在齿轮、凸轮、滚动轴承、金属碾压和拔丝等工程设计领域获得了广泛的应用[2]。

三、流体静压

静压滑动支承是靠外部的流体压力源向摩擦表面之间供给一定的压力流体，借助液体净压力来承受载荷。这种支承的特点是：流体状态的建立与其表面的相对运动速度无关，静压力支承可在很宽的速度范围和载荷范围内无磨损的工作。由于运动副之间完全被油膜隔开，这就大大减少了因支承表面加工误差所带来的影响，而使支承具有很高的运动精度。

随着静压技术不仅应用于高精度机床、高效机床、重型机床上，还应用到精度仪表机床及小型仪器上，并推广使用到轧钢机、球磨机、船闸起重机等重型设备上。可以预料，它的应用范围还会越来越广泛。

液体静压支承、补偿元件（节流器）和供油系统所组成。静压支承中各个独立的承载部分叫油垫，每个油垫则又由油室、油封和进油口所组成。油垫表面形状随支承表面几何形状而定。如向心轴承，其油垫表面是圆柱面；止推轴承的平面轴端或轴肩，其油垫表面是平面等。一个轴承中的油垫数目，要看具体的性能要求和结构条件而定。

支承表面形状虽然多种多样，但是大多数止推轴承和导轨都是平面的，圆柱面也可以等效平面来设计计算。有关流体静压支承的设计与计算方法、静压支承的补偿原理及补偿元件、静压支承的承载能力和油膜刚度、静压支承的流量、功率和温升可从相关文献中查到。

四、边界

摩擦界面如果存在着一层与介质的性质不同而又具有良好性能的膜，则这种状态称为边界。边界现象广泛的存在于各种机器设备中，如普通滑动轴承、机床导轨、汽缸与活塞环、凸轮与顶杆之间等等。

边界中起作用的膜称为边界膜。一般来说，边界膜是由于剂的"极化"而形成的，能"极化"的剂或材料称为活性材料。当极性分子吸附在金属表面上达到饱和状态时，极性分子紧密排列，并与金属表面吸附得很紧，有一定的油膜强度。当摩擦界面相互滑动或滚动时，边界膜起着良好的作用，以防止摩擦界面的直接接触。

边界是一个很复杂的过程，是由固体-剂-固体这样一个边界系统所决定的。就边界剂的作用而言，是在运动表面之间形成一层油膜，使其能将两摩擦界面隔开以减少固体与固体之间的直接接触，且这层膜本身要求容易被剪切。一些长链分子的剂具备上述条件，它们的分子链之间具有强的吸引力，可以附着在固体表面上以防止摩擦界面间的相互嵌入，减少磨损，其分子之间具有低的剪切强度，可降低摩擦阻力[3]。

边界机理是相当复杂的，它涉及到表面和剂之间的物理性质和化学性质；涉及到表面膜与固体之间的吸附能力；涉及到接触力学、接触化学、接触物理学等许多边缘科学的内容。具体的文献中会有详细的说明，在此不再赘述。

五、摩擦理论

两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触表面之间将产生阻止其相对运动或相对运动趋势的作用力，这种阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦现象。或者说：阻止两物体的接触表面产生切向相对运动的现象叫做摩擦。两接触表面有相对运动必然有摩擦，其摩擦力的方向永远是沿着接触面的切向，与物体的相对运动方向相反或者与物体相对运动的趋势的方向相反，阻碍其相对运动。

摩擦将使机器表面产生磨损，导致其配合间隙增大，影响机器的工作精度，寿命和可靠性等。在摩擦理论中，目前研究最多的有滑动摩擦机理、滚动摩擦机理、摩擦力的动态特性等基础理论。

六、磨损理论

磨损理论是一门综合性的技术科学，它是机械工程的基础理论之一，将直接影响到机器设备的效率、寿命和可靠性，在许多情况下是影响产品性能的关键因素。对于大多数的机器设备，都是由于工作表面的磨损而降低工作精度或丧失工作能力。研究磨损的目的就在于揭露磨损现象产生的原因，探讨磨损的规律、研究磨损的机理，从而找到降低磨损的方法，以满足现代机器在高强度、高速度、高自动化和特殊工况条件下的工作需要。

磨损是机械零件的一种破坏形式，它破坏工作表面，影响机械设备的功能，消耗材料和能源，并且降低了机械设备的使用寿命。但磨损也有好的作用，例如：机械设备在跑和阶段的磨损，以及利用磨损原理的机加工方法，都是有益的磨损的应用形式。

磨损是一种很复杂的过程，它涉及的问题很广泛，影响的因素也很多。仅仅对其表面做宏观的观察，很难彻底认清其规律和机理。随着科学技术的发展，测试手段的进步，人们对磨损理论的认识已经取得了很大的发展，已经开始由宏观到微观，由静态到动态，由定性到定量的研究阶段，但仍远远未达到完善的地步，至今仍然未得出同意的磨损理论。就起磨损机理而言，研究的比较多的有：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、俯视磨损、微动磨损、气蚀磨损和冲蚀磨损等机理。

以上是关于机械设计中常用的摩擦及理论最新研究动向，其实在机械设计的摩擦和理论中还需要考虑各种材料的选择，机械零件热处理，剂的使用等其他方面的内容，这些方向都亟待这我们去进行探讨和研究。

参考文献：

[1]齐宏.现代制造技术与应用[M].机械工业出版社，2009.

[2]王隆太.先进制造技术[M].机械工业出版社，2008.

[3]与摩擦理论概述[M].河北科技大学学报，2007，（12）.

作者简介：王环（1992.2-），男，湖北襄阳人，江汉大学机电与建筑工程学院机械设计制造及其自动化专业本科生。