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摩擦学

物体运动中表面相互作用的研究

摩擦学是磨损,摩擦和润滑的科学。包括相互作用的表面和其他摩擦元件在自然和人造系统中的相对运动中的相互作用,以及轴承设计和润滑。

什么是摩擦学?

摩擦学不是一个孤立的科学,而是一个复杂的多学科。需要通过机械工程,制造,材料科学与工程,化学和化学工程,物理,数学,生物医学和工程,计算机科学等领域的研究人员的协同努力。

  • 摩擦学的基础是什么?

    摩擦学最重要的支柱之一是系统分析和系统相关的思考。

    摩擦系统   123

    摩擦和磨损不是材料性质。 它们是对特定摩擦学系统的响应,通常包括轴承,轴和润滑剂组合,因此受到各种因素的影响。 图1中的摩擦学子系统概述了影响摩擦和磨损值的常见因素:

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    这种摩擦学系统由集体应力/操作投入,系统结构和功能损失输出组成。集体压力包括技术和物理负荷参数,包括载荷,滑动速度和持续时间,以及运动和温度条件强调系统结构。 系统结构由包括基体,相对体和环境以及中间介质的基本元件的性质分布确定。

    参考文献:
    1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010
    2 Theo Mang, Kirsten Bobzin, Thorsten Bartels: Industrial Tribology: Tribosystems, Friction, Wear and Surface Engineering, Lubrication, Wiley-VCH, 2011
    3 Theo Mang et al.: Encyclopedia of Lubricants and Lubrication, Springer Verlag, 2014
  • 摩擦学家面临的主要挑战是什么?

    最大的挑战是摩擦和磨损值不能轻易地从一个系统转移到另一个系统,例如从摩擦学试验台到实际应用。 测量值之间的比较仅在基于非常相似的摩擦学系统时才可行。 材料的摩擦学行为可以根据建模和仿真测试的具体应用进行估算,只要应用和测试环境的具体操作条件相同。

  • 摩擦力和磨损 (1)(2)(3)

    什么是摩擦力?

    摩擦力 是接触两个身体之间抵抗运动的力。 摩擦可以通过物理学家Guillaume AmontonsCharles-Augustin de Coulomb的摩擦的基本规律在宏观层面上描述。 这些物理学家发现所产生的摩擦力与施加的正常载荷之间存在线性关系。 基于此,可以推导出一个无量纲的主要参数,称为摩擦系数。 它由所产生的摩擦力和施加的法向力的比率定义。

    然而,滑动摩擦的实际机理发生在微观层面,这意味着摩擦学的摩擦学理论也涉及表面的形貌。 摩擦学家区分实际接触面积和标称接触面积(几何尺寸),其考虑了固体元件的任何空隙或非接触部分。 负责近地表能量转换过程的机制包括:

    1

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    什么是磨损?

    磨损 被定义为相互作用的表面的不可逆材料损失。 滑动配对接触区域内的物理和化学基本过程随后导致摩擦伴侣的材料和形状的改变被称为磨损机制。 这些磨损机制包括:

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    摩擦和磨损机制受到摩擦学系统的结构以及诱发的集体应力的强烈影响:

    µ= f(摩擦结构(t),诱发集体应力(t))

    w = f(摩擦结构(t),诱发集体应力(t))

    摩擦和磨损机制不是以孤立的方式发生,而是通过叠加对量化和控制的挑战的机制的叠加。 这种叠加发生在摩擦技术系统中,以不可检测的比例和按时间和地点变化的比例发生,使得几乎不可能在摩擦接触中计算摩擦和磨损过程。 这就是为什么摩擦学测试对估计摩擦学行为至关重要。 如果我们要解释和理解摩擦学测量的数据和机制导向的研究,我们需要对摩擦接触中的作用机理的完整知识。

    摩擦学家根据摩擦,磨损和润滑条件进行以下分类:

    • 摩擦力 0: 固体摩擦:直接接触固体表面之间产生摩擦,无任何润滑剂。
    • 摩擦力 I: 边界摩擦:固体摩擦,其中摩擦配合物的表面被不具有承载能力的分子润滑剂膜覆盖。 润滑剂对摩擦和磨损特性有影响。
    • 摩擦力 II: 混合摩擦:摩擦力I和III共存。 摩擦值是固体和流体动力摩擦的组合。 由润滑剂产生的流体膜具有承载能力。
    • 摩擦力 III:       流体动力学摩擦力:通过在流体中剪切来确定摩擦系数。 流体膜的承载能力防止两个固体表面之间的直接接触。
    • 磨损力 a: 高磨损率源于固体摩擦和表面的直接接触。
    • 磨损力 b: 较低的磨损值源于分子流体膜。
    • 磨损力 c:  轻度磨损源于表面通过较厚的流体膜部分分离
    • 磨损力 d:  “零磨损,“源于流体动力学或弹性流体动力学流体膜,而这阻止了两个表面的直接接触。

  • 通过将摩擦学应用于轴承设计可以取得什么结果?

    如何利用摩擦学改进可衡量产品

    摩擦学测试使我们能够获得有关材料摩擦性能的信息,以推动新的更好的材料设计。 从而我们可以将材料组合物定位以获得特定和更好的摩擦学性质。

    摩擦学测试结果和表面分析方法有助于我们根据各种因素和影响,估计摩擦磨损,破坏机理,现有材料转移膜动力学和新原型的摩擦性能。 这些信息有助于我们了解和理解变量,如各种材料成分的影响,包括填料,填料浓度,填料的协同效应,材料结构以及它们系统结构的其他元素的影响。 

    如何利用摩擦学提高轴承材料的效率和延长使用寿命

    摩擦学优化的接触表面

    • 确定影响摩擦系统的关键因素
    • 确定提高效率和减少磨损的解决方案,包括:
      • 使用摩擦和磨损优化材料。
      • 优化材料配对,以降低摩擦和磨损水平。
      • 正确选择和使用润滑剂。
      • 变更为对整体摩擦系统性能有有益影响的设计

    有哪些因为摩擦学研究而带来轴承技术进步的例子?

    关于轴承技术的历史进步,请阅读这篇刊登在Eureka杂志上的报道。它涵讲述了古埃及人使用的原始滚子轴承,罗马人40BC使用的滚珠轴承,硬化钢和氧化物陶瓷的热处理作用。 它还涉及了GGB开发的第一台自润滑平滑金属聚合物轴承

    摩擦学被用在在哪些行业和应用中?

    摩擦学在两个接触表面相互移动的应用中起着核心作用。 由于其任务关键性,连续运行要求或极端条件,有些行业对摩擦学系统提出了更高的要求。

  • 设计产品或摩擦/磨损实验时,工程师需要考虑什么?

    这很大程度上取决于应用程序。 一些应用需要低摩擦(例如轴承材料),而其它应用需要高摩擦(例如制动系统)。 对于大多数应用,材料的最小磨损是主要目标。 对于许多应用来说,低摩擦水平和良好的耐磨性能之间定义的优点通常是针对性的。  

    当设计描述摩擦和磨损的实验时,摩擦学测试可以放置在六个主要类别之一,从一类的现场测试到第六类最简单的实验室模型测试。

    类别 I:         在正常运行条件下进行现场试验,其中可能包括延长的运行条件。 这导致较差重复性,但接近摩擦学系统将面临的现实要求。

    类别 II:       在工厂环境中使用完整的设备进行实验。 这些实验可以实现接近正常操作条件的结果,并且可以在一段时间内进行以复制延长的操作条件,同时减少环境影响。

    类别 III:      组件,子系统或组件在实验室中接近正常扩展操作条件进行测试,重复性中等。

    类别 IV:     使用按比例缩小的测试设备进行实验室测试。

    类别 V:      在具有测试设备的样品上进行实验,以提供接近正常操作条件并具有优异的重复性。

    类别 VI:      使用简单的实验室测试设备进行台架测试。

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    重要的是,在第一至第三类中,原始摩擦体的系统结构需保持一致,只有集体压力得到简化。 类别II和III提供比I类更可重复的集体压力。相反,在IV至VI类中,系统结构被简化,其缺点是将测试结果的可转移性降低到可比较的实际摩擦技术系统的可预测性。 类别IV到VI提供了较好的子摩擦接触计量,更低的成本和更严格的测试时间;1 因此,随着测试类别的升序,测试时间以及测试成本显着增加,但测试结果的可转移性也增加了。

    我们如何将测试类别应用于子摩擦系统轴承?

    轴承材料的摩擦学测试可分为四大类:

    • 产品性能描述,其中包括IV类和III类,以确保结果的可转移性。
    • 生产/制造监督,包括VI至IV类,第三类也有可能。
    • 与客户有关的轴承测试可能包括III至V类,要注意的是只有当测试可以尽可能接近应用时,V类才是相关的。
    • 所有类别可能用于支持材料设计师,在初选阶段和较高数量类别的开发阶段,较低类别可以在子组件和最终产品可用时发挥作用。 
    参考文献:

    1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010

  • GGB 通过摩擦学专业知识开发轴承解决方案是什么?

    GGB基于摩擦学结果开发摩擦学优化的材料。 我们结合材料科学和性能的这些知识,彻底了解我们产品的摩擦学性能,以及如何与客户保持一致应用要求。

  • GGB在摩擦学的成就有哪些适用于轴承解决方案?

    • 在2019年,GGB推出了3种新产品:EP15工程塑料轴承,专为室外和太阳能应用而设计,具有抗紫外线性能; PyroSlide™1100是粉末金属轴承,其设计可承受高达800°C / 1472°F的温度; AuGlide®,专为高负荷应用而设计的无铅双金属滑动轴承。 GGB还推出了聚合物涂料的新产品线,该产品线可用于几乎任何表面,可简化设计,具有自润滑性,并具有化学和腐蚀保护功能。
    • 2018年,GGB推出了适用于流体力学应用的摩擦自润滑EP30工程塑料材料。
    • 在2015年,推出了具有可加工衬套的 HPMB® 自润滑细丝缠绕轴承GGB-SZ无铅双金属轴承。
    • 在2014年推出了一系列自润滑的烧结青铜和烧结铁轴承,包括GGB-BP25,GGB-FP20和GGB-SO16。
    • GGB轴承在美国宇航局好奇号的2012年登陆中发挥了作用自润滑 DU® 金属聚合物轴承 作为流动车主轴的主要悬挂部件。
    • 2010年,推出了在轻度润滑或干燥条件下具有卓越性能的材料,包括无铅金属聚合物材料DP10和DP11。
    • 2009年推出了欧洲和亚洲市场的长丝缠绕产品系列,包括强大,稳定的高负载,低磨损要求的结构。
    • 新型DX®10轴承获得了2008年北美Frost&Sullivan年度7-8级卡车轴承类别产品创新奖的殊荣,该奖项以行业新产品和技术的卓越表现而获奖。
    • 2003年,引进 无铅DP31金属聚合物材料 在润滑条件下具有改进的性能,降低摩擦,更好的耐磨性和改善的疲劳强度。
    • 推出EP,一系列注塑成型的热塑性固体聚合物轴承。
    • 1995年,推出了无铅,钢背的DP4®金属聚合物材料,以满足汽车减震器和其他液压应用的需求。
    • 1986年推出HI-EX®轴承材料,应对高温应用。
    • 在美国推出了第一条长丝缠绕产品,包括 GAR-MAX®,支持高静态和动态负载。
    • 1965年,推出了边缘润滑DX®金属聚合物材料 -适用于脂润滑或油润滑应用。
    • 1956年,GGB推出了DU®第一款具有青铜和PTFE衬里的钢背金属聚合物轴承材料,具有出色的低摩擦和耐磨性。同年,该公司推出了DU-B,具有青铜背衬,以提高耐腐蚀性。
    • 1887年,Olin J. Garlock制造出第一个工业密封系统专利,以密封工业蒸汽机中的活塞杆。
  • 摩擦学如何减少或消除对液体润滑剂的需求?

    润滑剂是摩擦学的一部分,但在某些情况下,润滑可以内置在摩擦系统部件的材料中。

    因此,材料设计师为干式润滑条件创建特定的材料,通过减少或消除液体润滑剂,实现与摩擦和磨损相关的卓越摩擦学性能。 

  • 轴和转移层的状况如何影响摩擦学性能?

    因为轴是轴承子系统的摩擦学系统结构的基本要素。 其性能对摩擦和磨损以及轴承/轴接触的所有其他情况都有直接的影响。 基本轴属性包括:

    • 材料及其化学和物理性质
    • 几何性质,包括形貌和接触比。
  • 轴承选择中需要考虑哪些摩擦学因素? 这些因素如何影响轴承选择?

    摩擦学系统的范围在轴承选择中至关重要。 将包括以下考虑内容:

    1. 诱发压力:

    • 负载性质
    • 运动性质
    • 温度
    • 时间

    2. 交配对象:

    • 材料,包括物理和化学性质
    • 几何特征包括接触比和形貌(粗糙度,各向同性和各向异性)

    3. 界面介质及其性质

    4. 环境介质及其性质

    5. 建筑导热系数。

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