細(xì)聊設(shè)備的磨損

■ 李 強(qiáng)

摩擦并不是一個陌生的字眼：在古代，人類就懂得鉆木取火，這是因為兩者的摩擦能產(chǎn)生熱量；而用玻璃棒和絲綢之間不停的摩擦，能產(chǎn)生靜電，這是對摩擦起電現(xiàn)象的最好解釋；還有，汽車輪胎上凹凸不平的花紋，如果磨平了就要及時更換，為的是增大輪胎與地面的摩擦。這些都是我們生活中耳熟能詳?shù)哪Σ连F(xiàn)象。在日常的生產(chǎn)和生活中,人們時刻都離不開摩擦，摩擦現(xiàn)象也是物理學(xué)中最古老、最有趣的問題之一，并形成一門專業(yè)的學(xué)科——摩擦學(xué)，近年來，關(guān)于摩擦學(xué)方面的專著屢見不鮮。

在摩擦學(xué)上，關(guān)于摩擦是這樣表述的：當(dāng)兩個接觸表面作相對運(yùn)動或有相對運(yùn)動趨勢時，將會有阻止其產(chǎn)生相對運(yùn)動的現(xiàn)象。這個阻止其相對運(yùn)動的力就叫作摩擦力（或阻力），而兩個成對的接觸面就叫做摩擦副。通過力的相互作用，摩擦副交換運(yùn)動，也彼此制約著對方的運(yùn)動。這在運(yùn)轉(zhuǎn)的動設(shè)備中是經(jīng)常見到的。

事實上，動設(shè)備中發(fā)生相對運(yùn)動的部位一般都是經(jīng)過加工的，具有光滑的表面，可是，無論加工的精度有多高，機(jī)件表面都不可能絕對的平滑，在放大鏡、顯微鏡下都可以看見表面有高有低、凹凸不平。當(dāng)兩個物體相互擠壓時，接觸的表面上只有少數(shù)凸出點(diǎn)的相互接觸，這是大量分子相互接觸時的宏觀表現(xiàn)。如果接觸面承受載荷而又緊密接觸，兩個表面上的突起部分和陷下部分就會像犬齒一樣交錯地嵌合在一起，當(dāng)兩個接觸表面做相對運(yùn)動時，表面上的突起就會互相碰撞，阻礙表面間的相對運(yùn)動。從而產(chǎn)生摩擦、摩擦力。一般來說，接觸面越大、相互運(yùn)動的速度越快，摩擦力就越大，如行駛中的汽車，輕踩剎車時車體運(yùn)行相對平穩(wěn)，人在車內(nèi)不會有太大的感覺，但在急剎車時，車內(nèi)的人不僅會前傾，制動的聲音也很大、很刺耳，甚至還會發(fā)生跑偏、輪胎燒焦的現(xiàn)象。

在工業(yè)生產(chǎn)中，摩擦隨處可見，也不可避免。如果合理地加以引導(dǎo)、規(guī)劃，如熱交換、軸傳動、輸送帶、新裝配的機(jī)器的配合件等，就能充分利用摩擦現(xiàn)象、發(fā)揮其工業(yè)價值。但是，摩擦在多數(shù)情況下是對生產(chǎn)不利的。

摩擦是一種現(xiàn)象，而磨損則是一種很現(xiàn)實的結(jié)果。磨損主要是指摩擦體接觸表面的材料在相對運(yùn)動中由于機(jī)械作用，間或伴有化學(xué)作用而產(chǎn)生的不斷損耗的現(xiàn)象。它是摩擦學(xué)研究的重要內(nèi)容，也是機(jī)械零件失效的主要原因之一。有工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在失效的機(jī)械零件中，大約有80%是由于各種形式的磨損造成的，一些高速運(yùn)轉(zhuǎn)的易損件，如軸承、滑輪等，不得不經(jīng)常更換。又比如，1998年，德國從漢堡開往慕尼黑的著名城際高速列車脫軌，造成101人死亡、84人重傷，經(jīng)濟(jì)損失約2億馬克。調(diào)查表明，事故緣于輪轂由于摩擦而引起的疲勞裂紋。可見，一些不太起眼的磨損，也會釀成慘痛的事故。

摩擦也是工業(yè)生產(chǎn)中降低動設(shè)備無為能耗的關(guān)鍵。在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時，各個運(yùn)動的摩擦副既消耗能量又降低機(jī)械效率，還會影響到機(jī)械零件的強(qiáng)度和壽命、機(jī)械精度及可靠性。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，全世界工業(yè)部門使用的能源中，約有1/3～2/3最終以各種形式損耗在摩擦上。可見，控制摩擦、減少磨損，不僅可以大大發(fā)節(jié)約能量、節(jié)省材料，還可以延長機(jī)器使用壽命，獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。所以，在工業(yè)設(shè)備中有些摩擦是要盡量避免的。

影響摩擦、磨損的因素有很多，例如相互作用表面的相對運(yùn)動方式（滑動、滾動、往復(fù)運(yùn)動、沖擊等）、載荷與速度的大小，表面材料的種類、組織，機(jī)械性能和物理化學(xué)性能等，各種表面處理工藝，表面幾何性質(zhì)（粗糙度、加工紋理、加工方法等），環(huán)境條件（溫度、濕度、真空度、輻射強(qiáng)度和介質(zhì)性質(zhì)等）和工況條件（連續(xù)或間歇工作）等。這些因素的相互影響對于磨損將產(chǎn)生或正或負(fù)的效果，從而使磨損過程更為復(fù)雜。按照表面破壞機(jī)理特征，磨損可以分為磨料磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損等。前三種是磨損的基本類型，后兩種只在某些特定條件下才會發(fā)生。

影響磨損的這些因素也并非都是可控的。一般來說，減小設(shè)備磨損的方法主要有以下幾個方面：

首先是設(shè)備的設(shè)計。如果在設(shè)計環(huán)節(jié)就能很好地處理好摩擦、磨損和潤滑中的各種問題，經(jīng)濟(jì)效益將是巨大的。特別是現(xiàn)在的生產(chǎn)設(shè)備都在向著高速、高精度、大批量和生產(chǎn)過程高度自動化、連續(xù)化的方向發(fā)展，必須要考慮摩擦、磨損和潤滑關(guān)系，否則就不可能設(shè)計出符合要求的好產(chǎn)品。這包括配對材料的選擇（材料的溫升、組分、結(jié)構(gòu)、金相組織和物理、化學(xué)性質(zhì)等）、機(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計等。

其次是設(shè)備的潤滑。常用的潤滑介質(zhì)有潤滑油和潤滑脂，它們的共同特點(diǎn)是：分子能夠牢固地吸附在金屬表面形成一層薄薄的油膜（又稱邊界油膜），一般只有0.1～0.4μm厚，但在一定條件下能夠承受一定的負(fù)荷而不破裂。在外力作用下，油膜與摩擦表面結(jié)合得很牢固，可以將兩個摩擦表面完全分開，從而將機(jī)件間的機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)化為油膜內(nèi)部分子之間的摩擦，進(jìn)而減少機(jī)件的摩擦和磨損，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

然后是新材料、新技術(shù)的應(yīng)用。以汽車為例，其發(fā)動機(jī)和傳動裝置的機(jī)械摩擦損耗占發(fā)動機(jī)總能耗的12%。如果使用低揮發(fā)性、具有良好氧化安定性、抗氧化性的低黏度潤滑油可以節(jié)約燃料0.6%～5.5%。近年來發(fā)展的納米熱噴涂工藝、納米和亞微米活化材料修復(fù)技術(shù)等，都可以降低摩擦系數(shù)，大大延長零部件的使用壽命。美國阿貢實驗室研究出有超滑性能和高耐磨性的表面膜，摩擦系數(shù)僅為0.001～0.003，是常規(guī)表面的1/10；其磨損率僅為10～10mm3/Nm，幾乎實現(xiàn)零摩擦和零磨損。

最后是設(shè)備的日常維護(hù)和保養(yǎng)。就是操作工人每班都必須進(jìn)行的保養(yǎng)，主要內(nèi)容是班前、班后檢查，使設(shè)備保持清潔，檢查零部件的狀況，潤滑情況，緊固螺絲是否松動，如有問題要及時反映給保全班值班人員處理。對設(shè)備重要維護(hù)部位按照說明書要求進(jìn)行必要的保養(yǎng)和潤滑，對工程機(jī)械傳動位置要求定期實施注油，補(bǔ)充潤滑脂。