细聊设备的磨损

■ 李 强

摩擦并不是一个陌生的字眼：在古代，人类就懂得钻木取火，这是因为两者的摩擦能产生热量；而用玻璃棒和丝绸之间不停的摩擦，能产生静电，这是对摩擦起电现象的最好解释；还有，汽车轮胎上凹凸不平的花纹，如果磨平了就要及时更换，为的是增大轮胎与地面的摩擦。这些都是我们生活中耳熟能详的摩擦现象。在日常的生产和生活中,人们时刻都离不开摩擦，摩擦现象也是物理学中最古老、最有趣的问题之一，并形成一门专业的学科——摩擦学，近年来，关于摩擦学方面的专著屡见不鲜。

在摩擦学上，关于摩擦是这样表述的：当两个接触表面作相对运动或有相对运动趋势时，将会有阻止其产生相对运动的现象。这个阻止其相对运动的力就叫作摩擦力（或阻力），而两个成对的接触面就叫做摩擦副。通过力的相互作用，摩擦副交换运动，也彼此制约着对方的运动。这在运转的动设备中是经常见到的。

事实上，动设备中发生相对运动的部位一般都是经过加工的，具有光滑的表面，可是，无论加工的精度有多高，机件表面都不可能绝对的平滑，在放大镜、显微镜下都可以看见表面有高有低、凹凸不平。当两个物体相互挤压时，接触的表面上只有少数凸出点的相互接触，这是大量分子相互接触时的宏观表现。如果接触面承受载荷而又紧密接触，两个表面上的突起部分和陷下部分就会像犬齿一样交错地嵌合在一起，当两个接触表面做相对运动时，表面上的突起就会互相碰撞，阻碍表面间的相对运动。从而产生摩擦、摩擦力。一般来说，接触面越大、相互运动的速度越快，摩擦力就越大，如行驶中的汽车，轻踩刹车时车体运行相对平稳，人在车内不会有太大的感觉，但在急刹车时，车内的人不仅会前倾，制动的声音也很大、很刺耳，甚至还会发生跑偏、轮胎烧焦的现象。

在工业生产中，摩擦随处可见，也不可避免。如果合理地加以引导、规划，如热交换、轴传动、输送带、新装配的机器的配合件等，就能充分利用摩擦现象、发挥其工业价值。但是，摩擦在多数情况下是对生产不利的。

摩擦是一种现象，而磨损则是一种很现实的结果。磨损主要是指摩擦体接触表面的材料在相对运动中由于机械作用，间或伴有化学作用而产生的不断损耗的现象。它是摩擦学研究的重要内容，也是机械零件失效的主要原因之一。有工业统计数据表明，在失效的机械零件中，大约有80%是由于各种形式的磨损造成的，一些高速运转的易损件，如轴承、滑轮等，不得不经常更换。又比如，1998年，德国从汉堡开往慕尼黑的著名城际高速列车脱轨，造成101人死亡、84人重伤，经济损失约2亿马克。调查表明，事故缘于轮毂由于摩擦而引起的疲劳裂纹。可见，一些不太起眼的磨损，也会酿成惨痛的事故。

摩擦也是工业生产中降低动设备无为能耗的关键。在设备运转时，各个运动的摩擦副既消耗能量又降低机械效率，还会影响到机械零件的强度和寿命、机械精度及可靠性。有数据统计显示，全世界工业部门使用的能源中，约有1/3～2/3最终以各种形式损耗在摩擦上。可见，控制摩擦、减少磨损，不仅可以大大发节约能量、节省材料，还可以延长机器使用寿命，获得明显的经济效益。所以，在工业设备中有些摩擦是要尽量避免的。

影响摩擦、磨损的因素有很多，例如相互作用表面的相对运动方式（滑动、滚动、往复运动、冲击等）、载荷与速度的大小，表面材料的种类、组织，机械性能和物理化学性能等，各种表面处理工艺，表面几何性质（粗糙度、加工纹理、加工方法等），环境条件（温度、湿度、真空度、辐射强度和介质性质等）和工况条件（连续或间歇工作）等。这些因素的相互影响对于磨损将产生或正或负的效果，从而使磨损过程更为复杂。按照表面破坏机理特征，磨损可以分为磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等。前三种是磨损的基本类型，后两种只在某些特定条件下才会发生。

影响磨损的这些因素也并非都是可控的。一般来说，减小设备磨损的方法主要有以下几个方面：

首先是设备的设计。如果在设计环节就能很好地处理好摩擦、磨损和润滑中的各种问题，经济效益将是巨大的。特别是现在的生产设备都在向着高速、高精度、大批量和生产过程高度自动化、连续化的方向发展，必须要考虑摩擦、磨损和润滑关系，否则就不可能设计出符合要求的好产品。这包括配对材料的选择（材料的温升、组分、结构、金相组织和物理、化学性质等）、机械结构和尺寸设计等。

其次是设备的润滑。常用的润滑介质有润滑油和润滑脂，它们的共同特点是：分子能够牢固地吸附在金属表面形成一层薄薄的油膜（又称边界油膜），一般只有0.1～0.4μm厚，但在一定条件下能够承受一定的负荷而不破裂。在外力作用下，油膜与摩擦表面结合得很牢固，可以将两个摩擦表面完全分开，从而将机件间的机械摩擦转化为油膜内部分子之间的摩擦，进而减少机件的摩擦和磨损，达到保护设备的目的。

然后是新材料、新技术的应用。以汽车为例，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%。近年来发展的纳米热喷涂工艺、纳米和亚微米活化材料修复技术等，都可以降低摩擦系数，大大延长零部件的使用寿命。美国阿贡实验室研究出有超滑性能和高耐磨性的表面膜，摩擦系数仅为0.001～0.003，是常规表面的1/10；其磨损率仅为10～10mm3/Nm，几乎实现零摩擦和零磨损。

最后是设备的日常维护和保养。就是操作工人每班都必须进行的保养，主要内容是班前、班后检查，使设备保持清洁，检查零部件的状况，润滑情况，紧固螺丝是否松动，如有问题要及时反映给保全班值班人员处理。对设备重要维护部位按照说明书要求进行必要的保养和润滑，对工程机械传动位置要求定期实施注油，补充润滑脂。