摩擦理论的发展及现代应用
姓名：刘先才专业：机械类学号：222008322222237 摘要：本文阐述了摩擦理论的发展并介绍了磁流体润滑和摩擦集电材料的应用及载流摩擦磨损应用对摩擦的减弱情况。
关键词:摩擦，理论，发展，应用
1、摩擦
通常认为摩擦是两个相互接触的物体发生相对运动或具有相对运动趋势时，阻止两物体接触表面发生切向相互滑动或滚动的现象。
《理论力学》:静力学、摩擦/-北京:高教出版社，2009将摩擦力定义为:两个表面粗糙的物体，当其接触表面之间有相对滑动或相对滑动趋势时，彼此作用有阻碍相对滑动的阻力及摩擦力。
摩擦力作用于相对接触处，其方向与相对滑动趋势或相对滑动的方向相反，它的大小根据主动力的大小不同，可以分为三种情况，即静滑动摩擦力，最大静滑动摩擦力和动滑动摩擦力。
1966年英国科研与教育部在与牛津英语词典增补版编辑磋商之后，根据古希腊语中“Tribos"(即英语中的rubbing，意思是摩擦)一词提出了摩擦学(Tr ibology)这个名词的定义是:“研究作相对运动相互作用的对偶表面的理论和实践的一门科学技术”。
在中国科学技术名词审定委员会审定公布的“机械工程名词”中将摩擦学定义为:“研究作相对运动物体的相互作用表面、类型及其机理、中间介质及环境所构成的系统的行为与摩擦及损伤控制的科学与技术”。
2、摩擦理论：
2、1、库伦（Coulomb）—阿蒙顿（Amondon）定律
两个相互接触的物体间发生切向运动时，东摩擦力的方向总是与相对运动方向相反；动摩擦力的大小与接触面的法向力成正比，而与接触物体间的名义接触面积的大小无关，即f=μ. N (1)
式中f——动摩擦力
μ——动摩擦系数
N——法向力（正压力）
动摩擦力的大小与接触面积间的相对滑动速度无关；静摩擦力大于动摩擦力。
库-阿定律是一个经验法则。
长期以来曾作为工程应用中的指导法则来使用。
由于受条件的限制，不可能比较全面地把影响摩擦力的因素考虑进去。
随着科学技术的发展和实验条件的日臻完善，就会对摩擦的机理和规律有更深的认识。
2、2、摩擦理论
2、2、1、凹凸啮合说
阿蒙顿、库伦认为，由于固体表面的凹凸不平，当它们接触时，接触表面上很多凹凸部分就相互啮合。
两个面的突起部分（微凸体）相碰撞，产生断裂、磨损，形成了摩擦力。
啮合说只适用于粗糙表面，即降低表面的粗糙度就可以降低摩擦系数。
啮合说不能解释的当摩擦表面比较光滑（超精细加工表面粗糙度Ra第Ι系列0.10～0.05）时摩擦系数为什么反而增加。
2、2、2、分子粘合说
二十世纪二、三十年代，哈迪（W ·Hardy ）、托姆林森
（G.A.Tomlim-son ）、鲍登（Bowdon ）等提出了分子粘合说。
两个固体表面在接触时，只有少数微凸体的相互接触起主要作用。
其实接触面远小于名义接触面积。
Ar=∑=n
t t
r A 1（n:触点数） Ar=0.01～0.1%A 。
式中 Ar ——真实接触面积，即微凸体接触处各微观接触点面积的总和。
A 。
——名义接触面积，即接触固体相互重叠时的表观面积。
在外界正压力的作用下，少量微凸体上的压强极大，大大超出了材料的弹性限度，接触处塑性变形形成粘着点。
这时接触处两物体分子间距离已经小到分子力的作用范围。
每个物体发生相对滑动时必须拉断 粘合部分，这就是摩擦力。
分子粘合说有一定的局限性，如是否所有的真实届西湖面积都产生粘着，污染膜之间是否产生粘着等。
2、2、
3、综合说
二十世纪三四十年代，克拉盖里斯基（H.B.KPareJIbcKhh ）提出了关于摩擦的综合理论。
他认为摩擦是一个混合过程，既要克服分子相互作用力，又要克服机械变形的阻力。
发生在接触处的总的阻力就是摩擦力。
即
f=f
分+ f
变
(2)
式中f——总的摩擦力
f
分——摩擦力的分子粘合作用部分
f
变——摩擦力的变形作用部分
一般说来，变形过程和粘合过程都会发生，其比例与表面粗糙度、材料的种类、正压力的大小等有关。
（2）式可改写成
F=αAr+βN (3)
式中α——与表面分子特性有关的参数
β——与表面机械特性有关的参数
由（1）和（3）得μ= (4)
（3）式就是表示摩擦力的二项公式。
（4）式就是摩擦的总定律。
它们同时考虑了变形和粘合的作用，比较符合实验结果。
在摩擦和边界摩擦时，对于金属、聚合物等大多数材料都可按二项式摩擦定律分析。
3、摩擦学的现代应用：
3、1磁流体润滑
由于摩擦，运动过程和系统动态特性受到影响或干扰，机械所传递的一部分能量在克服摩擦阻力的过程中消耗掉，同时，机械发热，表面层产生磨损。
而润滑则是人们用来改善摩擦状况的重要措施。
磁流体(Magnetic Fluid) , 亦称磁性液体(Magnetic Liquid) 或磁性胶体(Magnetic Col2loid) , 主要由磁性粒子、表面活性剂及基载液三
个部分组成。
它是一种液态磁性功能材料,同时也是一种新颖的润滑剂, 利用其在非均匀外磁场作用下所表现出的磁性和流动性,可与永磁体或电磁体磁源构成磁回路,磁流体在磁回路的位置上,润滑过程中既不泄露,又可防止外界污染,用量不多而且可靠,这正是磁流体润滑剂润滑的主要特征。
另外由于磁性颗粒非常细小,同时在其表面还附着一层活性剂,所以不会产生额外磨损外加非均匀磁场时, 铁磁流体中将产生一种磁的彻体力, 正是此彻体力及其表观粘度的增加, 使得磁流体在润滑方面显得比其他传统的润滑油优越。
另外磁流体粘度受磁流体饱和磁化强度及温度的影响, 其关系见图1、图2 , 并且磁流体的粘滞特性(指随磁场强度增加, 磁流体粘度增加) 与磁流体的载液、所含磁粒子浓度等的关系极大。
图1 磁流体粘度与饱和磁化强度的关系图2 磁流体粘温特性
3、2摩擦集电材料的应用及相关载流摩擦磨损
自1850 年电车投入使用以来,集电装置便成了其提速的关键问题，由此，国内外逐步开始了对轨道交通摩擦集电材料的研究与使用。
随着铜滑板、碳滑板、铁基粉末冶金滑板、铜基粉末冶金滑板、浸金属碳滑板碳纤维滑板等性能优良的集电材料的发现，摩擦集电装置被广泛应用于各种大中小型机车，为现代交通的发展开辟了一个崭新的
天地。
高速电气化铁路和磁浮交通为摩擦集电材料的发展和应用提供了广阔的空间,评价一种材料性能的优劣须以其实际应用效果为依据。
目前,铜基粉末冶金、浸金属碳、碳纤维这3 种常用的摩擦集电材料仍有很大的研发空间以提高其应用价值。
轨道交通摩擦集电材料要在载流条件下与供电导线高速相对滑动摩擦,其摩擦磨损涉及摩擦接触系统和电接触系统,这两个系统相互作用、相互影响。
载流摩擦副和一般摩擦副相比多了一个接触系统,包括摩擦接触系统和电接触系统,它们相互影响,共同作用,但并不是两个单一系统的简单叠加为了获得较小的摩擦系数,大多数摩擦集电材料都具有自润滑的功能,随着滑动的继续,摩擦表面之间形成润滑膜,剪切强度显著降低,摩擦系数明显减小,并在稳定磨损阶段达到较低值。
在载流磨损条件下,摩擦副接触表面会形成收缩电阻,实际接触面积很小,局部接触区域温度升高,不利于保持润滑膜的均匀性和完整性。
因此,在通电条件下的摩擦系数比机械磨损条件下的摩擦系数略高。
金属含量较大的复合材料的磨损率会随电流的增大而增加,而对于金属含量较小的(如传统的电刷材料) ,由于电流的润滑作用,电流强度增加时反而会使磨损率减小。
集电材料的磨损率与接触表面产生的热有关,载流条件下摩擦副在摩擦过程中的热主要来自3 个方面: 电弧热、摩擦热和电流产生的热。
载流条件下摩擦表面在电流、电弧的影响下温度较高,会使摩擦表面的材料软化。
合理的负载有利于减小各种热效应,降低磨损率。
粘着磨损过程存在原子由一方向另一方物质扩散移动的过程,使摩擦速度加快,摩擦副微凸部分相互接触的时间缩短了,较难引起粘结作用,即出
现高速摩擦时磨损量减少的情况。
4、结语：
摩擦随万物的产生而存在，“摩擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人和动物分开”，自摩擦学诞生以来，摩擦原理、摩擦学设计及其在工业中的应用已经取得了丰硕的成果，基于摩擦理论的研究，对新的研究领域的开辟具有指导意义。
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