[科普中國]-干摩擦

概述

兩摩擦表面之間無任何潤滑劑時，兩物體表面的微小凸起部分(稱為輪廓峰)直接接觸，這種摩擦狀態(tài)稱為干摩擦。雖然金屬間的干摩擦系數(shù)很大，但在工程實踐中并不存在真正的干摩擦，因為暴露在大氣中任何零件的表面，不僅會因氧化而形成氧化膜，而且或多或少會受到潤滑劑的污染。此時的摩擦系數(shù)顯著減小，對鋼一鋼表面，摩擦系數(shù)約為0.15～0.20。1

在機(jī)械設(shè)計中，通常把未有經(jīng)過人為潤滑的摩擦狀態(tài)當(dāng)作“干摩擦”處理。

干摩擦是衡量摩阻材料的一個重要指標(biāo)，利用干摩擦的作用將動能轉(zhuǎn)化為熱能，并加以吸收或散失以減少對磨表面相對運(yùn)動速度，如剎車片這類材料就要求干摩擦力強(qiáng)。

而濕摩擦（當(dāng)兩接觸表面之間有足夠的液體以致兩個物體并不直接接觸時，兩個物體間的摩擦叫做濕摩擦。2）剛好與此相反。

利用高分子材料做成耐磨材料時，往往測其摩擦系數(shù)，多數(shù)是在干摩擦情況下進(jìn)行。如測耐磨聚四氟乙烯，耐磨聚甲醛等的摩擦系數(shù)就是在這種狀態(tài)下進(jìn)行。

利用干摩擦阻尼的耗能作用來抑制結(jié)構(gòu)的振動水平是一種非常有效的減振措施，且廣泛應(yīng)用于透平機(jī)械葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計中來降低葉片振動，提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性，在葉片中應(yīng)用的具體結(jié)構(gòu)包括：圍帶、松拉金、凸臺拉金和平臺阻尼塊等。

干摩擦理論兩個粗糙表面接觸時，接觸點(diǎn)相互嚙合，摩擦力就是所有這些嚙合點(diǎn)的切向阻力的總和。在這種情況下，降低表面粗糙度就可以降低摩擦系數(shù)。對于干摩擦機(jī)理進(jìn)行解釋的經(jīng)典理論適用于金屬對金屬的摩擦。它是建立在下列假設(shè)的基礎(chǔ)上的：

（1）真實接觸面積由塑性變形決定；

（2）兩個接觸表面被一個剪切強(qiáng)度較低的膜隔開；

（3）膜的剪切強(qiáng)度較高時，摩擦取決于基材金屬的剪切強(qiáng)度。

在負(fù)荷的作用下，摩擦表面真實接觸點(diǎn)上接觸應(yīng)力很大，以致產(chǎn)生塑性變性，形成小平面接觸，直到接觸面積增大到能夠承受全部負(fù)荷時為止。對于理想的彈—塑性材料，真實接觸面積與負(fù)荷的關(guān)系可用下式表達(dá)：

式中：F——法向負(fù)荷，N；

A——真實接觸面積， ；

——壓縮屈服極限，Pa。

在這種情況下，金屬表面將出現(xiàn)牢固的粘結(jié)點(diǎn)。在切向力的作用下，粘結(jié)點(diǎn)被剪斷，表面隨即發(fā)生滑移。摩擦的過程就是粘結(jié)與滑移交替進(jìn)行的過程。摩擦力主要表現(xiàn)為剪斷金屬粘結(jié)點(diǎn)所需的剪切力。若硬表面的粗糙凸峰嵌入較軟金屬的表面，在障擦?xí)r也會增加滑動阻力。因此，摩擦力可以近似地等于剪斷金屬粘結(jié)點(diǎn)時所需的剪切力。

設(shè)粘結(jié)點(diǎn)部分的剪切強(qiáng)度為 ，則摩擦力 為：

則摩擦系數(shù) 為：

由上兩式可知，摩擦力的大小僅與法向負(fù)荷成正比，而與實際接觸面積無關(guān)。摩擦系數(shù)取決于材料的機(jī)械物理性能：與剪切強(qiáng)度成正比，與壓縮屈服極限成反比。3

數(shù)學(xué)模型用于描述干摩擦接觸面間摩擦阻尼特性的數(shù)學(xué)模型有很多種，目前最常用的有宏觀滑移模型和微動滑移模型。

其中宏觀滑移又稱為整體滑移模型，即假設(shè)接觸面內(nèi)所有接觸點(diǎn)的正壓力都相等，可看作單點(diǎn)接觸模型。它又分為“Sgn模型”（關(guān)于相對滑動速度的不連續(xù)函數(shù) ）和 “遲滯模型”（關(guān)于滑動位移滯后的連續(xù)函數(shù)）。其后,，有大量學(xué)者對此模型作出改進(jìn)。王親猛考慮 了接觸面正壓力的諧波變化特性，分析接觸面摩擦力的非線性特性；徐自力考慮動、靜摩擦力的差別,，對 Oden摩擦模型進(jìn)行修改和完善；謝永慧考慮接觸面正壓力在葉片振動過程中發(fā)生變化且摩擦面會產(chǎn)生脫離。但工程計算中多采用正壓力不變的滯后滑移模型，這種模型簡單又能描述出摩擦接觸的基本特性，便于分析，在工程中得到廣泛的應(yīng)用。

與宏觀滑移模型不同，微動滑移模型相對復(fù)雜，能夠較為準(zhǔn)確的描述接觸面處于大正壓力載荷和小相對運(yùn)動位移時的摩擦阻尼特性。微動滑移模型又稱為局部滑移模型，它描述的接觸面為多點(diǎn)接觸, 在摩擦面之間出現(xiàn)整體滑移前，就存在接觸面部分滑移現(xiàn)象，即葉片振動可能只導(dǎo)致部分接觸點(diǎn)發(fā)生滑移，而其它接觸點(diǎn)保持黏滯狀態(tài)。微動滑移模型主要有兩種型式：串聯(lián)和并聯(lián)。并聯(lián)滑移模型摩擦力表示為葉片位移的函數(shù)，比串聯(lián)模型更適合進(jìn)行動力分析，工程應(yīng)用中往往選擇這種模型進(jìn)行分析。4