摩擦学 — 有关运动的故事

2013年10月25日 16:49 CEST

我们日常生活中遇到的很多机器,诸如汽车、火车、飞机、机器人、涡轮机和压缩机等等,都依赖于运动接触面。 为了保证耐久力和能效性,通常需要对这些表面进行润滑。 若没有润滑,就需要对其磨损和损伤进行控制,如此方能达到设计性能参数。 我们将实现这一目的所需的知识归类为一门科学分支,即“摩擦学”。

哥德堡,2013 年 10 月 25 日: 摩擦学是有关处于相对运动状态的相互作用表面的科学和工程。 摩擦学包括摩擦、润滑及磨损原理的研究和应用。 摩擦学也是机械工程和材料科学的分支之一。

1966 年,英国教育与科学部的某个委员会发布了 Jost Report [1],其中正式确定使用“摩擦学”来描述整个领域。
“摩擦学 (Tribology)”源自古希腊语动词 τρίβω(tribo,意即“摩擦”)的词根 τριβ-,其后缀 -logy 源自 -λογία(-logia,意即“研究”和“知识”)。

摩擦学所含知识可用于设计各种滚动和滑动轴承。 在滚动轴承方面,摩擦学有助于我们为某个应用选择润滑剂(润滑油和润滑脂)、设计轴承及选择轴承材料和表面;此外,还可用于计算摩擦损失、温升及润滑剂和轴承的寿命周期。

以往,在设计滚动轴承时,主要依据的是材料学方面的经验知识以及机械和疲劳建模方面的基础知识。 但由于现代工业对滚动轴承的高性能要求,仅凭经验知识完全不够用。 许多要求都与接触面有关,而在轴承运行环境中,速度更高、温度更高、功率密度更高、润滑剂更稀、轴承尺寸更大、环境条件或添加剂更为恶劣、振动更大等等。 一般来说,滚动轴承具有很高的可靠性,但一旦出现故障,其根本原因通常与接触面有关,诸如润滑不够、污染、磨损、摩擦造成的高温等等,而这些均属于摩擦学的范畴。 这就是我们需要了解摩擦机制的原因,也是创新型的摩擦解决方案对于轴承制造业如此重要的原因。

在现代轴承的设计中,从材料的选择到材料几何设计及表面处理,均运用了极为复杂的摩擦学知识,其中还包括为实现可靠和安全运行所需的润滑剂和密封规范。 相关的摩擦学知识需要复杂的计算模型及详细的实验室实验和测试方法。

2012 年 SKF 的研发投资为 1.8 亿欧元,占年营业额的 2.5%。 通过一系列研发活动,SKF 在 2012 年共提交了 660 项发明和 421 项新专利。

凭借充分运用摩擦学知识,SKF 不断推出各种重大创新。 通过一系列的研发投入,SKF 取得了很多成果,诸如 E2(能效型)轴承、无磨损涂层、混合陶瓷轴承、黄铜+聚合塑料保持架、适合特定应用的超精加工轴承、表面处理、润滑脂和润滑剂规范、低摩擦密封等等。

此外,SKF 还将摩擦学知识融入了多款 SKF 预测工具和软件之中。 这些工具和软件包括 BEAST、Bearing Beacon、印刷版和在线目录模型、SKF 滚动轴承摩擦模型、SKF 轴承寿命模型(特别是润滑和污染因子)、SKF 润滑脂寿命模型及 SKF 表面应力去除模型。 对于接触表面起到重要作用的工况,这些都是实施创新及预测轴承性能的重要工具。


SKF 与大学在摩擦学方面的合作
SKF 已与许多在摩擦学领域的一流大学建立了合作关系,这在轴承制造业是绝无仅有的。 尽管 SKF 等高科技企业拥有自己的内部研发设施和专业人员,但通过与学术院校合作,能够接触到见解独到、方法新颖的世界级科学家和工程师,有利于提高自身的整体创造能力。 若要通过这种方法取得成果通常要比纯粹的内部研究花费更多的时间。 但若要达到高级的摩擦学研究水平,内部研究也极为重要,只要如此,才能实现内外结合并在学术研究领域引入业务视角。

帝国理工学院
伦敦帝国理工大学是一所世界一流理工大学,属全世界 10 所顶级大学之一[2]。 帝国理工大学的机械工程系设立了 SKF 大学技术中心 (SKF UTC) 之一。 该中心成立于 2010 年 1 月,致力于使用高级建模和测量方法对摩擦系统进行基础研究[3]。 Huge Spikes 教授和 Amire Kadiric [4] 博士带领有一支朝气蓬勃的研究团队,目前由 7 名博士生和 2 名博士后研究人员构成。 在帝国理工大学成立 UTC 标志着在该大学与 SKF 长达 30 多年的合作之后正式确立了合作关系,在此期间,SKF 的前任技术总监 Stathis Loannides 教授一直担任帝国理工大学的客座教授。

SKF UTC 是帝国理工大学摩擦学研究组的成员机构之一,该研究组成立于 60 多年以前,在摩擦学研究领域是国际公认的世界领先机构之一。 在该机构的研究成果中有很多在摩擦学领域居于领先地位,包括柴油滑润性、摩擦学中的光学干涉测量技术以及粗糙表面基础的建模等。 该研究组的研究成果不计其数,其成员机构曾多次获奖,包括三次荣获摩擦学金奖、STLE 国际大奖、帝国理工大学卓越研究奖,同时曾 20 多次荣获知名摩擦学杂志的年度最佳论文奖。

帝国理工大学 UTC 团队的目标是透彻了解接触面的摩擦现象,从而改善部件的耐久性并降低摩擦损失。 为实现这一点,他们结合采用了各种新颖的实验方法和先进的数字模型。 目前进行中的项目包括粗糙接触面弹性流体动力润滑 (EHL) 研究、工程表面接触机制研究、计算流体力学 (CFD) EHL 建模研究、润滑添加剂性能研究、低摩擦润滑脂研究、粗糙度对接触摩擦的影响研究、表面裂缝的形成和扩大研究、滚柱轴承的污点损害研究及轴承密封润滑研究。 

SKF 自己的工程与研究中心位于荷兰,其与 UTC 之间会进行紧密合作,确保 UTC 的基础研究成果能够成功地在 SKF 得以转化,其最终目的在于减少 SKF 轴承产品中的摩擦和磨损,从而提高轴承产品的使用寿命和环保性能。

国立里昂应用科学学院 (INSA de Lyon)
国立里昂应用科学学院 (INSA de Lyon) 是法国专业技术人员和技术研究员最为集中的大学之一,这充分体现了该大学的多学科研究文化和承诺。 国立里昂应用科学学院拥有 21 个实验室,共计 500 名研究员和 650 名博士生,堪称独一无二的研究中心,专注于突破性科学研究,经常与行业合作伙伴就创新应用开展合作。

LaMCoS(国立里昂应用科学学院,CNRS UMR5259)实验室是一个多学科实验室,致力于接触和固体力学及结构动力学领域的研究。 该实验室能够提供摩擦学、快速力学、振动力学、控制系统、传动系统、旋转力学及材料成型等领域的专业技术知识。 该实验室的目标是进行相关研究,了解并控制机械系统和结构的行为,同时对其接触面加以考虑。

国立里昂应用科学学院和 SKF 之间在摩擦学方面的合作可追溯至 20 多年以前,当时双方的合作源自于大型旋转接触面测试机的开发理念。 该机器目前已经成为现实,我们称之为“Tribogyr”[5],该机器为我们提供了有关滚动部件中摩擦行为的新见解,这些见解对于满足行业内功率密度越来越高、降低轴承摩擦的趋势而言至为重要。 此外,自 2004 年起SKF 工程与研究中心 (ERC) 的研究员 Guillermo Morales Espejel 一直担任国立里昂应用科学学院 (LaMCoS) 的客座教授。

最近,SKF 还在国立里昂应用科学学院设立了 SKF 润滑接触面未来主席职位 (SKF Chair on Lubricated Interfaces for the Future)[6],这标志着 SKF 与国立里昂应用科学学院之间的合作得到了进一步加强。 之所以设立这一为期 6 年的职位,其目的在于针对润滑接触面极端工况下润滑剂行为的识别、了解和建模进行上游的跨功能研究。 特别是在航空领域,润滑剂(由于其特性和成分,通常为复杂的流体)在降低摩擦损失、磨损及损伤风险方面具有十分重要的作用。 该职位的设立还旨在预计在经济、社会和环境约束条件下未来的发展趋势。

重点关注的主题包括:
- 润滑流体: 从流变到润滑,
- 润滑剂和复杂流体: 从分子机制到润滑,
- 润滑中的自由表面流及流体/固体相互作用。

除了研究之外,该职位还旨在通过在 SKF 法国分布或 SKF ERC 进行实习和/或短期项目研究来吸引年轻的研究员和学生加入 SKF。


屯特大学 (University of Twente)
荷兰屯特大学 (University of Twente) 的摩擦与流体力学系是 SKF 在摩擦学领域的另一个长期合作机构。 ERC 的研究员 Piet M. Lugt 是屯特大学摩擦学系在基于摩擦学的维护领域的客座教授,而流体力学西的 C.H. Venner 博士也是 SKF ERC 的客座教授。

“基于摩擦学的维护”(预防性维护)客座教授重点关注以下领域:

1. 轴承系统的可靠性模型
2. 补充润滑间隔
3. 润滑脂流变

Venner 博士在 ERC 主要致力于流体-固体相互作用方面的新建模技术,具体是指新预测工具的长期开发事宜。

参考

1. Jost, H. P.(编辑) 1966 润滑 — 摩擦学。 教育与研究。 报告。 伦敦: HMSO.
2. http://www.topuniversities.com/university-rankings/world-university-rankings/2012
3. 创造性变革合作,SKF 发展历程,2011 年,1 号报告http://evolution.skf.com/cooperation-for-creative-changes/
4. 减阻研究,SKF 发展历程,2013 年, 2 号报告 http://evolution.skf.com/slick-research/
5. The Beast of Lyon — 大轴承接触测试,SKF 发展历程,2012 年, 1 号报告http://evolution.skf.com/the-beast-of-lyon-%E2%80%93-putting-large-bearing-contacts-to-the-test/
6. SKF Chair Presentation(国立里昂应用科学学院)http://fondation.insalyon.fr/news/enewsletter3/download/SKF_CHAIR_PRESENTATION.pdf

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SKF 是一家全球知名的轴承、密封件、机电一体化和润滑系统供应商,并为客户提供包括技术支持、维护及可靠性服务和工程咨询及培训等服务。 SKF 在 130 多个国家经营业务,在全球拥有 15,000 个经销商网点。 集团 2012 年销售额达 645.75 亿瑞典克朗,员工人数为 46,775。www.skf.com

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