摩擦學(xué)最重要的基礎(chǔ)之一是系統(tǒng)分析與系統(tǒng)化思維。

摩擦學(xué)系統(tǒng) 

摩擦和磨損并不是材料的固有屬性，而是對(duì)特定摩擦學(xué)系統(tǒng)的響應(yīng)。該系統(tǒng)通常包括軸承、軸以及潤(rùn)滑介質(zhì)的組合，因此會(huì)受到多種因素的影響。圖1中的摩擦學(xué)子系統(tǒng)概述了影響摩擦與磨損數(shù)值的常見(jiàn)因素：

該摩擦學(xué)系統(tǒng)由綜合載荷/工況輸入、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及功能與損失輸出構(gòu)成。綜合載荷包括技術(shù)和物理負(fù)載參數(shù)，如載荷、滑動(dòng)速度和持續(xù)時(shí)間，以及對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用的運(yùn)動(dòng)與溫度條件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由關(guān)鍵組成要素（包括基體、對(duì)偶體、環(huán)境以及中間介質(zhì)）的性能特性所決定。

1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig：《摩擦學(xué)手冊(cè)：摩擦測(cè)試、摩擦材料、摩擦技術(shù)》，Vieweg+Teubner Verlag，2010

2 Theo Mang, Kirsten Bobzin, 《工業(yè)摩擦學(xué)：摩擦學(xué)系統(tǒng)、摩擦、磨損與表面工程、潤(rùn)滑》, Wiley-VCH, 2011

3 Theo Mang 等: 《潤(rùn)滑劑與潤(rùn)滑百科全書》 Springer Verlag, 2014

最大的挑戰(zhàn)在于，摩擦與磨損數(shù)據(jù)無(wú)法輕易從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)系統(tǒng)，例如從摩擦學(xué)試驗(yàn)臺(tái)到實(shí)際應(yīng)用。只有在摩擦學(xué)系統(tǒng)非常相似的情況下，測(cè)量值之間才具有可比性。材料的摩擦學(xué)行為只能在特定應(yīng)用中，通過(guò)建模與仿真測(cè)試進(jìn)行估算，前提是應(yīng)用工況與測(cè)試環(huán)境保持一致。

什么是摩擦？

摩擦是兩個(gè)接觸物體之間阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力。在宏觀層面上，摩擦可以通過(guò)物理學(xué)家提出的基本摩擦定律進(jìn)行描述，這些定律表明摩擦力與施加的法向載荷之間存在線性關(guān)系。基于此，可以得到一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)——摩擦系數(shù)，其定義為摩擦力與法向力之比。

然而，實(shí)際的滑動(dòng)摩擦機(jī)制發(fā)生在微觀層面，因此摩擦學(xué)理論還涉及表面形貌。摩擦學(xué)中區(qū)分真實(shí)接觸面積與名義接觸面積（幾何尺寸），后者包括未接觸或空隙部分。近表面區(qū)域中負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的機(jī)制包括：

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什么是磨損？

磨損被定義為相互作用表面材料的不可逆損失。在滑動(dòng)接觸區(qū)域內(nèi)發(fā)生的物理和化學(xué)基本過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致摩擦副材料及其形狀發(fā)生變化，這些過(guò)程被稱為磨損機(jī)制。這些磨損機(jī)制包括：

摩擦與磨損機(jī)制受到摩擦學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及施加的綜合載荷的強(qiáng)烈影響：

μ=f(摩擦學(xué)結(jié)構(gòu)(t),綜合載荷(t))

w=f(摩擦學(xué)結(jié)構(gòu) (t),綜合載荷(t))

摩擦與磨損機(jī)制并不是孤立發(fā)生的，而是多種機(jī)制的疊加，這種疊加難以量化和控制。這種疊加在摩擦技術(shù)系統(tǒng)中以不可檢測(cè)且隨時(shí)間和空間變化的比例存在，使得在摩擦接觸中精確計(jì)算摩擦與磨損過(guò)程幾乎不可能。因此，摩擦學(xué)測(cè)試對(duì)于評(píng)估摩擦學(xué)行為至關(guān)重要。要解釋和理解摩擦學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)及機(jī)理研究，需要全面了解摩擦接觸中發(fā)生的各種機(jī)制。

摩擦學(xué)工程師通常按照以下工況對(duì)摩擦、磨損和潤(rùn)滑進(jìn)行分類：

• 摩擦工況 0: 干摩擦: 無(wú)潤(rùn)滑條件下，固體表面直接接觸產(chǎn)生摩擦。
• 摩擦工況 I: 邊界摩擦: 固體表面被分子級(jí)潤(rùn)滑膜覆蓋，但該膜不具備承載能力，潤(rùn)滑劑會(huì)影響摩擦和磨損特性。
• 摩擦工況 II: 混合摩擦: I與III兩種工況共存，摩擦值由固體摩擦與流體摩擦共同決定，潤(rùn)滑形成的流體膜具有一定承載能力。
• 摩擦工況 III:       流體動(dòng)力潤(rùn)滑: 摩擦由流體剪切應(yīng)力決定，潤(rùn)滑膜承載載荷并防止固體表面直接接觸。
• 磨損工況 a: 由于固體直接接觸導(dǎo)致高磨損率。
• 磨損工況 b: 由于存在分子級(jí)潤(rùn)滑膜，磨損較低。
• 磨損工況 c:  由于較厚潤(rùn)滑膜實(shí)現(xiàn)部分分離，磨損輕微。
• 磨損工況 d:  “零磨損”，由流體或彈流潤(rùn)滑膜防止表面接觸。

摩擦學(xué)如何實(shí)現(xiàn)可測(cè)量的產(chǎn)品改進(jìn)？

摩擦學(xué)測(cè)試使我們能夠獲取材料的摩擦學(xué)性能信息，從而推動(dòng)新材料和更優(yōu)材料設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)整材料組成，可以實(shí)現(xiàn)特定且更優(yōu)的摩擦學(xué)性能。

摩擦學(xué)測(cè)試結(jié)果和表面分析方法幫助我們?cè)u(píng)估摩擦與磨損性能、失效機(jī)制、轉(zhuǎn)移膜動(dòng)力學(xué)，以及不同因素對(duì)現(xiàn)有材料和新型材料的影響。這些信息有助于理解填料類型、填料含量、協(xié)同效應(yīng)、材料結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)中其他要素的影響。

摩擦學(xué)如何提高效率并延長(zhǎng)軸承材料壽命？

優(yōu)化接觸表面：

• 識(shí)別影響摩擦學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素
• 尋找提高效率、降低磨損的解決方案，包括：
  • 使用摩擦與磨損優(yōu)化材料
  • 優(yōu)化材料配副以降低摩擦與磨損
  • 選擇并使用合適的潤(rùn)滑劑
  • 通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)提升整體摩擦學(xué)系統(tǒng)性能

摩擦學(xué)研究為軸承技術(shù)帶來(lái)了哪些進(jìn)展？

關(guān)于摩擦學(xué)推動(dòng)軸承技術(shù)發(fā)展的歷史進(jìn)程，可參考Eureka Magazine相關(guān)文章，其中包括：
古埃及的簡(jiǎn)易滾子軸承、羅馬時(shí)期（公元前40年）的滾珠軸承、熱處理硬化鋼與氧化物陶瓷的發(fā)展，以及GGB開(kāi)發(fā)的首個(gè)自潤(rùn)滑金屬聚合物滑動(dòng)軸承。

摩擦學(xué)在哪些行業(yè)和應(yīng)用中發(fā)揮作用？

凡是兩個(gè)接觸表面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用中，摩擦學(xué)都起著核心作用。某些行業(yè)由于關(guān)鍵任務(wù)屬性、連續(xù)運(yùn)行需求或極端工況，對(duì)摩擦學(xué)系統(tǒng)提出更高要求。

這在很大程度上取決于具體應(yīng)用：
一些應(yīng)用需要低摩擦（如軸承材料），而另一些則需要高摩擦（如制動(dòng)系統(tǒng)）。大多數(shù)應(yīng)用的主要目標(biāo)是盡可能降低磨損。在許多情況下，需要在低摩擦與良好耐磨性能之間找到最佳平衡點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)摩擦與磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)，摩擦學(xué)測(cè)試通常分為六大類，從I類現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)到VI類最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室模型測(cè)試：

I類:         在正常（或擴(kuò)展）工況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，重復(fù)性較差，但最接近真實(shí)應(yīng)用。

II類:       在工廠環(huán)境中對(duì)完整設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，可接近實(shí)際工況并進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試。

III類:      在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)部件或子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，模擬實(shí)際工況，重復(fù)性中等。

IV類:     使用縮比試驗(yàn)裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

V類:       對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，接近實(shí)際工況且具有良好重復(fù)性。

VI類:     使用簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試。

需要注意：
I–III類中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本保持一致，僅簡(jiǎn)化工況；
IV–VI類中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)化，導(dǎo)致結(jié)果向?qū)嶋H應(yīng)用的可遷移性降低，但測(cè)試成本更低、周期更短。
隨著測(cè)試等級(jí)提高，測(cè)試時(shí)間和成本增加，同時(shí)結(jié)果的實(shí)際適用性也提高

如何將測(cè)試分類應(yīng)用于軸承子系統(tǒng)？

軸承材料的摩擦學(xué)測(cè)試可分為四類：

• 產(chǎn)品性能評(píng)估（III–IV類）
• 生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控（VI–IV類，部分III類）
• 客戶相關(guān)測(cè)試（III–V類）
• 材料開(kāi)發(fā)支持（全類別）

1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010

GGB基于摩擦學(xué)測(cè)試結(jié)果開(kāi)發(fā)優(yōu)化材料，將材料科學(xué)知識(shí)與產(chǎn)品性能相結(jié)合，并深入理解產(chǎn)品在客戶應(yīng)用中的表現(xiàn)。

• 2019年，GGB推出新產(chǎn)品：EP?15工程塑料軸承（具備抗紫外性能，適用于戶外及光伏應(yīng)用）以及AuGlide無(wú)鉛雙金屬滑動(dòng)軸承（適用于高載荷應(yīng)用）。同時(shí)推出可應(yīng)用于幾乎任何表面的聚合物涂層產(chǎn)品系列，具備簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、自潤(rùn)滑以及耐化學(xué)腐蝕性能。
• 2018年，推出適用于流體動(dòng)力潤(rùn)滑應(yīng)用的EP?30自潤(rùn)滑工程塑料材料。
• 2015年，推出HPMB?自潤(rùn)滑纏繞軸承（帶可加工內(nèi)層）以及GGB-SZ無(wú)鉛雙金屬軸承。
• 2014年，推出一系列自潤(rùn)滑燒結(jié)青銅和燒結(jié)鐵軸承，包括GGB-BP25、GGB-FP20和GGB-SO16。
• 2012年，GGB軸承應(yīng)用于NASA“好奇號(hào)”火星探測(cè)器著陸任務(wù)，其中DU?金屬聚合物軸承作為鉆機(jī)主軸的關(guān)鍵懸掛部件。
• 2010年，推出在微潤(rùn)滑或干摩擦條件下性能優(yōu)異的材料，包括無(wú)鉛金屬-聚合物材料DP10和DP11。
• 2009年，推出適用于歐洲和亞洲市場(chǎng)的纏繞軸承產(chǎn)品系列，具備高載荷、低磨損的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
• 2008年，DX?10軸承榮獲北美Frost & Sullivan年度產(chǎn)品創(chuàng)新獎(jiǎng)（7-8級(jí)卡車軸承類別）。
• 2003年，推出無(wú)鉛DP31金屬聚合物材料，在潤(rùn)滑條件下具有更低摩擦、更高耐磨性和更好的抗疲勞性能。
• 推出EP?系列注塑熱塑性整體聚合物軸承。
• 1995年，推出無(wú)鉛鋼背DP4?金屬聚合物材料，滿足汽車減震器及液壓應(yīng)用需求。
• 1986年，推出HI-EX?軸承材料，應(yīng)對(duì)高溫應(yīng)用。
• 在美國(guó)推出首個(gè)纏繞軸承產(chǎn)品系列GAR-MAX?，支持高靜載和動(dòng)載。
• 1965年，推出適用于油脂或油潤(rùn)滑的微潤(rùn)滑DX?金屬聚合物材料。
• 1956年，GGB推出DU?軸承——首個(gè)鋼背銅粉/PTFE滑動(dòng)層的金屬聚合物材料，具備優(yōu)異的低摩擦和耐磨性能；同年推出DU-B（銅背）以提高耐腐蝕性能。
• 1887年，Olin J. Garlock獲得其首個(gè)工業(yè)密封系統(tǒng)專利，用于工業(yè)蒸汽機(jī)活塞桿密封。

潤(rùn)滑是摩擦學(xué)的一部分，但在某些情況下，可以將潤(rùn)滑功能集成到材料中。通過(guò)材料設(shè)計(jì)，可在干摩擦條件下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的摩擦與磨損性能，從而減少或消除液體潤(rùn)滑需求。

軸是軸承摩擦學(xué)子系統(tǒng)的重要組成部分，其特性直接影響摩擦與磨損，包括：

• 材料的物理與化學(xué)性能
• 幾何特性（表面形貌、接觸比等）

摩擦學(xué)系統(tǒng)的整體范圍至關(guān)重要，主要包括：

1. 綜合載荷條件：

• 載荷類型
• 運(yùn)動(dòng)形式
• 溫度
• 時(shí)間因素

2.  配對(duì)材料：

• 材料及其物理和化學(xué)性能
• 幾何特征，包括接觸比和表面形貌（粗糙度、各向同性與各向異性）

3.  界面介質(zhì)及其性能特性

4.  環(huán)境介質(zhì)及其特性

5.  結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能