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摩擦磨損試驗機的起源

更新時間:2024-04-24      點擊次數:535

早期人類靠捕魚為生,過著茹毛飲血的生活。傳說遂人氏發(fā)現,鳥在啄燧木時,有火星迸出,于是從中受到啟發(fā),折燧木枝以鉆木取火;這在古籍《韓非子·五蠹》、《拾遺記》、《古史考》以及《漢書》中都有記載。鉆木取火是非常偉大的發(fā)明,從此,人類脫離了茹毛飲血的生活,從而進入文明時代。鉆木取火的根據是摩擦生熱原理。木頭這種材料本身較為粗糙,在摩擦時,摩擦力較大,會產生大量的熱量,加之木材本身就是易燃物,所以就會生出火來。在舊石器時代晚期,爪哇的猿人、北京猿人及后來的海德堡人、尼安德特人等都掌握了鉆木取火和用火石摩擦取火的技能。這種對摩擦取火的靈感很可能來自于現實生活中所見到的自然現象:干燥的樹枝或者是草在風的作用下互相摩擦起火。電影《魯濱遜漂流記》中的主人公漂流到荒島上鉆木取火的鏡頭令人印象深刻。幾經嘗試,魯濱遜的手都被木刺扎破了,火才被點著,可見最為原始的鉆木取火還是非常困難的。直至新石器時代,人類發(fā)明了皮帶鉆和弓鉆以及用鹿角、骨頭、石頭做成的軸承,鉆木取火才逐漸容易起來。據調查,黎族地區(qū)至今還保留著人工取火的傳統(tǒng)。

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鉆木取火可以看作人類最早掌握的與摩擦相關的科學與技術之一。摩擦科學與技術所研究的內容本質上是一種自然現象,任何物體接觸表面的相對運動都存在著摩擦,有摩擦就必然會產生能量消耗或表面材料的磨損,利用摩擦或降低摩擦是人類在發(fā)展過程中與自然作斗爭的重要內容。摩擦科學與技術也是自然科學與社會科學相結合的產物。這種自然科學與社會進步統(tǒng)一的學科特征,為不同時代的科學家在摩擦科學與技術領域的研究提供了挑戰(zhàn),也為摩擦科學與技術的發(fā)展提供了機遇。單單就鉆木取火所用裝置本身來說,后來人們開始采用鹿角或骨頭制作的軸承。出現的與摩擦有關典型器件可以歸結如下。

        公元前3500年,人們開始使用車輪;而出現輪式運輸工具的最早證據是美國考古學家Baldia在位于敘利亞的晚期Uruk遺址發(fā)現的,那里出土了一個帶有輪子的模型和“貨車"的壁畫,這些東西是先民在距今6400~6500年前留下的。

幾乎所有的文明古國早在幾千年前就用藤、竹編成索,借以過河渡人,我國古代稱為“懸渡"或“溜索"。通常認為是怒族人發(fā)明和使用溜索,據說最早是因為他們看見蜘蛛在樹間織網、來回爬行而受到啟發(fā);李約瑟認為南美洲的古索橋是約公元前7世紀由中國人傳到那里的。

公元前2000年左右,我國出現涉及系統(tǒng)的摩擦科學與技術的產品如古代戰(zhàn)車、滑車以及木制滑動軸承等。

公元前1880年,古代埃及人使用滑橇搬運巨大石像,其中有人將滑道上噴灑液體,可能是某種潤滑劑;著名專家道森(Dowson)估計搬運過程的摩擦系數0.23。

據《物原》記載:“史佚始作轆護"。史佚是周代初期的史官。早在公元前1100多年前漢族勞動人民已經發(fā)明了轆韓。到春秋時期,轆護就已經流行。

公元40年,羅馬帝國的尼米湖曾出現推力球軸承;至公元1世紀左右,羅馬帝國輝煌的一段時間里,軍隊工程師利用摩擦科學與技術設計作戰(zhàn)機械和防御工事。

摩擦科學與技術提出科學論斷的一位科學家是文藝復興時代的達·芬奇(LeonardoDaVinci,1452—1519),他是一位杰出的工程師和藝術家,他的探索精神使他具有廣泛的研究興趣。除了在哲學和藝術領域卓有成就外,他對摩擦科學與技術方面的研究同樣作出了不朽的貢獻。如在對機器的設計中,觀察到摩擦的約束本質以及摩擦對螺旋千斤頂及齒輪結構的影響;他最先提出了摩擦的科學定義,通過對處于水平和傾斜面上兩物體的摩擦阻力的測量,總結出摩擦力取決于法向載荷而與名義接觸面積無關,并定義摩擦系數摩擦力與法向載荷之比,并得出其比值為0.25,這是人類對摩擦力進行定量的研究。遺憾的是,這些工作在很長時間都未出版,他的這些工作并沒有對科技產生重大作用。

16世紀,軸承材料有了很大發(fā)展。1684年,Hooke把鋼軸頸和青銅軸瓦組合成車輪軸承,它比木質軸頸與鐵質軸瓦的組合要好得多。

在此期間,有關摩擦科學和技術領域的文字記錄非常少,直到1699年,法國物理學家阿蒙頓(Amontons)研究了兩個平面之間的干摩擦之后,再次發(fā)現摩擦學的兩個定律:第一,阻止界面滑動摩擦力與正壓力成正比;第二,摩擦力的大小與接觸面積無關。他在摩擦科學技術方面有其見解,特別是在摩擦阻力的測量方面開展了大量的工作:以銅、鐵、鉛和木材等不同材料組成配對副,并在摩擦時在界面涂抹油脂,采用彈簧加載方法測量系結在彈簧一端的滑頭開始滑動時所需的力。他認為,雖然材料的組合及滑頭大小不同,但所測量的結果基本相近,即摩擦阻力約為法向載荷的1/3。另外,他認真地研究了摩擦過程,認為摩擦阻力是摩擦界面微凸體間互相嚙合的結果,從而揭示了表面粗糙度對摩擦的影響作用,也為古典的摩擦理論——機械學說奠定了基礎。阿蒙頓在摩擦領域的研究使他摩擦發(fā)展的占有重要地位。在17世紀末,大學生們的機械設計課程幾乎不考慮摩擦,因而在所有的與運動相關的課程中,機器對摩擦的影響都沒有引起足夠的重視;而摩擦對機器性能的影響在當時已顯得非常明顯,因此他提議在大學機械設計課程中設置摩擦學內容,從此造就了一代代具有摩擦學知識的機械工程師。

這些發(fā)現后來被法國物理學家?guī)靵?/span>(Coulomb)修正,他補充了第三條摩擦律,即滑動摩擦力與速率無關,并且對靜摩擦和動摩擦作了明確的區(qū)分??梢哉f,庫侖是18世紀摩擦學領域代表性的人物。為了探討工況因素對摩擦的影響,他將不同材料,在不同的潤滑狀態(tài)、速度、應力和試驗時間(從0.5s到4d)條件下測量其摩擦阻力(對于有些材料,他還考慮了濕度、溫度和真空等環(huán)境因素)。侖基于測量結果從如下角度進行了討論:①在“庫侖"接觸過程中材料及表面層的性質;②表面積的范圍;③法向載荷;④接觸時間對摩擦的影響。他得出如下結論:多數情況下,摩擦與載荷成正比而與接觸表面無關;黏附對摩擦有影響,但比例非常小。

幾乎是同一時代,牛頓(Newton)1668年提出了黏性流體的基本理論。一直到19世紀后期,人們對摩擦科學技術中的潤滑作用才有了科學認識。實際上,人們對流體動力潤滑原理的認識,始于1884年Tower的試驗研究、1886年雷諾(Reynolds)對其進行的理論解釋以及潘曲夫(Petroff)的相關工作。此后,為了提高新型機械的軸承可靠性,流體動力軸承的理論及實踐發(fā)展得非??臁O鄬τ谀?/span>擦和潤滑的理論和技術的發(fā)展而言,磨損研究起步較晚,它基于大量的試驗工作。直到20世紀中期,對磨損進行的研究還比較少。霍爾姆(Holm)是最早對磨損究做出實質性貢獻的先驅者之一。

隨著兩次工業(yè)革命的洗禮以及第三次工業(yè)革命的醞釀,蒸汽時代結束電氣時代的到來,工業(yè)的巨大發(fā)展推動了摩擦科學與技術的發(fā)展,對摩擦科技各方面知識的需求也急速增長,有必要將現有的知識組合產生一門新的學科。

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