摩擦磨损试验机的起源
时间:2024-04-24 阅读:507
早期人类靠捕鱼为生,过着茹毛饮血的生活。传说遂人氏发现,鸟在啄燧木时,有火星迸出,于是从中受到启发,折燧木枝以钻木取火;这在古籍《韩非子·五蠹》、《拾遗记》、《古史考》以及《汉书》中都有记载。钻木取火是非常伟大的发明,从此,人类脱离了茹毛饮血的生活,从而进入文明时代。钻木取火的根据是摩擦生热原理。木头这种材料本身较为粗糙,在摩擦时,摩擦力较大,会产生大量的热量,加之木材本身就是易燃物,所以就会生出火来。在旧石器时代晚期,爪哇的猿人、北京猿人及后来的海德堡人、尼安德特人等都掌握了钻木取火和用火石摩擦取火的技能。这种对摩擦取火的灵感很可能来自于现实生活中所见到的自然现象:干燥的树枝或者是草在风的作用下互相摩擦起火。电影《鲁滨逊漂流记》中的主人公漂流到荒岛上钻木取火的镜头令人印象深刻。几经尝试,鲁滨逊的手都被木刺扎破了,火才被点着,可见最为原始的钻木取火还是非常困难的。直至新石器时代,人类发明了皮带钻和弓钻以及用鹿角、骨头、石头做成的轴承,钻木取火才逐渐容易起来。据调查,黎族地区至今还保留着人工取火的传统。
钻木取火可以看作人类最早掌握的与摩擦相关的科学与技术之一。摩擦科学与技术所研究的内容本质上是一种自然现象,任何物体接触表面的相对运动都存在着摩擦,有摩擦就必然会产生能量消耗或表面材料的磨损,利用摩擦或降低摩擦是人类在发展过程中与自然作斗争的重要内容。摩擦科学与技术也是自然科学与社会科学相结合的产物。这种自然科学与社会进步统一的学科特征,为不同时代的科学家在摩擦科学与技术领域的研究提供了挑战,也为摩擦科学与技术的发展提供了机遇。单单就钻木取火所用装置本身来说,后来人们开始采用鹿角或骨头制作的轴承。出现的与摩擦有关典型器件可以归结如下。
公元前3500年,人们开始使用车轮;而出现轮式运输工具的最早证据是美国考古学家Baldia在位于叙利亚的晚期Uruk遗址发现的,那里出土了一个带有轮子的模型和“货车”的壁画,这些东西是先民在距今6400~6500年前留下的。
几乎所有的文明古国早在几千年前就用藤、竹编成索,借以过河渡人,我国古代称为“悬渡”或“溜索”。通常认为是怒族人发明和使用溜索,据说最早是因为他们看见蜘蛛在树间织网、来回爬行而受到启发;李约瑟认为南美洲的古索桥是约公元前7世纪由中国人传到那里的。
公元前2000年左右,我国出现涉及系统的摩擦科学与技术的产品如古代战车、滑车以及木制滑动轴承等。
公元前1880年,古代埃及人使用滑橇搬运巨大石像,其中有人将滑道上喷洒液体,可能是某种润滑剂;著名专家道森(Dowson)估计搬运过程的摩擦系数约为0.23。
据《物原》记载:“史佚始作辘护”。史佚是周代初期的史官。早在公元前1100多年前汉族劳动人民已经发明了辘韩。到春秋时期,辘护就已经流行。
公元40年,罗马帝国的尼米湖曾出现推力球轴承;至公元1世纪左右,罗马帝国辉煌的一段时间里,军队工程师利用摩擦科学与技术设计作战机械和防御工事。
对摩擦科学与技术提出科学论断的一位科学家是文艺复兴时代的达·芬奇(LeonardoDaVinci,1452—1519),他是一位杰出的工程师和艺术家,他的探索精神使他具有广泛的研究兴趣。除了在哲学和艺术领域卓有成就外,他对摩擦科学与技术方面的研究同样作出了不朽的贡献。如在对机器的设计中,观察到摩擦的约束本质以及摩擦对螺旋千斤顶及齿轮结构的影响;他最先提出了摩擦的科学定义,通过对处于水平和倾斜面上两物体的摩擦阻力的测量,总结出摩擦力取决于法向载荷而与名义接触面积无关,并定义摩擦系数是摩擦力与法向载荷之比,并得出其比值为0.25,这是人类对摩擦力进行定量的研究。遗憾的是,这些工作在很长时间都未出版,他的这些工作并没有对科技产生重大作用。
在16世纪,轴承材料有了很大发展。1684年,Hooke把钢轴颈和青铜轴瓦组合成车轮轴承,它比木质轴颈与铁质轴瓦的组合要好得多。
在此期间,有关摩擦科学和技术领域的文字记录非常少,直到1699年,法国物理学家阿蒙顿(Amontons)研究了两个平面之间的干摩擦之后,再次发现摩擦学的两个定律:第一,阻止界面滑动的摩擦力与正压力成正比;第二,摩擦力的大小与接触面积无关。他在摩擦科学技术方面有其见解,特别是在摩擦阻力的测量方面开展了大量的工作:以铜、铁、铅和木材等不同材料组成配对副,并在摩擦时在界面涂抹油脂,采用弹簧加载方法测量系结在弹簧一端的滑头开始滑动时所需的力。他认为,虽然材料的组合及滑头大小不同,但所测量的结果基本相近,即摩擦阻力约为法向载荷的1/3。另外,他认真地研究了摩擦过程,认为摩擦阻力是摩擦界面微凸体间互相啮合的结果,从而揭示了表面粗糙度对摩擦的影响作用,也为古典的摩擦理论——机械学说奠定了基础。阿蒙顿在摩擦领域的研究使他在摩擦学发展的占有重要地位。在17世纪末,大学生们的机械设计课程几乎不考虑摩擦,因而在所有的与运动相关的课程中,机器对摩擦的影响都没有引起足够的重视;而摩擦对机器性能的影响在当时已显得非常明显,因此他提议在大学机械设计课程中设置摩擦学内容,从此造就了一代代具有摩擦学知识的机械工程师。
这些发现后来被法国物理学家库仑(Coulomb)修正,他补充了第三条摩擦定律,即滑动摩擦力与速率无关,并且对静摩擦和动摩擦作了明确的区分。可以说,库仑是18世纪摩擦学领域代表性的人物。为了探讨工况因素对摩擦的影响,他将不同材料,在不同的润滑状态、速度、应力和试验时间(从0.5s到4d)条件下测量其摩擦阻力(对于有些材料,他还考虑了湿度、温度和真空等环境因素)。库仑基于测量结果从如下角度进行了讨论:①在“库仑”接触过程中材料及表面层的性质;②表面积的范围;③法向载荷;④接触时间对摩擦的影响。他得出如下结论:多数情况下,摩擦与载荷成正比而与接触表面无关;黏附对摩擦有影响,但比例非常小。
几乎是同一时代,牛顿(Newton)在1668年提出了黏性流体的基本理论。一直到19世纪后期,人们对摩擦科学技术中的润滑作用才有了科学认识。实际上,人们对流体动力润滑原理的认识,始于1884年Tower的试验研究、1886年雷诺(Reynolds)对其进行的理论解释以及潘曲夫(Petroff)的相关工作。此后,为了提高新型机械的轴承可靠性,流体动力轴承的理论及实践发展得非常快。相对于摩擦和润滑的理论和技术的发展而言,磨损研究起步较晚,它基于大量的试验工作。直到20世纪中期,对磨损进行的研究还比较少。霍尔姆(Holm)是最早对磨损研究做出实质性贡献的先驱者之一。
随着两次工业革命的洗礼以及第三次工业革命的酝酿,蒸汽时代结束电气时代的到来,工业的巨大发展推动了摩擦科学与技术的发展,对摩擦科技各方面知识的需求也急速增长,有必要将现有的知识组合产生一门新的学科。