滾動摩擦係數

滾動摩擦副在工程技術中與滑動摩擦副一樣被大量地採用，滾動摩擦能減少阻力這一原理早在史前古埃及金字塔的建造圖像中已見使用，隨着車輪的發明，人們已比較樸素地理解到它與滑動摩擦有着本質的區別。滾動摩擦不僅動摩擦係數小，靜摩擦係數也小 ^[3]  。一般情況下，滾動摩擦係數比滑動摩擦係數小很多 ^{[3]  [5-6]}  。因此，用滾動代替滑動可以節省大量的能量。如將火車輪軸的滑動軸承改為滾動軸承，單位基本運動阻力可減少11%~22%，啓動阻力可減少75%~80% ^[3]  。

無量綱滾動摩擦係數定義為:驅動力F做的功A與法向載荷W和滾輪中心位移Δι之比，即： ^[3] 

滾動摩擦係數較小，甚至可達10^-4 數量級 ^[3]  。

18世紀初，當庫侖首先闡明古典滑動摩擦定理後不久，就開始了對滾動摩擦機理的探索，即在理論力學中常見的發表於1785年的滾動摩擦定理，導出了有量綱的滾動摩擦係數。這一定理可簡述為當一剛性圓柱或球半徑為R，在一非剛體的平面上受法向力N和切向力F的作用而滾動時(見圖2-13和圖2-14)，引起平面在滾動前方的變形而使反力轉移，此反力分解成F′ ^{[3]  [7]}  。

有量綱滾動摩擦係數定義為：滾動摩擦力矩M與滾動體承受的法向載荷W的比值。滾動摩擦力矩則等於滾動摩擦力F與滾動體半徑r的乘積，稱為古典滾動摩擦定理，即 ^[3]  ：

（cm） ^[3] 

由上式可知，滾動摩擦係數μ是有量綱的，而滑動摩擦係數則沒有。這一古典滾動摩擦的侷限性包括 ^[3]  ：

（1）按理論力學對滾動的定義，當點或線接觸功兩物體滾動時其接觸點為瞬心，因而相對速度為零，一旦發生變形，接觸點或線已成平面或曲面，則不屬於滾動 ^[3]  。

（2）這一模型沒有把物體的機械性質和接觸性質的影響考慮進去 ^[3]  。

實際上古典滾動摩擦定理犯了與古典滑動摩擦定理同樣的毛病，即僅從力學的學科範圍內去研究問題，其結論是侷限的 ^[3]  。

東南大學、山東建築工程學院和解放軍後勤工程學院等單位進行了滾軸滾動摩擦係數試驗。東南大學在試驗中測得的不同豎向壓力下，鋼管混凝土滾軸平均滾動摩擦係數在2%~4%之間，隨着荷載增大，滾動摩擦係數略有減小。山東建築工程學院採用不同直徑的實心鋼滾軸進行了對比試驗，結果表明摩擦係數隨滾軸直徑增大而減小，隨着荷載增大而增大。試驗研究也表明啓動摩擦係數比勻速運動摩擦係數大。解放軍後勤工程學院採用長200mm的140×5mm空心鋼管滾軸進行試驗，測得均布荷載時的啓動摩擦係數為3%~4%，其隨荷載變化規律與東南大學試驗測得的結論相同 ^[4]  。

東南大學在江南大酒店平移工程現場中實測得到的滾動摩擦係數，初始移動時為0.07，運動時為0.04，山東建築工程學院在部分實際工程中實測的滾動摩擦係數參見表5.1，河北省建築科學研究院在部分平移工程中實測的滾動摩擦係數參見表5.2 ^[4]  。

上述試驗結果相差較大，其主要原因是，由於試驗方法和試驗條件，以及滾軸種類不同而產生的。另外，試驗情況和實際工程現場情況差別較大。滾動摩擦係數主要影響因素有材料特性、軌道平整度、滾軸直徑、豎向荷載分佈情況等 ^[4]  。