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中国古代轴承的发明

(2014-05-19 05:05:21)
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杂谈

  轴承Bearing是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。也可以说,当其它机件在轴上彼此产生相对运动时,用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体,用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。按运动元件摩擦性质的不同,轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。

  中国是世界上较早发明滚动轴承的国家之一,在中国古籍中,关于车轴轴承的构造早有记载。从考古文物与资料中看,中国最古老的具有现代滚动轴承结构雏形的轴承,出现于公元前221~207年 (秦朝)的今山西省永济县薛家崖村。轴承是机械中支承轴的部件,轴可以在轴承上旋转。

  据文献记载,大约在夏代,中国发明了车。为了减小摩擦和磨损,大约在商周时代开始用动物脂肪对车上的滑动轴承进行润滑。战国时期在车上应用了金属轴瓦,并出现了木材与金属组合而成的滑动轴承。在汉代古墓的壁画上可以看到利用轴承原理制造的纺车,那纺车的轴承很简单,圆圆的木轴就在支架的圆孔中转动,由于轴与轴承间是滑动摩擦,人摇起来比较费力,还会发出吱吱呀呀的声响。

  1974年在河南渑池汉魏窖藏出土了一批铁质轴承,共480件。其中六角承445件。六角承的径长不同,每差0.5厘米为一种规格,共出土了17种规格。轴孔上皆有不同程度的磨损痕迹。圆形承32件,轴孔已磨损,外圆直径6~12厘米,可分为大、中、小3型。大型外面铸有3个等距离的子榫,中、小型外面铸有两个等对称的子榫。凹字型承3件,高11.5厘米,宽12厘米,外面铸有子榫,轴孔呈半圆形,内壁有磨损痕迹。轴承是常用的机械零件,磨损后需要更换,因此要求产品的规格化和系列化。渑池出土大批铁质轴承,显示了当时轴承产品已初步规格化和系列化。

  滚动轴承出现得比较晚,它是我国元代科学家郭守敬发明的。至元十三年(1276年),元朝政府决定改革历法,调王恂、郭守敬主持其事。郭守敬认为,要创制一部好的历法,首先要进行天文观测,而观测又离不开仪器,于是他首先主持了制造仪器的工作。经过他的刻苦钻研,先后设计、制造了近20种天文仪器,其中的简仪是对传统的浑仪进行了革命性改革而成的。简仪的设计和制造水平在世界上领先300多年,直至1598年欧洲天文学家第谷发明的仪器才能与之相比。简仪的结构进行了多项改革,整个仪器显得简单,观测方便。为了减少固定的百刻环与游旋的赤道环之间的摩擦阻力,郭守敬在两环之间安装了4个小圆柱体。这种结构与近代滚柱轴承的原理相同。郭守敬的简仪本放在元大都燕京,明太祖朱元璋平定燕京后,把元代天文仪器搬到江南鸡鸣山观象台。清康熙年间才迁回北京。康熙五十四年(1715年),西洋人纪利安奏请制造地平经纬仪,将元、明两代旧仪充作废铜使用,郭守敬的简仪可能是此时被毁。现陈列于南京紫金山天文台的简仪,系明正统年间按元代原仪仿制。单就滚柱轴承而言,我国的发明早于西方约200年。

  轴承的种类繁多,但大致可分为两大类,一类为“滑动轴承”,另一类为“滚动轴承”。在滑动摩擦下工作的轴承称为滑动轴承,其轴被轴承支承的部分称为轴颈,与轴颈相配的零件称为轴瓦。轴承在液体润滑条件下,滑动表面被润滑油分开而不直接接触,可以减小摩擦损失和表面磨损。在支承零件和彼此相对运动的零件间作滚动运动的轴承,称为滚动轴承,一般情况下,轴跟轴承内圈是固定不动的。车轮跟轴承外圈是固定的,这样运动时轴承内外圈相对转动,他们之间是滚动体,安装轴承后就可以将轴与车轮间的滑动摩擦变为滚动摩擦了,大大减小了摩擦阻力。滚动摩擦要比滑动摩擦小得多。

  轴承究其作用来讲应该是支撑,即字面解释用来承轴的,但这只是其作用的一部分,支撑其实质就是能够承担径向载荷。也可以理解为它是用来固定轴的。就是固定轴使其只能实现转动,而控制其轴向和径向的移动。电机没有轴承的后果就是根本不能工作。因为轴可能向任何方向运动,而电机工作时要求轴只能作转动。从理论上来讲不可能实现传动的作用,不仅如此,轴承还会影响传动,为了降低这个影响在高速轴的轴承上必须实现良好的润滑,有的轴承本身已经有润滑,叫做预润滑轴承,而大多数的轴承必须有润滑油,负载在高速运转时,由于摩擦不仅会增加能耗,更可怕的是很容易损坏轴承。

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