（机械工程专业论文）往复式摩擦磨损试验机的研制.pdf

兰州理工大学工程碗上学位论文 摘要 摩擦学是研究作相对运动的相互作用的表面间摩擦行为对机械系统作用的理论和 实践的科学。先进的摩擦磨损试验机及摩擦学试验技术对于摩擦学研究的深入丌展有 着重要意义，随着计算机技术、自动化技术以及智能控制技术的日益发展，将其应用 于摩擦磨损试验系统已成为摩擦学实验测试技术开发研究的重要内容。本文所研制的 往复式摩擦磨损试验机及其测试系统，正是将这些技术与摩擦磨损试验有机结合的产 物。 本文在对摩擦磨损试验机的发展概况、分类、特点，摩擦磨损试验的目的、试验 的基本方法等进行综合分析的基础上，采用设计方法学的方法对摩擦磨损试验机进行 优化设计，建立了摩擦磨损试验机的要求明细表、功能结构图、设计模幅箱。从机 械、测量控制、软件等方面对往复式摩擦磨损试验机进行设计，该试验机具有如下特 点：( 1 ) 实现了对摩擦副的摩擦力、磨损量、摩擦系数等数据的实时采集、分析处 理、数据曲线拟合、显示、存储与输出；( 2 ) 可在一定范围内实现载荷、速度、润滑 的单因素控制，并可同时定性和定量显示运动中的摩擦力大小；( 3 ) 该试验装置操作 简单，数据可靠，有较好的重现性。通过在该试验机上进行的一些试验证明，该试验 机性能稳定，测试系统准确可靠，可有效地对摩擦副不同材质和：亡艺的摩擦磨损性能 进行评定，以获得可靠的试验数据。本文所设计的摩擦磨损试验机在实际生产中有广 泛的应用前景。 关键词摩擦学；摩擦磨损；试验机；计算机测试系统 往复式摩擦磨损试验机的研制 a b s t r a c t t r i b o l o g yi sat h e o r ya i l dp r a c t i c es c i e n c e ，湘i c hs t u d i e st h ea c t i o nb e t w e e nt h er e l a t i v e m o t i o ni n t e r a c t i v es u r f a c e s 衔c t i o na n dt h em e c h a n i c a ls y s t e mf h n c t i o n t h ea d v a n c e d 衔c t i o na b r a s i o nt e s t i n gm a c l l i n ea n dm e 厅i c t i o ns t u d ye x p e r i m e n tt e c h n 0 1 0 9 yh a st h ev i t a l s i g n i f i c a n c er e g a r d i n gn l ef r i c t i o ns t u d yr e s e a r c bt h o r o u g hd e v e l o p m e n t ，a l o n gw i t l lc o m p u t e r t e c h n o l o gy ，t h ea u t o m a t e dt e c h n o l o g ya sw e l l a si n t e l l 培e n tc o n n d lt e c h n o i o g yn o u r i s h i n g m o r ea n dm o r ed a i ly 印p i i e si ti i lt h e 厅i c t i o nw e a rt e s ts y s t e mh a sb e c o m et h ef r i c t i o ns t u d y e x p e r i m e n tt o t e s tt h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n tr e s e a r c ht | l ei m p o r t a n tc o n t e n t t h i s a r t i c l e d e v e l o p st h er e c i p r o c a t i o nt y p e 厅i c t i o na b m s i o nt e s t i n gm a c l l i n ea n di t st l l et e s ts y s t e m ，a r e p r e c i s e l yt h e s et e c l u l i c a la 1 1 dm e 衔c t i o nw e a rt e s to r g a n i cs y n m e s i sp r o d u c t t h i sa n i c l ei nt on l b st h e 曲r a s i o nt e s t i n gm a c h i n et h ed e v e l o p m e n ts u r v e y ，m e c l a s s m c a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h e 衔c t i o nw e a rt e s tg o a l ，m ee x p e r i m e n t a le s s e n t i a lm e t h o d a 1 1 ds oo nc a 丌i e so nt h eg e n e r a l i z e da n a l y s i si nt h ef b 咖d a t i o n ，u s e st h ed e s i g nm e t h o d o l o g y t h em e t h o dt or u bm ea b r a s i o nt e s t i n gm a c h i n et oc a r r yo nm eo p t i m i z e dd e s i g n ，e s t a b l i s h e d t h e 行i c t i o na b r a s i o nt e s t i n gm a c h i n er e q u e s td e t a i l e dl i s to fs p e c m c a t i o n s ，t h em n c t i o n s t n l c t u r ed r a 、v i n g ，h a sd e s i g n e dam o l db o xf r o mt h em a c h i n e r y ，t h es u r v e yc o n t r o l ，t h e s o f h a r ea 1 1 ds oo nt h r e ea s p e c t sc a r r yo nt | l ed e s i g nt ot h er e c i p m c a t i o nt y p e 衔c t i o na b m s i o n t e s t i n gm a c h i n e ，t h i st e s t i n ga i r c r a rh a st h ef o l l o w 证gc h a r a c t e r i s t i c ：( 1 ) r e a l i z e dt or u b b e d v i c e d a t aa j l ds oo nf r i c t i o nf o r c e ，w e a r i n gc a p a c i t 弘f r i c t i o nc o e m c i e n tr e a l t i m eg a t h e r i n 昏 锄a l y s i sp r o c e s s i n g ，t l l ed a t ac u r v ef i t t i n g ，t h ed e m o n s t r a t i o n ，t h em e m o r ya n do u t p u t ；( 2 ) m a yr e a l i z e 也el o a d ，m es p e e d ，t h el u b r i c a t i o ns i n g l ef a c t o rc o n t r o li nt h ec e n a i ns c o p e ，a n d m a y a tt h es a m et i m eq u a l i t a t i v ea n di nt | l eq u o t ad e m o n s t r a t i o nm o v e m e n tf h c t i o nf o r c es i z e ； ( 3 ) t l l i st e s te q u i p m e n to p e r a t i o ns i m p l e ，t h ed a t ai sr e l i a b l e ，h a sw e l lr e a p p e a r st h en a t u r e t h m u g hs o m ee x p e r i m e n t a lp r o o f sw h i c hc 删e si nt l l i st e s t i n ga i r c r m ，t h i st e s t i n gm a c h i n e p e r f o r m a j l c es t a b i e ，t l et e s ts y s t e ma c c u m t ei sr e l i a b l e ，b u te 仃宅c t i v e l yt or u b st h ev i c e d i f f b r e n tm a t e r i a lq u a l i t ya j l dt h ec r a f t 丘i c t i o na t t r i t i o np e r f o h n a n c ec a r r i e so ne v a l u a t e s ，b y o b t a i n st h er e l i a b l et e n t a t i v ed a t at h j sa n i c l ed e s i g n st h ef n c t i o na b r a s i o nt e s t i n gm a c h i n e h a st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt l l ea c t u a lp r o d u c t i o n k e y w o r d st r i b 0 1 0 9 y ；f r i c t i o n ；w e a r ；t e s t i n gm a c h i n e ；t e s ts y s t e m l i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名 别讶 日期：尹巧年月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进 亍检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 别件 堇檬 日期：衙厂月，c 日 日期：) 一f 年6 月月 兰篓塞三奎兰三堡篓塞耋堡丝圣 第1 章绪论 摩擦学是一门实践性很强的应用科学，研究材料摩擦磨损行为一般需要借助摩擦 磨损试验枫通过摩擦磨损试验测量摩擦副的摩擦磨损特性等一系列参爨。 1 1 瘴擦瘗损概述 摩擦学是一门年轻而又古老的学科，是“研究相互接触、相对运动表面的科学、 技术及相关的实践”。摩擦磨损问题存在于人类物质活动的各个方俪。在汽车、发电 设备、冶金、铁道、宇航、呶子和农机等各方觏的机械都大量存在麓摩擦学的问题。 据 舂诗，全篷雾绞专l 2 l 3 熬麓源 美冬秘形式漩螽在摩獠上，如袋放摩擦学方垂采觳 正确静臻藏，就可以大大节约戆源消耗。瘗损凳巍摭零部件3 静主蘩的失效形式之一， 所导致的经济损失是巨大的，大约有8 0 的机械零件由于各种磨损导致失效“1 。特别是 随着物质文明的进步和工业技术现代化的发展，机械设备的开发使用普遍趋于重载、 高速、离效率化，如何控制和改善机械的摩擦磨损状温、提高其使用寿命和工作可靠 性，已成为辊辕工业技术人爨必须关注懿闯题，著健霞其磅究不鼗熬深入窝发展。 擒6 s 年烫爨学者 p 如s t 发表了著名的学术掇告一润浯( 摩擦学) 、教鸯和研究 ( a r e p o r t o nt h ep r e s e n ta n dl n d u s t r y 7 sn e e d ) ，系统的阐述了“摩擦学 ( t r i b o l o g y ) ”及其在国民经济中的重大意义并被人们普遍关注，也标志着摩擦学发展 成为一门包括摩擦、磨损和润、滑在内的跨学科的科学。 鼙擦学是磅究在摩擦与壤摄过程中相对运动袭瑟之闻鼹互俘髑、变仡及其有关静 理论写实黢静一门辩学。黪撩瘗攫列是“两个接簸表覆之闻静篷予鞠对运动丽菱生豹 相互作用及物质运动的过程。”摩擦与磨损是自然界中能量守恒和物质守恒两大基本规 律的重簧环节，因为减少摩擦和磨损从本质上也就是节省能量和提高材料利用率的问 题。在机器系统中，机器构件的运动是最基本和最重要的功能。机器构件之间的相对 运动和接触佟雳是通过摩擦剁来实现的，同时墩在摩擦副鼹表瑟之闽产生摩擦、磨援 帮滤瀵笛物理凌象。掇器中任侮一令摩擦交救辫( 摩擦学失效) ，褰器黪导致辊器谑关帮 分或全部功能的失效。因此，摩擦副的摩擦磨损问题是摩擦学研究的基本问题和及其 重大的课题，也是机器设计的关键技术之一。 摩擦学具有两个重要属性：( 1 ) 多学科性：摩擦学的研究涉及材料学、化学、机 械学、测试技术、物理和力学等多个学辩和领域，摩擦学的发展嚣要多学科的毫度交 叉、融合秘支籍：( 2 ) 实箴赣：瘴擦学理论分车蠢经茬蓑要大量实验萋嚣究藏采的支持， 其应用璺是直接服务于各种生产实践，因此，试验测试技术的开发研究对摩擦学学科 的发展和工程实际问题的解决县有非常重要的作用，是一基础性工程。机械零件摩擦 磨损问题的解决有赖于实验研究方法的进步及熊测试技术的开发研究，也有赖于多学 科的交叉和融合。 1 2 摩擦磨损试验简介 1 2 1 摩擦磨损试验的目的和意义 摩擦磨损试验的目的是为了对摩擦磨损现象及其本质进行研究，正确地评价各种 因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。摩擦 磨损试验研究的内容非常广泛，如探讨摩擦、磨损和润滑机理以及影响摩擦、磨损的 诸因素，对新的耐磨、减磨及摩擦材料和润滑剂进行评定等。由于摩擦磨损现象十分 复杂，摩擦磨损条件不同，试验方法和装置种类繁多，如何准确地获取摩擦磨损过程 中的参数变化成为一个十分重要的研究课题。为了探索和验证机械工程中摩擦磨损问 题的机理以及有关影响因素，在摩擦学研究中开展摩擦磨损测试技术和数据分析研究 具有非常重要的作用。 1 2 2 摩擦磨损试验的方法 由于摩擦磨损现象十分复杂，试验方法和装置种类繁多，试验数据受众多因素的 制约，往往难以进行比较，所以有人提出建立摩擦磨损试验的标准化问题，以便建立 统一试验标准，规范试验方法。近年来，试验方法的标准化已得到越来越多的国家和 组织的重视。材料摩擦磨损性能是多种影响因素的综合表现，因而必须严格控制试验 条件，规范试验过程已获得可靠的结论。 目前采用的试验方法可以归纳为下列三类”： 1 、实验室试件试验 根据给定的工矿条件，在摩擦磨损试验机上对试件进行试验。由于实验室的试验 环境和工矿参数容易控制，因而试验数据的重复性较高，实验周期短，试验条件的变 化范围宽，可以在短时间内获得比较系统的数掘。但由于实际条件与实际工矿的差 异，因而试验结果的实用性较差。实验室试验主要用于各种类型的摩擦磨损机理和影 响因素的研究，以及摩擦副材料、工艺和涧滑剂性能的评定。 2 、模拟性台架试验 模拟性台架试验是在实验室试验所获得的试验结果基础上，根据所选定的参数设 计易磨损零件，不需要在实际机器设备上进行操作，只需要模拟机器零件的使用工矿 条件进行试验由于台架试验条件接近实际工矿，增强了试验结果的可靠性。同时，通 过试验条件的强化和严格控制，也可在较短的时间内获得系统的试验数据，还可对个 别因素对磨损性能影响进行单项研究。台架试验的主要目的在于校验实验室试验数据 的可靠性和零件磨损性能设计的合理性。这种模拟试验可以根据给定的工矿条件调节 各种参数来分别测定其对摩擦磨损的影响，而且测得的数据重现性和规律性较好，便 于进行对比分析。在实验室模拟试验状态下还可以通过强化试验条件来缩短试验周 兰州理工大学j 程碗十学位论文 期，减少试验费用，可用来对机器元件的材料匹配特性和几何形状特性进行检测评定 和优化改进。 这类试验方法所得到的结果，有时不能完全反映出实际工矿条件下的复杂的摩擦 磨损状况，往往不能直接应用，只有精确的模拟试验得到的结果才能有较好的实用 性。 台架试验由于试验成本过高，而且会受许多干扰因素的影响，用模拟试验方法代 替台架试验是必要和经济的。 3 、实际使用试验 在上述两种试验的基础上，对实际零件进行使用试验。这种试验的真实性和可靠 性最好，它是检验材料或工艺试验方案最有效的方案。但它也存在严重的缺陷： ( 1 ) 实验周期长 由于有些零件需要经过几个月甚至几年的更换周期，如果重复几次试验，势必需 要较长时间才能得到有效结果， ( 2 ) 影响因素比较复杂，试验参数不易控制。在实际使用中，经常会在不同工矿 下运行，由于运行的条件不确定，试验结果受多种影响因素的制约，试验零件磨损量 的测量比较困难，因而试验结果的通用性较差、试验数据的精确度不高，所取得的测 试数据的重现性较差，随机性较大，不便研究其摩擦磨损的规律性，也难以进行单项 因素对摩擦磨损影响的观察。通常这种方法仅作为整机系统的摩擦磨损性能综合评定 的种手段。 ( 3 ) 花费多、收效少 实际使用试验需要花费较多的人力、物力、财力，试验周期较长，有时收效甚 少，得到的常常是一些精确度不高的统计数据。 在二十世纪二十年代以前，实际工矿试验应用比较普遍。随着近几年室内试验测 试技术的发展特别是磨损试验机的逐步完善，同时考虑到实际试验的某些困难和缺 陷，实验室试件试验和模拟性台架试验已逐步成为检验和优选材料方案的重要手段。 1 2 3 磨损量的测量 机械零件的磨损量通常用磨损件的质量、体积减少量或者磨去厚度来表示。磨损 质量和磨损体积是整个磨损件表面质量和体积减少量的总和，而磨损厚度测量能够反 映磨损沿表面的分布情况。 常用的磨损量测量方法如下： l 、称量法 通常利用天平称出磨损前后的试件质量的变化，因此也叫失重法。对所用天平的 精密度要求取决于磨损量的数量级。由于测量范围的限制，称量法仅适用于较小试件。 2 、测量法 堑茎茎鲞蔓塞望鎏墼墨黧瑟箜 使用千分尺( 或专用的测徽计) 、测长仪和万能工具显微镜等测量试件在试验前后 磨损表面的法向尺寸的变化，绒者磨损表面与某基准面距离的变化。 测量法可以测量磨损分布情况，但是这种方法存在较大误差，例如测量数据包含 了因变形掰建成戆尺寸变化，缓魅式测量仪器斡溅激数豢受接魅傍凝帮滠度交佬故影 翡等。 3 、表惭轮廓或粗糙度法 用表谳轮廓仪可以直接测撼磨损前后表面轮廓的变化来确定零磨损量，即磨损厚 度不超过袭蕊粗糙峰高度的磨损。它实际反映了磨损袁面的微观变化，也可以直接从 其粗糙凄等级靛变纯，特别是麟损懿压加工痕迹的减少来判断磨损的程度。 表瑟轮廓法可苏记录表瓣验露在瘥损过程中豹交亿帮瘗损分布，继是轮瘁法溪塞 手续复杂，被测零件的形状和尺寸受量程范围的限制。 4 、压痕戏切槽法 人为地在摩擦表面上压痕或者切槽作为测量熬凇，用基准尺寸沿深度变化的规律 度量磨损簿震。如果在摩擦袭露上不同部位布置熬准，还可以测量滕损浍表面的分 枣。篷这秘方法对试样表瑟露损害，不蠢予疆究麾獠薅蔹过程中表鼹缀缓臻稳夔交 化。 5 、沉淀法或化学分析法 沉淀法是将润滑油中所含的磨属经过过滤或者沉淀分离出来，再由称重法测量磨 属质量。也可默采用定量化学分析的方法测量润激油中所含磨属毂组娥和质量，这不 仅可竣瀵蘩器耱元素魏震量，遴霹骧摄撵耪秘佼瓣麓援来鬟叛瘗损戆郝位。 如栗寇籁地从润滑系统中妖爨油样进行测量，沉淀法或化学分桥法都可测的密损 量随时间的变化。但是它们测麓的是整个表面的总磨损量，无法确定摩擦表面的磨损 分布。此外，润滑油的合理取样是保证测量精度的关键。 1 2 4 磨损试验步骤 瘁攘黪矮试验一j l 雯要经i 壹滚下三令聚段i ( 1 ) 程嶷骏室进行大量的试样磨损试验研究，预选材料、工艺方案及确定有关参 数； ( 2 ) 在台架试验时，进行实际零件或简化试样的磨损试验，精选实际运转参数的影 响及效果； ( 3 ) 逶遮实舔蔹曩试验最嚣校验稻臻定矮究方嶷蜜疆翡露l 毪及整鲻效采。 这三个阶段可以根据具体情况来安排和取舍，以确定试验重点和试验方案以及试 验方法。 实践液明：摩擦磨损试验的试验方法和试验条件不同，试验结果必然差异很大。 所以在实验寝中进行试验时，应当尽可能地模拟实酥工矿条件，如滑动速度帮表面压 ，d 兰州理二r = 大学t 程硕士学位论文 力的大小和变化、表面层的温度变化、润滑状态、环境介质条件和表面接触形式等 等，对于高速摩擦副的磨损试验，温度影响是主要问题，应当使试件的散热条件和温 度分布接近实际情况。在低速摩擦副的试验中，由于磨合时间较长，为了消除磨合对 试验结果的影响，可以预先将试件的摩擦表面磨合加工，以便形成与使用条件相适应 的表面品质。对于未经磨合的试件，在试验初期，试验数据受试件表面品质的影响较 大，数据稳定性差，一般不宜采用。 1 3 摩擦磨损试验机的分类与影响因素 1 3 1 摩擦磨损试验机的分类 摩擦磨损试验机的种类繁多，分类的方式各不相同，最具代表性的分类方法有苏 联“b “p a r enb cx hn 的分类法和美国润滑工程师协会的分类法。前者是根据 模拟摩擦面的破坏形式，以便于查明各种影响因素，将摩擦磨损试验机分为8 种类型 “；后者是根据摩擦副的几何形状，为便于在选定了摩擦副的形式之后去查找相应的 试验装置和了解该装置的主要技术指标而将试验机分为1 2 个大类“。 桂长林在文献 4 中参照磨损类型的分类提出了一种按摩擦系统的结构和摩擦副的 相对运动形式对摩擦磨损试验机进行分类的新方法。这种分类方法突出了摩擦元素的 特点和对试验的特殊功能要求，从而便于采用设计方法学原理对试验机进行设计。这 种方法将摩擦磨损试验机分成了五大类： 第一类是固体一固体摩擦磨损试验机( 表1 1 ) 这类试验机根据摩擦副的运动形态又分为5 小类，即单项滑动、往复运动，旋转 滑动( 含滚滑) 、冲击和微动摩擦磨损试验机( 根据需要可以在摩擦元素问加或不加润滑 剂) 。每一小类试验机的摩擦副形式又有很多种，因而它们又各包含有多种形式的试验 机。可以认为，大部分摩擦磨损试验机种都属于这一大类，它们可以重现粘着磨损、 磨粒磨损、表面疲劳磨损和摩擦化学磨损。从设计的角度来看，这一大类试验机体现 了摩擦磨损试验机的基本结构特点。 袭1 1 固体一同体摩擦磨损试验机 摩擦元素固体一固体( 润滑剂) 相对运动形单项滑动 冲击 a 磐 p 辟 n l 门卫 口l v i l il li 滑动磨损 冲击磨损 磨损类型 耱蓉赛损 糙着磨损 巍粒瘗臻 瘗粒蜜接 磨损机理 淘面夔懒 表面疲劳磨损 脖撩化湖 摩擦化学磨损 特殊臻链要 籀渖罄漱 楣对 孛击 求 摩擦磨损试 冲击磨损试验 试验机类型 验机磨损试验机 机 砖老蘑接试验 试验瓿举 动撵擦系数 枧( 美蓉) 例 精密测定装 鬣( 日本) 根撼试佟粒磨损特性帮运动特性可敷将其分为3 小类，鄹三体灏粒塞损、二体蘑 粒瘗接蠡灏羧瘗粒瘗损试验戳。与繁一类试验稳臻跣，三俸瘩粒瘗狻试验撬要在瘁擦 副的摩擦黼上加磨粒。固定磨粒磨损试验机的摩擦剐一方是固定磨粒( 般都采用砂布 盘) ，另一方则可设计成各种不同形式，其特例是研究单个磨粒磨损的试验机。在这一 小类试验机中，摩擦副多为销擞式( 转动) 或销一扳式( 往复运动) 。为了防止偏磨，销 设计成能够鑫旋，但是摩擦鼹逑一般不重复。自蠡瘀粒磨损试验极可以设计成试 牛运 动、瘗粒遮凌葶曩试 孛与密邃闲对运紊等3 穆形式。 第二炎怒固体一固体加蘑粒( 或固体磐粒) 的试验机，统称为磨粒磨损试验机 ( 表1 2 ) 兰型堡! ! ：奎耋三堡堡圭兰堡尘塞 表1 2 固体一固体加磨粒摩擦磨损试验机 摩擦元素固体一固体加磨粒或固体一磨粒 相对运动 滑动滑动滑动 冲击 v l 形式 p 占殳 赢旦羼 口l v 。增豁晷姆l 魁啦燃 查 固定磨粒自由磨粒 磨损类型 滑动磨损旋转悸蝴 冲击磨损微动磨损 磨损机理 磨粒磨损 磨粒磨损磨粒磨损磨粒磨损 特殊功能 摩擦面加磨粒 固定磨粒相自由磨粒磨动载磨粒磨 要求 相对滑动 对滑动 损懊 试验机类 三体磨粒磨损 二体磨粒磨二体磨粒磨二体磨粒磨 型 试验机 损试验机损试验机损试验机 m l 一1 0 型磨 m l l o 型磨 试验机举 粒磨损试验 x 4 6 试验 回转盘型试 粒磨损试验 例 机( 宣化材 机( 苏联) 验机( 苏 机( 宣化材 料试验机料试验机 厂) 联) 厂) 第三类是固体一液体加磨粒( 或固体一液体) 的试验机( 表1 3 ) 该类试验机的最大特点是使含磨粒( 或不含磨粒) 的液体冲刷固体表面，因而其关 键是要在试件表面形成具有一定流速的液流。通常利用泵、势能和离心力来实现这种 目的。从相对运动的原理出发，也可以让试件相对于液体运动。液流和试件形成的冲 击角是一个重要参数，通常要求可调。 第四类是固体一气体加磨粒的试验机( 表1 3 ) 其功能是使含磨粒的气流去冲刷固体表面。作为这类试验机的特例是单颗磨粒冲 击装置。这种试验机有以下三种形式： a 供气系统加磨粒加喷咀加试件； b 高速运动的试件加供给的磨粒。这种试验机一般都要抽真空，以避免转子旋转 时所产生的空气动力学现象对磨损的影响； c 利用离心力抛出磨粒。对于这类试验机来说，磨粒向试件的冲击角也是一个重 要参数，同样要求可调。 第五类是除了以上所述之外的特殊摩擦磨损试验机( 表1 3 ) 往复式摩擦磨损试验机的碍f 制 可控载荷、可控气氛、高温或低温磨损试验机均可归入此类。这类试验机在摩擦 过程中摩擦元素所受的载荷是变化的。可控气氛摩擦磨损试验机有抽真空、通入或不 通入特种气体和控制或不控制湿度等特殊要求。密封问题对这类试验机而言十分重 要，非接触式传动磁力传动在这类试验机上也得到了充分的应用。高温或低温摩 擦磨损试验机要求在高温或低温下工作，因而需要考虑高温隔热和低温防护，其选材 也要能够满足高温或低温要求。 表1 3 第三、四、五类摩擦磨损试验机 摩擦元 固体一液体 固体一气体其他 素( 加磨粒)( 加磨粒) 相对运 动形式 i 砖 冲刷 嚼 磨损类高温或低变载荷磨 开u 温磨损狈 磨损机表面疲劳 理 磨损 特殊功试验机气氛可摩擦副加热载荷随摩擦 能要求控( 例如真空至高温( 或行程变化并 等)制冷到低 可改变其变 温) 化规律 试验机 可控气氛摩擦高温或低温控载荷摩擦 类型 磨损试验机摩擦磨损试磨损试验机 验机 试验机c z m 超高真空h o m a n 6 型摩 举例 摩擦试验机擦磨损试验 ( 中国科学院机( 美国) 兰州物理研究 所) 1 3 2 摩擦磨损试验机的影响因素 进行摩擦磨损试验的目的是要模拟实际的摩擦系统，在实验室再现摩擦磨损现象 兰州理工大学工程硕士学位论文 及其规律性，以便通过选定参数的测量分析考察图1 1 所示的工作运转变量、润滑变 量和气氛变量等对特定摩擦磨损试验系统摩擦元素的影响。因此，摩擦磨损试验机的 设计就是要依据这种目的和既定的具体任务要求，构思形成图1 1 所示的基本系统。 其工作运转变量一般要求在一定范围内可调，对于测试参数应当根据需要选定。 r _ 一l r 一一一1 厂 工作运转变量l 执行单元 测试参数 l 一一1 l 一一 一 运动形式i 摩擦力 1 摩擦系数 线荷_ _ 一 。、防万7 万刁一。 速 度 熊隰 载荷 速度 温 度 【 一 温度 l 延时卜一 i 表面特征l l 一 磨损量 一一。 l 。 表面形貌表面成分 图1 1 摩擦磨损试验的基本系统 l 、2 一摩擦元素；3 一润滑剂； 4 气氛 一、试验条件的影响 1 、运动形式的影响 运动形式与试验机的摩擦副结构有关，二者都是由所要模拟的摩擦副决定的，试 验机的摩擦副结构和运动形式一般是固定的，但也有一些多功能试验机的摩擦副和运 动形式均可通过添加附件而加以改变。例如，美国f a l e x 公司的多功能试样测试机在 添加附件以后，就可以形成球平面、四球、板一板( 面接触) 、液体浸蚀、针一盘和 滚动四球等多种摩擦副形式。试验机上摩擦副的最基本运动形式一般有以下4 种，即 滑动、滚动、自旋和冲击。在试验机上，对运动形式都有明确的规定，但对运动的位 置精度却要求不高，因此这方面的要求可忽略。 2 、负荷的影响 负荷是摩擦磨损试验机的一个重要参数，其在试验过程中一般应当保持稳定。试 验机对负荷的精度要求很高，国内试验机负荷示值的相对误差为1 。要满足负荷精 度的要求，就必须考虑在试验机上减小加载系统的摩擦阻力。目前摩擦磨损试验机比 较常用加载方式有机械式、液压式和电磁式三种。其中，机械式加载又可分为杠杆加 9 往复式摩擦磨损试验机的聊f 制 载、弹簧加载和重物直接加载或以上三种加载形式的组合，杠杆加载和重物直接加载 系统的结构简单，载荷稳定，不存在负荷保持的问题，加载精度高，但当摩擦副运动 不稳定时却会引起振动和冲击：弹簧加载产生的振动比较小，但是，弹簧加载的精度 不高，难于实现负荷精确调整。液压式加载包括动压加载和静压加载两种，但液压加 载很难保持负荷稳定。电磁加载易于实现负荷的自动控制，但其弱点是控制部分的成 本较高，而且在已有摩擦磨损试验机上使用还比较少。 3 、恒比压的影响 目前使用的多种类型的摩擦磨损试验机，对恒比压有比较高的要求。目前试验机 上实现恒比压的方法有： ( 1 ) 从摩擦副的结构上保证摩擦过程中接触面积不变，借以在负荷不变的条件下 实现恒比压( 如图1 2 所示) ： ( 2 ) 在试验过程中随着接触面积的增大，依照一定的规律增大负荷以实现恒比 压。日本东京试验机制作所生产的理研一大越式高速磨损试验机就是利用这种方法实现 恒比压的“”。 蕊蕊 缓缓 、一一j d 、一_ ，? * 图1 2以摩擦副结构保证恒比压 如图1 3 所示，大越式高速磨损试验机的摩擦副形式为长方形的试块一旋转圆环 ( 侧面承载) 在磨痕宽度b ( 1 1 3 m m ) 旋转圆环外径2 r ( 3 0 脚) 小的情况下，经数学推导 得到保持恒比压的条件是施加负荷p 。p 与磨损距离l 的平方根成正比例关系( 即p 。0 1 ) 。试验机从传动结构上实现这个条件所采用的加载方式是：主电机一齿轮传动一 加载凸轮一齿轮传动一弹簧加载机构一齿轮一杠杆一试件。这是由加载凸轮和弹簧加 载机构实现p 。o ，的关系，即凸轮升程与磨损距离l 的平方根成正比。由凸轮压缩弹 簧，以弹簧带动齿轮齿条加载，从而实现试验过程中的宏观恒比压条件。 兰州理工大学工程硕上学位论文 圈13 理研一大越式高速磨损试验机原理不意图 卜凸轮：2 一摇杆：3 、5 、8 一齿轮齿条：4 一弹簧； 6 旋转圆环试件；7 一片状试件 ( 3 ) 同时测量摩擦副的接触面积和试验负荷，经过数据处理，给出负荷的控制信 号，使负荷随着接触面积的变化而变化，从而实现试验过程中的恒比压。这种方式先 进、可靠，然而实施难度很大。这是因为试验过程中摩擦副的接触面积不易测量，故 其至今尚未得到实际应用。 4 、滑动速度的影响 滑动速度的大小对摩擦磨损往往具有关键性的意义”“。因而也是摩擦磨损试验的 一个重要参数。滑动速度的方向有单向和往复两种，后者又可以分为摆动式和往复直 动式。在试验机上既可以用机械方式( 如凸轮机构和曲柄摇杆机构等) 实现摆动，也可 以由电机( 如伺服电机和步进电机) 来实现摆动。往复直线运动通常是用曲柄滑块等往 复直线运动机构实现。试验机的速度大小一般都要求可调，所能采用的方式有级调速 和无级调速两种。有级调速是利用变换齿轮或皮带轮速度比等方法实现的。无级调速 可通过两种方式来实现：一种是机械式无级调速( 如摩擦轮和差动轮系等) ，但其调速 范围不大，另一种是使用无级调速电机进行，这种方式的调速范围很大，如直流伺服 电机的调速范围可达l 2 0 0 0 r m i n ( 下限还可以更低) 。当采用电机无级调速时，一般 都要求速度稳定，因而常采用速度控制环节实现速度的闭环控制。 5 、温度的影响 温度是摩擦磨损试验的又一个重要参数。有些试验对环境温度有其特定的要求， 如高温条件或低温条件。高温试验通常采用电阻丝加热，也可以借助于高频加热等。 对于高温试验机，既要考虑加热部件和其他部件的隔热问题，又要针对加热温度很高 的特定情况同时考虑其加热部件的选材问题。低温试验机常采用适当的制冷方法使试 往复式摩擦磨损试验机的研制 件周围的局部环境保持低温，也可以将摩擦副浸泡在制冷剂中实现低温。 6 、气氛的影响 有些试验研究要求对气氛进行控制( 如真空试验) 。在只要求控制湿度的场合，简 易的办法是将摩擦副部分加一个有较好密封性能的罩子，再在其中放置一些盛水的盒 子即可调节湿度。当然，湿度调节也可以在湿度传感器控制下自动地进行。此外，用 于真空条件下摩擦磨损研究的试验机对真空度的要求较高。实现真空可以使用真空 泵，在这里密封问题很重要，尤其动密封往往是令人头疼的问题。为了提高真空度， 有些试验机上采用了磁力传动，借以少用或不用动密封。 7 、试验时间的影响 试验时间一般是依具体情况而定，大多数试验机没有配备定时装置。要在试验机 上实现时问控制，可以采用定时器控制动力源，也有的是根据摩擦力或摩擦力矩的极 限值来控制停机。这种控制方法对试验机也起着过载保护作用。 二、测量参数的影响 1 、试验负荷的影响 试验机一般都要对试验负荷进行测量，所采用的测量方式往往随加载方式的不同 而不同。机械式杠杆一砝码加载可以直接根据加载砝码得到负荷值( 如t i m k e n 试验 机) ，机械式弹簧加载可以根据游标显示的弹簧变形确定负荷值( 如a m s l e r 试验机) ， 液压加载可以通过加载油缸的压力换算得到负荷值( 如m 旷8 0 0 型四球式摩擦试验 机) 。然而，不论在哪种加载方式下，都可以利用负荷传感器直接测量负荷值。负荷传 感器应当安装在尽量靠近摩擦副的位置上，以避免或减小导向部分摩擦力引起的测量 误差。 2 、摩擦力( 摩擦系数) 的影响 在试验机上，摩擦力( 或摩擦力矩) 和摩擦系数一般只测一项。例如，在已知负荷p 的情况下，只要测出摩擦力f ，就可以根据公式u = f p 求出摩擦系数的数值。这可 以利用微机或数字电路实现运算处理。测量摩擦力常用的方法一般有两种，即测量作 用在驱动轴上的扭矩，或者是借助于弹性元件测定作用在固定件上的力“。在采用第 二种测量方法测量摩擦力时，由于固定件在沿摩擦力方向自由运动时必然要传递法向 力，所以当将其安装在滚动轴承之类的低摩擦装置上，以使附加的摩擦力尽可能地减 小，从而保证摩擦力的测量精度。摩擦扭矩可以采用扭矩传感器进行测量，其安装位 置既可以是在运动轴上，也可以是在固定轴上。当把扭矩传感器安装在运动轴上时， 需要确保传感器的信号输出良好。在试验机上，通常是将摩擦扭矩转换成拉力或压力 对其进行测量( 见图4 ) ，但要注意使转换机构造成的误差不得超过允许值。 3 、速度的影响 在有些试验机上还要求对速度进行测量，可以采用的测速装置有测速发电机和光 兰翊理工夫学工程矮士学饭论文 电传感器等。记录转数最常用的是机械式计数器。 4 、测温方法的影响 摩擦磨损试验需要测撼的温度有环境温度、润滑剂温度和摩擦剐的摩擦面温度， 其中不易测量的是摩擦嚣激度( 因为它不暴露在努蕊) 。在试验机上露月的测温方法鸯 熬毫稻法和盔矮溅潺法。瓣遮两季孛方法溺褥静黪擦瑟温度都是：l 毽叛壤。这是嚣为热惫 偶无法安装在摩擦面上，黼只能安装在靠近摩擦面的位置上；而级外测温法则是因为 只能测得摩擦面边界上的激鹰或试件的体温。如果能够知道试件温度的分布情况，那 就可以对测温结果进行修正，从而使测量误差减小。为了消除或减少以上原因所产生 的误慧，在实测时可以把实际试件之一( 或嚣牛) 缀合成热电偶的一部分，这就是所灞 趋“窭然熬遣稿”溺潼法。遮秘方法琢粼上露骧裹谈疑摩擦嚣取褥湛凄售惑，熬瑟这 个信息不仅会受到由于润滑荆的作用所产生的彝面电动势的影响，丽且在多触点的循 环电流对它也有影响“”。因此，在现有的试验机上很少使用这种测温方法。 5 、磨损量的影响 磨攒量是磨损试验中都耍测量的一个参数。露蘸，磨损量的在线检测尚有困难， 戬 主都楚耱试馋取下秀溪爨褰痰或稼量失重瑟缛之。理在，寿久袋麓电测法或竞瓣瓣 摩擦到在磨损过程中的相对位移进行测量，以此实现磨损量的在线梭测。 6 、熏复性和再现性 摩擦磨损试验机能否给出重复性和再现性都比较好的试验结果，取决于每次试验 用的试杆和试验环境条件( 龟括仪器的工作状态) 是否都能保持一致。匹德o p t i m o l 公 司熬s r ￥型标准托徽动式澎擦瘩搂测试掇之羧以箍够绘塞较努重复瞧窈秀瑗往夔试验 结采，就是因为它的关键部件一振动系统和力濂测系统的工作状态非常稳定。为了使 试验条件稳定，就要从动力源和试验机结构上保证负荷及速度等工矿稳定，同时还需 要测试系统稳定，应能准确地测出工矿参数，以便于调整。此外，合理的摩擦副接触 形式也怒取得较好重复性和氍现性试验结果的黧露因素之一。一般漉来，点接触比谳 接魅受矫器约影嚷委，困舔在程同条终下，点、线接魅有剩予菇瑷摩擦副载接魅状 态。 1 4 摩擦磨损试验机研究现状及发展趋势 1 4 1 研究现状 1 9 1 0 年第一台磨瓣蘑损遘验据目世，1 9 7 5 零美国滤浮工程黪学会( a l s e 编著懿 “摩擦潦损装萋”一书中掰公布懿不目类型溪擦襄簇试验瓠已蠢上酉耱”，仅冗卡年 来，摩擦磨损试验机和试验方法有了较大发展，但价格都比较昂爨。 8 0 年代初美国的s o e m a n t r is 等人最早从事高温磨损试验机的研究，共研制了三 台高温滕料磨损试验机“3 。并在这些试验机上研究了纯铝和纯铜在巍温4 0 0 范围内大 经复式摩擦簿强试验撩靛耢l 气气氛下磨料磨损的特性。 8 0 年代末德国的f i s c h e ra 等人在总结前人对试验机研究的熬础上，研制了一台 气氛可控的高温三体磨损试验机“1 。该机最大优点是气氛可控、严格保证试验的主要因 素( 温度、磨料、载荷等) 憾定，试验数据重瑷憔好。主要缺点怒：上试 牛矩形缺口 照未聱髑燕，磨瓣不荔避入戆纛，荔发生糖着壤攘；瑟毫滢工佟懿燕未没冷帮系统， 影确设备精度；同时崮予该祝束考虑高温氧化辩磨损的影响，在该机上测定高温氧化 与磨损的交互作用时误差较大。 9 0 年代两交大的邢建东等人研制的高温磨损试验机在电阻炉中的磨损室内装有一 水平放鬣的砂轮，砂轮上有定的松散磨料。试榉夹上相同成分的3 个试样受载荷作 矮予表露缡蠢裣鼗襄辩熬骖簸上，交予试群秘移耱及荚稔教瘗瓣润黪程对运动嚣产生 两傣和三体混合磨料磨损弼。该祝即可严格控制激度，一次3 个试样可减少重复试验次 数。但其主要不足是：( 1 ) 试样总在同一轨迹上反复磨损，磨屑潜入砂轮间隙，使砂 轮研磨能力逐渐下降；( 2 ) 气氛不易控制：( 3 ) 这种混合磨损与实际工矿相差较远。 近年来，磷交大吴文忠、邢建东等人在f is c h e ra 的高温氧化磨损试验机的基础上， 磅裁豹窘裹温氧纯三钵鬓摄试验援，该援懿主露饶点是：摩擦学蓉绞没诗合理；气 氛可控，溺度可控；关键部佟设有冷却系统。主黉不足是：密封述存在一些问题；冷 却系统还不够完善；气氛成分不能定量测定等。 太原墩工大学的杨学军铸研制了的一台高温销盘磨损试验机，该机结构简单，操 作方便，加热温度可控，能在1 0 0 0 范围内对备种金属材料的摩擦磨损特性进行研 究，摩擦遮度霹谖，蕊燕载耱稳定，试样磨撰均匀，对试验参数的变佬反应敏感啪。 j 0 方交丈兹李霞等疆剡辫高速摩擦磨损试验瓤。其最大溪动邃凄可达7 黼s ，可以 测量高速状态下的摩擦学参数；可以模拟高速列车制动；可以实现多个测试数掘的盥 示与同步纪录“。 崔周平等人研制的m 。l 烈真自刳黎鲺显试验机该机可以提供从大气到6 7 l o 3 p a 的压力环境；测量豹参数较多，除了测力和速发等参数鲦，还可以溅量温度帮摩擦弓l 超翡震韵频率等；鞫霹其有较为完善静数据采集鞠楚瑾系统“；只绥敬交夹吴及萁辩 件，便可实现多种接触形势和相对运动形式，以及不同的系统剐度和震动特性，拓宽 了试验机的应用范围。 哈工大的宋宝玉等人研制的s y i 型真空摩擦磨损试验机，可以提供4 1 0 。p a 的压力环辘，速度在o 2 8 0 0 r 翩i n 范围内可璃“”，并且可以皂动遂褥数据采集帮缝 理。该瓤可以在真空、不潮气俸繇壤、热熬袋冷帮等多静条 孛下测定毒毒辩戆瘁擦瞧 能。 北方交大的徐双满等人为了研究机车柴油机觚套一活塞环材料的摩擦学性能研制一 台往复式销一块摩擦磨损试验机，该试验机可以程一定范围内实行载衙、速度、润滑脂 兰州理工大学工程硕士学位论文 的单因素控制“，但该试验机磨损量的测量采用的是不连续的称重法。 以上这些摩擦试验机多采用静态选位法观察试件，虽然简单易行，但不能获得摩 擦过程的动态信息，更不能对磨损( 摩擦) 过程进行动态观测及动态数据记录。 1 4 2 发展趋势 随着现代科学技术的进步，摩擦磨损测试技术呈快速发展之势，摩擦磨损试验机 呈以下发展趋势5 1 ： 1 、以高性能的电机系统取代机械变速系统 目前