（化工过程机械专业论文）非匀速摩擦磨损试验系统的设计与研究.pdf

北京化t 人学坝j 学位论文 非匀速摩擦磨损试验系统的设计与研究 摘要 摩擦学的研究其蠢十分萋要的社会翔经济意义，薅摩擦磨损是 个十分复杂的历时过程。按照经典的摩擦磨损理论，摩擦速度的改 变不会引起摩擦力的多大变化，所以在通常的研究中，一般都忽略 不计摩擦速度变讹对摩擦的影响。 爨营瘁擦速痰改变对摩擦力影嘲十分微小，毽是连续、满麓性 变化的摩擦速度有可鸯芝会导致摩擦条件的恶化，这静摩擦条件变化 的不断累积，从而导致摩擦副的某种型式失效，例如疲劳磨损簿。 摩擦学研究的重要手段是摩擦试验，为了研究摩擦现象，研制 出了各种各样的摩擦试验系统。倦在这擅摩擦试验系统上都无法实 现摩擦速度实时改变静试验，为了验 歪摩擦速度变化对摩擦癣按情 况的影响，月时也为了研究周期性波动摩擦速度变化下的摩擦材料 性能和特点，从探讨非匀速摩擦磨损过程的构思出发，提出构建一 种非匀速摩擦磨损试验装置。 考虑到实验系统应该具备的基本功绳，利用机械、电子和自动 纯控制技术，完成了总体方案设诗，著辫决了相关软硬件设计和制 作中的一系列问题，构建起整个葺 匀速状态摩擦试验系统。 非匀速摩擦磨损试验系统的试运行试验结果显示，系统达到了预 期的设计目标和功能，并且发现在相同摩擦条件和同等摩擦历程及 摩擦功相邋的条件下，处于菲匀逮摩擦状态下的试样磨损量燹大， 藤损更加严重，这初步验涯了有关摩擦速度变化会对摩擦副磨损形 成影响的设想。 关键词：摩擦试验系统、非匀速摩擦、变频调速、对比试验 一 ! ! 室熙三查堂缎! ：兰垡婆塞 d e s i g na n ds t u d y0 ft h e n o n u n i f o r ms p e e df r i c t i o n & w e a r i n g 鬻嚣s t l n gs y s 下嚣m a b s t r a c t s t u d y o f t r i b o i o g y h a s g r e a t s o c i a la n de c o n o l n i c a l s i g 鞋i 磊c a n e e r i e t i o na n d w e a r i n gi s a l o n gi l n ep r o c e s s w h i c | li s v e r yc o m p l e x 。 t h ec l a s s c a la i c t i o na n dw e a r i n 业 t h e o r y d e e m st h a tt h ec h a n g eo ff r i c t i o n s p e e dw o u l da l t e r 螽i c t i o no n l ys l i g h t l y ，s o ，t h ei n 1 u e n c eo fc h a n g i n gf r i c t i o n s p e e do nf i c t i o ni sa l w a y s 娃e g l e c t e di 鞋t h et r a 娃i t i o 靛疆ls t u d y 。 a i t h o u g ht h ec h a n g eo ff r i c t i o ns p e e di n f l u e n c ef r i c t i o n l i t t l eo ni t sn u m e r i c a iv a l u e ， ac o n t i n u e da n dd e r i o d i c a l e 蠢a 鑫g e o ff r i c l i o 珏s p e e 纛c 鑫羲r e s 鞋l 耄i nt h ed e t e r i o r a 专i o no f f t i c t i o nc o n d i t i o n ，t h ea c c u m u l a t i o no ft h i sd e t e r i o r a t i o nw i l l i n d u c es o m ek i n d so ff a i l u r eo ff t i c t i o n c o u p l e s ， s u c ha s 穗t i g u ef a i l u r e 。 t h em o s tp o w e r f l 王lt o o lo ft r 呈b o l o g y s t u d yi se x p e r i m e n t a n da l 王k i n d so ff i c t i o n t e 8 t i n gs y s t e m i s d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e df o rf r i c t i o nt e s t b u ta t p r e s e n t ，n o n oo ft h e s e 螽i c 专i o 鞋 专e s 专i 鞭g 寒y s t e 魏s c a 薤 c 囊a n g e 蠢i e t i 。鞋 s p e e d c o n t i n u o u s l ya n dr e a l 一t i m e l y f o rt h es a k eo fv a l i d a t i n 盛t h e i n n u e n c eo fc h a n g i n gf i c t i o n s p e e do nf i c t i o na n dw e a r i n g s t a t e ， a n d鑫l s of b f s t u d y t h ef r i c t i o n e o u ，l e s n a t e r i a l s l l l ! ! 塞毡! 叁堂堡! 兰! 些赡墨 p e r f b r m a n c ea n d f e a t u r e su n d e rt h e p e r i o d i c a l l y f l u c t u a n t 妇i e t i o ns p e e d ， b a s e do nt h ed i s o u s s i n go fe o n c e i v e o f n o n u n i l o r n s p e e d f i c t i o 硅a n d w e a r i n gp r o c e s s ， a n o n 。u n i f o r ms p e e df r i c t i o na n dw e a r i n gt e s t i n gs y s t e mw a s d e s i g n e d c o n s i 纛e f i 羹g t 魏en e g e s s a yb 毪s i c魅n c t o 建 o f辜e s 圭i n g 8 y s t e m ，e m p l o y i n gm e c h a n i c a l ， e l e c t r o n i c a la n da u t o m a t i o n t e c h n o l o g y ，t h ep r o f i l ed e s i g nw a sc o m p l e t e d a f t e ras e r i a lo f p r o b l e m so fr e l a t i v eh a f d w a r e a n ds o 爨w a r ed e s i g n i n ga n d r e a l i z a t i o nw e r es e t t l e d ，t h ew h o l es y s t e mw a sc o m p l t e d + t h er u n n i n g i nt e s t i n gr e s u l to fn o n u n i f o r ms p e e d f r i c t i o n & w e a r i n gs y s t e m r e v e 毪i e dt h es y s t e n la c h i e v e dt h e e x p e e l a n 专d e s i g n i n g 寒o a la n df u 珏e t i o n ，鑫蕤di t w a sd l s c o v e r e d t h a tu n d e rt h es a m ef r i c t i o nc o n d i t i o n ， e q u a l f r i c t i o n d i s 口l a c e m e n ta n ds i m i l a rf r i c t i o nw o r k ， t h et e s t e ds a m p l e s 娃珏矗e rn o 羹u 建i 翱 趣纛i e l i o 拄s p o e 莲w o e 辙o f es e f i o u s l y 鑫建d t h e yh a dm o r ea b r a d e dq u a n t i t y 。t h i st e s t i n gr e s u l tv e r i f i e d p r e l i m i n a r i l yt h ea s s u m p t i o nt h a tc h a n g i n gf t i c t i o n8 p e e dw i l l i n 纛u e n e et h ew e a r i n gs t a t eo ff r i e t i o nc o 毡p l e s k e y w o r d s ： f r i c t i o n t e 8 t i n g f i c t i o n ，f e q u e n c y c o n v e r s i o n 熏e s t s y s t e m ， n o n u n i f o r m 8 p e e d s p e e dr e g u l a t i o n ，c o n t r a s t i n g j 艺京化工夫学位论文藤翎往声明 y8 8 2 0 二7 本人郑重声明；所坚交的学位论文，是本人在导烬鳇携导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中融经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作龋成果。对本文 的研究做出重疆贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人宪全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 叁垒i 日期：蠢! ! 五匠坦 关予论文使震授权酶说明 学位论文作者宪全了解j 匕京化工大学有关保留和使用学位论文 静瓶定，帮：褫究生在校玫读学位期间论文工俸的知识产权单位耩托 索化工大学。学校有权保髑并蠢国家有关部f - 】或梳孝冬送交论文麓复印 件朗磁盘，允许学绫论文被套阕和错阙；学校可以公布学位论文鲶全 部戏部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段缳毒、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权_ 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：盘劐曰期：遂型：! 导师签名：! 渡盘叁 日期： ! ! i ，! q 北京化工人学坝1 学位沦文 第一章绪论 1 1 关于摩擦学和摩擦磨损试验研究 两物体相对运动时在其接触表面上发生的切向阻抗现象叫做摩擦，而摩擦 表面上物质不断损耗的现象被称为磨损。两者作为一种现象普遍存在于人们的 生活和生产实践之中，从人们的清洗、刷牙、走路、体育运动等日常生活到机 器的运转、传动、制动，车辆在路面上行驶，材料的切削、挤压成型等生产实 践，以及人类关节的活动，地壳的运动等各方面，无不存在着摩擦磨损的作用， 可以说摩擦现象贯穿于整个人类的发展史。 摩擦学作为一门实践性很强的技术基础科学，它的形成和发展与社会生产 要求和科学技术的进步密切相关。因此尽管人类很早就开始利用摩擦，近代对 摩擦的研究也有不少进展，但摩擦学作为。门独立的学科而受到世界各国的普 遍重视则是近3 0 年内的事情。摩擦学( t r i b 0 1 0 9 y ) 一词是在1 9 6 6 年以后才开 始使用并收录在牛津大学出版社出版的牛津英语词典之中的，这个词是英国的 i i p e c e t j o s t 于1 9 6 6 年3 月9 日首先提出来的。摩擦学包括摩擦、磨损与润滑。 摩擦学被定义为“研究相对运动的相互作用的表面的有关理论与实践的一门科 学与技术”。摩擦学是当今国际上研究十分活跃并受到各国普遍重视的交叉学科 领域，摩擦学涉及材料科学、表面工程、流体力学、化学、物理以及机械工程 等学科。目前，摩擦学的研究不仅存在于机械系统中，而且存在于其它许多领 域，如计算机工业中的磁性信息存储器摩擦学问题，核反应堆中的摩擦学问题， 医疗工程中的生物摩擦学等卜【6 j 。 摩擦学是研究作相对运动的相互作用表面的有关理论和实践的一门科学与 技术。其研究的内容十分广泛，丰要有以下几个方面洲2 】f 6 i ： l 、物体表面层相互接触与作用机理研究：涉及到参与摩擦物体在各种条件 下做相对运动时，表面层所发生的各利，变化。在研究r 卜已广泛使用了各种现代 技术来观察物体表面层，特别是在摩擦过程中对表面层发生变化的观察对摩 擦的研究和摩擦机理的探索具有决定性的意义。 擦的研究和摩擦机理的探索具有决定性的意义。 北京化t 人学硕i j 学位论文 2 、摩擦副磨损和失效研究：它着重研究材料和机件在不同工作条件下磨损 的机理、发生的规律和磨损特性。磨损研究的结果有助于进行合理的机械设计 以保证机器及其零部件有足够的使用寿命，且便于制造、维修和管理。合理地 选择摩擦副材料和表面处理工艺，以达到提高机器工作寿命和运行可靠性的目 的，节约材料和能源。 3 、摩擦过程中润滑机理研究：分析研究各种润滑状态，并了解润滑剂的性 质和作用的。良好的润滑剂对减少摩擦、防止磨损和保证机器的正常运转起着 重要的作用。 4 、摩擦学实际应用问题研究：理论与实践相结合是摩擦学和其他科学一样 获得发展的重要途径，利用摩擦学理论来解释实际工程问题，并将摩擦理论应 用于工程实践是摩擦学研究的重要课题。 摩擦学研究中摩擦副的磨损和失效方面的研究具有很强的现实意义，摩擦 在某些情况下是有益的，如对于某些起重和交通运输机械( 如汽车、火车、飞 机、起重机、卷扬机等) ，其运行的安全性和可靠性与制动摩擦副摩擦性能有密 切的关系。增大制动摩擦副的摩擦系数就有可能提高机器的承载能力和速度， 缩短制动行程，减少工作时间损失，提高设备的安全可靠性【2 1 。但在大多数情 况下，摩擦又是有害的，摩擦过程其实质就是能量消耗的过程，如纺织机械中 因摩擦而损失的功率占总功率的8 5 。据估计，目前世界上大约有l 2 1 3 的 能源消耗在各种不同形式的摩擦过程之中，摩擦所导致的磨损不仅会使零件配 合间隙增大，机器精度和效率下降，而且还会造成磨损的累积，直接影响到机 器设备工作状态和使用寿命，造成停工的损失甚至提前报废。世界各国因为磨 损问题而消耗在维修和配件的费用十分可观，仅在英国每年就因磨损消耗掉硬 质合金刀具2 0 0 0 余万件，约值5 0 0 0 余万英镑。而据统计，在日本及德国等工 业高度发达国家，每年因磨损消耗高达约2 0 亿美元以上。据上世纪8 0 年代对 国内在冶金矿山、农业机械、煤炭、电力和建筑材料五个工业部门的不完全统 计，每年仅用于磨料磨损而需要补充的钢材备件重达1 0 0 万吨，其中约4 0 的 农业机具备件是由于磨料磨损造成的，约3 0 的锅炉钢管因腐蚀磨损而失效 【2 】- 1 4 】o 因此探求摩擦副的磨损和失效机理，减少摩擦磨损，提高机器设备的减磨 和耐磨性能，不但会大大提高机器的寿命和可靠性，同时还会减少维修时间和 北京化t 大学硕】一学位论文 维修配件，节约了原材料和能源以及劳动资源，提高劳动生产率和生产质量， 对国民经济、社会发展和环境保护都有深远的意义。 现代摩擦学的研究方法主要体现在以下几个方面1 】【7 】【8 】： i 、由宏观表面进入微观表面的研究：由于摩擦是发生在表层，因此表层的 变化及其相互作用的规律对摩擦与磨损起着决定性的影响，而近代表面科学技 术的发展，为研究摩擦表面的物理、化学性质提供了必要的测试手段，如扫描 电子显微镜、穆斯堡尔仪、多能能谱仪等，利用这些仪器使人们可以更好的探 索摩擦的本质，以正确选择摩擦副材质的配对，为新材料新工艺的研制提供理 论依据。 2 、从定性分析到定量计算：对磨损机理、润滑理论的研究，以及所提供的 数学模型，对磨损和润滑的实际问题进行定量的计算。 3 、从单因素的单一研究进入到多因素的综合研究：摩擦过程是一个复杂的 包含多种因素的变化过程，影响摩擦、磨损和润滑的因素很多，涉及到多学科 相关领域，为了进行综合性的研究，可以用数理统计理论和现代技术领域中的 系统分析方法，对摩擦学系统进行综合处理，找出其发展规律，以便得出最佳 摩擦工况条件和结构设计方案。 4 、从静态研究发展到动态研究：由于摩擦磨损都是在运动过程中发生的， 所以应该在动态下研究摩擦原理及磨损规律( 早期预报和状态检测) ，如采用铁 谱和光谱分析来了解机器工作过程中的磨损状态。 摩擦学是与试验结合得十分紧密的一门学科，摩擦学中每一个概念、理论 假说都需要在工程实际或数值模拟试验中得到检验和证明，科研工作者和技术 人员要研究摩擦学的理论，确定各种因素对摩擦、磨损性能的影响，研究新的 耐磨、减摩及摩阻材料和评定各种耐磨表面处理的摩擦、磨损性能，都必须借 助各种摩擦磨损试验手段和测试分析技术。 1 2 摩擦磨损试验的类型、方法和试验条件 1 2 1 摩擦磨损试验的类型 摩擦磨损试验的主要类型有以下几种2 】【6 l ： 北京化工大学硕扣学位论文 l 、试样试验：试样试验是把所需研究的摩擦件制成尺寸较小的试样，在相 应的试样试验机上进行摩擦磨损试验。它的试验条件选择范围较宽，影响因素 容易控制。在短时间内可以进行较多参数和较多次数的试验，试验数据重复性 较好，对比性较强，易于发现其规律性，一般多作为研究性试验。研究不同摩 擦副的摩擦磨损机理及其影响因素的规律。也可以作为评定某种材料的摩擦磨 损性能的试验。这类试验费用低，周期短，故被广泛采用。 2 、台架试验：台架试验是在相应的专门台架试验机上进行的。它在试样试 验基础上，优选出能基本满足摩擦、磨损性能要求的材料，制成与实际结构尺 寸相似的摩擦件并模拟实际使用条件进行试验。其目的在于选择摩擦副的合理 配对结构，校验试验数据和在模拟实际工况条件下摩擦件的可靠性。相对于试 样试验而言，台架试验更加接近于实际使用条件，从而提高了试验数据的可靠 性。同时台架试验比使用试验更加容易控制试验条件，还可强化实际使用条件， 缩短试验周期，减少试验费用。 3 、使用试验：在上述两种试验基础上，优选材料，制成实际中使用的摩擦 副样品，在实际使用条件下进行试验。这种试验的真实性和可靠性较好，是最 终不可缺少摩擦磨损试验。但是使用试验耗费较多的人力物力，需要特殊的专 用测量仪器，费用较高，周期长，而且试验结果容易受到多因素的综合影响， 不便进行单因索的考虑，给分析问题产生的原因造成一定困难。如果不进行前 述两种类型的试验，一开始就进行使用试验，特别是对于摩擦磨损这样的一个 多因素复杂问题，难以抓住主要矛盾，延长试验周期拖长，提升试验费用。 上述三种类型的试验，不一定按照常规试验分别依次地进行。主要应根据 具体情况决定。可以分别选取或结合进行，即可把三种类型试验结合进行，也 可把试样试验和使用试验或把台架试验和使用试验结合进行，对于结构比较简 单的机械设备，亦可直接进行使用试验。 1 2 2 摩擦磨损试验的方法 在摩擦磨损研究过程中，比较被广泛使用的试验方法有以下几种【2 】1 6 】： l 、对比试验法：在相同条件下进行试验，即是将几种试样或者将要试验的 试样与已知标准试样进行对比试验。以比较其摩擦磨损性能从而选择或确定 北京化t 大学碗仁学位论文 具有较好的摩擦、磨损性能的材料和结构。 2 、标准试验法：目前正在努力制定各种材料的标准化摩擦磨损试验方法， 用统一的标准化试验方法，测量和研究出各种材料的摩擦磨损性能指标，以便 对各种材料在不同工况条件下的摩擦磨损性能进行比较和选择。 3 、使用范围试验法：将试样在广泛条件下进行试验，以便求得它的最大使 用范围或最高使用条件，如压力、速度、温度和寿命等条件。试验时常以摩擦 磨损性能的突变点来表示。此方法多为研究新的耐磨、减摩和摩阻材料以及新 的耐磨表面处理工艺所采用。 4 、使用性能试验法：按照实际使用情况进行试验，以便得到实际情况的摩 擦磨损性能指标，在一般应用部门都是采用这种实验方法。 1 2 3 摩擦磨损试验的试验条件 进行摩擦磨损试验时要注意以下试验条件因素1 】1 2 】 6 】： l 、试样的表面性质：包括材料种类( 化学成分及组织) 、机械性能和表面光 洁度，它们叨显地影响磨损。 2 、试样的形状和尺寸：它影响试样的接触形式和重迭系数，也同样会影响 到润滑状态、接触压力、相对运动速度以及磨损量，所以有些试样试验机规定 了试样的形状和尺寸。 3 、试祥中的固定件或运动件：试样中的固定件与运动件材料不同时，一般 不宜颠倒装配，特别是在干摩擦或固体润滑的情况下。 以上三点必须根据实际摩擦副结构相应地确定。 4 、运动形式：试样相对运动所形成的滑动、滚动或复合摩擦形式不同，对 润滑状态或破坏特征都有影响。 5 、摩擦速度：摩擦速度对磨损影响比较复杂，速度改变，摩擦系数一般发 生变化，摩擦材料变形速度和接触区的温度也发生变化，甚至改变了磨损形式 和润滑状态。 6 、摩擦温度：温度与速度一样，对磨损影响同样是比较复杂的。温度升高 到一定程度，材料的摩擦系数和磨损量都将变化；温度升高会导致润滑油的粘 度下降，严重时甚至破坏油膜，改变润滑状态。 北京化t 人学硕十学位论文 7 、摩擦压力：压力改变，摩擦副的摩擦磨损特性随之改变，润滑状态也随 之改变。 8 、周围环境介质：周围环境的水汽、空气、灰尘以及其它气体的改变，对 摩擦副材料和润滑材料都有影响。 9 、润滑方式：不仅润滑剂种类和数量有影响，而且润滑条件( 全浸、滴油、 飞溅) 以及给油方式( 开式、闭式、有否过滤器等) 对摩擦副都有直接影响。 1 0 、试验时间：在一定的试验条件下，要确定试验时间时，应注意不同材 料在不同磨损阶段所发生的急剧改变，不能片面地强化试验条件，以求缩短试 验时间，否则有可能改变破坏状态。 1 3 摩擦磨损试验系统的国内外发展状况 1 3 1 摩擦磨损试验机的分类 试样试验和台架试验是摩擦磨损试验最常用到的试验形式，在这两种类型 的试验中，都必须借助专门的摩擦试验机来完成试验过程。为了完成各种摩擦 试验，科研界和工业界已经研制了种类繁多的摩擦试验机，据目前不完全统计， 多达2 0 0 多种，这些试验机主要可以分为如下两大类恍： 1 、按试验条件分类： 磨料磨损试验机，橡胶轮干砂、湿砂磨损试验机，快速磨损试验机，高低 温、高低速、定速磨损试验机，真空磨损试验机，定功率磨损试验机，粘滑磨 损试验机，粘着润滑与磨损试验机，导轨磨损试验机，滑动或滚动轴承磨损试 验机，动压或静压轴承磨损试验机，齿轮疲劳磨损试验机，制动摩擦磨损试验 机，冲蚀磨损试验机，腐蚀磨损试验机，微动磨损试验机，气蚀磨损试验机。 2 、按试验机摩擦副的接触形式和运动形式分类： 摩擦副可选择球形、圆柱形、环形、锥形、平面块状或其它形状，接触形 式可分为点、线、面接触方式，运动形式有滑动、滚动、滚滑运动、自旋、往 复运动、冲击等。 1 3 2 几种典型的摩擦磨损试验机 北京化t 大学硕j 。学位论文 目前使用比较广泛的几种典型摩擦磨损试验机结构及特点如下 2 l 【5 】f 9 】： 1 、m m l o o o 摩擦试验机：该试验机由主机和控制台两部分组成。两圆环 试件分别装在转动的和固定的两轴端部彼此接触组成摩擦副。转动试件由调速 电机经传动系统带动回转，固定试件轴上装有加载汽缸。装在固定试件轴上的 电阻应变片和热电偶可分别用来测量试验时摩擦副的摩擦力矩和温度。试验机 配有函数自动记录仪以及记时和测速装置，并由称量法或测定磨痕尺寸来确定 磨损量。该试验机在摩擦热稳定性试验时，用恒定的压力，通过改变线速度和 温度来测定摩擦材料的摩擦系数和磨损量。在热冲击制动性能试验时，可以测 定制动力矩和制动稳定性系数等多种制动性参数。该机功率一般为o 7 5 k w ， 可承受1 0 0 0 k g f 的载荷，摩擦力矩范围为0 1 5 0 0 k g f c m ，调速范围为o 2 8 5 0 r a d m i n 。 2 、m 一2 0 0 磨损试验机：该试验机由传动机构、加载装置和摩擦力矩的测 量装置等组成，两试件为圆盘或圆盘与弧形块。上、下两试件分别驱动，但上 试件可固定、正转或反转，与下试件组成兼有某一滑差的滚动，还可以通过偏 心轮实现两试件作间歇接触。两试件间的接触压力用弹簧加载。用摆杆重锤机 构测量摩擦力矩。该试验机可测定金属及非金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、 滚动滑动复合摩擦和间歇接触摩擦时的摩擦磨损性能：并可改变润滑状态在液 体摩擦、边界摩擦、干摩擦及磨粒磨损条件下的材料耐磨性，也可以用于测定 摩擦功及摩擦系数。 3 、m l 一1 0 磨粒磨损试验机：该试验机系盘销型干式固定磨粒磨损试验机， 上试件与固定有砂布或砂纸的下圆盘接触并沿圆盘径向移动，其合成轨迹为螺 旋线。试件上的压力用祛码加在上试件的上部。试验机由主机和控制台两部分 组成。该机用于测定金属材料与砂石、矿石和泥砂等固定磨粒发生摩擦时的耐 磨性能，并可研究金属材料的磨粒磨损机理。 4 、m d 一2 4 0 定速摩擦试验机：该试验机由主机和控制台两部分。上试件 为固定块，装有改变摩擦副压力用的液压缸与上试件联接，下试件为转动圆盘， 由传动带带动旋转。用热电偶测量试件摩擦副的工作温度，用电子测力仪测量 摩擦力。该机用于研究在不同温度下摩擦材料的摩擦系数和磨损率。研究摩擦 材料的耐热衰退性及温度、压力和速度等因素对摩擦性能的影响，也可研究耐 北京化工大学硕士学位论文 磨、减磨材料的摩擦磨损性能。 5 、m q 1 2 四球式摩擦磨损试验机：该机试件由四个钢球组成。上试件为 一可动的驱动钢球，载荷由夹持上试件的主轴用液压或杠杆方式加到钢球上。 试验机装有自动记录摩擦力矩变化过程的系统。通过测量下面三个钢球上磨痕 的大小，可以评定油膜的承载能力和减磨性能。该机主要用来评定润滑剂的承 载能力，也可用作磨损试验机来测定摩擦副的接触疲劳磨损寿命，得出不发生 胶合的最大载荷。该机功率一般为1 5 k w ，承载范围为6 1 2 5 0 k g f ，主轴转速 一般为6 0 0 、7 5 0 、1 2 0 0 、1 5 0 0 、1 8 0 0 、3 0 0 0 r a d m i n ，比较典型的有吉山式四球 摩擦试验机，壳牌四球机，曾田式四球机等。 6 、m s 一3 往复式摩擦磨损试验机：该机上试件中间有槽，装在可调校平卡 头内固定不动，下试件装在往复运动的工作台上，可往复运动，用杠杆加载。 该机可对作往复运动的零件材料进行试验研究，测量摩擦系数，还可模拟往复 运动摩擦副零件的摩擦和磨损，评定选用材料及工艺与润滑材料的摩擦、磨损 性能。该机功率一般为0 6 k w ，压力为6 k g f c n l 2 ，往复次数为6 2 次m i n ，行 程为1 l o 1 6 0 l i l i n 。类似机型有液压传动往复试验机，粘一滑摩擦试验机，福 勒西和里西曼摩擦试验机，神钢摩擦试验机等。 7 、m h k 一5 0 0 环块式磨损试验机：该试验机由驱动系统、加载系统、测量 和控制系统等组成。上试件有调速电机直接驱动，可进行无级调速：下试件装 在加载杠杆的试块座内。该机利用祛码杠杆系统加载，并由摩擦力测量系统利 用力平衡关系测量试件间的摩擦力。该机装有润滑系统，可试验润滑剂和有润 滑时的摩擦磨损性能，可以调节润滑剂的温度。该机主要用于测定有润滑或无 润滑条件下金属和非金属材料的摩擦系数和磨损量，以及润滑剂的承载特性。 以均为国内比较典型的摩擦磨损试验机型，国外的同类试验机在工作原理、 结构、工作方式及特性方面都与之比较接近。 1 3 3 当前摩擦磨损试验系统及研究方法所存在的问题 以上这些摩擦磨损试验机的研究用途都较为单一，且适用范围有限，这是 因为摩擦磨损是一个过程复杂、参数多的历时过程，而所要研究的特性对象也 很多，需要研究不同材料、不同运动形式、不同接触方式的各种摩擦学特性， 北京化t 大学硕 j 学位论文 因此必须借助不同类型的摩擦磨损试验机。出于这样的原因，在摩擦磨损试验 中试验者多是结合实际需要自行设计摩擦磨损试验机，因此多数摩擦磨损试验 机均为单机专用性质。 其次，摩擦速度是一个非常重要的摩擦磨损试验条件，速度对磨损影响非 常复杂，速度改变，摩擦系数一般会发生变化；摩擦材料变形速度和接触区的 温度也发生变化；甚至改变了磨损形式和润滑状态。虽然从摩擦系数和摩擦力 的绝对值改变量上来说，摩擦速度波动所造成的影响并不大【1 0 】，但不可忽视的是 摩擦速度的波动会引起整个摩擦副摩擦条件的改变，而这种摩擦条件改变的逐 渐积累效应会给工程实际中的摩擦副带来巨大影响【i l 】。1 1 4 】。 以常见滑动轴承摩擦副为例，其磨损失效形式目前一般归结为擦伤、过度 磨损、裂纹、疲劳、腐蚀、咬死、胶合、穴蚀、脱壳、热脆失效、微动磨损等 各种形式1 1 5 】【1 6 】。在理想润滑状态下，摩擦副的接触摩擦可以通过油膜来避免， 但疲劳损伤却始终无法避免，而且对滑动摩擦副寿命的影响也很难预测【”】- 【1 9 1 。 按照经典的摩擦理论，疲劳损伤主要是发生在磨合阶段，进入了正常磨损期后， 只要载荷不发生变化，疲劳损伤就不再是主要的破坏形式【l 】【2 】【6 】。通常认为很多 设备如发电机组、发动机、压缩机、离心机，都是运行在这种摩擦工况之下。 但工程实际应用中，此类设备的疲劳磨损失效却一直屡见不鲜，如1 9 8 6 年 国内某6 0 万千瓦桃组发生烧瓦事故认定为推力轴承设计承载能力不足，该机 组在试运行中游车现象比较严重，转速变化率在4 。9 之间，轴承表面具有明 显疲劳损伤特征【2 0 】；1 9 9 4 年在对西德托马斯1 7 0 斜轴泵和变量马达的可靠性试 验中发现，尽管两者结构和工作条件基本相同，但是其各自配流盘的工作寿命 却相差甚远，在变量马达配流盘表面发现了大量显微疲劳裂纹。 此类设备工况的共性是载荷稳定但速度变化频繁，这有悖于经典摩擦理论 中有关疲劳磨损发生条件，所以有必要对此类工况下滑动摩擦副疲劳损伤产生 机理进行更深入的研究，探讨摩擦速度变化与滑动摩擦副疲劳损伤之间的内在 联系，为降低疲劳磨损消耗避免突发恶性事故，提供基础理论依据和参考数 据。这就需要建立相应的摩擦磨损试验系统来模拟此类工况，即在摩擦磨损试 验中摩擦速度可以按照预先设定的幅度大小和周期长短自动连续改变。 在目前应用比较广泛的摩擦磨损试验机中，一般都可以调整摩擦速度进行 摩擦磨损试验，但尚未检索到能在试验过程中可以自动地连续改变摩擦速度的 北京化t 大学硕士学位论文 摩擦试验机型。 在试验方法上，目前的摩擦磨损试验，一般都是采用“安装试样加载 开机试验停机观测或改变试验参数再开机试验”这样的循环 试验模式川f 2 2 】，这是考虑到摩擦磨损过程是一个历时过程，摩擦磨损试验相对 耗时较长，试验人员不可能长期值守试验现场而频繁观测和改变试验参数，受 到目前试验系统自动控制功能水平的限制，只能分时段定期停机来进行试样的 观测，改变和设定所需要的试验参数。 目前在摩擦磨损试验机上所进行摩擦磨损试验的磨耗过程就可以用如下分 段式函数来进行描述，其中，表示摩擦功，而v ，、n v 。表示各个试验时段 f ，幻厶内的摩擦速度，而p ，、n r 则表示摩擦副在各个试验时段内所 受到的法向载荷： j = 而在上述所提到的摩擦磨损工况中，摩擦副之间并不可能总是保持恒定相 对运动速度。例如在内燃机发动机的工作过程中，各种摩擦副并非是在匀速运 动。尤其是对于车载发动机，从起动加速再换挡，直到全速行驶；当路面情况 发生变化时，爬坡时要减档遇到情况要制动，所以一直是处于加速和减速工 作状态。在这种情况下，摩擦副问相对速度v 应该接近于时间f 的连续型函数， 即v = v 似，所以磨耗过程也可以被看作是一个连续形的函数： j = ，( v ，p ，f ，) ( 1 2 ) 这样就出现了很多问题，如果仍然利用现有的磨损摩擦试验机型系统来进 行模拟实验，很难体现这种摩擦副间相对速度和法向载荷会发生连续变化的磨 耗过程特征，通过这样的试验所得到的结果和数据也无法反映实际的磨损情况。 为了反映这种实际磨损过程所以有必要研制一种新的摩擦磨损试验系统， 使之可以较为精确的描述这种实际中常见的摩擦磨损工况，从而得出更加符合 实际情况的试验结果。 1 4 论文研究意义及工作内容 0 一( 2 n 叫刮一叫 r f f ) | ： 咏b 只 ” ” 扣p 。扣 ，h ， 北京化t 人学硕卜学位论义 1 4 1 论文研究的意义 摩擦磨损过程是一个干扰因素多、随机性大、牵涉面广的历时积累过程， 因此摩擦磨损试验系统是否能够真实、全面地模拟研究对象的实际工作情况、 摩擦磨损试验结果是否能够被准确、合理地评价，是研究工作及其结果有无价 值和意义的关键。 在现实生活中，由于试验系统和实际工作情况存在偏差而导致巨大经济和 人员事故的例子屡见不鲜。2 0 0 3 年，同本汽车制造商三菱汽车工业公司就向日 本国土交通省递交了车辆召回申请，召回其出品的四款汽车产品，其中“德利 卡( d e l i c a ) ”和“挑战者( c h a l l e n g e r ) ”两款车型在燃料泵上存在设计缺陷， 由于对燃料泵进角控制杆在进行燃料喷射时序调整时的磨损情况考虑不足，导 致在正常使用期内，部分进角装置的进角控制杆就出现了裂缝，如果继续使用 的话，进角控制杆就会折断，直接打开节气门，导致引擎转速突然失控，给在 行使中的车辆造成很大危险，实际使用中已出现了两起未造成人员伤亡的事故。 三菱汽车公司的产品之所以在正常使用期内会出现这些问题，就是由于在 产品设计和定型时，所采用的方案和数据与实际出现了较大的误差，而这些误 差之所以会出现的根源则在于产品试验模型与实际情况有一定差距。 按照经典的摩擦磨损理论，摩擦速度的改变所引起的摩擦力的改变值绝对 量比较微小，因此在通常的研究中，一般都对摩擦速度的改变忽略不计，但实 际上。摩擦速度的改变会影响摩擦条件，对于长期处于非匀速摩擦速度工况下 的摩擦副材料，这种微小影响的累积有可能会引起一些形式的失效，如疲劳磨 损等，在一些工程实际中，已经观测到此类现象。因此有必要对非匀速条件下 的摩擦磨损情况做进一步的研究。 可以认为在非匀速速摩擦过程中，摩擦副材料承受了不断波动的切向冲击 载荷作用，而根据一般经验，材料在稳定而持续的应力作用下发生失效的几率 远远低于在不断的冲击作用下发生失效的几率。但这仅仅是经验推测，还需试 验结果的验证。 而目前的摩擦磨损试验系统从摩擦磨损试验机的实现功能上以及摩擦磨损 试验方法上来说，都还无法对在磨耗过程中摩擦速度及载荷都随时间连续变动 北京化工大学硕一：学位论文 的磨损情况进行比较精确的模拟，也尚未检索到有将摩擦速度作为一个连续变 量来进行控制的试验机型。因此，有必要研制相应的试验系统来为试验研究提 供硬件基础。 本课题提出了非匀速摩擦磨损试验的思想，并研制了一种能够实现摩擦速 度连续可调、从而更加精确的反映非匀速摩擦磨损这种实际中普遍存在的摩擦 磨损情况的试验系统，并在该试验系统上进行非匀速摩擦磨损试验，分析了非 匀速摩擦磨损状态下的摩擦磨损情况，为更好的设计和维护工作在此类摩擦工 况下的摩擦副材料提供试验依据。 1 4 2 论文研究工作内容 论文的主要工作内容如下： 1 、查阅相关文献和综述，了解了摩擦学的研究内容、方法和手段以及摩擦 磨损试验的类型、方法、试验条件及试验手段。 2 、查阅有关文献，根据相关资料对非匀速状态下的摩擦磨损状况从理论上 进行说明和推论，预测非匀速摩擦磨损与匀速摩擦磨损这两种不同试验条件下 试验可能会出现的差异。 3 、提出非匀速摩擦磨损试验的思想，并设计出非匀速摩擦磨损试验系统来 实现非匀速摩擦磨损试验，包括加载及测温装置的设计、驱动及闭环调速控制 系统的设计、下位机电路及上位机控制软件的设计。 4 、进行非匀速摩擦磨损试验，观测、比较非匀速摩擦磨损与匀速摩擦磨损 两种不同试验条件下试验试样的差异，并分析原因。 北京化工大学硕士学位论文 第二章试验系统总体方案研究 2 1 试验系统的组成 为了实现非匀速摩擦磨损试验，充分利用现有的机械、电子和计算机控制 等相关技术，计划构建非匀速摩擦磨损试验系统如图2 一l 所示，其应该由以下 几个主要部分构成：摩擦试验机部分、驱动模块部分、加载及润滑装置部分、 速度及温度测量 部分、数据处理及 控制部分。其中数 据处理及控制部 分由上位机和下 位机两部分组成， 上位机作为整个 试验系统的核心控制部分口3 1 。 2 2 试验系统的工作原理 圈2 一l 试验系统组成示意图 该试验系统主要用来研究速度变化对摩擦磨损情况的影响，以及在速度连 续交化情况下摩擦材料的摩擦磨损特性等问题。 利用上位机与下位机之间通讯，将速度变化指令发送给下位机。下位机将 这些速度指令转换为高低电平信号来控制驱动装置，实现试验摩擦副间相对速 度的实时变化。而速度、温度测量装置在测得摩擦机的转速和摩擦副间的温度 以后，将这些信号送回下位机，然后再按规定的通讯格式返回上位机。上位机 则将这些信号进行处理以后按相应的格式显示在用户界面上。 上位机是试验系统的核心控制部分，由用户晃面、试验系统管理软件和动 态数据库构成。通过用户界面，可以设置试验过程的试验速度、加速度、加速 段长、匀速段长、减速段长、循环周期、试验历程等参数。 北京化工大学顿j 学位论文 试验过程由上位机内设定程序控制，随时在界面上显示各种实验数据，并 将这些数据存贮入数据库，待数据分析调用。 2 3 试验系统功能和主要技术指标 该试验系统主要用来实现材料在非匀速状态下的摩擦，其特点是可实现摩 擦副材料间相对摩擦速度的实时变化，因此可以用来研究波动的摩擦速度对材 料摩擦磨损情况的影响，以及工作在频繁变速冲击条件下的摩擦副材料的摩擦 性能。 试验系统的部分技术设计指标如下： l 、调速范围：摩擦试验机主轴转速可以在0 1 4 0 0 r m i n 间实现无级变速。 2 、速度采集：速度测量装置可实现对摩擦速度信号的精确采集，并通过下 位机送回上位机进行处理和存储，以实现对摩擦速度的反馈控制。 3 、温度采集：温度测量装置可以对摩擦副问的温度信号进行精确采集，并 通过下位机送回上位机进行处理，实时显示在控制界面上并存储起来。 4 、加载范围：本试验系统最大加载重量为1 0 妇。 2 4 试验过程实现 研制一种不同于传统、摩擦磨损速度可以实现连续变化的摩擦试验系统， 并应用这套摩擦磨损试验系统来验证连续改变的摩擦速度对摩擦磨损情况是否 有影响以及影响程度有多大。 而摩擦磨损过程是一个干扰因素多、随机性大的历时积累过程，要想在这 样一个过程中找出某一种试验因素单独作用的效果，就要求所采取的试验形式 必须能够尽量排除其他作用因素的干扰，并能使试验结果较为明显和便于评价， 所以考虑采用以同等摩擦条件下的匀速摩擦磨损为参考样本来进行研究。 试验分为两个步骤进行，先进行非匀速摩擦磨损试验，再在同一摩擦磨损 试验平台上进行匀速摩擦磨损试验。两个试验步骤中，试样、对试样所施加的 正压力以及与试样进行摩擦的摩擦副均是相同的。 先进行非匀速摩擦磨损试验，是为了统计出非匀速摩擦磨损试验的总摩擦 北京化工= j = = 学硕f 学位论文 历程及总试验时间，由此得出非匀速摩擦磨损试验的平均速度。 在接下来的匀速摩擦磨损试验中，将摩擦速度值设置为该平均速度，然后 进行相应时间的摩擦试验，这样就保证了两个试验步骤的摩擦历程基本相等而 摩擦功相近，从而提高了两个试验过程中的试验结果和试验数据的可对比性。 2 5 小结 为了研究摩擦速度变化对摩擦磨损情况的影响以及在摩擦速度连续变化情 况下摩擦材料的摩擦磨损特性等问题，针对这种试验条件和过程的特点，规划 和设计了非匀速摩擦磨损试验系统，并就试验系统的总体设计、工作原理、功 能及部分技术设计指标进行分析研究。 论文较为详细的阐述了非匀速摩擦磨损试验的总体思想，提出为了在摩擦 磨损过程这样一个干扰因素多、随机性大的历时积累过程中找出变化的摩擦速 度这一因素的单独作用效果，就必须进行对比性试验，论文给出了对比性试验 的参照样本和对比试验的方法。 托京纯工大学 日t 学垃沧空 3 1 加载装置 第三章加载、润滑及测温装置 摩擦试验机中常见豹加载方式主要有压盘式和压杆式嘲，在本试验系统中， 考虑到试验系统的特点，采用了压杆式加载方式结构如图3 1 所示。 试验系统采用硬质淬火锅为转动摩 擦副，而用与轴瓦合金成分比较相近的材 料作为静止摩擦副，矩形静止摩擦试样镶 装在桎杆豹凹槽墨，便于拆装。凹檀蠹设 计有温度传感器，测量试样的温度。转动 摩擦副采用键连接，用螺母轴向压紧在转 轴上。 圈3 - l 试验系统船载装嬖 这种设计的好处是结构简单。易于改造同时更换和观测试样都十分方便 其缺点是在试验初期，摩擦副问的接触属于线接触，然而到了一定的试验时问 以看，摩擦幅阀会由于上摩擦副被磨出了一个圆形凹槽而变成面接触，这种接 触形式的改变肯定会对摩擦蘑损试验产生定的影响，但考虑到本试验是属于 一种对比型试验，这种情况对被对比的双方的影响基本上是均等的所以不会 对试验研究目标造成摄大干扰。 3 2 润滑装置 本试验系统的润滑装置采用了喷油 润滑的形式来对摩擦副材料进彳亍润滑。整 个装鬻由油泵和油料回路组成，其结构示 意图如图3 2 所示。 考虑到是摩擦磨损试验，油聚选用抗 磨料污染能力比较强的外啮合齿轮油泵， 图3 2 螭滑系境结构示意图 北京化工大学硕士学位论文 利用变频电机直接驱动。油泵从贮油箱内将润滑油送入金属蛇形管，然后经过