止推滑动轴承试验机设计说明书

1止推滑动轴承试验机摘 要：摩擦磨损试验机主要应用于研究摩擦学产品的相关领域，目前，世界上只有美国、英国、日本等少数几个国家有摩擦磨损试验机的专业生产企业，许多资料表明现有的摩擦磨损试验机所测试的式样几乎以滑块、圆盘为主，而且可在一定范围内实现载荷、速度、润滑量、温度等因素控制。而接触导线式样多以线材为主，同时要实现在电接触条件下对载荷、滑动速度、电流、电压等单、多因素的控制。因此为了保证点接触线材在这方面的研究、实验、开发，研制了一台新型、简易、性能可靠、成本较低的滑动摩擦磨损试验机。关键词：试验机、摩擦磨损、滑动2Sliding friction and wear test machineAbstract：The friction and wear test machine will be used in tribology research products related fields, at present, there is only the United States、Britain、Japan and a few countries have friction and wear test machine professional production enterprises, much of the information available shows the friction and wear test machine for testing the format almost slider, the disk-based, but in a certain range within load, speed, lubrication, temperature control and other factors. And the contact wire to wire more style, and mainly to achieve electrical contact under the conditions of the load, sliding speed, current, voltage single-and multi-factor control. Therefore, to ensure that point contact wire in the research, experiment, development, development of a novel, simple, reliable performance, lower cost of sliding friction and wear test machine.Keywords：testing machine, friction and wear, sliding .3目 录摘要 Abstract 第 1 章 绪论 11.1 选题的目的及意义 11.2 选题的国内外研究现状 21.2.1 选题的国内研究现状 21.2.2 选题的国外发展趋势 31.3 选题研究的主要内容与研究方法 51.4 选题研究的预期结果 5第 2 章 摩擦磨损试验原理与方法 62.1 材料摩擦磨损的评定方法 62.1.1 摩擦的概念及类型 62.1.2 摩损的类型及评定方法 62.2 摩擦磨损试验方法分类 82.3 常用的几种磨损试验机 92.4 教学用磨损试验机的功能需求112.5 本章小结11第 3 章 磨损试验机测试方案比较与分析 123.1 简易环块式方案123.1.1 结构特点及工作原理 123.1.2 主要组件 133.1.3 设计启示 153.2 球盘式方案 153.2.1 试验机工作原理153.2.2 试验机传动方案163.2.3 试验机机械部分特点173.2.4 试验机应用范围1843.2.5 设计启示 183.3 多用途型方案183.3.1 试验原理 183.3.2 试验机结构组成及其主要性能指标193.3.3 设计启示 213.4 CJS106 型试验机 213.4.1 基本结构及工作原理213.4.2 设计启示233.5 本章小结24第 4 章 小型磨损试验机试验执行部件的结构设计254.1 试件装夹组件的设计 254.2 摩擦力测试组件的设计 274.3 试验力加载组件设计274.4 本章小结28第 5 章 小型磨损试验机整体结构设计295.1 主要参数设计295.2 整体结构设计295.3 本章小结31第 6 章 试验机零部件的设计与校核326.1 电动机的选型 326.2 轴系零件的设计校核 336.2.1 轴的设计与校核 336.2.2 轴承的选用与校核 346.2.3 键的选用与校核35 5、第 1 章 绪 论1.1 选题的目的及意义运动产生摩擦。由摩擦引起的磨损、润滑、材料与能源消耗等一系列摩擦学问题普遍存在并对社会、经济的发展产生了巨大影响。由于摩擦学科学所涉及的问题，与节约能源、节约材料、减少磨损、提高资源利用率和保护环境等密切相关，成为我国走新型化工业道路和发展循环经济必须面对的科学问题，已受到科技界的高度重视。一般认为，人类一次能源大约 1/3 是消耗于摩擦损失，约有 70%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的。中国机械工程学会摩擦学分会上世纪末的全国调查显示：我国每年制造汽车消耗的钢材与制造汽车配件消耗的相比大致相等。根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有关方面的花费大约占国民经济年生产总值的 2% 7%。我国的 GDP 只占世界的 4%，却消耗了世界 30%以上的钢材。同发达国家比较，我国目前平均生产水平还较低。2003 年国民经济的生产总值为 11694 亿元，如果摩擦、磨损有关方面的花费按占国民经济年生产总值的 5%计算，就损失 584.7 亿元。摩擦学及其相关领域的基础研究既瞄准了当今的科学前沿，又面向国家重大装备和工程的需求，促进摩擦学和相关学科的发展，既能解决了我国国民经济、社会发展和国家安全中出现的许多重要的摩擦学科学技术问题，又能改善我国在世界能源战略中的格局。因此，应加强我国在摩擦学领域的研究。1、摩擦学是多学科交叉科学，融基础知识和应用技术于一体，是包括大家都熟悉的摩擦、磨损、润滑在内的一个宽广的科技领域。它在工程上的应用包括：建筑、装备和产品的摩擦学设计，全生命周期中摩擦消耗和磨损控制，以及润滑技术措施的实施与新型润滑材料的研发。2、摩擦学具有重要的经济价值。在建筑、装备和产品的设计中，重视和积极应用摩擦学前沿科技知识，积极进行摩擦学设计，对于提高建筑、装备和产品的性能、可靠性，降低运行费用，从而提高建筑、装备和产品在市场上的竞争力，有更为深远的意义。3、摩擦材料的研究和攻关是工程科技前沿的重点。包括润滑油和润滑脂，其与摩擦学有关的性能以及这些性能的正确使用，是提高摩擦学设计质量不可缺少的条件，也是提高设备运行质量、降低运行成本、减少环境污染和延长使用寿命的基本手6段。在近数十年中，摩擦材料一直是材料科学、化学和表面工程领域的前沿课题，也是物理学、控制工程等中的热门话题。4、摩擦学已成为高科技领域。摩擦学影响范围广大，与摩擦学有关的花费往往发生在建筑、装备和产品全生命周期中。随着经济体制的变革，在激烈的市场竞争下，摩擦学已经成为一个充满高科技的研究领域，远离了过去书本或手册中那些陈旧的概念或者认为“润滑”只是加加油的传统概念。随着科学技术的进步，机械产品在不断向高速度、高精度、大批量和生产过程高度自动化、连续化的方向发展。机械设计时，如不考虑摩擦、磨损问题，就不可能设计出符合要求的机械产品。也就是说在设计阶段就应采取有效措施对摩擦、磨损加以控制和利用，已成为机械设计者的基本任务之一。因此，加强机械类相关专业摩擦学的学习与研究是学生毕业后能设计出符合世界发展潮流的绿色环保、节能降耗机械产品的重要条件。利用摩擦磨损试验机进行摩擦学相关试验是最简单便捷的测试材料摩擦性能的方法。与实际使用试验相比，试验机测试周期短，成本低，并且可单独控制一些参数进行单项测试，灵活性也很好，所以在摩擦学研究领域，摩擦磨损试验机被广泛应用于机械设计，材料科学等领域进行材料磨损摩擦性能试验，用以评定材料的耐磨性能，也可用于测定摩擦功及材料的摩擦系数等。另外，摩擦磨损试验机能很简单明了的演示摩擦磨损机理，对于摩擦磨损的教学有很好的促进作用，因此，摩擦磨损试验机也广泛应用于教学实验室，用于摩擦学的教学试验使用。1.2 磨损试验机的发展现状1.2.1 磨损试验机国内的研究现状我国的摩擦试验机的研制比摩擦学的研究要晚一些，直到 1965 年济南试验机厂才制造出中国的第一台摩擦试验机MQ-12 型四球摩擦试验机。在摩擦试验机的制造方面，济南试金集团(济南试验机厂)做了一些工作，该厂在全国率先仿制了美国Timken、瑞典 SKF、德国 Optimol 和美国 Falex 的摩擦试验机，这些摩擦试验机对我国摩擦学研究发挥了重要的作用。国内目前还有几个小厂也生产摩擦试验机，但其生产规模比较小，摩擦试验机品种也相对较少，这些厂家的产品除了少数是和科研单位合作开发的，其余产品基本是仿制品。具体如下：1、商品化的摩擦试验机主要用于试验室试件试验，国内的模拟性台架摩擦试验机仅仅限于几类特殊的产品(如汽车离合器)，其余的还鲜有商品出售，这类试验机多由使用厂家自制，自制产品的性能一般较差。72、我国的摩擦试验机基本上是测绘国外 6070 年代的产品，相当部分的产品没有自主知识产权，现在这些产品结构严重老化，存在着自动化程度低(以手动控制为主)、多数不能自动保存数据、采集数据的速度慢等缺点。3、国内商品化的摩擦试验机都是回转式的，还没有往复式摩擦试验机的商品出售。4、目前国内的摩擦试验机存在着调速范围小，荷载小，精度低等缺点。特别是有效载荷一般都小于 5KN。上述问题严重影响了厂家对材料性能的准确测定及摩擦学科技工作者对摩擦学的研究。段。在近数十年中，摩擦材料一直是材料科学、化学和表面工程领域的前沿课题，也是物理学、控制工程等中的热门话题。4、摩擦学已成为高科技领域。摩擦学影响范围广大，与摩擦学有关的花费往往发生在建筑、装备和产品全生命周期中。随着经济体制的变革，在激烈的市场竞争下，摩擦学已经成为一个充满高科技的研究领域，远离了过去书本或手册中那些陈旧的概念或者认为“润滑”只是加加油的传统概念。随着科学技术的进步，机械产品在不断向高速度、高精度、大批量和生产过程高度自动化、连续化的方向发展。机械设计时，如不考虑摩擦、磨损问题，就不可能设计出符合要求的机械产品。也就是说在设计阶段就应采取有效措施对摩擦、磨损加以控制和利用，已成为机械设计者的基本任务之一。因此，加强机械类相关专业摩擦学的学习与研究是学生毕业后能设计出符合世界发展潮流的绿色环保、节能降耗机械产品的重要条件。利用摩擦磨损试验机进行摩擦学相关试验是最简单便捷的测试材料摩擦性能的方法。与实际使用试验相比，试验机测试周期短，成本低，并且可单独控制一些参数进行单项测试，灵活性也很好，所以在摩擦学研究领域，摩擦磨损试验机被广泛应用于机械设计，材料科学等领域进行材料磨损摩擦性能试验，用以评定材料的耐磨性能，也可用于测定摩擦功及材料的摩擦系数等。另外，摩擦磨损试验机能很简单明了的演示摩擦磨损机理，对于摩擦磨损的教学有很好的促进作用，因此，摩擦磨损试验机也广泛应用于教学实验室，用于摩擦学的教学试验使用。1.2 磨损试验机的发展现状1.2.1 磨损试验机国内的研究现状我国的摩擦试验机的研制比摩擦学的研究要晚一些，直到 1965 年济南试验机厂才制造出中国的第一台摩擦试验机MQ-12 型四球摩擦试验机。在摩擦试验机的制造方面，济南试金集团(济南试验机厂)做了一些工作，该厂在全国率先仿制了美国8Timken、瑞典 SKF、德国 Optimol 和美国 Falex 的摩擦试验机，这些摩擦试验机对我国摩擦学研究发挥了重要的作用。国内目前还有几个小厂也生产摩擦试验机，但其生产规模比较小，摩擦试验机品种也相对较少，这些厂家的产品除了少数是和科研单位合作开发的，其余产品基本是仿制品。具体如下：1、商品化的摩擦试验机主要用于试验室试件试验，国内的模拟性台架摩擦试验机仅仅限于几类特殊的产品(如汽车离合器)，其余的还鲜有商品出售，这类试验机多由使用厂家自制，自制产品的性能一般较差。5、处理数据的方法落后，多数用肉眼读取数据，用示波器显示数据变化的波形，以手工的方法处理数据，这种方法不仅工作量非常大，而且数据处理容易出错，结果的精度也很低。6、摩擦试验试验机外观粗糙。因而研制宽调速、重载、高精度、自动化程度高的往复式摩擦试验机及其自动数据处理系统已经迫在眉睫。1.2.2 磨损试验机国外的发展趋势国外的摩擦试验机经过几十年的发展，其产品在性能上有大幅的提高，在种类上有很大的扩充，呈现如下发展趋势1、摩擦试验机对摩擦副的工况尽可能的模拟。摩擦试验机不仅仅局限于对金属材料试验，出现了针对不同材料、不同极限工作条件的新型摩擦试验机。国外的厂商针对航空航天、冶金工业、核工业、高速铁路、汽车、摩托车和信息技术的许多极为苛刻条件(如高承载、高腐蚀、高低温、高速度、超高真空、强辐射等)，研制出多种摩擦试验机，如毛皮摩擦试验机、机场跑道摩擦试验机、塑料摩擦试验机、冰面摩擦试验机、纸张摩擦试验机、汽车离合器摩擦试验机、关节肌腱摩擦试验机等。产品更加专业化，试验机种类更加细化。日本的专家三桥健八曾把用于橡胶的摩擦试验机做过总结，常用的橡胶摩擦试验机共有七大类，四十六种之多。用于模拟性台架试验的摩擦试验机有很大的发展。模拟性台架试验机几乎能模拟实际摩擦副的所有工况，如温度、湿度、润滑条件、转速/频率、荷载、表面膜、粗糙度等，其测量精度有很大的提高。正是对现场工况进行了尽可能的模拟，因而，模拟性台架试验机的大小差距很大，小的只有几公斤重可以便携，而大的有数百吨重。2、摩擦表面的温度测量技术。摩擦表面温度是影响和制约摩擦性能的最重要参数之一，摩擦表面温度场的分布与接触物体表面形态、摩擦副材料的热物理性能、结构尺寸、工况条件以及散热条件等因素有关，且具有微观、瞬时、动态的特点，测量9擦表面的温度测量将是一个重要的方向。3、摩擦试验机和计算机结合更加紧密，其操作更加简单，设计更加人性化。现在的几乎所有摩擦试验机至少配备一台计算机(便携式配备单片机)，试验机采样、数据处理、打印、试验机的控制、采样数据波形显示均由计算机完成，计算机已经取代示波器进行虚拟显示。试验机的使用也非常简单，有的试验机只要用鼠标点击计算机的操作界面即可。4、成像摄影技术在摩擦试验机上的应用。随着成像摄影技术的日益成熟，成像摄影技术已开始应用于摩擦试验机，用其测量各种试件的磨斑，并可通过计算机实现试件的磨斑自动显示、测量、打印。5、目前几乎所有摩擦试验机都能够适时测量出材料的瞬时摩擦系数，但绝大多数摩擦试验机还不能对薄层的磨损进行适时测量(微小磨损量测量)。据报道：仅有日本用激光发射超声高速脉冲来测量薄层的摩擦磨损特性取得了成功，因此摩擦试验机对材料磨损量的适时检测也是一个发展方向。6、纳米技术的发展对摩擦试验机的影响。自从 1984 年德国人 Gleiter 研制出纳米微粒进行压制烧结得到纳米固体材料以来，纳米材料已在许多领域引起了广泛的重视和研究，成为材料学研究的热点，纳米摩擦学是材料科学与摩擦学交叉领域最前沿的内容。纳米摩擦学主要包括从纳米尺度上研究纳米材料的摩擦、磨损和润滑现象的本质和研究纳米材料的摩擦学特性及其与材料结构特性的关系等，与纳米技术相关检测产品的开发将带来摩擦磨损测试技术的革命。7、生物摩擦学(Bio-triology)对摩擦试验机的影响。生物摩擦学于上世纪 80 年代提出，生物摩擦学研究摩擦学、生物力学、生物化学、流变学和材料科学等的交叉学科，在医学和摩擦学工作者共同努力下得到迅速发展。由于摩擦可以引起人体许多生理变化江南大学硕士学位论文和疾病。目前生物摩擦学的研究目标是研制摩擦磨损低、病理反应小的人工器官，主要集中在人工关节和心脏瓣膜的研究，现在人工关节已经大量地应用于关节晚期、外伤致残，或骨瘤切除病人的关节置换。根据调查推算，我国可能有 100150 万骨关节病人需要做人工关节手术。这些活动的人造器官因为要长期存在于人体内，因而模拟人体内环境的摩擦试验必不可少。澳大利亚的科技工作者研制出了模拟关节运动的试验机对人造关节进行试验，而美国的科技工作者更是把活体白兔置于新型摩擦试验机上，测试白兔的关节摩擦技术参数，进而研究关节炎和风湿病的病理。可以预见用于生物摩擦学的摩擦试验机将是摩擦试验机发展的一个重要的方向。108、生态摩擦学(Eco-tribology)，人类为了可持续发展面临着资源和环境两个重大问题。为此，最近提出生态摩擦学研究可望成为今后的重要研究方向之一。据估计，全世界约有 13l2 的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩擦导致的机械磨损所损耗的材料在我国每年高达几百亿元，因此减摩耐磨技术的开发和普及具有重要的经济和社会效益，最大限度地降低摩擦是人们长期追求的目标。润滑油，特别是添加剂含有多种有害的金属元素。据统计，全世界每年润滑油消耗量为 300 万吨，其中约有30因各种原因被排放到环境中而造成污染。绿色环保摩擦材料将是今后研究的热点，与绿色环保摩擦材料研究相关检测产品的开发将带来摩擦磨损测试技术的革命。1.3 选题的研究内容与研究方法本课题研究的主要内容是实现大型的摩擦磨损试验机的小型化，并使其有利于教学实验室使用。主要研究方法是从磨损摩擦测试的基本原理出发，找出简单、易用、小巧的传动，调速，加载和测力的结构方案，替代其他大型试验机的相应结构，从而使研制的试验机结构小巧，造价低廉，功能完善。1.4 研制小型摩擦磨损试验机的预期结果为了满足学校实验室做摩擦学实验的一般需要，参考 MM-200 型摩擦磨损实验机的基本原理，设计一个结构简单、体积小巧、实用廉价的摩擦磨损实验机，不仅能够弥补学校教学实验设备的不足，还具有商业化推广价值。设计的小型摩擦磨损实验机的机械部分首先应满足摩擦学实验和实验教学的基本要求，其次易于不同配副材料的更换和不同参数的调节。在此基础之上还要求实验机运转平稳、机械震动小，以减小由于机械原因产生的误差。为了满足以上要求，设计的小型摩擦磨损试验机不采用液压加载组件件，使用其他较紧凑，加载稳定的加载组件；测力组件尽量少，测量简单直接，减少中间环节误差；另外还要求加工制作简单，工作可靠，成本低廉。实验所使用的试件加工成本低，便于不同材料的摩擦学性能测试。同时为了提高试验教学效果，设计的试验机在实验过程中，许多测试参数需要学生自己动手调整，对培养学生实际动手能力、巩固所学专业知识、锻炼学生分析问题和解决问题的能力起到了非常明显的作用，同时为教师的科研工作提供了便利条件，对教学质量的提高起到了推动作用11第 2 章 摩擦磨损试验原理与方法在不同摩擦环境下，不同摩擦类型有着不同的摩擦学表现，但表象背后所呈现的磨损摩擦基本机理是相同的。通过不同的方法测试出的摩擦性能数据对应着不同的应用场合，为了使测试数据与真实使用数据比较接近，通常在试验时尽可能的模拟真实使用环境。2.1 材料摩擦磨损性能的评定方法2.1.1 摩擦的概念及类型1、摩擦概念两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。这种阻碍相对运动的阻力称为摩擦力。摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物体相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。 摩擦力(F)与施加在摩擦面上的法向压力(P)之比称为摩擦系数，以 表示，即 =F/P 。虽然该式对于极硬材料(如金刚石)和极软材料(如某些塑料)存在着一定的不确切性，但它仍适用于一般工程材料。2、摩擦类型按照接触面运动方式分： （1）滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。如内燃机活塞在汽缸中的摩擦、车刀与被加工零件之间的摩擦等；（2）滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。如滚动轴承的摩擦、齿轮之间的摩擦等。实际上，发生滚动摩擦的零件或多或少地都带有滑动摩擦，呈现出滚动与滑动的复合式摩擦。评定摩擦主要是测试材料的摩擦系数，测试方法是在摩擦面上施加不同的法向压力(P)，然后测出对应的摩擦力(F)，根据 =F/P ，计算出平均数，作为材料的摩擦系数。122.1.2 摩损的类型及评定方法1、磨损和摩擦是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种现象摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。磨损是多种因素相互影响的复杂过程，而磨损的结果将给摩擦面带来多种型式的损伤和破坏，因而磨损的类型也就相应地有所不同。2、分类 按环境和介质可分为：流体磨损；湿磨损；干磨损。按表面接触性质可分为：金属流体磨损；金属-金属磨损；金属磨料磨损。比较常用的分类方法是基于磨损的失效机制进行分类，一般分为五类：粘着磨损；磨料磨损；腐蚀磨损；微动磨损；表面疲劳磨损(接触疲劳)。3、磨损性质（1）在摩擦过程中，零件表面将发生一系列物理、化学和力学状态的变化。1) 因材料塑性变形而引起表层硬化和应力状态的变化；2) 因摩擦热和其它外部热源作用下而发生的相变、淬火、回火以及回复再结晶等；3) 因与外部介质相互作用而产生的吸附作用。这些过程将逐渐地改变材料的耐磨损性能和类型。因此，在讨论磨损类型时，必须考虑这些变化的影响，从材料的动态特性观点去分析问题。（2）实际上，上述磨损机制很少单独出现，它们可能同时起作用或交替发生作用。根据磨损条件的变化，可能会出现不同的组合形式。（3）磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。所谓外部条件主要指摩擦类型(滚动或是滑动)、摩擦表面的相对滑动速度和接触压力的大小。4、材料耐磨性的定义及评定方法材料耐磨性是指某种材料在一定的摩擦学条件下抵抗磨损的能力，通常以磨损率13的倒数来表示，即（2.1）1W式中 材料耐磨性；W磨损率（单位时间或单位运动距离的磨损量） 。表示磨损量的常用方法有以下几种。（1）线磨损：指磨损表面法线方向的的尺寸变化值（mm 或 m） 。（2）质量磨损：指磨损表面的质量损失（g 或 mg） 。（3）体积磨损：指磨损表面的体积损失（mm 3 或 m 3） 。（4）磨损率：包括单位时间的磨损量（mg/s） 、单位摩擦行程的磨损量（mg/m）及单位转数的磨损量（mg/r） 。（5）比磨率：表示磨损量与负荷及摩擦行程乘积之比（mm 3/10Nmm） 。（6）相对耐磨性：试验试样与标准试样在同一情况条件下的耐磨性之比，即（2.2） W试 标相 标 试式中 相对耐磨性；相、 试验试样和标准试样耐磨性；试 标W 标 W 试 试验试样和标准试样磨损率。在上述这些磨损量的评定方法中，线磨损、体积磨损和质量磨损都是表面的损失，没有考虑到零件或试样的尺寸、形状以及所载负荷、速度、磨程的影响。因此是一个绝对值的磨损量表示方法。而磨损率则考虑了负荷和磨程的影响，可供在同样滑动速度的条件下比较。用相对耐磨性来评定材料的耐磨性时，则采用了一种与原来使用材料性能相同的标准材料在相同磨损条件下进行对比试验的方法，这种评定方法在相当程度上，可以避免在磨损过程中参量变化及测量误差造成的系统误差，可以比较方便而准确的评定镀层的磨损性能。因此这一方法比较常用。142.2 摩擦磨损试验方法分类在进行摩擦学领域的相关研究时，需要对材料或涂层的耐磨性或润滑剂的润滑效果进行评定，根据试验条件和目的的不同，常把磨损试验分为实际使用试验和实验室试验两类，两种方法各有利弊。1、实际使用试验实际工况条件下的磨损试验，其真实性和可信性最强，是检验试验方案中最有效的方法。但是，这种方法有许多缺点，有时甚至使试验不可以实现。其缺点如下：（1）试验周期长。（2）使用条件不固定，有许多偶然因素，使得数据的重现性与可比性差，分散度比较大。（3）影响因数比较复杂，很难确定单个因素对磨损过程及结果的影响，并且磨损结果测量往往比较困难，精度不高。（4）花费大量的人力物力。因此，很少用实际使用试验的方法来检验材料的耐磨性及润滑油的性能等相关参数。2、实验室试验实验室试验分为台架试验和试样试验。（1）台架试验用真实的零组件，甚至整台设备进行试验。这种试验比较接近实际条件，许多因素可人为控制，排除偶然因素的影响。但其不适于研究摩擦磨损机理，且试验周期长，费用高。（2）试样试验这种试验方法是把材料做成简单的试样，放在常用的试验机上进行试验。它是进行材料耐磨性试验的最广泛应用的方法。其主要优点是便于研究磨损的过程和规律，可减少和控制偶然因素，适用于研究各种因素对摩擦和磨损的影响。试验周期短，费15用较低。试样试验又分为一般性的试样试验和模拟性的试样试验两种。1）一般性的试样试验，不强调模拟某一零件实际的工作情况，试样形状简单，主要用于研究摩擦磨损机理、一般规律以及材料的耐磨性等。因这种试验被理想化了，其结果常与实际有相当的差别。2）模拟性的试样试验，主要是模拟某种零件的实际工作情况，因而针对性强。进行模拟性试验一般有两种方法：一种是试验机上摩擦副的磨损类型要与实际使用条件下的一样，即按磨损类型模拟；另一种是试验机上摩擦副的主要摩擦条件（如温度、周围环境、压力和速度等）应与实际零件相同或接近，即按摩擦条件模拟。这两种模拟是有内在联系的，不是绝对对立的。根据摩擦磨损试验以及实验教学的要求，教学用磨损摩擦试验机主要用于测试在不同速度、较小载荷下各种材料的摩擦性能以及演示摩擦磨损机理、一般规律。属于实验室一般性的试样试验，对试验机的要求不是很高。2.3 常用的几种磨损试验机1、磨损试验机分类磨损试验机种类很多，图 2.1 和图 2.2 是其中有代表性的几种。2、常用的几种磨损试验机（1）MM-200 型摩擦磨损试验机国产的 MM-200 型摩擦磨损试验机是仿瑞士的 Amster 产品。该机主要由传动机构、负载机构和摩擦力矩测量机构组成。可做金属及非金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、和滚动-滑动复合摩擦和间歇接触摩擦等各种状态下的摩擦磨损性能试验。并可以改变润滑状况，使试样在液体摩擦、边界摩擦、干摩擦及磨粒磨损条件下进行试验，评定材料的耐磨性能，也可用于测定摩擦功及材料的摩擦系数。该机最大负荷为 2000N。试样转速为上试样 180r/min 或 360r/min，下试样200r/min 或 400r/min。试样直径 30 50mm，厚度 10mm。摩擦力矩测量范围 0 150kgfcm。16该机用静液压加载，负荷可在 240 24000N 范围内变化（相应比压为 0.2 2MPa） 。主轴转速为 480 r/min、650 r/min、 959 r/min。试样中心线速度为7.5m/s、10.25 m/s、14.1 m/s。最高温度 350。上试样尺寸 3cm2cm，压在摩擦圆盘上。摩擦圆盘由主轴带动旋转。同类型的还有 MM-1000 型摩擦试验机，试样为两圆环，其两端面相接触摩擦。（4）环块式摩擦磨损试验机国产有 MK-1 型，国外有 TIMKEN 型。MK-1 型试验机，上试样尺寸 12cm12cm15cm，下试样尺寸 30 50cm，2 10cm，转速 300 800 r/min。用读数显微镜测量磨痕宽度，计算磨损的体积。试验中可以测出摩擦力的数值，以此计算摩擦力的数值。2.4 教学用磨损试验机的功能需求以上几种市场上常见的磨损摩擦试验机具有自动化程度高，试验步骤规范、测量数据可靠等优点，但对试验条件要求高，标准设备昂贵，一般学校实验室承担不起如此高昂的费用。这就要求我们动手制作一台能够满足摩擦学试验和试验教学的基本要求，易于不同配副材料的更换和不同参数调节的磨损摩擦试验机。在此基础之上还要求试验机运转平稳、机械震动小，以减小由于机械原因产生的误差。另外，为了锻炼同学们的动手能力，应该降低试验机的自动化程度，让同学们更多的参与到试验数据的测定与计算中来，巩固所学专业知识、锻炼学生分析问题和解决问题的能力。2.5 本章小结本章介绍了摩擦学的发展现状、磨损、摩擦的基本概念以及材料摩擦磨损性能的评定方法，并通过比较各种方法之间利弊，得出实验室试样试验是进行材料摩擦、磨损、性能评定的最简便易行的方法，尤其对于以演示摩擦磨损机理和规律为主的大学摩擦学试验课程，实验室试样试验是最合适的办法。17第 3 章 磨损试验机测试方案比较与分析摩擦磨损试验机根据试验所测试的参数不同，试验机的结构和测试原理也不一样。比较几种常见的摩擦磨损试验机测试方案的优缺点，并结合实验室对试验机功能的要求，设计一种适合教学实验使用的试验机是本章研究的重点。3.1 简易环块式方案 2该机是由广东韶关学院物理系王斌、蔡兴旺两位老师于2003年设计制造的，其结构简单、工作可靠、制作费用低廉，比较适合做试件在润滑条件下的磨损摩擦试验。3.1.1 结构特点及工作原理（1）结构特点试验机主要由动力系统、油箱、磨损测试组件及摩擦测试组件组成。其中，摩擦组件又由加载组件及测力组件构成，其结构原理如图3.1 所示。I磨损测试组件 II摩擦测试组件1拧紧螺母 2.压缩弹簧 3固定块 4摩擦环块 5滚动轴承 6放油螺钉 7磨块 8加力杠杆 9砝码 10拉伸弹簧 11指示力臂 12刻度板 13温度计图3.1 环块式摩擦磨损试验机结构示意图18（2）工作原理磨损测量。电动机带动摩擦环块旋转，砝码可在加力杠杆上连续移动，调节作用在摩擦环块与磨块之间的正压力。摩擦环块的硬度比磨块的硬度高，通过测量磨块的磨损质量就可测定某种油品、某种荷载下的磨损量摩擦测试。加在摩擦环块与磨块间的正压力由拧紧螺母压缩弹簧实现，圆钢杆穿过固定块与磨块一起可绕摩擦环块转动，圆钢杆与指示力臂均固接在轴承上，可绕环块轴转动，指示力臂连接拉力弹簧。工作前，拧紧加载弹簧，从弹簧的压缩量计算出环块与磨块间的正压力。运转后，磨块与环块间的摩擦力使整个加载组件转动。同时，指示力臂拉动拉伸弹簧伸长，直到摩擦力与拉力弹簧的拉力平衡。由指示力臂转过的角度就可换算出拉力弹簧的伸长量，从而计算出摩擦力的大小。相应地由公式 F=fN 及 T=FR，还可计算出摩擦系数 及摩擦力矩 T。3.1.2 主要组件1、动力及油箱电动机选用广东韶关电机厂生产的交流电动机，额定功率及转速为600W 和1360r/min，电动机通过联轴器转动摩擦环块，环块轴由两滚动轴承在油箱外支承，轴穿过油箱处可用橡胶圈进行密封。为监测油温，安装有温度计；油箱底部有放油螺钉，油箱尺寸为400300200mm，油箱顶部部分覆盖，防止油液飞溅，同时固定拉伸弹簧、刻度板及作为加力杠杆的支点。2、 磨损组件磨损组件包括摩擦环块、磨块、固定块、加力杠杆及砝码。为加工方便，磨块使19用 30 的圆钢，可双面使用。固定块与加力杠杆焊接，杠杆力臂交角为90，长度比为1：4 。长臂端车有螺纹，砝码为圆盘形，可沿力臂移动连续调节压力（计算时，须考虑力臂的自重）。零件的材料及主要参数如下：（1）摩擦环块。45 号钢，调质及渗碳处理，硬度64HRC，环面粗糙度0.32m， 直径 100mm，厚4mm。（2） 磨块。普通45 号钢，硬度HRC36，端面粗糙度0.32m，直径 30mm，厚20mm。（3）固定块。普通45 号钢，尺寸为404040mm， 加力杠杆为M14。（4）砝码。普通45 号钢，质量为4kg/个，表面防锈处理。3 、摩擦测试组件（1）加载组件设计如图3.2 所示。圆钢杆7( 6mm)由通孔穿过固定块9，顶部焊一钢板(厚6mm），另一端固接在滚动轴承2上。钢板上攻有丝孔，螺杆6可拧进拧出。螺母8拧进，压缩弹簧5将磨块压4紧在环块1上。测量出弹簧的压缩长度，就可由虎克定律 N kX，求出加载力 N。式中： k为弹性系数，应由标定试验求出； X 为弹簧压缩长度。（2）测力组件测力组件由指示力臂、拉伸弹簧及刻度板组成。指示力臂固接在轴承上，在摩擦力的作用下，指示力臂转动，克服拉伸弹簧弹力直至平衡。1. 摩擦环块 2滚动轴承 3环块转轴 4磨块 5压缩弹簧 6螺杆 7圆钢杆 8拧紧螺母 9固定块图3.2 加载组件结构示意图根据图3.2 可以计算出弹簧的伸长量 L 。20(3.1)220 00cos18182RLLL又由摩擦力与弹簧拉力的平衡方程r =TRcos( /2)求得摩擦力为(3.2)1=/cos(/2)/cos(/2)FRrkLRr当 较小时(如 20)，为提高数据精度，应用式(3.2)计算摩擦力。 K2 为拉力弹簧的弹性系数，应由标定试验得出。本机设计中， r=5mm， R=8mm。3.1.3 设计启示本试验机采用常见的零部件及材料制作，无液压件，加载组件紧凑，加载稳定，测力组件零件少，测量简单直接，减少了中间环节误差，加工制作简单，工作可靠，成本低廉。设计还具有一定的灵活性，如通过更换不同的摩擦幅、不同弹性系数的弹簧等，可以进行更宽荷载范围及更多种摩擦形式的摩擦磨损试验。因此，本试验机的设计具有一定的实用性和启发性。3.2 球盘式方案 15由哈尔滨工业大学机械基础试验中心的梁风， 张锋， 宋宝玉结合学生试验特点，采用球盘式结构设计的摩擦磨损试验机具有体积小、机械传动结构简单、试件装夹方便的特点。试验所用上试件可利用滚动轴承的标准球体，这种球体价格低，可以直接在市场购买；试验所用下试件为圆盘，它对任何材料都可采用车削加工，加工成本低，21便于不同材料的摩擦学性能测试，这是球盘式摩擦磨损试验机的最大特点。实践证明该试验机为摩擦学试验提供了一个功能强，性价比高的试验设备。满足教学用摩擦磨损试验机用于测试在不同速度、较小载荷条件下各种材料和润滑剂的摩擦性能，然后进行摩擦磨损机理研究的要求。3.2.1 试验机工作原理1、机械部分试验机机械部分工作原理如图3.4所示。1.带传动 2.电动机及齿轮减速器 3.转杯 4.下试件 5.上试件 6.夹头 7.砝码 8.杠杆 9.压力传感器图3.4 试验机机械部分工作原理图电动机2通过减速器减速后，经带传动驱动转杯3回转，下试件4安装在转杯中，并随转杯一起回转，上试件5装在夹头6中。载荷由砝码1 的重力产生，杠杆2 在摩擦力作用下摆动，杠杆的另一端压在压力传感器上，压在压力传感器上的力可由试验机配套的数据采集测量系统获得。工作时，可在下试件表面上滴润滑油（边界润滑），也可不加润滑油（干摩擦）。试验机主要技术指标：下试件转速：18 300r/min；最大载荷： P=10N；摩擦半径：10 30mm。2、试件形状及尺寸试件结构及尺寸如图3.5 所示。上试件为球体，可直接选用不同材料的标准轴承球。下试件为圆盘，可选用不同材料经车削加工而成。22图3.5 上下试件结构及尺寸3、摩擦系数测试原理如图3.4所示，试验机作用在试件上的载荷P由砝码重力 W产生， P与 W 的关系为P=W (3.4)作用在上试件5上的摩擦力 与作用在传感器 9 上的力 Q 的关系为(3.5) 12QL本试验机 12L则 Q= (3.6)摩擦系数 (3.7)FQPW所以，只要预先确定加载砝码的重力，再由试验机配备的试验数据采集测试系统采集传感器受力的大小，即可计算出摩擦系数 。3.2.2 试验机传动方案如图3.4 所示，本试验机采用调压调速电机作为原动机，电机通过齿轮减速器和带传动带动转杯和下试件回转进行摩擦试验。电机转速范围：90 1500r/min，齿轮减速器减速比为1/5，两带轮大小相等。通过减速后转杯和下试件转速范围为：18 300r/min。摩擦半径为10 30mm，摩擦线速度的范围是：0.02 0.94m/s，达到了摩擦试验线速度的要求。采用带传动，传动较平稳，能缓冲震动，并起到过载保护作用。3.2.3 试验机机械部分特点（1）为了方便更换摩擦试件，设计有专门的杠杆支架。换试件时先把杠杆固定在支架上，然后分别更换上下试件。（2）为防止试验过程中发生异常情况，杠杆对传感器产生很大冲击，使传感器精度下降，设计了杠杆限位装置，限制杠杆只能在一个小范围内摆动。如图3.6 所示。23图3.6 杠杆的限位装置图3.7 传感器位置调节（3）设计传感器具有2个自由度，如图3.7所示。可以杠杆轴为中心旋转传感器支架来调节传感器位置，使传感器测头在工作状态时垂直接触杠杆，停止工作时离开杠杆。还可以沿传感器支架调节传感器位置，使传感器的测头与杠杆接触点到杠杆轴心的水平距离和上下试件的摩擦点到杠杆轴心的水平距离相等。（4）设计上下试件在转杯中进行摩擦试验。这种设计的优点在于防止下试件转动时将磨屑和润滑剂甩到试验机上。（5）在杠杆上设计有调节杠杆平衡的质量块。试验时调节质量块在杠杆上的位置使杠杆平衡，然后再加砝码，这样可保证调节平稳。（6）杠杆上设计有专用刻度，用于调节摩擦半径的大小，以及杠杆平衡块和传感器的定位。（7）摩擦半径可调，提高下试件圆盘的利用率，节约试验成本。（8）在调节摩擦半径的滑块上，设计有用于静态标定时固定标定线的圆环，通限位装置 杠杆传感器支架24过定滑轮，用砝码加力可进行静态标定。（9）本试验机为小型摩擦磨损试验机。设计的机座质量较大，以减小试验时震动对试验数据的影响。（10）该试验机可用于试验教学，又可用于教师科研试验使用。3.2.4 试验机应用范围利用该试验机和与其配套的测试系统，可进行不同材料、不同速度、不同载荷、不同硬度、不同表面质量、不同润滑条件下的摩擦学试验的研究。3.2.5 设计启示球盘式摩擦磨损试验机的研制成功，弥补了本专业试验教学设备不足。试验机2004年已通过学校鉴定，鉴定结果认为该试验机设计思想先进、原理简明正确、调试和操作简单方便、结构新颖、测试试验数据准确、在国内同类试验设备中处于领先地位、具有很好的推广价值。该试验机经过两学期试验教学和教师科研使用，对培养学生实际动手能力、巩固所学专业知识、锻炼学生分析问题和解决问题的能力起到了非常明显的作用，同时为教师的科研工作提供了便利条件，对教学质量的提高起到了推动作用。3.3 多用途型方案 16本方案是由南京航空航天大学机电工程学院范炯，戴振东，姜澄宇合作设计的，通过模块化设计，该试验机可以进行干摩擦或润滑状态下，常温或高温环境下的销盘试验，环块试验以及接触疲劳试验。可以对同一盘试样进行摩擦、磨损和接触疲劳性能的试验，避免了试样不同的误差，试验结果更准确，重复性更好。3.3.1 试验原理评价材料摩擦性能的指标通常包括摩擦系数和耐磨性， 对于表面涂层材料还应包括接触疲劳寿命。测定摩擦系数 必须与试验条件相对应， 同时统一使用库仑定律(3.8)FP在外界施加一定载荷 P 的前提下， 测出摩擦力 ， 从而求得摩擦系数。在试验中如两试样为线接触， 则该位置的接触应力最大值 用赫兹公式求得2121nHFbE式中： Fn为法向应力； 1， 2分别为接触点处的曲率半径； b 为接触线长度； (3.9)H25E1， E2 分别为两试样的弹性模量； 1 ， 2分别为两试样的泊松比。以磨损速率 (dW /dt) 和磨损率 (dW/ds) 两项指标作为测定耐磨性的基本指标， 结合实际情况， 将其扩展为在一定的条件下， 经过一定时间的摩擦试验后， 根据磨痕体积、磨痕宽度或面积来衡量耐磨性。测定接触疲劳寿命是利用滚轮在试样表面滚动， 滚轮每滚动一圈， 试样承受一次交变载荷。预先确定转速， 根据涂层开始产生疲劳破坏时的累计旋转圈数(即载荷交变次数) ， 或分析试样承受一定次数交变载荷后的表面状况， 确定其接触疲劳寿命。3.3.2 试验机结构、组成及其主要性能指标该试验