【正文】 條件。利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)相關(guān)試驗(yàn)是最簡(jiǎn)單便捷的測(cè)試材料摩擦性能的方法。與實(shí)際使用試驗(yàn)相比，試驗(yàn)機(jī)測(cè)試周期短，成本低，并且可單獨(dú)控制一些參數(shù)進(jìn)行單項(xiàng)測(cè)試，靈活性也很好，所以在摩擦學(xué)研究領(lǐng)域，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)，材料科學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行材料磨損摩擦性能試驗(yàn)，用以評(píng)定材料的耐磨性能，也可用于測(cè)定摩擦功及材料的摩擦系數(shù)等。另外，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)能很簡(jiǎn)單明了的演示摩擦磨損機(jī)理，對(duì)于摩擦磨損的教學(xué)有很好的促進(jìn)作用，因此，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)也廣泛應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，用于摩擦學(xué)的教學(xué)試驗(yàn)使用。我國(guó)的摩擦試驗(yàn)機(jī)的研制比摩擦學(xué)的研究要晚一些，直到1965年濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠才制造出中國(guó)的第一臺(tái)摩擦試驗(yàn)機(jī)—MQ12型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)。在摩擦試驗(yàn)機(jī)的制造方面，濟(jì)南試金集團(tuán)(濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠)做了一些工作，該廠在全國(guó)率先仿制了美國(guó)Timken、瑞典SKF、德國(guó)Optimol和美國(guó)Falex的摩擦試驗(yàn)機(jī)，這些摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)我國(guó)摩擦學(xué)研究發(fā)揮了重要的作用。國(guó)內(nèi)目前還有幾個(gè)小廠也生產(chǎn)摩擦試驗(yàn)機(jī)，但其生產(chǎn)規(guī)模比較小，摩擦試驗(yàn)機(jī)品種也相對(duì)較少，這些廠家的產(chǎn)品除了少數(shù)是和科研單位合作開(kāi)發(fā)的，其余產(chǎn)品基本是仿制品。具體如下：商品化的摩擦試驗(yàn)機(jī)主要用于試驗(yàn)室試件試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)的模擬性臺(tái)架摩擦試驗(yàn)機(jī)僅僅限于幾類特殊的產(chǎn)品(如汽車離合器)，其余的還鮮有商品出售，這類試驗(yàn)機(jī)多由使用廠家自制，自制產(chǎn)品的性能一般較差。我國(guó)的摩擦試驗(yàn)機(jī)基本上是測(cè)繪國(guó)外60～70年代的產(chǎn)品，相當(dāng)部分的產(chǎn)品沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，現(xiàn)在這些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)嚴(yán)重老化，存在著自動(dòng)化程度低(以手動(dòng)控制為主)、多數(shù)不能自動(dòng)保存數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)的速度慢等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)商品化的摩擦試驗(yàn)機(jī)都是回轉(zhuǎn)式的，還沒(méi)有往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)的商品出售。目前國(guó)內(nèi)的摩擦試驗(yàn)機(jī)存在著調(diào)速范圍小，荷載小，精度低等缺點(diǎn)。特別是有效載荷一般都小于5KN。上述問(wèn)題嚴(yán)重影響了廠家對(duì)材料性能的準(zhǔn)確測(cè)定及摩擦學(xué)科技工作者對(duì)摩擦學(xué)的研究。處理數(shù)據(jù)的方法落后，多數(shù)用肉眼讀取數(shù)據(jù)，用示波器顯示數(shù)據(jù)變化的波形，以手工的方法處理數(shù)據(jù)，這種方法不僅工作量非常大，而且數(shù)據(jù)處理容易出錯(cuò)，結(jié)果的精度也很低。摩擦試驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)外觀粗糙。因而研制寬調(diào)速、重載、高精度、自動(dòng)化程度高的往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)及其自動(dòng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。國(guó)外的摩擦試驗(yàn)機(jī)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其產(chǎn)品在性能上有大幅的提高，在種類上有很大的擴(kuò)充，呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)摩擦副的工況盡可能的模擬。摩擦試驗(yàn)機(jī)不僅僅局限于對(duì)金屬材料試驗(yàn)，出現(xiàn)了針對(duì)不同材料、不同極限工作條件的新型摩擦試驗(yàn)機(jī)。國(guó)外的廠商針對(duì)航空航天、冶金工業(yè)、核工業(yè)、高速鐵路、汽車、摩托車和信息技術(shù)的許多極為苛刻條件(如高承載、高腐蝕、高低溫、高速度、超高真空、強(qiáng)輻射等)，研制出多種摩擦試驗(yàn)機(jī)，如毛皮摩擦試驗(yàn)機(jī)、機(jī)場(chǎng)跑道摩擦試驗(yàn)機(jī)、塑料摩擦試驗(yàn)機(jī)、冰面摩擦試驗(yàn)機(jī)、紙張摩擦試驗(yàn)機(jī)、汽車離合器摩擦試驗(yàn)機(jī)、關(guān)節(jié)肌腱摩擦試驗(yàn)機(jī)等。產(chǎn)品更加專業(yè)化，試驗(yàn)機(jī)種類更加細(xì)化。日本的專家三橋健八曾把用于橡膠的摩擦試驗(yàn)機(jī)做過(guò)總結(jié)，常用的橡膠摩擦試驗(yàn)機(jī)共有七大類，四十六種之多。用于模擬性臺(tái)架試驗(yàn)的摩擦試驗(yàn)機(jī)有很大的發(fā)展。模擬性臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)幾乎能模擬實(shí)際摩擦副的所有工況，如溫度、濕度、潤(rùn)滑條件、轉(zhuǎn)速/頻率、荷載、表面膜、粗糙度等，其測(cè)量精度有很大的提高。正是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行了盡可能的模擬，因而，模擬性臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)的大小差距很大，小的只有幾公斤重可以便攜，而大的有數(shù)百噸重。摩擦表面的溫度測(cè)量技術(shù)。摩擦表面溫度是影響和制約摩擦性能的最重要參數(shù)之一，摩擦表面溫度場(chǎng)的分布與接觸物體表面形態(tài)、摩擦副材料的熱物理性能、結(jié)構(gòu)尺寸、工況條件以及散熱條件等因素有關(guān)，且具有微觀、瞬時(shí)、動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，測(cè)量非常困難，因而摩擦表面的溫度測(cè)量將是一個(gè)重要的方向。摩擦試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)結(jié)合更加緊密，其操作更加簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)更加人性化。現(xiàn)在的幾乎所有摩擦試驗(yàn)機(jī)至少配備一臺(tái)計(jì)算機(jī)(便攜式配備單片機(jī))，試驗(yàn)機(jī)采樣、數(shù)據(jù)處理、打印、試驗(yàn)機(jī)的控制、采樣數(shù)據(jù)波形顯示均由計(jì)算機(jī)完成，計(jì)算機(jī)已經(jīng)取代示波器進(jìn)行虛擬顯示。試驗(yàn)機(jī)的使用也非常簡(jiǎn)單，有的試驗(yàn)機(jī)只要用鼠標(biāo)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)的操作界面即可。成像攝影技術(shù)在摩擦試驗(yàn)機(jī)上的應(yīng)用。隨著成像攝影技術(shù)的日益成熟，成像攝影技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用于摩擦試驗(yàn)機(jī)，用其測(cè)量各種試件的磨斑，并可通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)試件的磨斑自動(dòng)顯示、測(cè)量、打印。目前幾乎所有摩擦試驗(yàn)機(jī)都能夠適時(shí)測(cè)量出材料的瞬時(shí)摩擦系數(shù)，但絕大多數(shù)摩擦試驗(yàn)機(jī)還不能對(duì)薄層的磨損進(jìn)行適時(shí)測(cè)量(微小磨損量測(cè)量)。據(jù)報(bào)道：僅有日本用激光發(fā)射超聲高速脈沖來(lái)測(cè)量薄層的摩擦磨損特性取得了成功，因此摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料磨損量的適時(shí)檢測(cè)也是一個(gè)發(fā)展方向。納米技術(shù)的發(fā)展對(duì)摩擦試驗(yàn)機(jī)的影響。自從1984年德國(guó)人Gleiter研制出納米微粒進(jìn)行壓制燒結(jié)得到納米固體材料以來(lái)，納米材料已在許多領(lǐng)域引起了廣泛的重視和研究，成為材料學(xué)研究的熱點(diǎn)，納米摩擦學(xué)是材料科學(xué)與摩擦學(xué)交叉領(lǐng)域最前沿的內(nèi)容。納米摩擦學(xué)主要包括從納米尺度上研究納米材料的摩擦、磨損和潤(rùn)滑現(xiàn)象的本質(zhì)和研究納米材料的摩擦學(xué)特性及其與材料結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系等，與納米技術(shù)相關(guān)檢測(cè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)將帶來(lái)摩擦磨損測(cè)試技術(shù)的革命。生物摩擦學(xué)(Biotriology)對(duì)摩擦試驗(yàn)機(jī)的影響。生物摩擦學(xué)于上世紀(jì)80年代提出，生物摩擦學(xué)研究摩擦學(xué)、生物力學(xué)、生物化學(xué)、流變學(xué)和材料科學(xué)等的交叉學(xué)科，在醫(yī)學(xué)和摩擦學(xué)工作者共同努力下得到迅速發(fā)展。由于摩擦可以引起人體許多生理變化江南大學(xué)碩士學(xué)位論文和疾病。目前生物摩擦學(xué)的研究目標(biāo)是研制摩擦磨損低、病理反應(yīng)小的人工器官，主要集中在人工關(guān)節(jié)和心臟瓣膜的研究，現(xiàn)在人工關(guān)節(jié)已經(jīng)大量地應(yīng)用于關(guān)節(jié)晚期、外傷致殘，或骨瘤切除病人的關(guān)節(jié)置換。根據(jù)調(diào)查推算，我國(guó)可能有100～150萬(wàn)骨關(guān)節(jié)病人需要做人工關(guān)節(jié)手術(shù)。這些活動(dòng)的人造器官因?yàn)橐L(zhǎng)期存在于人體內(nèi)，因而模擬人體內(nèi)環(huán)境的摩擦試驗(yàn)必不可少。澳大利亞的科技工作者研制出了模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)機(jī)對(duì)人造關(guān)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)，而美國(guó)的科技工作者更是把活體白兔置于新型摩擦試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)試白兔的關(guān)節(jié)摩擦技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而研究關(guān)節(jié)炎和風(fēng)濕病的病理?？梢灶A(yù)見(jiàn)用于生物摩擦學(xué)的摩擦試驗(yàn)機(jī)將是摩擦試驗(yàn)機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要的方向。生態(tài)摩擦學(xué)(Ecotribology)，人類為了可持續(xù)發(fā)展面臨著資源和環(huán)境兩個(gè)重大問(wèn)題。為此，最近提出生態(tài)摩擦學(xué)研究可望成為今后的重要研究方向之一。據(jù)估計(jì)，全世界約有1／3～l／2的能源以各種形式消耗在摩擦上，而摩擦導(dǎo)致的機(jī)械磨損所損耗的材料在我國(guó)每年高達(dá)幾百億元，因此減摩耐磨技術(shù)的開(kāi)發(fā)和普及具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，最大限度地降低摩擦是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。潤(rùn)滑油，特別是添加劑含有多種有害的金屬元素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年潤(rùn)滑油消耗量為300萬(wàn)噸，其中約有30％因各種原因被排放到環(huán)境中而造成污染。綠色環(huán)保摩擦材料將是今后研究的熱點(diǎn)，與綠色環(huán)保摩擦材料研究相關(guān)檢測(cè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)將帶來(lái)摩擦磨損測(cè)試技術(shù)的革命。本課題研究的主要內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)大型的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的小型化，并使其有利于教學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用。主要研究方法是從磨損摩擦測(cè)試的基本原理出發(fā)，找出簡(jiǎn)單、易用、小巧的傳動(dòng)，調(diào)速，加載和測(cè)力的結(jié)構(gòu)方案，替代其他大型試驗(yàn)機(jī)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)，從而使研制的試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)小巧，造價(jià)低廉，功能完善。為了滿足學(xué)校實(shí)驗(yàn)室做摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)的一般需要，參考MM200型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)的基本原理，設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、實(shí)用廉價(jià)的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，不僅能夠彌補(bǔ)學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，還具有商業(yè)化推廣價(jià)值。設(shè)計(jì)的小型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)的機(jī)械部分首先應(yīng)滿足摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求，其次易于不同配副材料的更換和不同參數(shù)的調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)之上還要求實(shí)驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、機(jī)械震動(dòng)小，以減小由于機(jī)械原因產(chǎn)生的誤差。為了滿足以上要求，設(shè)計(jì)的小型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)不采用液壓加載組件件，使用其他較緊湊，加載穩(wěn)定的加載組件；測(cè)力組件盡量少，測(cè)量簡(jiǎn)單直接，減少中間環(huán)節(jié)誤差；另外還要求加工制作簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低廉。實(shí)驗(yàn)所使用的試件加工成本低，便于不同材料的摩擦學(xué)性能測(cè)試。同時(shí)為了提高試驗(yàn)教學(xué)效果，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，許多測(cè)試參數(shù)需要學(xué)生自己動(dòng)手調(diào)整，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力、鞏固所學(xué)專業(yè)知識(shí)、鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力起到了非常明顯的作用，同時(shí)為教師的科研工作提供了便利條件，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高起到了推動(dòng)作用。第2章 摩擦磨損試驗(yàn)原理與方法 在不同摩擦環(huán)境下，不同摩擦類型有著不同的摩擦學(xué)表現(xiàn)，但表象背后所呈現(xiàn)的磨損摩擦基本機(jī)理是相同的。通過(guò)不同的方法測(cè)試出的摩擦性能數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著不同的應(yīng)用場(chǎng)合，為了使測(cè)試數(shù)據(jù)與真實(shí)使用數(shù)據(jù)比較接近，通常在試驗(yàn)時(shí)盡可能的模擬真實(shí)使用環(huán)境。 摩擦的概念及類型摩擦概念兩個(gè)相互接觸的物體或物體與介質(zhì)之間在外力作用下，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或者具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在接觸表面上所產(chǎn)生的阻礙作用稱為摩擦。這種阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力稱為摩擦力。摩擦力的方向總是沿著接觸面的切線方向，跟物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 摩擦力(F)與施加在摩擦面上的法向壓力(P)之比稱為摩擦系數(shù)，以μ表示，即 μ=F/P。雖然該式對(duì)于極硬材料(如金剛石)和極軟材料(如某些塑料)存在著一定的不確切性，但它仍適用于一般工程材料。摩擦類型按照接觸面運(yùn)動(dòng)方式分： （1）滑動(dòng)摩擦：指的是一個(gè)物體在另一個(gè)物體上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦。如內(nèi)燃機(jī)活塞在汽缸中的摩擦、車刀與被加工零件之間的摩擦等；（2）滾動(dòng)摩擦：指的是物體在力矩作用下，沿接觸表面滾動(dòng)時(shí)的摩擦。如滾動(dòng)軸承的摩擦、齒輪之間的摩擦等。實(shí)際上，發(fā)生滾動(dòng)摩擦的零件或多或少地都帶有滑動(dòng)摩擦，呈現(xiàn)出滾動(dòng)與滑動(dòng)的復(fù)合式摩擦。評(píng)定摩擦主要是測(cè)試材料的摩擦系數(shù)，測(cè)試方法是在摩擦面上施加不同的法向壓力(P)，然后測(cè)出對(duì)應(yīng)的摩擦力(F)，根據(jù)μ=F/P，計(jì)算出平均數(shù)，作為材料的摩擦系數(shù)。磨損和摩擦是物體相互接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)伴生的兩種現(xiàn)象摩擦是磨損的原因，而磨損是摩擦的必然結(jié)果。磨損是多種因素相互影響的復(fù)雜過(guò)程，而磨損的結(jié)果將給摩擦面帶來(lái)多種型式的損傷和破壞，因而磨損的類型也就相應(yīng)地有所不同。分類 按環(huán)境和介質(zhì)可分為：流體磨損；濕磨損；干磨損。按表面接觸性質(zhì)可分為：金屬－流體磨損；金屬金屬磨損；金屬－磨料磨損。比較常用的分類方法是基于磨損的失效機(jī)制進(jìn)行分類，一般分為五類：粘著磨損；磨料磨損；腐蝕磨損；微動(dòng)磨損；表面疲勞磨損(接觸疲勞)。磨損性質(zhì)（1）在摩擦過(guò)程中，零件表面將發(fā)生一系列物理、化學(xué)和力學(xué)狀態(tài)的變化。1) 因材料塑性變形而引起表層硬化和應(yīng)力狀態(tài)的變化；2) 因摩擦熱和其它外部熱源作用下而發(fā)生的相變、淬火、回火以及回復(fù)再結(jié)晶等；3) 因與外部介質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的吸附作用。這些過(guò)程將逐漸地改變材料的耐磨損性能和類型。因此，在討論磨損類型時(shí)，必須考慮這些變化的影響，從材料的動(dòng)態(tài)特性觀點(diǎn)去分析問(wèn)題。（2）實(shí)際上，上述磨損機(jī)制很少單獨(dú)出現(xiàn)，它們可能同時(shí)起作用或交替發(fā)生作用。根據(jù)磨損條件的變化，可能會(huì)出現(xiàn)不同的組合形式。（3）磨損類型并非固定不變，在不同的外部條件和材料具有不同特性情況下，損傷機(jī)制會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，由一種損傷機(jī)制變成另一種損傷機(jī)制。所謂外部條件主要指摩擦類型(滾動(dòng)或是滑動(dòng))、摩擦表面的相對(duì)滑動(dòng)速度和接觸壓力的大小。材料耐磨性的定義及評(píng)定方法材料耐磨性是指某種材料在一定的摩擦學(xué)條件下抵抗磨損的能力，通常以磨損率的倒數(shù)來(lái)表示，即 （）式中 —— 材料耐磨性； W——磨損率（單位時(shí)間或單位運(yùn)動(dòng)距離的磨損量）。表示磨損量的常用方法有以下幾種。（1）線磨損：指磨損表面法線方向的的尺寸變化值（mm或μm）。（2）質(zhì)量磨損：指磨損表面的質(zhì)量損失（g或mg）。（3）體積磨損：指磨損表面的體積損失（mm3 或μm3）。（4）磨損率：包括單位時(shí)間的磨損量（mg/s）、單位摩擦行程的磨損量（mg/m）及單位轉(zhuǎn)數(shù)的磨損量（mg/r）。（5）比磨率：表示磨損量與負(fù)荷及摩擦行程乘積之比（mm3/10Nmm）。（6）相對(duì)耐磨性：試驗(yàn)試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣在同一情況條件下的耐磨性之比，即 （）式中 ——相對(duì)耐磨性； 、——試驗(yàn)試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣耐磨性； W標(biāo)W試 ——試驗(yàn)試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣磨損率。 在上述這些磨損量的評(píng)定方法中，線磨損、體積磨損和質(zhì)量磨損都是表面的損失，沒(méi)有考慮到零件或試樣的尺寸、形狀以及所載負(fù)荷、速度、磨程的影響。因此是一個(gè)絕對(duì)值的磨損量表示方法。而磨損率則考慮了負(fù)荷和磨程的影響，可供在同樣滑動(dòng)速度的條件下比較。用相對(duì)耐磨性來(lái)評(píng)定材料的耐磨性時(shí)，則采用了一種與原來(lái)使用材料性能相同的標(biāo)準(zhǔn)材料在相同磨損條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)的方法，這種評(píng)定方法在相當(dāng)程度上，可以避免在磨損過(guò)程中參量變化及測(cè)量誤差造成的系統(tǒng)誤差，可以比較方便而準(zhǔn)確的評(píng)定鍍層的磨損性能。因此這一方法比較常用。在進(jìn)行摩擦學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究時(shí)，需要對(duì)材料或涂層的耐磨性或潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)試驗(yàn)條件和目的的不同，常把磨損試驗(yàn)分為實(shí)際使用試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)兩類，兩種方法各有利弊。實(shí)際使用試驗(yàn)實(shí)際