【文章內(nèi)容簡介】 工況條件下的磨損試驗，其真實性和可信性最強，是檢驗試驗方案中最有效的方法。但是，這種方法有許多缺點，有時甚至使試驗不可以實現(xiàn)。其缺點如下：（1）試驗周期長。（2）使用條件不固定，有許多偶然因素，使得數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性與可比性差，分散度比較大。（3）影響因數(shù)比較復(fù)雜，很難確定單個因素對磨損過程及結(jié)果的影響，并且磨損結(jié)果測量往往比較困難，精度不高。（4）花費大量的人力物力。因此，很少用實際使用試驗的方法來檢驗材料的耐磨性及潤滑油的性能等相關(guān)參數(shù)。實驗室試驗實驗室試驗分為臺架試驗和試樣試驗。（1）臺架試驗用真實的零組件，甚至整臺設(shè)備進行試驗。這種試驗比較接近實際條件，許多因素可人為控制，排除偶然因素的影響。但其不適于研究摩擦磨損機理，且試驗周期長，費用高。（2）試樣試驗這種試驗方法是把材料做成簡單的試樣，放在常用的試驗機上進行試驗。它是進行材料耐磨性試驗的最廣泛應(yīng)用的方法。其主要優(yōu)點是便于研究磨損的過程和規(guī)律，可減少和控制偶然因素，適用于研究各種因素對摩擦和磨損的影響。試驗周期短，費用較低。試樣試驗又分為一般性的試樣試驗和模擬性的試樣試驗兩種。1）一般性的試樣試驗，不強調(diào)模擬某一零件實際的工作情況，試樣形狀簡單，主要用于研究摩擦磨損機理、一般規(guī)律以及材料的耐磨性等。因這種試驗被理想化了，其結(jié)果常與實際有相當?shù)牟顒e。2）模擬性的試樣試驗，主要是模擬某種零件的實際工作情況，因而針對性強。進行模擬性試驗一般有兩種方法：一種是試驗機上摩擦副的磨損類型要與實際使用條件下的一樣，即按磨損類型模擬；另一種是試驗機上摩擦副的主要摩擦條件（如溫度、周圍環(huán)境、壓力和速度等）應(yīng)與實際零件相同或接近，即按摩擦條件模擬。這兩種模擬是有內(nèi)在聯(lián)系的，不是絕對對立的。根據(jù)摩擦磨損試驗以及實驗教學的要求，教學用磨損摩擦試驗機主要用于測試在不同速度、較小載荷下各種材料的摩擦性能以及演示摩擦磨損機理、一般規(guī)律。屬于實驗室一般性的試樣試驗，對試驗機的要求不是很高。 常用的幾種磨損試驗機磨損試驗機分類磨損試驗機種類很多。常用的幾種磨損試驗機（1）MM200型摩擦磨損試驗機國產(chǎn)的MM200型摩擦磨損試驗機是仿瑞士的Amster產(chǎn)品。該機主要由傳動機構(gòu)、負載機構(gòu)和摩擦力矩測量機構(gòu)組成?？勺鼋饘偌胺墙饘俨牧显诨瑒幽Σ?、滾動摩擦、和滾動滑動復(fù)合摩擦和間歇接觸摩擦等各種狀態(tài)下的摩擦磨損性能試驗。并可以改變潤滑狀況，使試樣在液體摩擦、邊界摩擦、干摩擦及磨粒磨損條件下進行試驗，評定材料的耐磨性能，也可用于測定摩擦功及材料的摩擦系數(shù)。該機最大負荷為2000N。試樣轉(zhuǎn)速為上試樣180r/min或360r/min，下試樣200r/min或400r/min。試樣直徑30 ~ 50mm，厚度10mm。摩擦力矩測量范圍0 ~ 150kgfcm。a）盤銷式 b）銷筒式 c）往復(fù)運動式 d）MM型 e）砂紙磨損試驗 f）快速磨損試驗 常用的幾種磨損試驗機原理圖夾緊塊壓敏電阻承力臂上試件摩擦盤砝碼：1N、2N、5N或10N 環(huán)環(huán)磨損試驗機原理圖（2）ML10型固定磨料磨損試驗機 ML10圓盤型干式固定磨損試驗機用于測定金屬耐磨性，該試驗機負荷為2100N。圓盤轉(zhuǎn)速為60r/min、120r/min。試樣徑向進給量為1mm/r、2 mm/r、3 mm/r、4 mm/r（可根據(jù)試樣的大小選擇）。（3）MD240型定速摩擦試驗機MD240型試驗機主要用于研究在不同溫度條件下，摩擦材料的摩擦系數(shù)和磨損率，研究摩擦材料的耐熱衰退性能及主要因素（溫度、壓力、速度）對摩擦性能的影響。該機用靜液壓加載，負荷可在240 ~ 24000N范圍內(nèi)變化（ ~ 2MPa）。主軸轉(zhuǎn)速為480 r/min、650 r/min、959 r/min。、 m/s、 m/s。最高溫度350℃。上試樣尺寸3cm2cm，壓在摩擦圓盤上。摩擦圓盤由主軸帶動旋轉(zhuǎn)。同類型的還有MM1000型摩擦試驗機，試樣為兩圓環(huán)，其兩端面相接觸摩擦。（4）環(huán)塊式摩擦磨損試驗機國產(chǎn)有MK1型，國外有TIMKEN型。MK1型試驗機，上試樣尺寸12cm12cm15cm，下試樣尺寸 φ30 ~ 50cm，φ2 ~ 10cm，轉(zhuǎn)速300 ~ 800 r/min。用讀數(shù)顯微鏡測量磨痕寬度，計算磨損的體積。試驗中可以測出摩擦力的數(shù)值，以此計算摩擦力的數(shù)值。 教學用磨損試驗機的功能需求以上幾種市場上常見的磨損摩擦試驗機具有自動化程度高，試驗步驟規(guī)范、測量數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點，但對試驗條件要求高，標準設(shè)備昂貴，一般學校實驗室承擔不起如此高昂的費用。這就要求我們動手制作一臺能夠滿足摩擦學試驗和試驗教學的基本要求，易于不同配副材料的更換和不同參數(shù)調(diào)節(jié)的磨損摩擦試驗機。在此基礎(chǔ)之上還要求試驗機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、機械震動小，以減小由于機械原因產(chǎn)生的誤差。另外，為了鍛煉同學們的動手能力，應(yīng)該降低試驗機的自動化程度，讓同學們更多的參與到試驗數(shù)據(jù)的測定與計算中來，鞏固所學專業(yè)知識、鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。 本章小結(jié)本章介紹了摩擦學的發(fā)展現(xiàn)狀、磨損、摩擦的基本概念以及材料摩擦磨損性能的評定方法，并通過比較各種方法之間利弊，得出實驗室試樣試驗是進行材料摩擦、磨損、性能評定的最簡便易行的方法，尤其對于以演示摩擦磨損機理和規(guī)律為主的大學摩擦學試驗課程，實驗室試樣試驗是最合適的辦法。第3章 磨損試驗機測試方案比較與分析摩擦磨損試驗機根據(jù)試驗所測試的參數(shù)不同，試驗機的結(jié)構(gòu)和測試原理也不一樣。比較幾種常見的摩擦磨損試驗機測試方案的優(yōu)缺點，并結(jié)合實驗室對試驗機功能的要求，設(shè)計一種適合教學實驗使用的試驗機是本章研究的重點。 簡易環(huán)塊式方案[2]該機是由廣東韶關(guān)學院物理系王斌、蔡興旺兩位老師于2003年設(shè)計制造的，其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、制作費用低廉，比較適合做試件在潤滑條件下的磨損摩擦試驗。 結(jié)構(gòu)特點及工作原理（1）結(jié)構(gòu)特點試驗機主要由動力系統(tǒng)、油箱、磨損測試組件及摩擦測試組件組成。其中，摩擦組件又由加載組件及測力組件構(gòu)成， 所示。I．磨損測試組件 II．摩擦測試組件1．擰緊螺母 3．固定塊 4．摩擦環(huán)塊 5．滾動軸承 6．放油螺釘 7．磨塊 8．加力杠桿 9．砝碼 10．拉伸彈簧 11．指示力臂 12．刻度板 13．溫度計 環(huán)塊式摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)示意圖（2）工作原理磨損測量。電動機帶動摩擦環(huán)塊旋轉(zhuǎn)，砝碼可在加力杠桿上連續(xù)移動，調(diào)節(jié)作用在摩擦環(huán)塊與磨塊之間的正壓力。摩擦環(huán)塊的硬度比磨塊的硬度高，通過測量磨塊的磨損質(zhì)量就可測定某種油品、某種荷載下的磨損量摩擦測試。加在摩擦環(huán)塊與磨塊間的正壓力由擰緊螺母壓縮彈簧實現(xiàn)，圓鋼桿穿過固定塊與磨塊一起可繞摩擦環(huán)塊轉(zhuǎn)動，圓鋼桿與指示力臂均固接在軸承上，可繞環(huán)塊軸轉(zhuǎn)動，指示力臂連接拉力彈簧。工作前，擰緊加載彈簧，從彈簧的壓縮量計算出環(huán)塊與磨塊間的正壓力。運轉(zhuǎn)后，磨塊與環(huán)塊間的摩擦力使整個加載組件轉(zhuǎn)動。同時，指示力臂拉動拉伸彈簧伸長，直到摩擦力與拉力彈簧的拉力平衡。由指示力臂轉(zhuǎn)過的角度就可換算出拉力彈簧的伸長量，從而計算出摩擦力Μ的大小。相應(yīng)地由公式F=fN 及T=FR，還可計算出摩擦系數(shù)μ及摩擦力矩T。 主要組件動力及油箱電動機選用廣東韶關(guān)電機廠生產(chǎn)的交流電動機，額定功率及轉(zhuǎn)速為600W 和1360r/min，電動機通過聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動摩擦環(huán)塊，環(huán)塊軸由兩滾動軸承在油箱外支承，軸穿過油箱處可用橡膠圈進行密封。為監(jiān)測油溫，安裝有溫度計；油箱底部有放油螺釘，油箱尺寸為400300200mm，油箱頂部部分覆蓋，防止油液飛濺，同時固定拉伸彈簧、刻度板及作為加力杠桿的支點。 磨損組件磨損組件包括摩擦環(huán)塊、磨塊、固定塊、加力杠桿及砝碼。為加工方便，磨塊使用φ30 的圓鋼，可雙面使用。固定塊與加力杠桿焊接，杠桿力臂交角為90176。，長度比為1：4 。長臂端車有螺紋，砝碼為圓盤形，可沿力臂移動連續(xù)調(diào)節(jié)壓力（計算時，須考慮力臂的自重）。零件的材料及主要參數(shù)如下：（1）摩擦環(huán)塊。45 號鋼，調(diào)質(zhì)及滲碳處理，硬度64HRC， 直徑φ100mm，厚4mm。（2） 磨塊。普通45 號鋼，硬度HRC36，直徑φ30mm，厚20mm。（3）固定塊。普通45 號鋼，尺寸為404040mm， 加力杠桿為M14。（4）砝碼。普通45 號鋼，質(zhì)量為4kg/個，表面防銹處理。3 、摩擦測試組件（1）加載組件 所示。圓鋼桿7(φ6mm)由通孔穿過固定塊9，頂部焊一鋼板(厚6mm），另一端固接在滾動軸承2上。鋼板上攻有絲孔，螺桿6可擰進擰出。螺母8擰進，壓縮彈簧5將磨塊壓4緊在環(huán)塊1上。測量出彈簧的壓縮長度，就可由虎克定律N＝kX，求出加載力N。式中： k為彈性系數(shù)，應(yīng)由標定試驗求出；X 為彈簧壓縮長度。（2）測力組件測力組件由指示力臂、拉伸彈簧及刻度板組成。指示力臂固接在軸承上，在摩擦力的作用下，指示力臂轉(zhuǎn)動，克服拉伸彈簧彈力直至平衡。1. 摩擦環(huán)塊 2．滾動軸承 3．環(huán)塊轉(zhuǎn)軸 4．磨塊 5．壓縮彈簧 6．螺桿 7．圓鋼桿 8．擰緊螺母 9．固定塊 加載組件結(jié)構(gòu)示意圖 可以計算出彈簧的伸長量ΔL。 ()又由摩擦力與彈簧拉力的平衡方程Μr =TRcos(θ/2)求得摩擦力為 ()當θ較小時(如θ20176。時)，cos(θ/2)≈1()式可簡化為式 () 測力組件受力分析式()，()表達了摩擦力與指示力臂轉(zhuǎn)過角度的換算關(guān)系。當θ較大時 (如θ 20176。)，為提高數(shù)據(jù)精度，應(yīng)用式()計算摩擦力。K2 為拉力彈簧的彈性系數(shù)，應(yīng)由標定試驗得出。本機設(shè)計中，r=5mm，R=8mm。 設(shè)計啟示本試驗機采用常見的零部件及材料制作，無液壓件，加載組件緊湊，加載穩(wěn)定，測力組件零件少，測量簡單直接，減少了中間環(huán)節(jié)誤差，加工制作簡單，工作可靠，成本低廉。設(shè)計還具有一定的靈活性，如通過更換不同的摩擦幅、不同彈性系數(shù)的彈簧等，可以進行更寬荷載范圍及更多種摩擦形式的摩擦磨損試驗。因此，本試驗機的設(shè)計具有一定的實用性和啟發(fā)性。 球盤式方案[15]由哈爾濱工業(yè)大學機械基礎(chǔ)試驗中心的梁風， 張鋒， 宋寶玉結(jié)合學生試驗特點，采用球盤式結(jié)構(gòu)設(shè)計的摩擦磨損試驗機具有體積小、機械傳動結(jié)構(gòu)簡單、試件裝夾方便的特點。試驗所用上試件可利用滾動軸承的標準球體，這種球體價格低，可以直接在市場購買；試驗所用下試件為圓盤，它對任何材料都可采用車削加工，加工成本低，便于不同材料的摩擦學性能測試，這是球盤式摩擦磨損試驗機的最大特點。實踐證明該試驗機為摩擦學試驗提供了一個功能強，性價比高的試驗設(shè)備。滿足教學用摩擦磨損試驗機用于測試在不同速度、較小載荷條件下各種材料和潤滑劑的摩擦性能，然后進行摩擦磨損機理研究的要求。 試驗機工作原理 機械部分。 試驗機機械部分工作原理圖電動機2通過減速器減速后，經(jīng)帶傳動驅(qū)動轉(zhuǎn)杯3回轉(zhuǎn)，下試件4安裝在轉(zhuǎn)杯中，并隨轉(zhuǎn)杯一起回轉(zhuǎn)，上試件5裝在夾頭6中。載荷由砝碼1 的重力產(chǎn)生，杠桿2 在摩擦力作用下擺動，杠桿的另一端壓在壓力傳感器上，壓在壓力傳感器上的力可由試驗機配套的數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)獲得。工作時，可在下試件表面上滴潤滑油（邊界潤滑），也可不加潤滑油（干摩擦）。試驗機主要技術(shù)指標：下試件轉(zhuǎn)速：18 ~ 300r/min；最大載荷：P=10N；摩擦半徑：10 ~ 30mm。 試件形狀及尺寸 所示。上試件為球體，可直接選用不同材料的標準軸承球。下試件為圓盤，可選用不同材料經(jīng)車削加工而成。 上下試件結(jié)構(gòu)及尺寸 摩擦系數(shù)測試原理，試驗機作用在試件上的載荷P由砝碼重力W產(chǎn)生，P與W 的關(guān)系為P=W ()作用在上試件5上的摩擦力 Μ與作用在傳感器 9 上的力Q 的關(guān)系為 () 本試驗機 則 Q=Μ ()摩擦系數(shù) ()所以，只要預(yù)先確定加載砝碼的重力，再由試驗機配備的試驗數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)采集傳感器受力的大小，即可計算出摩擦系數(shù)。 試驗機傳動方案 所示，本試驗機采用調(diào)壓調(diào)速電機作為原動機，電機通過齒輪減速器和帶傳動帶動轉(zhuǎn)杯和下試件回轉(zhuǎn)進行摩擦試驗。電機轉(zhuǎn)速范圍：90 ~ 1500r/min，齒輪減速器減速比為1/5，兩帶輪大小相等。通過減速后轉(zhuǎn)杯和下試件轉(zhuǎn)速范圍為：18 ~ 300r/min。摩擦半徑為10 ~ 30mm，摩擦線速度的范圍是： ~ ，達到了摩擦試驗線速度的要求。采用帶傳動，傳動較平穩(wěn)，能緩沖震動