【正文】 用技術(shù)于一體，是包括大家都熟悉的摩擦、磨損、潤滑在內(nèi)的一個寬廣的科技領(lǐng)域。摩擦學具有重要的經(jīng)濟價值。摩擦材料的研究和攻關(guān)是工程科技前沿的重點。在近數(shù)十年中，摩擦材料一直是材料科學、化學和表面工程領(lǐng)域的前沿課題，也是物理學、控制工程等中的熱門話題。摩擦學影響范圍廣大，與摩擦學有關(guān)的花費往往發(fā)生在建筑、裝備和產(chǎn)品全生命周期中。隨著科學技術(shù)的進步，機械產(chǎn)品在不斷向高速度、高精度、大批量和生產(chǎn)過程高度自動化、連續(xù)化的方向發(fā)展。也就是說在設(shè)計階段就應(yīng)采取有效措施對摩擦、磨損加以控制和利用，已成為機械設(shè)計者的基本任務(wù)之一。利用摩擦磨損試驗機進行摩擦學相關(guān)試驗是最簡單便捷的測試材料摩擦性能的方法。另外，摩擦磨損試驗機能很簡單明了的演示摩擦磨損機理，對于摩擦磨損的教學有很好的促進作用，因此，摩擦磨損試驗機也廣泛應(yīng)用于教學實驗室，用于摩擦學的教學試驗使用。在摩擦試驗機的制造方面，濟南試金集團(濟南試驗機廠)做了一些工作，該廠在全國率先仿制了美國Timken、瑞典SKF、德國Optimol和美國Falex的摩擦試驗機，這些摩擦試驗機對我國摩擦學研究發(fā)揮了重要的作用。具體如下：商品化的摩擦試驗機主要用于試驗室試件試驗，國內(nèi)的模擬性臺架摩擦試驗機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，這類試驗機多由使用廠家自制，自制產(chǎn)品的性能一般較差。國內(nèi)商品化的摩擦試驗機都是回轉(zhuǎn)式的，還沒有往復(fù)式摩擦試驗機的商品出售。特別是有效載荷一般都小于5KN。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，結(jié)果的精度也很低。因而研制寬調(diào)速、重載、高精度、自動化程度高的往復(fù)式摩擦試驗機及其自動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。摩擦試驗機不僅僅局限于對金屬材料試驗，出現(xiàn)了針對不同材料、不同極限工作條件的新型摩擦試驗機。產(chǎn)品更加專業(yè)化，試驗機種類更加細化。用于模擬性臺架試驗的摩擦試驗機有很大的發(fā)展。正是對現(xiàn)場工況進行了盡可能的模擬，因而，模擬性臺架試驗機的大小差距很大，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、動態(tài)的特點，測量非常困難，因而摩擦表面的溫度測量將是一個重要的方向?，F(xiàn)在的幾乎所有摩擦試驗機至少配備一臺計算機(便攜式配備單片機)，試驗機采樣、數(shù)據(jù)處理、打印、試驗機的控制、采樣數(shù)據(jù)波形顯示均由計算機完成，計算機已經(jīng)取代示波器進行虛擬顯示。成像攝影技術(shù)在摩擦試驗機上的應(yīng)用。目前幾乎所有摩擦試驗機都能夠適時測量出材料的瞬時摩擦系數(shù)，但絕大多數(shù)摩擦試驗機還不能對薄層的磨損進行適時測量(微小磨損量測量)。納米技術(shù)的發(fā)展對摩擦試驗機的影響。納米摩擦學主要包括從納米尺度上研究納米材料的摩擦、磨損和潤滑現(xiàn)象的本質(zhì)和研究納米材料的摩擦學特性及其與材料結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系等，與納米技術(shù)相關(guān)檢測產(chǎn)品的開發(fā)將帶來摩擦磨損測試技術(shù)的革命。生物摩擦學于上世紀80年代提出，生物摩擦學研究摩擦學、生物力學、生物化學、流變學和材料科學等的交叉學科，在醫(yī)學和摩擦學工作者共同努力下得到迅速發(fā)展。目前生物摩擦學的研究目標是研制摩擦磨損低、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。這些活動的人造器官因為要長期存在于人體內(nèi)，因而模擬人體內(nèi)環(huán)境的摩擦試驗必不可少?？梢灶A(yù)見用于生物摩擦學的摩擦試驗機將是摩擦試驗機發(fā)展的一個重要的方向。為此，最近提出生態(tài)摩擦學研究可望成為今后的重要研究方向之一。潤滑油，特別是添加劑含有多種有害的金屬元素。綠色環(huán)保摩擦材料將是今后研究的熱點，與綠色環(huán)保摩擦材料研究相關(guān)檢測產(chǎn)品的開發(fā)將帶來摩擦磨損測試技術(shù)的革命。主要研究方法是從磨損摩擦測試的基本原理出發(fā)，找出簡單、易用、小巧的傳動，調(diào)速，加載和測力的結(jié)構(gòu)方案，替代其他大型試驗機的相應(yīng)結(jié)構(gòu)，從而使研制的試驗機結(jié)構(gòu)小巧，造價低廉，功能完善。設(shè)計的小型摩擦磨損實驗機的機械部分首先應(yīng)滿足摩擦學實驗和實驗教學的基本要求，其次易于不同配副材料的更換和不同參數(shù)的調(diào)節(jié)。為了滿足以上要求，設(shè)計的小型摩擦磨損試驗機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；測力組件盡量少，測量簡單直接，減少中間環(huán)節(jié)誤差；另外還要求加工制作簡單，工作可靠，成本低廉。同時為了提高試驗教學效果，設(shè)計的試驗機在實驗過程中，許多測試參數(shù)需要學生自己動手調(diào)整，對培養(yǎng)學生實際動手能力、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起到了非常明顯的作用，同時為教師的科研工作提供了便利條件，對教學質(zhì)量的提高起到了推動作用。通過不同的方法測試出的摩擦性能數(shù)據(jù)對應(yīng)著不同的應(yīng)用場合，為了使測試數(shù)據(jù)與真實使用數(shù)據(jù)比較接近，通常在試驗時盡可能的模擬真實使用環(huán)境。這種阻礙相對運動的阻力稱為摩擦力。 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。摩擦類型按照接觸面運動方式分： （1）滑動摩擦：指的是一個物體在另一個物體上滑動時產(chǎn)生的摩擦。如滾動軸承的摩擦、齒輪之間的摩擦等。評定摩擦主要是測試材料的摩擦系數(shù)，測試方法是在摩擦面上施加不同的法向壓力(P)，然后測出對應(yīng)的摩擦力(F)，根據(jù)μ=F/P，計算出平均數(shù)，作為材料的摩擦系數(shù)。磨損是多種因素相互影響的復(fù)雜過程，而磨損的結(jié)果將給摩擦面帶來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。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。磨損性質(zhì)（1）在摩擦過程中，零件表面將發(fā)生一系列物理、化學和力學狀態(tài)的變化。這些過程將逐漸地改變材料的耐磨損性能和類型。（2）實際上，上述磨損機制很少單獨出現(xiàn)，它們可能同時起作用或交替發(fā)生作用。（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，損傷機制會發(fā)生轉(zhuǎn)化，由一種損傷機制變成另一種損傷機制。材料耐磨性的定義及評定方法材料耐磨性是指某種材料在一定的摩擦學條件下抵抗磨損的能力，通常以磨損率的倒數(shù)來表示，即 （）式中 —— 材料耐磨性； W——磨損率（單位時間或單位運動距離的磨損量）。（1）線磨損：指磨損表面法線方向的的尺寸變化值（mm或μm）。（3）體積磨損：指磨損表面的體積損失（mm3 或μm3）。（5）比磨率：表示磨損量與負荷及摩擦行程乘積之比（mm3/10N（6）相對耐磨性：試驗試樣與標準試樣在同一情況條件下的耐磨性之比，即 （）式中 ——相對耐磨性； 、——試驗試樣和標準試樣耐磨性； W標W試 ——試驗試樣和標準試樣磨損率。因此是一個絕對值的磨損量表示方法。用相對耐磨性來評定材料的耐磨性時，則采用了一種與原來使用材料性能相同的標準材料在相同磨損條件下進行對比試驗的方法，這種評定方法在相當程度上，可以避免在磨損過程中參量變化及測量誤差造成的系統(tǒng)誤差，可以比較方便而準確的評定鍍層的磨損性能。在進行摩擦學領(lǐng)域的相關(guān)研究時，需要對材料或涂層的耐磨性或潤滑劑的潤滑效果進行評定，根據(jù)試驗條件和目的的不同，常把磨損試驗分為實際使用試驗和實驗室試驗兩類，兩種方法各有利弊。但是，這種方法有許多缺點，有時甚至使試驗不可以實現(xiàn)。（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。（4）花費大量的人力物力。實驗室試驗實驗室試驗分為臺架試驗和試樣試驗。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。（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。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。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。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。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。 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。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。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)。試樣轉(zhuǎn)速為上試樣180r/min或360r/min，下試樣200r/min或400r/min。摩擦力矩測量范圍0 ~ 150kgfa）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。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）。該機用靜液壓加載，負荷可在240 ~ 24000N范圍內(nèi)變化（ ~ 2MPa）。、 m/s、 m/s。上試樣尺寸3cm2cm，壓在摩擦圓盤上。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。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。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。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。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。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。 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。其中，摩擦組件又由加載組件及測力組件構(gòu)成， 所示。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。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。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。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。 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。 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。固定塊與加力杠桿焊接，杠桿力臂交角為90176。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）。45 號鋼，調(diào)質(zhì)及滲碳處理，硬度64HRC， 直徑φ100mm，厚4mm。普通45 號鋼，硬度HRC36，直徑φ30mm，厚20mm。普通45 號鋼，尺寸為404040mm， 加力杠桿為M14。普通45 號鋼，質(zhì)量為4kg/個，表面防銹處理。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。螺母8擰進，壓縮彈簧5將磨塊壓4緊在環(huán)塊1上。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。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。 ()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。當θ較大時 (如θ 20176。K2 為拉力彈簧的彈性系數(shù)，應(yīng)由標定試驗得出。 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。因此，本試驗機的設(shè)計具有一定的實用性和啟發(fā)性。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