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1、第一章 第一章 摩擦磨损试验机简介摩擦磨损试验机简介 1.1 摩擦磨损试验机的摩擦磨损试验机的发展过程及研究意义发展过程及研究意义 随着机械行业的发展， 人们对磨损危害的认识有了更大的提高。为了弄清磨 损机理以减少有害的磨损， 各国学者对材料在常温下的各种磨损问题均进行了大 量的研究， 但对于材料在高温下的磨损问题至今却研究的较少，这和高温磨损试 验装置的缺乏不无关系。从 1910 年第一台磨料磨损试验机即以问世，到 1975 年美国润滑工程师学会 （ALSE）编著的“摩擦磨损装置”一书中所公布的不同类 型的摩擦磨损试验机已达上百种，但其中大部分都是常温磨损试验机1。近几 十年来， 磨损试验机
2、和试验方法虽然有了较大的发展，但这些试验机大多还是由 企业和研究工作者根据工作需要和实际工况自行设计制造的， 如高温磨料磨损试 验机， 适合高分子及其复合材料试验用的高温摩擦磨损试验机等。 只有少数试验 机是由专门的试验机厂或仪器制造公司制造和供应的， 而且这些试验机大都结构 复杂， 价格较贵，这说明了磨损问题的复杂性和进行实验室磨损试验研究的困难 所在。摩擦磨损问题存在于人类物质活动的各个方面。 在汽车、 发电、 设备、 冶金、 铁道、宇航、电子和农机等各方面的机械都大量存在着摩擦学的问题。据估计， 全世界约有 1/2- 1/3 的能源以各种形式消耗在摩擦上，如果从摩擦学方面采取 正确的措施
3、， 就可以大大节约能源消耗。磨损是机械零部件 3 种主要的失效形式 之一，所导致的经济损失是巨大的，大约有 80%的机械零件由于各种磨损导致失 效。 特别是随着物质文明的进步和工业技术现代化的发展， 机械设备的开发使用 普遍趋于重载、高速、高效率化，如何控制和改善机械的摩擦磨损状况、提高其 使用寿命和工作可靠性， 已成为机械工业技术人员必须关注的问题，并促使其研 究不断的深入和发展。 这些摩擦试验机多采用静态选位法观察摩擦试件，虽然简单易行， 但不能获 得摩擦过程的动态信息，更不能对磨损（摩擦）过程进行动态观测及动态数据记 录；另外由于受到试验机转速的限制，摩擦副相对运动的速度大多较低（一般不
4、 超过 10m/s ） 。然而现代机械装备中许多摩擦副的相对滑动速度相当高，如高速 列车运行时的速度约为 300km/h，制动时制动盘与刹车片之间摩擦速度为 60 70m/s.而目前还未曾见到可用于高速条件下数据动态测量所需的商用摩擦磨损 试验机。 摩擦磨损试验的目的是为了对摩擦磨损现象及其本质进行研究，正确地评价 各种因素对摩擦磨损性能的影响， 从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参 数。摩擦磨损试验研究的内容非常广泛，如探讨摩擦、磨损和润滑机理以及影响 摩擦、磨损的诸因素，对新的耐磨、减磨及摩擦材料和润滑剂进行评定等。由于 摩擦磨损现象十分复杂，摩擦磨损条件不同，试验方法和装置种类繁多，
5、如何准 确地获取摩擦磨损过程中的参数变化成为一个十分重要的研究课题。 为了探索和1 验证机械工程中摩擦磨损问题的机理以及有关影响因素， 在摩擦学研究中开展摩 擦磨损测试技术和数据分析研究具有非常重要的作用。 高温高速摩擦磨损试验机是进行高温高速摩擦磨损试验的有效设备，广泛运 用于对各种高速刀具的高温摩擦磨损性能进行测试和评价， 是高速切削和新型刀 具材料研制开发和应用的必备设备。 该设备是高速加工和刀具材料研究方向研究 工作急需的基础设备，该设备可以扩展该学科的研究领域和提高研究水平。 1.2 1.2 两种国际公认摩擦磨损试验机的分类方法：两种国际公认摩擦磨损试验机的分类方法： 摩擦磨损试验机
6、的种类很多 2 ，人们对其分类的方式也不相同，最有代表性 额两种是前苏联 . 的分类法和美国润滑工程师协会的分类法。 前 者为了模拟摩擦面的破坏形式， 便于查明各种影响因素，将摩擦磨损试验机分成 8 种类型；后者则是根据摩擦副的几何形状而将试验机分成 12 大类，以便于在 选定了摩擦副的形式之后去查找相应的试验装置和了解该装置的主要技术指标, 如表 11。 表 11 摩擦磨损试验机的分类 这是参照磨损类型的分类提出的一种按摩擦系统的结构和摩擦副的相对运2 动形式对摩擦磨损试验机进行分类的新方法。 这种分类方法突出摩擦元素的特点 和对试验的特殊功能要求， 从而便于采用设计方法学原理对试验机进行设
7、计。由 表 11 可见，这种方法将摩擦磨损试验机分成了五大类。 第一类是固体固体摩擦磨损试验机。这类试验机又分为 5 小类，即单向 滑动，往复运动、旋转滑动（含滚滑） ，冲击和微动摩擦磨损试验机（根据需要 可以在摩擦元素间加或不加润滑剂） 。 每一小类试验机的摩擦副形式又有很多种， 因而它们也各含有许多种试验机。可以认为， 大部分摩擦磨损试验机都属于这一 大类，它们可以重现粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和摩擦化学磨损。从设 计的角度来看，这一大类试验机体现了摩擦磨损试验机的基本结构特点。 第二类是固体固体加磨粒（或固体磨粒）的试验机，统称为磨粒磨损 试验机。 根据试件的磨损特性和运动特性又可
8、以将其分为三小类，即三体磨粒磨 损、二体磨粒磨损和动载磨粒磨损试验机。与第一类试验机相比，三体磨粒磨损 试验机的不同点是要在摩擦副的摩擦面上加磨粒。 固定磨粒磨损试验机的摩擦副 一方是固定磨粒（一般都采用砂布盘） ，另一方则可设计成各种形式，其特例是 研究单个磨粒磨损的试验机。在这一小类试验机中，摩擦副多为销盘式（转动） 或销板式（往复运动） 。为了防止偏磨，销最好能够自旋，但是摩擦路迹一般不 重复。 自由磨粒磨损试验机可以设计成试件运动、 磨粒运动和试件与磨粒同时运 动的三种形式。 第三类是固体液体加磨粒（或固体液体）的试验机，其特殊功能是使 含磨粒（或不含磨粒）的液体冲刷固体表面，因而关键
9、是要形成有一定流速的液 流。利用泵、势能和离心力均可达到这种目的。从相对运动的原理出发，也可以 让试件相对于液体运动。液流和试件形成的冲击角是一个重要参数,通常要求可 调。 第四类是固体气体加磨粒的试验机，其功能是使含磨粒的气流去冲刷固 体表面。 作为这类试验机的特例是单颗磨粒冲击装置。这种试验机有以下三种形 式： (1) 供气系统加磨粒加喷咀加试件； (2) 高速运动的试件加供给的磨粒。这种试验机一般都要抽真空，以避免 转子旋转时所产生的空气动力学现象对磨损的影响； (3) 利用离心力抛出磨粒。 对于这类试验机来说，磨粒向试件的冲击角也是一个重要参数，同样要求3 可调。 第五类是除了以上所述
10、之外的特殊摩擦磨损试验机。可控载荷、可控气氛、 高温或低温摩擦磨损试验机均可归入此类。其中， 可控载荷指的是在摩擦过程中 摩擦元素所受的载荷是变化的。可控气氛摩擦磨损试验机的特殊要求是抽真空、 通入或不通入特种气体和控制或不控制湿度等。密封问题对其十分重要。 非接触 式传动力传动在这类试验机上可以得到充分的应用。 高温或低温摩擦磨损试 验机要求产生高温或低温， 因而需要考虑高温隔热和低温防护，其选材也要能够 满足高温或低温的要求。 1.3 1.3 现阶段国内国际研究最新成果及今后发展方向现阶段国内国际研究最新成果及今后发展方向 目前，世界只有美国、日本、瑞士等少数几个国家有摩擦磨损试验机的专
11、业生产企业， 而济南试金集团是国内最早研制和生产摩擦磨损试验机的厂家。早 在 1964 年为了满足我国石油工业和材料工业的发展需要，济南试金集团开始研 制 MQ12 型四球摩擦试验机，1965 年研制成功并投入生产，1966 年又研制成功 MM200 型磨损试验机， 两种试验机的研制成功标志着我国已有了自行研制摩擦 磨损试验机的能力。 1.3.1 济南试金集团产品（图 11） 图 11 屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机 MMU5G 该试验机主要用途： 该系列试验机是以滑动摩擦形式，在室温或高温以及改变润滑状态（无油 润滑或浸油润滑） 、负荷、速度、摩擦配偶材料、摩擦副表面粗糙度、硬度等参4 数
12、的各种情况下， 对环状试样施加较高的端面试验力进行试验。主要用于评定工 程塑料、粉末冶金、合金轴承等材料在不同条件下的摩擦性能，可应用于选择摩 擦副配对材料及材料抗磨损性能的研究。 表 12 是该公司试验机的主要技术规格及参数： 表 12 济南试金集团试验机的主要规格和技术参数 主要技术参数 MMU5G MMU10G 力范围 15 kN 10 kN 验力精度 1% 1% 主轴转速范围 102000 r/min 3002800 r/min 主轴转速测量精度 10 r/min 10 r/min 最大摩擦力 300 N 500 N 摩擦力精度 2% 3% 温度测控范围 室温600 室温600 温度测
13、控精度 2 时间设定 1 s9999 min 试验机外形尺寸 （长宽高） 12008701700 试验机净重 850 kg 试验机在下列条件下正常工作： (1) 在室温 10 35 的范围内； (2) 相对湿度不大于 80%的环境中； (3) 周围无震动，无腐蚀性和无强电磁干扰的环境中； (4) 电源电压的波动范围不应超过额定电压的10%； 频率的波动不应超过 额定频率的2%； (5) 地面安装，水平度为 0.2/1000 1.3.2 美国 CETR 公司产品 图 12 是美国 CETR 公司的多功能磨损试验机的实物图：5 图 12 多功能摩擦磨损实验机/ UMT TESTER 生产厂家：CE
14、TR(Center of trobology)，美国 规格指标： (1) 最大垂直移动距离： 100 mm； 定位精度： 0.5 m； 速度： 0.00110 mm/s； (2) 最大横向移动距离：75 mm； 定位精度：2 m； 速度：0.010 mm/s； (3) 上试件旋转速度：150 RPM； (4) 最大载荷： 25 kg (0.25 kN)； 力传感器测量范围： 0.220 N(0.02 2 kg )； (5) 分辨率：0.05 N (5 g) ； (6) 温度测量范围：0 100 ； (7) 声发射传感器响应频率：0.55.5 MHz 功能介绍： 试验机的主要功能可进行多功能微摩
15、擦试验和抛光试验。前者可作为多功 能微摩擦试验机，可以在较大的载荷范围内进行销盘式、往复式、四球式等摩 擦磨损试验， 还可以用来进行刻划试验以评价薄膜与基体的结合强度，也可以用 来测量材料的微观硬度。后者可以模拟实际抛光的各种条件，如温度、压力、转 速、被抛光材料、抛光垫材料、抛光液等等，可以用来研究以上多个工艺参数对 抛光速率及抛光质量的影响。 1.3.3 瑞士 CSM 公司产品 图 13 是瑞士 CSM 公司的摩擦磨损试验机。6 图 13 瑞士 CSM 公司的摩擦磨损试验机 瑞士 CSM 公司是世界知名的表面力学性能测试设备制造商，数十年中，为 世界范围的科研院所、工业用户提供了最先进的技
16、术与应用服务。 CSM 公司提供多种功能的摩擦磨损实验设备，按不同的载荷以及使用条件 可分为以下几类： (1) 纳米摩擦测试仪 NTR（Nanotribometer） ； (2) 摩擦试验机 TRB （Tribometer pinondisk） ， 可升级为真空摩擦试验机； (3) 高温摩擦试验机 THT（High temperature tribometer） ，可升级为高温真 空摩擦试验机； (4) 磨损测试仪 CAW（Calowear） ； (5) 膜厚测试仪 CAT（Calotest） ，分为工业与实验室用 2 种型号。 CSM 公司的摩擦试验机主要用于测定自润滑涂层的使用寿命，以及表征固 体材料或硬质涂层在不同条件下的摩擦磨损行为，用户可通过改变摩擦时间、 接 触压力、 运动速率、 环境温度、 湿度、 润滑剂等参数得到材料的一系列性能指
