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1、1.概论摩擦学的研究, 不但对国民经济具有很重要的技术经济意义, 而且有深远的科学理论价值, 引起了世界各先进国家的普遍重视, 也受到了我国有关部门的重视。摩擦磨损实验机是研究摩擦学的重要工具之一。磨损是材料失效的主要形式之一,对材料进行摩擦磨损实验是研究材料性能的常用方法。摩擦磨损实验机主要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的研究。摩擦磨损实验中常用的摩擦实验机,主要有往复式和球盘式（或销盘式）两种,考虑到实验条件以及试验特点,研制了一种球盘式摩擦实验机,这种结构的摩擦磨损实验机体积小、机械传动结构简单、试件装夹方便,便于不同材料的摩擦学性能测
2、试。1.1摩擦磨损实验机的研究范围和目的 摩擦磨损试验机是进行摩擦学试验研究必不可少的设备，充分地了解和分析摩擦磨损试验机的特点，并对其进行恰当的分类，则是进行试验机设计的基础。机械设备中的零部件的摩擦磨损性能是由材料、工作参数、接触几何及环境条件等因素决定的；因此，研究零部件的摩擦磨损性能，需要根据使用场合的情况设计试验并选择适当的实验机和评价参数。1.1.1摩擦磨损实验机的适用范围：在一定的接触压力下，能够模拟滚动、滑动或滑滚复合运动，具有多种摩擦副，能够完成点、线、面摩擦模拟试验。可用来评定润滑剂、金属、塑料、涂层、橡胶、陶瓷等材料的摩擦磨损性能。既能满足传统石化行业用户研制、开发、检测
3、各种中高档系列液压油、内燃机油、齿轮机油的需求，又能满足新兴材料开发、新工艺研究用户进行模拟评定测试的需求。1.1.2摩擦磨损实验机的研究目的：摩擦、磨损和润滑作为一种自然现象，不仅在机械设备中而且在人们的生活中也广泛存在着(机器的寿命、人们、关节)，过去仅从力学角度研究摩擦、磨损现象，而对摩擦的结果带来的危害估计不足，据统计，世界上约有 l/3l/2的能源，以各种形式消耗于摩擦中；摩擦又带来两物体摩擦接触表面的磨损，磨损使机器零件失去工作能力而失效，约占总失效的30。为此而制作配件，一些发达国家每年因此造成的损失达数十亿美元，所以从节约能源，降低原材料消耗来研究摩擦、磨损是很有必要的。实践证
4、明润滑是减少摩擦、磨损的重要手段，随着科学技术的发展，人们把研究有关摩擦、磨损及润滑的科学技术统称为摩擦学。摩擦学的定义是：研究相对运动中相互作用着表面的科学、技术及有关实践的知识，它与数学、物理、化学、材料、工艺、工程实践有关，它是一门发展很快(60年代中期)的新兴边缘应用学科。由于运用现有的摩擦学知识，去解决机器设备中的问题可以取得显著的经济效益，据英、美、日等国摩擦学应用调查，应用现有的摩擦学知识和技术每年可获得的经济效益，占国民经济总产值的2以上(日本7，西德5，英25，美2)。我国到1999年总产值83190亿元，按12计算可获998亿元的效益，同时摩擦学问题大量存在于机器设备中，而
5、机器设备向高精度、高寿命、高速、大功率方向发展，要求生产的连续性，自动化程度、可靠性程度不断提高，为解决好机器设备的摩擦学问题创造了摩擦学设计，即应用摩擦理论及实践去解决好机器的设计、制造和运行维护等问题。进行摩擦磨损实验的目的是要模拟实际的摩擦系统，在实验室再现摩擦磨损现象及其规律性，以便通过选定参数的测量分析考察的工作运转变量、润滑变量和气氛变量等对特定摩擦磨损系统摩擦元素的影响。因此，摩擦磨损试验机的设计就是要依据这种目的和既定的具体任务要求，构思形成的基本系统。其工作运转变量一般要求在一定范围内可调，对于测试参数应当根据需要选定。1.2摩擦磨损实验机的要求和分类1.2.1摩擦磨损实验机
6、的技术要求摩擦磨损实验机是进行摩擦磨损实验实验设备。摩擦磨损实验机主要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的研究。设计摩擦磨损实验机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。结合实验特点，设计的摩擦磨损实验机采用球盘式结构，这种结构的摩擦磨损实验机体积小、机械传动结构简单、试件装夹方便。实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；实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
7、，便于不同材料的摩擦学性能测试，这是球盘式摩擦磨损实验机的最大特点。1.2.2摩擦磨损实验机的分类摩擦磨损实验机的种类很多，人们对其分类的方式也不相同，最有代表性的两种是苏联N.B.Kparenbcknn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为8 种类型，后者则是根据摩擦副的几何形状而将试验机分为12 大类，以便于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。表1 所列是对摩擦磨拟试验机分类的结果。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动形式对摩擦磨损试验机进行分类的新方法。
8、这种分类法突出了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计。由表1 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种都属于这一大类，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-体加磨粒（或固体-粒）
9、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以将其分为3 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3 种形式。表1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
10、使含磨粒（或不含磨粒）的液体冲刷固体表面因而关键是要形成有一流速的液流。利泪泵、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：a 供气系统加磨粒加喷咀加试件， b 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，。c 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，同样要求可调。第五类是除
11、了以上所述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实验机均可归入此类。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（木文作者正在设计中）。可控气氛摩擦磨损实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-磁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摩擦磨损实验机的特点分析 进行摩擦磨损试验的目的是要模拟实际的摩擦系统，在实验室再现摩擦磨损现象及其规律性，以便通过选定参数的测量分析考察图1所
12、示的工作运转变量、润滑变量和气氛变量等对特定摩擦磨损试验系统摩擦元素的影响。因此，摩擦磨损试验机的设计就是要依据这种目的和既定的具体任务要求，构思形成图1 所示的基本系统。其工作运转变量一般要求在一定范围内可调，对于测试参数应当根据需要选定。运动形式与试验机的摩擦副结构有关，二者都是由所要模拟的摩擦副决定的。试验机的摩擦副结构和运动形式一般是固定的，但也有一些多功能试验机的摩擦副和运动形式均可通过添加附件而加以改变。例如，美国FALEX 公司的多功能试样测试机在添加附件以后，就可以形成球-平面、四球、板-板（面接触）、液体浸蚀、针-盘和滚动四球等多种摩擦副形式。摩擦副最基本的运动形式可以归纳为
13、4 种，即滑动、滚动、自旋和冲击。在试验机上，对运动形式都有明确的规定，但对运动的位置精度却要求不高，因而往往不提这方面的要求。负荷是摩擦磨损试验机的一个重要参数，其在试验过程中一般应当保持稳定。试验机对负荷的精度要求很高，国内试验机负荷示值的相对误差为 士 1 。要满足负荷精度的要求，就必须考虑在试验机上减小加载系统的摩擦阻力。一般地说，试验机的加载方式有机械式、液压式和电磁式三种。其中，机械式加载又可分为杠杆加载、弹簧加载和重物直接加载等多种，或者是它们的组合；液压式加载包括动压加载和静压加载两种。杠杆加载和重物直接加载系统的结构简单，载荷稳定，不存在负荷保持的问题，加载精度也高，但当摩捺
14、副运动不稳定时却会引起振动和冲击。弹簧加载和液压加载所产生的振动都比较小。但是，弹簧加载的精度不高，难于实现负荷的精确调整，液压加载很难保持负荷稳定。动压加载和电磁加载易于实现负荷的自动控制，但它们的弱点是控制部分的成本较高，而且电磁加载的实例在已有的试验机上还很少见。 在许多场合下，试验机还必须满足恒比压的要求（这里所指的是宏观恒比压）。现在，试验机上实现恒比压的方法有两种，其一是从摩擦副的结构上保证摩擦过程中的接触面积不变，借以在负荷不变的条件下实现恒比压（如图2 所示）；其二是在试验过程中随着接触面积的增大依照一定的规律增大负荷以实现恒比压。利用这种方法实现恒比压的有如日本东京试验机制作
15、所生产的理研大越式高速磨损试验机。如图3 所示，大越式高速磨损试验机的摩擦副形式为长方形的试块-旋转圆环（侧面承载）。在磨痕宽度b ( 13 mm ）远比旋转圆环外径2r ( 30mm ）小的情况下，经数学推导得到保持恒比压的条件是施加负荷P与磨损距离1 的平方根成正比例关系。试验机从传动结构上实现这个条件所采用的加载方式是：主电机-齿轮传动-加载凸轮-齿轮传动-弹簧加载机构-齿轮-杠杆-试件。这是由加载凸轮和弹簧加载机构实现的关系，由凸轮升程与磨损距离1 的平方根成正比。由凸轮压缩弹簧，以弹簧带动齿轮齿条加载，从而实现试验过程中的宏观恒比压条件。第三种方式是同时测量摩擦副的接触面积和试验负荷
16、，经过数据处理，给出负荷的控制信号，使负荷随着接触面积的变化而变化，从而实现试验过程中的恒比压。这种方式先进、可靠，然而实施难度很大。这是因为试验过程中摩擦副的接触面积不易测量，故其至今尚未得到实际应用。滑动速度的大小对摩擦磨损往往具有关键性的意义，因而也是摩擦磨损试验的一个重要参数。滑动速度的方向有单向和往复式两种，后者又可以分为摆动式和往复直线运动式。在试验机上既可以用机械方式（如凸轮机构和曲柄摇杆机构等）实现摆动，也可以由电机（如伺服电机和步进电机）来实现摆动。往复直线运动通常是用曲柄滑块等往复直线运动机构实现的。试验机的速度大小一般都要求可调，所能采用的方式有有级调速和无级调速两种。有级调速是利用变换齿轮或皮带轮速度比等方法实现的。无级调速又包含有两种方式一种是机械式无级调速（如摩擦轮和差动轮系等）, 但其调速范围不大，另一种是使用无级调速电机进行，这种方式的调速
