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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計
軸承磨損試驗機的設(shè)計
系部名稱： 機電工程系
專業(yè)班級：材料成型及控制工程B03-65班
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
職 稱： 講師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○○七年六月
摘 要
摩擦學(xué)是一個實踐性比較強的學(xué)科，試驗是學(xué)好摩擦學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)。磨損摩擦試驗機是能夠定量的演示摩擦磨損機理的試驗設(shè)備。市面上銷售的商業(yè)化的磨損摩擦試驗機價格高昂，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適宜教學(xué)實驗室使用。
通過分析摩擦學(xué)原理，并參考其他磨損試驗機的工作原理，設(shè)計了一個小型的摩擦磨損試驗機。該機采用柱盤式結(jié)構(gòu)，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。該機可以進行滾動和滑動兩種摩擦試驗，試驗所用上試件可以是方的或圓的柱體，機械加工非常方便；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(xué)性能測試，能夠很好的滿足實驗室的教學(xué)試驗要求。
關(guān)鍵詞：試驗機； 摩擦； 磨損； 摩擦性能； 試驗裝置
ABSTRACT
Tribology is a subject that need many practice and experiment. Experiment is an important element in learning tribology. Friction-wear tester is an equipment that can quantitatively demonstrate the mechanism of friction and wear. Because the friction-wear tester that on sale has a high price and complex structures， it is not appropriate to use in laboratory.
I designed a small friction-wear tester by analyzing principles of tribology and other friction-wear tester. The structure of the friction-wear tester is column-disc. There is no hydraulic package on it and its loading modules are compact and stable. So it is easy to be produced and has low cost. The friction-wear tester can be used in both rolling and sliding friction testing. The specimen is square or round cylinder which is easy to be machined. It can meet the requirements of laboratory well.
Key words：Testing Machine；Friction；Wear；Tribological Property；Testing Device
III
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
目 錄
摘要 ………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract …………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章 緒論 …………………………………………………………………………… 1
1.1選題的目的及意義 ………………………………………………………………1
1.2選題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 …………………………………………………………2
1.2.1 選題的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ……………………………………………………2
1.2.2 選題的國外發(fā)展趨勢 ……………………………………………………3
1.3選題研究的主要內(nèi)容與研究方法 ………………………………………………5
1.4選題研究的預(yù)期結(jié)果 ……………………………………………………………5
第2章 摩擦磨損試驗原理與方法 …………………………………………………6
2.1 材料摩擦磨損的評定方法 ………………………………………………………6
2.1.1 摩擦的概念及類型 ………………………………………………………6
2.1.2 摩損的類型及評定方法 …………………………………………………6
2.2 摩擦磨損試驗方法分類 …………………………………………………………8
2.3 常用的幾種磨損試驗機 …………………………………………………………9
2.4 教學(xué)用磨損試驗機的功能需求…………………………………………………11
2.5 本章小結(jié)…………………………………………………………………………11
第3章 磨損試驗機測試方案比較與分析 ………………………………………12
3.1 簡易環(huán)塊式方案…………………………………………………………………12
3.1.1 結(jié)構(gòu)特點及工作原理 ………………………………………………… 12
3.1.2 主要組件 ……………………………………………………………… 13
3.1.3 設(shè)計啟示 ……………………………………………………………… 15
3.2 球盤式方案 …………………………………………………………………… 15
3.2.1 試驗機工作原理…………………………………………………………15
3.2.2 試驗機傳動方案…………………………………………………………16
3.2.3 試驗機機械部分特點……………………………………………………17
3.2.4 試驗機應(yīng)用范圍…………………………………………………………18
3.2.5 設(shè)計啟示 ……………………………………………………………… 18
3.3 多用途型方案……………………………………………………………………18
3.3.1 試驗原理 ……………………………………………………………… 18
3.3.2 試驗機結(jié)構(gòu)組成及其主要性能指標(biāo)……………………………………19
3.3.3 設(shè)計啟示 ……………………………………………………………… 21
3.4 CJS106型試驗機……………………………………………………………… 21
3.4.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理……………………………………………………21
3.4.2 設(shè)計啟示…………………………………………………………………23
3.5 本章小結(jié)…………………………………………………………………………24
第4章 小型磨損試驗機試驗執(zhí)行部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………25
4.1試件裝夾組件的設(shè)計…………………………………………………………… 25
4.2摩擦力測試組件的設(shè)計………………………………………………………… 27
4.3 試驗力加載組件設(shè)計……………………………………………………………27
4.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………………28
第5章 小型磨損試驗機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………29
5.1主要參數(shù)設(shè)計…………………………………………………………………… 29
5.2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………………… 29
5.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………31
第6章 試驗機零部件的設(shè)計與校核………………………………………………32
6.1電動機的選型…………………………………………………………………… 32
6.2軸系零件的設(shè)計校核…………………………………………………………… 33
6.2.1軸的設(shè)計與校核………………………………………………………… 33
6.2.2軸承的選用與校核……………………………………………………… 34
6.2.3鍵的選用與校核………………………………………………………… 35
6.3實體設(shè)計………………………………………………………………………… 36
6.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………………37
結(jié)論 ………………………………………………………………………………………38
參考文獻 …………………………………………………………………………………39
致謝 ………………………………………………………………………………………40
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
第1章 緒 論
1.1 選題的目的及意義
運動產(chǎn)生摩擦。由摩擦引起的磨損、潤滑、材料與能源消耗等一系列摩擦學(xué)問題普遍存在并對社會、經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。由于摩擦學(xué)科學(xué)所涉及的問題，與節(jié)約能源、節(jié)約材料、減少磨損、提高資源利用率和保護環(huán)境等密切相關(guān)，成為我國走新型化工業(yè)道路和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟必須面對的科學(xué)問題，已受到科技界的高度重視。
一般認(rèn)為，人類一次能源大約1/3是消耗于摩擦損失，約有70%的設(shè)備損壞是由于各種形式的磨損而引起的。中國機械工程學(xué)會摩擦學(xué)分會上世紀(jì)末的全國調(diào)查顯示：我國每年制造汽車消耗的鋼材與制造汽車配件消耗的相比大致相等。根據(jù)美國、英國、德國等國家的統(tǒng)計，與摩擦、磨損有關(guān)方面的花費大約占國民經(jīng)濟年生產(chǎn)總值的2% ~ 7%。我國的GDP只占世界的4%，卻消耗了世界30%以上的鋼材。同發(fā)達國家比較，我國目前平均生產(chǎn)水平還較低。2003年國民經(jīng)濟的生產(chǎn)總值為11694億元，如果摩擦、磨損有關(guān)方面的花費按占國民經(jīng)濟年生產(chǎn)總值的5%計算，就損失584.7億元。
摩擦學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究既瞄準(zhǔn)了當(dāng)今的科學(xué)前沿，又面向國家重大裝備和工程的需求，促進摩擦學(xué)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，既能解決了我國國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國家安全中出現(xiàn)的許多重要的摩擦學(xué)科學(xué)技術(shù)問題，又能改善我國在世界能源戰(zhàn)略中的格局。因此，應(yīng)加強我國在摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究。
1、摩擦學(xué)是多學(xué)科交叉科學(xué)，融基礎(chǔ)知識和應(yīng)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。它在工程上的應(yīng)用包括：建筑、裝備和產(chǎn)品的摩擦學(xué)設(shè)計，全生命周期中摩擦消耗和磨損控制，以及潤滑技術(shù)措施的實施與新型潤滑材料的研發(fā)。
2、摩擦學(xué)具有重要的經(jīng)濟價值。在建筑、裝備和產(chǎn)品的設(shè)計中，重視和積極應(yīng)用摩擦學(xué)前沿科技知識，積極進行摩擦學(xué)設(shè)計，對于提高建筑、裝備和產(chǎn)品的性能、可靠性，降低運行費用，從而提高建筑、裝備和產(chǎn)品在市場上的競爭力，有更為深遠的意義。
3、摩擦材料的研究和攻關(guān)是工程科技前沿的重點。包括潤滑油和潤滑脂，其與摩擦學(xué)有關(guān)的性能以及這些性能的正確使用，是提高摩擦學(xué)設(shè)計質(zhì)量不可缺少的條件，也是提高設(shè)備運行質(zhì)量、降低運行成本、減少環(huán)境污染和延長使用壽命的基本手段。在近數(shù)十年中，摩擦材料一直是材料科學(xué)、化學(xué)和表面工程領(lǐng)域的前沿課題，也是物理學(xué)、控制工程等中的熱門話題。
4、摩擦學(xué)已成為高科技領(lǐng)域。摩擦學(xué)影響范圍廣大，與摩擦學(xué)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。隨著經(jīng)濟體制的變革，在激烈的市場競爭下，摩擦學(xué)已經(jīng)成為一個充滿高科技的研究領(lǐng)域，遠離了過去書本或手冊中那些陳舊的概念或者認(rèn)為“潤滑”只是加加油的傳統(tǒng)概念。
隨著科學(xué)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。機械設(shè)計時，如不考慮摩擦、磨損問題，就不可能設(shè)計出符合要求的機械產(chǎn)品。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。因此，加強機械類相關(guān)專業(yè)摩擦學(xué)的學(xué)習(xí)與研究是學(xué)生畢業(yè)后能設(shè)計出符合世界發(fā)展潮流的綠色環(huán)保、節(jié)能降耗機械產(chǎn)品的重要條件。
利用摩擦磨損試驗機進行摩擦學(xué)相關(guān)試驗是最簡單便捷的測試材料摩擦性能的方法。與實際使用試驗相比，試驗機測試周期短，成本低，并且可單獨控制一些參數(shù)進行單項測試，靈活性也很好，所以在摩擦學(xué)研究領(lǐng)域，摩擦磨損試驗機被廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計，材料科學(xué)等領(lǐng)域進行材料磨損摩擦性能試驗，用以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)等。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(xué)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(xué)實驗室，用于摩擦學(xué)的教學(xué)試驗使用。
1.2磨損試驗機的發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1磨損試驗機國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
我國的摩擦試驗機的研制比摩擦學(xué)的研究要晚一些，直到1965年濟南試驗機廠才制造出中國的第一臺摩擦試驗機—MQ-12型四球摩擦試驗機。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(xué)研究發(fā)揮了重要的作用。國內(nèi)目前還有幾個小廠也生產(chǎn)摩擦試驗機，但其生產(chǎn)規(guī)模比較小，摩擦試驗機品種也相對較少，這些廠家的產(chǎn)品除了少數(shù)是和科研單位合作開發(fā)的，其余產(chǎn)品基本是仿制品。具體如下：
1、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。
2、我國的摩擦試驗機基本上是測繪國外60～70年代的產(chǎn)品，相當(dāng)部分的產(chǎn)品沒有自主知識產(chǎn)權(quán)，現(xiàn)在這些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)嚴(yán)重老化，存在著自動化程度低(以手動控制為主)、多數(shù)不能自動保存數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)的速度慢等缺點。
3、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。
4、目前國內(nèi)的摩擦試驗機存在著調(diào)速范圍小，荷載小，精度低等缺點。特別是有效載荷一般都小于5KN。上述問題嚴(yán)重影響了廠家對材料性能的準(zhǔn)確測定及摩擦學(xué)科技工作者對摩擦學(xué)的研究。
5、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。
6、摩擦試驗試驗機外觀粗糙。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。
1.2.2磨損試驗機國外的發(fā)展趨勢
國外的摩擦試驗機經(jīng)過幾十年的發(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充，呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢
1、摩擦試驗機對摩擦副的工況盡可能的模擬。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。國外的廠商針對航空航天、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、強輻射等)，研制出多種摩擦試驗機，如毛皮摩擦試驗機、機場跑道摩擦試驗機、塑料摩擦試驗機、冰面摩擦試驗機、紙張摩擦試驗機、汽車離合器摩擦試驗機、關(guān)節(jié)肌腱摩擦試驗機等。產(chǎn)品更加專業(yè)化，試驗機種類更加細化。日本的專家三橋健八曾把用于橡膠的摩擦試驗機做過總結(jié)，常用的橡膠摩擦試驗機共有七大類，四十六種之多。用于模擬性臺架試驗的摩擦試驗機有很大的發(fā)展。模擬性臺架試驗機幾乎能模擬實際摩擦副的所有工況，如溫度、濕度、潤滑條件、轉(zhuǎn)速/頻率、荷載、表面膜、粗糙度等，其測量精度有很大的提高。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。
2、摩擦表面的溫度測量技術(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。
3、摩擦試驗機和計算機結(jié)合更加緊密，其操作更加簡單，設(shè)計更加人性化。現(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。試驗機的使用也非常簡單，有的試驗機只要用鼠標(biāo)點擊計算機的操作界面即可。
4、成像攝影技術(shù)在摩擦試驗機上的應(yīng)用。隨著成像攝影技術(shù)的日益成熟，成像攝影技術(shù)已開始應(yīng)用于摩擦試驗機，用其測量各種試件的磨斑，并可通過計算機實現(xiàn)試件的磨斑自動顯示、測量、打印。
5、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)。據(jù)報道：僅有日本用激光發(fā)射超聲高速脈沖來測量薄層的摩擦磨損特性取得了成功，因此摩擦試驗機對材料磨損量的適時檢測也是一個發(fā)展方向。
6、納米技術(shù)的發(fā)展對摩擦試驗機的影響。自從1984年德國人Gleiter研制出納米微粒進行壓制燒結(jié)得到納米固體材料以來，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，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)檢測產(chǎn)品的開發(fā)將帶來摩擦磨損測試技術(shù)的革命。
7、生物摩擦學(xué)(Bio-triology)對摩擦試驗機的影響。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，我國可能有100～150萬骨關(guān)節(jié)病人需要做人工關(guān)節(jié)手術(shù)。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。澳大利亞的科技工作者研制出了模擬關(guān)節(jié)運動的試驗機對人造關(guān)節(jié)進行試驗，而美國的科技工作者更是把活體白兔置于新型摩擦試驗機上，測試白兔的關(guān)節(jié)摩擦技術(shù)參數(shù)，進而研究關(guān)節(jié)炎和風(fēng)濕病的病理?？梢灶A(yù)見用于生物摩擦學(xué)的摩擦試驗機將是摩擦試驗機發(fā)展的一個重要的方向。
8、生態(tài)摩擦學(xué)(Eco-tribology)，人類為了可持續(xù)發(fā)展面臨著資源和環(huán)境兩個重大問題。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，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)致的機械磨損所損耗的材料在我國每年高達幾百億元，因此減摩耐磨技術(shù)的開發(fā)和普及具有重要的經(jīng)濟和社會效益，最大限度地降低摩擦是人們長期追求的目標(biāo)。潤滑油，特別是添加劑含有多種有害的金屬元素。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年潤滑油消耗量為300萬噸，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，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。
1.3選題的研究內(nèi)容與研究方法
本課題研究的主要內(nèi)容是實現(xiàn)大型的摩擦磨損試驗機的小型化，并使其有利于教學(xué)實驗室使用。
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。
1.4研制小型摩擦磨損試驗機的預(yù)期結(jié)果
為了滿足學(xué)校實驗室做摩擦學(xué)實驗的一般需要，參考MM-200型摩擦磨損實驗機的基本原理，設(shè)計一個結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、實用廉價的摩擦磨損實驗機，不僅能夠彌補學(xué)校教學(xué)實驗設(shè)備的不足，還具有商業(yè)化推廣價值。
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(xué)實驗和實驗教學(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。
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。實驗所使用的試件加工成本低，便于不同材料的摩擦學(xué)性能測試。
同時為了提高試驗教學(xué)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(xué)生自己動手調(diào)整，對培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力、鞏固所學(xué)專業(yè)知識、鍛煉學(xué)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(xué)質(zhì)量的提高起到了推動作用。
第2章 摩擦磨損試驗原理與方法
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)的磨損摩擦基本機理是相同的。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。
2.1材料摩擦磨損性能的評定方法
2.1.1 摩擦的概念及類型
1、摩擦概念
兩個相互接觸的物體或物體與介質(zhì)之間在外力作用下，發(fā)生相對運動，或者具有相對運動的趨勢時，在接觸表面上所產(chǎn)生的阻礙作用稱為摩擦。這種阻礙相對運動的阻力稱為摩擦力。摩擦力的方向總是沿著接觸面的切線方向，跟物體相對運動方向相反，阻礙物體間的相對運動。
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。
2、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。如內(nèi)燃機活塞在汽缸中的摩擦、車刀與被加工零件之間的摩擦等；
（2）滾動摩擦：指的是物體在力矩作用下，沿接觸表面滾動時的摩擦。如滾動軸承的摩擦、齒輪之間的摩擦等。實際上，發(fā)生滾動摩擦的零件或多或少地都帶有滑動摩擦，呈現(xiàn)出滾動與滑動的復(fù)合式摩擦。
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)。
2.1.2摩損的類型及評定方法
1、磨損和摩擦是物體相互接觸并作相對運動時伴生的兩種現(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。
2、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制進行分類，一般分為五類：粘著磨損；磨料磨損；腐蝕磨損；微動磨損；表面疲勞磨損(接觸疲勞)。
3、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(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，必須考慮這些變化的影響，從材料的動態(tài)特性觀點去分析問題。
（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。根據(jù)磨損條件的變化，可能會出現(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，損傷機制會發(fā)生轉(zhuǎn)化，由一種損傷機制變成另一種損傷機制。所謂外部條件主要指摩擦類型(滾動或是滑動)、摩擦表面的相對滑動速度和接觸壓力的大小。
4、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(xué)條件下抵抗磨損的能力，通常以磨損率的倒數(shù)來表示，即
（2.1）
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）。
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（mm3/10N·mm）。
（6）相對耐磨性：試驗試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣在同一情況條件下的耐磨性之比，即
（2.2）
式中 ——相對耐磨性；
、——試驗試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣耐磨性；
W標(biāo)W試 ——試驗試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣磨損率。
在上述這些磨損量的評定方法中，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。因此是一個絕對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，可供在同樣滑動速度的條件下比較。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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)確的評定鍍層的磨損性能。因此這一方法比較常用。
2.2摩擦磨損試驗方法分類
在進行摩擦學(xué)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。
1、實際使用試驗
實際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)。
2、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(dāng)?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(xué)的要求，教學(xué)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。
2.3 常用的幾種磨損試驗機
1、磨損試驗機分類
磨損試驗機種類很多，圖2.1和圖2.2是其中有代表性的幾種。
2、常用的幾種磨損試驗機
（1）MM-200型摩擦磨損試驗機
國產(chǎn)的MM-200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(fù)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(fù)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 ~ 150kgf·cm。
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
圖2.1 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
圖2.2 環(huán)環(huán)磨損試驗機原理圖
（2）ML-10型固定磨料磨損試驗機
ML-10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(fù)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）MD-240型定速摩擦試驗機
MD-240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(fù)荷可在240 ~ 24000N范圍內(nèi)變化（相應(yīng)比壓為0.2 ~ 2MPa）。主軸轉(zhuǎn)速為480 r/min、650 r/min、959 r/min。試樣中心線速度為7.5m/s、10.25 m/s、14.1 m/s。最高溫度350℃。上試樣尺寸3cm×2cm，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MM-1000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MK-1型，國外有TIMKEN型。
MK-1型試驗機，上試樣尺寸12cm×12cm×15cm，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。
2.4 教學(xué)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)備昂貴，一般學(xué)校實驗室承擔(dān)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(xué)試驗和試驗教學(xué)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(xué)們的動手能力，應(yīng)該降低試驗機的自動化程度，讓同學(xué)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(xué)專業(yè)知識、鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力。
2.5 本章小結(jié)
本章介紹了摩擦學(xué)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(xué)摩擦學(xué)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(xué)實驗使用的試驗機是本章研究的重點。
3.1 簡易環(huán)塊式方案[2]
該機是由廣東韶關(guān)學(xué)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。
3.1.1 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，其結(jié)構(gòu)原理如圖3.1 所示。
I．磨損測試組件 II．摩擦測試組件
1．?dāng)Q緊螺母 2.壓縮彈簧 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
圖3.1 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。
3.1.2 主要組件
1、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400×300×200mm，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。
2、 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90°，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，環(huán)面粗糙度0.32μm， 直徑φ100mm，厚4mm。
（2） 磨塊。普通45 號鋼，硬度HRC36，端面粗糙度0.32μm，直徑φ30mm，厚20mm。
（3）固定塊。普通45 號鋼，尺寸為40×40×40mm， 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
設(shè)計如圖3.2 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(biāo)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．?dāng)Q緊螺母 9．固定塊
圖3.2 加載組件結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)圖3.2 可以計算出彈簧的伸長量ΔL。
(3.1)
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
(3.2)
當(dāng)θ較小時(如θ<20°時)，
cos(θ/2)≈1
(3.2)式可簡化為式
(3.3)
圖3.3 測力組件受力分析
式(3.2)，(3.3)表達了摩擦力與指示力臂轉(zhuǎn)過角度的換算關(guān)系。當(dāng)θ較大時 (如θ >20°)，為提高數(shù)據(jù)精度，應(yīng)用式(3.2)計算摩擦力。K2 為拉力彈簧的彈性系數(shù)，應(yīng)由標(biāo)定試驗得出。本機設(shè)計中，r=5mm，R=8mm。
3.1.3 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。
3.2 球盤式方案[15]
由哈爾濱工業(yè)大學(xué)機械基礎(chǔ)試驗中心的梁風(fēng)， 張鋒， 宋寶玉結(jié)合學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)試驗提供了一個功能強，性價比高的試驗設(shè)備。滿足教學(xué)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。
3.2.1 試驗機工作原理
1、機械部分
試驗機機械部分工作原理如圖3.4所示。
1.帶傳動 2.電動機及齒輪減速器 3.轉(zhuǎn)杯 4.下試件 5.上試件 6.夾頭 7.砝碼 8.杠桿 9.壓力傳感器
圖3.4 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(biāo)：
下試件轉(zhuǎn)速：18 ~ 300r/min；
最大載荷：P=10N；
摩擦半徑：10 ~ 30mm。
2、試件形狀及尺寸
試件結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3.5 所示。上試件為球體，可直接選用不同材料的標(biāo)準(zhǔn)軸承球。下試件為圓盤，可選用不同材料經(jīng)車削加工而成。
圖3.5 上下試件結(jié)構(gòu)及尺寸
3、摩擦系數(shù)測試原理
如圖3.4所示，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 (3.4)
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
(3.5)
本試驗機
則 Q=Μ (3.6)
摩擦系數(shù)
(3.7)
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)。
3.2.2 試驗機傳動方案
如圖3.4 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：0.02 ~ 0.94m/s，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，并起到過載保護作用。
3.2.3 試驗機機械部分特點
（1）為了方便更換摩擦試件，設(shè)計有專門的杠桿支架。換試件時先把杠桿固定在支架上，然后分別更換上下試件。
（2）為防止試驗過程中發(fā)生異常情況，杠桿對傳感器產(chǎn)生很大沖擊，使傳感器精度下降，設(shè)計了杠桿限位裝置，限制杠桿只能在一個小范圍內(nèi)擺動。如圖3.6 所示。
限位裝置
杠桿
圖3.6 杠桿的限位裝置
傳感器
支架
圖3.7 傳感器位置調(diào)節(jié)
（3）設(shè)計傳感器具有2個自由度，如圖3.7所示?？梢愿軛U軸為中心旋轉(zhuǎn)傳感器支架來調(diào)節(jié)傳感器位置，使傳感器測頭在工作狀態(tài)時垂直接觸杠桿，停止工作時離開杠桿。還可以沿傳感器支架調(diào)節(jié)傳感器位置，使傳感器的測頭與杠桿接觸點到杠桿軸心的水平距離和上下試件的摩擦點到杠桿軸心的水平距離相等。
（4）設(shè)計上下試件在轉(zhuǎn)杯中進行摩擦試驗。這種設(shè)計的優(yōu)點在于防止下試件轉(zhuǎn)動時將磨屑和潤滑劑甩到試驗機上。
（5）在杠桿上設(shè)計有調(diào)節(jié)杠桿平衡的質(zhì)量塊。試驗時調(diào)節(jié)質(zhì)量塊在杠桿上的位置使杠桿平衡，然后再加砝碼，這樣可保證調(diào)節(jié)平穩(wěn)。
（6）杠桿上設(shè)計有專用刻度，用于調(diào)節(jié)摩擦半徑的大小，以及杠桿平衡塊和傳感器的定位。
（7）摩擦半徑可調(diào)，提高下試件圓盤的利用率，節(jié)約試驗成本。
（8）在調(diào)節(jié)摩擦半徑的滑塊上，設(shè)計有用于靜態(tài)標(biāo)定時固定標(biāo)定線的圓環(huán)，通過定滑輪，用砝碼加力可進行靜態(tài)標(biāo)定。
（9）本試驗機為小型摩擦磨損試驗機。設(shè)計的機座質(zhì)量較大，以減小試驗時震動對試驗數(shù)據(jù)的影響。
（10）該試驗機可用于試驗教學(xué)，又可用于教師科研試驗使用。
3.2.4 試驗機應(yīng)用范圍
利用該試驗機和與其配套的測試系統(tǒng)，可進行不同材料、不同速度、不同載荷、不同硬度、不同表面質(zhì)量、不同潤滑條件下的摩擦學(xué)試驗的研究。
3.2.5 設(shè)計啟示
球盤式摩擦磨損試驗機的研制成功，彌補了本專業(yè)試驗教學(xué)設(shè)備不足。試驗機2004年已通過學(xué)校鑒定，鑒定結(jié)果認(rèn)為該試驗機設(shè)計思想先進、原理簡明正確、調(diào)試和操作簡單方便、結(jié)構(gòu)新穎、測試試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、在國內(nèi)同類試驗設(shè)備中處于領(lǐng)先地位、具有很好的推廣價值。該試驗機經(jīng)過兩學(xué)期試驗教學(xué)和教師科研使用，對培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力、鞏固所學(xué)專業(yè)知識、鍛煉學(xué)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(xué)質(zhì)量的提高起到了推動作用。
3.3 多用途型方案[16]
本方案是由南京航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院范炯，戴振東，姜澄宇合作設(shè)計的，通過模塊化設(shè)計，該試驗機可以進行干摩擦或潤滑狀態(tài)下，常溫或高溫環(huán)境下的銷盤試驗，環(huán)塊試驗以及接觸疲勞試驗?？梢詫ν槐P試樣進行摩擦、磨損和接觸疲勞性能的試驗，避免了試樣不同的誤差，試驗結(jié)果更準(zhǔn)確，重復(fù)性更好。
3.3.1 試驗原理
評價材料摩擦性能的指標(biāo)通常包括摩擦系數(shù)和耐磨性， 對于表面涂層材料還應(yīng)包括接觸疲勞壽命。
測定摩擦系數(shù)μ必須與試驗條件相對應(yīng)， 同時統(tǒng)一使用庫侖定律
(3.8)
在外界施加一定載荷P 的前提下， 測出摩擦力Μ， 從而求得摩擦系數(shù)。
在試驗中如兩試樣為線接觸， 則該位置的接觸應(yīng)力最大值 用赫茲公式求得
式中： Fn為法向應(yīng)力；ρ1，ρ2分別為接觸點處的曲率半徑； b 為接觸線長度； E1， E2 分別為兩試樣的彈性模量；γ1 ，γ2分別為兩試樣的泊松比。
以磨損速率(dW /dt) 和磨損率(dW/ds) 兩項指標(biāo)作為測定耐磨性的基本指標(biāo)， 結(jié)合實際情況， 將其擴展為在一定的條件下， 經(jīng)過一定時間的摩擦試驗后， 根據(jù)磨痕體積、磨痕寬度或面積來衡量耐磨性。
測定接觸疲勞壽命是利用滾輪在試樣表面滾動， 滾輪每滾動一圈， 試樣承受一次交變載荷。預(yù)先確定轉(zhuǎn)速， 根據(jù)涂層開始產(chǎn)生疲勞破壞時的累計旋轉(zhuǎn)圈數(shù)(即載荷交變次數(shù)) ， 或分析試樣承受一定次數(shù)交變載荷后的表面狀況， 確定其接觸疲勞壽命。
3.3.2 試驗機結(jié)構(gòu)、組成及其主要性能指標(biāo)
該試驗機為立式結(jié)構(gòu)， 由主體、試樣裝夾附件和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成， 如圖3.8 所示。
圖3.8 多用途摩擦試驗機總體結(jié)構(gòu)示意圖
調(diào)速電機通過一組皮帶輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)， 主軸上的夾頭可以根據(jù)需要更換。加載桿通過萬向聯(lián)軸節(jié)固定在基座上， 外載荷通過加載桿放大后施加到試樣上。加載桿上裝有測量摩擦力的傳感器， 傳感器輸出的信號傳送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行處理和分析。加載桿上的固定座可以改裝其它附件， 以滿足不同的試驗要求。基座臺面上可以放置潤滑附件或加熱附件。試樣一般為圓盤狀， 易于加工并獲得必要的精度。
該試驗機可以進行滑動摩擦試驗和滾動摩擦試驗， 通過選裝不同的附件來實現(xiàn)。
滑動摩擦試驗有銷盤試驗和環(huán)塊試驗， 分別見圖3.8， 圖3.9所示。上下試樣之間的接觸可以是點、線或面接觸。這種安排用于評價摩擦副之間間歇工作的情況。如嚙合齒輪的運動， 齒輪每轉(zhuǎn)一周， 每個齒的齒面承受一次摩擦。圖3.9為環(huán)塊試驗的示意圖。上下試樣可以是線接觸， 也可以是面接觸。這種安排用于評價摩擦副中一個一直處于工作狀態(tài)， 而另一個處于間隙性工作狀態(tài)的情況。如活塞環(huán)和缸體摩擦性能的評價， 活塞環(huán)為上試樣， 缸體為下試樣， 所用試驗材料直接取材于試驗對象。
圖3.9 環(huán)塊試驗裝置示意圖
滾動試驗有無油狀態(tài)下和潤滑狀態(tài)下的疲勞試驗。圖3.10，圖3.11 為疲勞試驗的示意圖， 它們的基本結(jié)構(gòu)一致。加載桿的固定座上安裝一軸承架， 其上安裝一個小軸承， 軸承與試樣的測試面線接觸。試樣隨主軸旋轉(zhuǎn)， 帶動軸承在試樣表面滾動。這種安排用于評價間歇線接觸的工作狀態(tài)， 如模擬齒輪的嚙合狀態(tài)， 這時試樣的接觸面性能與齒輪表面性能一致。如果軸承換成球或者球形圓周面的盤， 則可模擬圓球在平面上的滾動。該試驗要求附件和試樣有較高的精度， 同時準(zhǔn)確安裝， 否則陪試軸承的壽命較短。
圖3.10 無油狀態(tài)下疲勞試驗裝置示意
該試驗機還可以進行高溫摩擦試驗， 如圖3.12所示。其中增加了一個電加熱附件， 它適用于干摩擦狀態(tài)下前面所述的各種摩擦試驗。如可以進行高溫下的環(huán)塊試驗， 模擬氣缸中活塞環(huán)和缸體的實際工作狀況。
另外， 該試驗機還能用同一試樣進行不同的摩擦試驗， 如用做過銷盤試驗的試樣直接進行接觸疲勞試驗， 這樣可以排除不同試樣的性能差異對試驗數(shù)據(jù)的干擾， 有利于研究涂層的摩擦性能與疲勞性能間的相關(guān)性。
圖3.11 潤滑狀態(tài)下疲勞試驗裝置示意圖
圖3.12 高溫摩擦試驗裝置示意圖
這種多功能試驗機的主要性能為： 無級調(diào)速主軸轉(zhuǎn)速范圍： 38 ~ 4 000 r/m in； 試樣所受載荷范圍： 21 ~ 700 N。
3.3.3 設(shè)計啟示
由上面介紹可知， 所研制的由主體、試樣裝夾附件和計算機數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成的摩擦試驗機， 在結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)思上具有許多特點。(1) 只需更換主軸夾頭和加載桿上的附件就可以進行不同的摩擦試驗， 還能通過設(shè)計新的附件來實現(xiàn)新的功能， 體現(xiàn)了該試驗機的多用性和功能的可拓展性； (2) 在該試驗機上進行各種摩擦試驗時可以采用同一試