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1.摩擦磨損概述
     摩擦學既是綜合運用多領域、多學科知識的理論科學,又是與生產實踐密切關聯的科學,在新材料與新能源的研究、開發與應用中發揮著巨大的指導作用與經濟效益,可以達到節能、提高磨損壽命和機械工作性能、解決極端工況條件下的摩擦、磨損、潤滑問題的目的。隨著現代科學技術的發展,越來越多的科研院所和大中型企業對摩擦磨損研究的意義越來越重視。摩擦磨損對於節能、節材從而保護環境具有重要的意義。一般認為,人類一次資源大約1/3是消耗於摩擦,約有70%的設備損壞是由於各種形式的磨損而引起的。節約材料也是節約資源。目前,我國的GDP占世界的4%,卻消耗了占世界30%-40%的鋼、50%的水泥,我國的等當量GDP能耗是美國的2倍,歐洲的3倍,日本的4倍。要趕上或接近先進國家的能耗水平,摩擦學在解決國家發展中所遇到的資源、能源和環境保護等問題中,有著特別突出的作用!
   摩擦學這一學科領域在我國起步較晚,發展比較緩慢。因此,我國摩擦學研究在節約資源、能源方麵的獨特作用還沒有充分發揮出來,在技術推廣和應用、人才培訓等方麵還需各方麵做大量的工作。本文就固體材料及潤滑油的摩擦磨損試驗設計及設備選型作一簡單介紹。
2.摩擦磨損模擬試驗原理簡介
      摩擦磨損模擬試驗是在實際使用條件下對測試對象進行試驗,同時改變各種試驗參數來測定其對試驗材料的摩擦磨損性能的影響,而且這種模擬試驗相對於台架試驗具有測試數據重複性和規律性好的優點,便於進行對比分析,還可更改試驗參數,使得試驗周期縮短,試驗成本降低,可用來重複的對大量試件進行試驗。但這種試驗方法所測得的結果,不能完全反映出實際工況複雜的摩擦磨損狀況,往往隻用於研究,隻有精確的模擬試驗得到的結果才有較好的實用性。
      摩擦磨損模擬試驗的主要參數是試驗力、相對運動速度、環境溫度、試驗時間、潤滑介質和摩擦形式等。由於影響摩擦磨損的因素眾多,而摩擦磨損本身就較為複雜,稍微改變某一試驗參數就可能導致試驗材料的摩擦磨損性能發生較大的改變,而且各種因素又是相互關聯的,所以很難通過模擬試驗就能清晰地分辨出其影響因素並且量化。材料的摩擦磨損性能與材料的強度、硬度不同,它不是材料的固有特性,而是在一定條件下物理特性和化學特性的綜合表現,固材料的摩擦磨損性能是相對的,是在一定條件下對材料抗摩耐磨性能的描述。
3.摩擦磨損試驗設計及試驗設備選型
  3.1固體材料摩擦磨損試驗的設計
    摩擦磨損試驗根據試驗目的可分為兩大類:一種是研究性的摩擦磨損試驗,主要研究摩擦磨損現象的規律性,了解和探討摩擦磨損現象的機理,以及影響摩擦磨損性能的有關參數;另一種是應用性的摩擦磨損試驗,主要將試驗的結果直接應用到生產中。如材料及材料表麵處理的耐磨性能等。
固體材料的摩擦磨損試驗采用的主要接觸形式就是點、線、麵。試驗者要根據自己的實際模擬工況,選擇合適的模擬接觸形式,以求試驗結果更具有真實性。能模擬點、線、麵等摩擦形式的試驗機主要有立式萬能摩擦磨損試驗機、MMS-2A磨損試驗機、MMU材料端麵摩擦磨損試驗機、高速環塊試驗機等,這些試驗機均可評定各種固體材料的摩擦磨損性能。下麵對上述各種設備的使用範圍逐一做出簡要介紹。
 3.2固體材料摩擦磨損試驗的設備選型
    MMW-1A萬能摩擦磨損試驗機具有多種摩擦副,如銷盤摩擦副、止推圈摩擦副、球盤摩擦副、凸輪齒輪摩擦副、粘滑摩擦副、四球摩擦副等。銷盤摩擦副分為圓頭銷-盤摩擦副、圓柱銷-盤摩擦副、方銷-盤摩擦副,圓頭銷-盤摩擦副主要模擬點麵接觸摩擦形式,圓柱銷-盤摩擦副和方銷-盤摩擦副主要模擬麵麵接觸摩擦形式。止推圈摩擦副是兩個圓環麵接觸,在一定的接觸應力下作相對運動,該摩擦副主要模擬麵麵接觸摩擦形式。球盤摩擦副是上試樣用標準直徑øφ12.7或øφ6.35的鋼球,下試樣為試驗者自定材料製成的盤在一定接觸應力下作相對運動而模擬點麵摩擦形式。凸輪齒輪摩擦副是一種模擬滾滑複合運動的摩擦形式,其結構是由中間滾子用標準圓柱銷,滾子上下各有試驗者自定材料的摩擦偶件組成的,該摩擦副模擬線麵接觸摩擦形式,主要用於軸承模擬摩擦磨損試驗中。粘滑摩擦副和四球摩擦副是用在油品摩擦潤滑性能的評定,具體使用範圍將在後麵潤滑油摩擦磨損試驗中介紹。另外該機還具有對摩擦副加熱功能,對摩擦副添加液體介質功能,可使各種試驗在一定溫度下、某種液體介質中進行,還可根據試驗者的實際應用製作出特種形式的摩擦副。
    MMS-2A磨損試驗機主要是用來試驗各種金屬、非金屬材料(尼龍、塑料等)在滑動摩擦、滾動摩擦、滾滑複合摩擦等狀態下及在濕摩擦、幹摩擦、磨料磨損等工況下的耐磨性能的。該試驗機是GB3960-83《塑料滑動摩擦磨損試驗方法》推薦機型,它能模擬線線接觸、麵麵接觸的摩擦形式
 
1.摩擦磨損模擬試驗概述
    摩擦磨損模擬試驗是在實際使用條件下對測試對象進行試驗,同時改變各種試驗參數來測定其對試驗材料的摩擦磨損性能的影響,而且這種模擬試驗相對於台架試驗具有測試數據重複性和規律性好的優點,便於進行對比分析。還可更改試驗參數,使得試驗周期縮短,試驗成本降低,可用來重複的對大量試件進行試驗。但這種試驗方法所測得的結果,不能完全反映出實際工況複雜的摩擦磨損狀況,往往隻用於研究,隻有精確的模擬試驗得到的結果才有較好的實用性。
    摩擦磨損模擬試驗的主要參數是試驗力、相對運動速度、環境溫度、試驗時間、潤滑介質和摩擦形式等。由於影響摩擦磨損的因素眾多,而摩擦磨損本身就較為複雜,稍微改變某一試驗參數就可能導致試驗材料的摩擦磨損性能發生較大的改變,而且各種因素又是相互關聯的,所以很難通過模擬試驗就能清晰地分辨出其影響因素並且量化。材料的摩擦磨損性能與材料的強度、硬度不同,它不是材料的固有特性,而是在一定條件下物理特性和化學特性的綜合表現,固材料的摩擦磨損性能是相對的,是在一定條件下對材料抗摩耐磨性能的描述。
2.摩擦磨損試驗設計及試驗設備選型
  2.1固體材料摩擦磨損試驗的設計
    摩擦磨損試驗根據試驗目的可分為兩大類:一種是研究性的摩擦磨損試驗,主要研究摩擦磨損現象的規律性,了解和探討摩擦磨損現象的機理,以及影響摩擦磨損性能的有關參數;另一種是應用性的摩擦磨損試驗,主要將試驗的結果直接應用到生產中。
    固體材料的摩擦磨損試驗采用的主要接觸形式就是點、線、麵。試驗者要根據自己的實際模擬工況,選擇合適的模擬接觸形式,以求試驗結果更具有真實性。能模擬點、線、麵等摩擦形式的試驗機主要有MMW-1A  型立式萬能摩擦磨損試驗機、MMS-2A型磨損試驗機、MMU-10G型材料端麵摩擦磨損試驗機、MRH-3型高速環塊試驗機等,這些試驗機均可評定各種固體材料的摩擦磨損性能。下麵對上述各種設備的使用範圍逐一做出簡要介紹。
 2.2摩擦磨損試驗的設備選型原則
    在進行摩擦磨損試驗設備選型時,要遵循以下原則:
   ① 模擬形式要最大程度的模擬實際工況(試驗條件);
   ② 試樣易於製備,節約試驗成本;
   ③ 可更改試驗條件性好,以便縮短試驗周期;
   ④ 試驗設備易於操作。
 2.3固體材料摩擦磨損試驗的設備選型
   ① MMW-1A型立式萬能摩擦磨損試驗機的最大加載負荷為1000N、摩擦副相對最大運動速度為7.2m/s、可測定的最大摩擦力矩為5N·m,它可以滾動、滑動或滑滾複合運動的摩擦形式,用來評定潤滑劑、金屬、塑料、塗層、橡膠、陶瓷等材料的摩擦磨損性能。該試驗機可配備多種摩擦副,如銷盤摩擦副、止推圈摩擦副、球盤摩擦副、凸輪齒輪摩擦副、粘滑摩擦副、四球摩擦副等。銷盤摩擦副分為圓頭銷-盤摩擦副、圓柱銷-盤摩擦副、方銷-盤摩擦副,圓頭銷-盤摩擦副主要模擬點麵接觸摩擦形式,圓柱銷-盤摩擦副和方銷-盤摩擦副主要模擬麵麵接觸摩擦形式。止推圈摩擦副是兩個圓環麵接觸,在一定的接觸應力下作相對運動,該摩擦副主要模擬麵麵接觸摩擦形式。球盤摩擦副是上試樣用標準直徑ø12.7或ø6.35的鋼球,下試樣為試驗者自定材料製成的盤在一定接觸應力下作相對運動而模擬點麵摩擦形式。凸輪齒輪摩擦副是一種模擬滾滑複合運動的摩擦形式,其結構是由中間滾子用標準圓柱銷,滾子上下各有試驗者自定材料的摩擦偶件組成的,該摩擦副模擬線麵接觸摩擦形式,主要用於軸承模擬摩擦磨損試驗中。粘滑摩擦副和四球摩擦副是用在油品摩擦潤滑性能的評定,具體使用範圍將在後麵潤滑油摩擦磨損試驗中介紹。另外該機還具有對摩擦副加熱功能,對摩擦副添加液體介質功能,可使各種試驗在一定溫度下、某種液體介質中進行,還可根據試驗者的實際應用製作出特種形式的摩擦副。
   ② MMS-2A型磨損試驗機的最大加載負荷為2000N、可測定的最大摩擦力矩為15N·m,它主要是用來試驗各種金屬、非金屬材料(尼龍、塑料等)在滑動摩擦、滾動摩擦、滾滑複合摩擦等狀態下及在濕摩擦、幹摩擦、磨料磨損等工況下的耐磨性能。該試驗機是GB3960-83《塑料滑動摩擦磨損試驗方法》和GB/T12444.1-90《金屬磨損試驗方法》指定使用機型,它能模擬線線接觸、麵麵接觸的摩擦形式。模擬線線接觸的摩擦副有環環摩擦副、環塊摩擦副等,模擬麵麵接觸的摩擦副有環蝶摩擦副(2α角接觸)。該試驗機的最大特點是環環摩擦副間有多種相對運動形式,如純滾動形式,即一個試樣作旋轉運動,另一試樣保持自由狀態,在摩擦力的作用下與對磨試樣做滾動摩擦;純滑動形式,即一個試樣作旋轉運動,另一試樣固定不動;反向滑動形式,即一個試樣作旋轉運動,另一試樣作反向旋轉運動,形成相對速度較大的滑動摩擦;滾滑複合運動形式,即一個試樣作旋轉運動,另一試樣作同向旋轉運動,但兩試樣旋轉速度有一定的速比,形成帶有滑差率的滾滑複合運動。另外,該機還具有往複摩擦、間歇摩擦功能,做往複摩擦時最大往複運動距離達4mm。
    ③ MMU-10G型材料端麵摩擦磨損試驗機最大加載負荷為10kN(液壓加載),試驗溫度最高可達800℃,主要是采用滑動摩擦的形式,在規定的試驗條件下用來評定各種金屬材料、工程塑料、粉末冶金、合金軸承等的摩擦磨損性能。該設備的主要特點是加載負荷大、試驗溫度高等,比較適合於金屬材料幹摩擦工況下摩擦偶件摩擦係數及磨損率的測試。端麵摩擦磨損試驗機摩擦偶件的接觸形式為麵麵接觸,即上試樣為環形端麵或圓柱銷端麵,下試樣為盤形端麵。試驗時,下試樣固定不動,上試樣在一定的載荷下與下試樣接觸作旋轉運動。
    ④ MRH-3型高速環塊摩擦磨損試驗機主要是用於各種潤滑油和脂的潤滑性能評定,尤其適用於中、高檔汽車齒輪油抗擦傷性能的評定,也可用於固體潤滑材料的潤滑性能評定及各種金屬與非金屬材料的磨損試驗。GB/T12444.2-90《金屬磨損試驗方法》、SH/T0073-91《噴氣航空燃料抗磨指數測定法》等指定在高速環塊試驗機上進行。高速環塊試驗機的最高轉速可達5000r/min。該設備的摩擦偶件接觸形式為線接觸,即上試樣塊下平麵與下試樣環圓周麵的切線接觸。在做潤滑油和脂的潤滑性能試驗時,用標準的環塊試樣,把試驗油或脂加注到試驗腔體內,讓標準環塊試樣在試驗油或脂中在一定的試驗條件下作相對運動。試驗結束後,可測取試塊上磨痕的寬度來評定試驗油或脂的潤滑及抗擦傷性能。在做各種金屬與非金屬材料的磨損試驗時,把試驗材料製成標準尺寸的環和塊試樣,在一定的試驗條件下(載荷、轉速、時間、溫度、潤滑等),使摩擦偶件作相對運動。在試驗過程中,測量摩擦偶件間的摩擦係數以評定其摩擦性能,試驗結束後還可用失重法測得在該試驗條件下的磨損率。
4.綜述
    摩擦磨損試驗的設計是摩擦學研究中重要一個環節,而在設計摩擦磨損試驗中又離不開試驗設備的選型。隻有正確的選取試驗設備,精確的模擬實際使用條件,才能得到實用性好、表征明顯的實驗數據,以利於研究和實際應用。
 

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