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1.摩擦磨损概述
     摩擦学既是综合运用多领域、多学科知识的理论科学,又是与生产实践密切关联的科学,在新材料与新能源的研究、开发与应用中发挥着巨大的指导作用与经济效益,可以达到节能、提高磨损寿命和机械工作性能、解决极端工况条件下的摩擦、磨损、润滑问题的目的。随着现代科学技术的发展,越来越多的科研院所和大中型企业对摩擦磨损研究的意义越来越重视。摩擦磨损对于节能、节材从而保护环境具有重要的意义。一般认为,人类一次资源大约1/3是消耗于摩擦,约有70%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的。节约材料也是节约资源。目前,我国的GDP占世界的4%,却消耗了占世界30%-40%的钢、50%的水泥,我国的等当量GDP能耗是美国的2倍,欧洲的3倍,日本的4倍。要赶上或接近先进国家的能耗水平,摩擦学在解决国家发展中所遇到的资源、能源和环境保护等问题中,有着特别突出的作用!
   摩擦学这一学科领域在我国起步较晚,发展比较缓慢。因此,我国摩擦学研究在节约资源、能源方面的独特作用还没有充分发挥出来,在技术推广和应用、人才培训等方面还需各方面做大量的工作。本文就固体材料及润滑油的摩擦磨损试验设计及设备选型作一简单介绍。
2.摩擦磨损模拟试验原理简介
      摩擦磨损模拟试验是在实际使用条件下对测试对象进行试验,同时改变各种试验参数来测定其对试验材料的摩擦磨损性能的影响,而且这种模拟试验相对于台架试验具有测试数据重复性和规律性好的优点,便于进行对比分析,还可更改试验参数,使得试验周期缩短,试验成本降低,可用来重复的对大量试件进行试验。但这种试验方法所测得的结果,不能完全反映出实际工况复杂的摩擦磨损状况,往往只用于研究,只有精确的模拟试验得到的结果才有较好的实用性。
      摩擦磨损模拟试验的主要参数是试验力、相对运动速度、环境温度、试验时间、润滑介质和摩擦形式等。由于影响摩擦磨损的因素众多,而摩擦磨损本身就较为复杂,稍微改变某一试验参数就可能导致试验材料的摩擦磨损性能发生较大的改变,而且各种因素又是相互关联的,所以很难通过模拟试验就能清晰地分辨出其影响因素并且量化。材料的摩擦磨损性能与材料的强度、硬度不同,它不是材料的固有特性,而是在一定条件下物理特性和化学特性的综合表现,固材料的摩擦磨损性能是相对的,是在一定条件下对材料抗摩耐磨性能的描述。
3.摩擦磨损试验设计及试验设备选型
  3.1固体材料摩擦磨损试验的设计
    摩擦磨损试验根据试验目的可分为两大类:一种是研究性的摩擦磨损试验,主要研究摩擦磨损现象的规律性,了解和探讨摩擦磨损现象的机理,以及影响摩擦磨损性能的有关参数;另一种是应用性的摩擦磨损试验,主要将试验的结果直接应用到生产中。如材料及材料表面处理的耐磨性能等。
固体材料的摩擦磨损试验采用的主要接触形式就是点、线、面。试验者要根据自己的实际模拟工况,选择合适的模拟接触形式,以求试验结果更具有真实性。能模拟点、线、面等摩擦形式的试验机主要有立式万能摩擦磨损试验机、MMS-2A磨损试验机、MMU材料端面摩擦磨损试验机、高速环块试验机等,这些试验机均可评定各种固体材料的摩擦磨损性能。下面对上述各种设备的使用范围逐一做出简要介绍。
 3.2固体材料摩擦磨损试验的设备选型
    MMW-1A万能摩擦磨损试验机具有多种摩擦副,如销盘摩擦副、止推圈摩擦副、球盘摩擦副、凸轮齿轮摩擦副、粘滑摩擦副、四球摩擦副等。销盘摩擦副分为圆头销-盘摩擦副、圆柱销-盘摩擦副、方销-盘摩擦副,圆头销-盘摩擦副主要模拟点面接触摩擦形式,圆柱销-盘摩擦副和方销-盘摩擦副主要模拟面面接触摩擦形式。止推圈摩擦副是两个圆环面接触,在一定的接触应力下作相对运动,该摩擦副主要模拟面面接触摩擦形式。球盘摩擦副是上试样用标准直径øφ12.7或øφ6.35的钢球,下试样为试验者自定材料制成的盘在一定接触应力下作相对运动而模拟点面摩擦形式。凸轮齿轮摩擦副是一种模拟滚滑复合运动的摩擦形式,其结构是由中间滚子用标准圆柱销,滚子上下各有试验者自定材料的摩擦偶件组成的,该摩擦副模拟线面接触摩擦形式,主要用于轴承模拟摩擦磨损试验中。粘滑摩擦副和四球摩擦副是用在油品摩擦润滑性能的评定,具体使用范围将在后面润滑油摩擦磨损试验中介绍。另外该机还具有对摩擦副加热功能,对摩擦副添加液体介质功能,可使各种试验在一定温度下、某种液体介质中进行,还可根据试验者的实际应用制作出特种形式的摩擦副。
    MMS-2A磨损试验机主要是用来试验各种金属、非金属材料(尼龙、塑料等)在滑动摩擦、滚动摩擦、滚滑复合摩擦等状态下及在湿摩擦、干摩擦、磨料磨损等工况下的耐磨性能的。该试验机是GB3960-83《塑料滑动摩擦磨损试验方法》推荐机型,它能模拟线线接触、面面接触的摩擦形式
 
1.摩擦磨损模拟试验概述
    摩擦磨损模拟试验是在实际使用条件下对测试对象进行试验,同时改变各种试验参数来测定其对试验材料的摩擦磨损性能的影响,而且这种模拟试验相对于台架试验具有测试数据重复性和规律性好的优点,便于进行对比分析。还可更改试验参数,使得试验周期缩短,试验成本降低,可用来重复的对大量试件进行试验。但这种试验方法所测得的结果,不能完全反映出实际工况复杂的摩擦磨损状况,往往只用于研究,只有精确的模拟试验得到的结果才有较好的实用性。
    摩擦磨损模拟试验的主要参数是试验力、相对运动速度、环境温度、试验时间、润滑介质和摩擦形式等。由于影响摩擦磨损的因素众多,而摩擦磨损本身就较为复杂,稍微改变某一试验参数就可能导致试验材料的摩擦磨损性能发生较大的改变,而且各种因素又是相互关联的,所以很难通过模拟试验就能清晰地分辨出其影响因素并且量化。材料的摩擦磨损性能与材料的强度、硬度不同,它不是材料的固有特性,而是在一定条件下物理特性和化学特性的综合表现,固材料的摩擦磨损性能是相对的,是在一定条件下对材料抗摩耐磨性能的描述。
2.摩擦磨损试验设计及试验设备选型
  2.1固体材料摩擦磨损试验的设计
    摩擦磨损试验根据试验目的可分为两大类:一种是研究性的摩擦磨损试验,主要研究摩擦磨损现象的规律性,了解和探讨摩擦磨损现象的机理,以及影响摩擦磨损性能的有关参数;另一种是应用性的摩擦磨损试验,主要将试验的结果直接应用到生产中。
    固体材料的摩擦磨损试验采用的主要接触形式就是点、线、面。试验者要根据自己的实际模拟工况,选择合适的模拟接触形式,以求试验结果更具有真实性。能模拟点、线、面等摩擦形式的试验机主要有MMW-1A  型立式万能摩擦磨损试验机、MMS-2A型磨损试验机、MMU-10G型材料端面摩擦磨损试验机、MRH-3型高速环块试验机等,这些试验机均可评定各种固体材料的摩擦磨损性能。下面对上述各种设备的使用范围逐一做出简要介绍。
 2.2摩擦磨损试验的设备选型原则
    在进行摩擦磨损试验设备选型时,要遵循以下原则:
   ① 模拟形式要最大程度的模拟实际工况(试验条件);
   ② 试样易于制备,节约试验成本;
   ③ 可更改试验条件性好,以便缩短试验周期;
   ④ 试验设备易于操作。
 2.3固体材料摩擦磨损试验的设备选型
   ① MMW-1A型立式万能摩擦磨损试验机的最大加载负荷为1000N、摩擦副相对最大运动速度为7.2m/s、可测定的最大摩擦力矩为5N·m,它可以滚动、滑动或滑滚复合运动的摩擦形式,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。该试验机可配备多种摩擦副,如销盘摩擦副、止推圈摩擦副、球盘摩擦副、凸轮齿轮摩擦副、粘滑摩擦副、四球摩擦副等。销盘摩擦副分为圆头销-盘摩擦副、圆柱销-盘摩擦副、方销-盘摩擦副,圆头销-盘摩擦副主要模拟点面接触摩擦形式,圆柱销-盘摩擦副和方销-盘摩擦副主要模拟面面接触摩擦形式。止推圈摩擦副是两个圆环面接触,在一定的接触应力下作相对运动,该摩擦副主要模拟面面接触摩擦形式。球盘摩擦副是上试样用标准直径ø12.7或ø6.35的钢球,下试样为试验者自定材料制成的盘在一定接触应力下作相对运动而模拟点面摩擦形式。凸轮齿轮摩擦副是一种模拟滚滑复合运动的摩擦形式,其结构是由中间滚子用标准圆柱销,滚子上下各有试验者自定材料的摩擦偶件组成的,该摩擦副模拟线面接触摩擦形式,主要用于轴承模拟摩擦磨损试验中。粘滑摩擦副和四球摩擦副是用在油品摩擦润滑性能的评定,具体使用范围将在后面润滑油摩擦磨损试验中介绍。另外该机还具有对摩擦副加热功能,对摩擦副添加液体介质功能,可使各种试验在一定温度下、某种液体介质中进行,还可根据试验者的实际应用制作出特种形式的摩擦副。
   ② MMS-2A型磨损试验机的最大加载负荷为2000N、可测定的最大摩擦力矩为15N·m,它主要是用来试验各种金属、非金属材料(尼龙、塑料等)在滑动摩擦、滚动摩擦、滚滑复合摩擦等状态下及在湿摩擦、干摩擦、磨料磨损等工况下的耐磨性能。该试验机是GB3960-83《塑料滑动摩擦磨损试验方法》和GB/T12444.1-90《金属磨损试验方法》指定使用机型,它能模拟线线接触、面面接触的摩擦形式。模拟线线接触的摩擦副有环环摩擦副、环块摩擦副等,模拟面面接触的摩擦副有环蝶摩擦副(2α角接触)。该试验机的最大特点是环环摩擦副间有多种相对运动形式,如纯滚动形式,即一个试样作旋转运动,另一试样保持自由状态,在摩擦力的作用下与对磨试样做滚动摩擦;纯滑动形式,即一个试样作旋转运动,另一试样固定不动;反向滑动形式,即一个试样作旋转运动,另一试样作反向旋转运动,形成相对速度较大的滑动摩擦;滚滑复合运动形式,即一个试样作旋转运动,另一试样作同向旋转运动,但两试样旋转速度有一定的速比,形成带有滑差率的滚滑复合运动。另外,该机还具有往复摩擦、间歇摩擦功能,做往复摩擦时最大往复运动距离达4mm。
    ③ MMU-10G型材料端面摩擦磨损试验机最大加载负荷为10kN(液压加载),试验温度最高可达800℃,主要是采用滑动摩擦的形式,在规定的试验条件下用来评定各种金属材料、工程塑料、粉末冶金、合金轴承等的摩擦磨损性能。该设备的主要特点是加载负荷大、试验温度高等,比较适合于金属材料干摩擦工况下摩擦偶件摩擦系数及磨损率的测试。端面摩擦磨损试验机摩擦偶件的接触形式为面面接触,即上试样为环形端面或圆柱销端面,下试样为盘形端面。试验时,下试样固定不动,上试样在一定的载荷下与下试样接触作旋转运动。
    ④ MRH-3型高速环块摩擦磨损试验机主要是用于各种润滑油和脂的润滑性能评定,尤其适用于中、高档汽车齿轮油抗擦伤性能的评定,也可用于固体润滑材料的润滑性能评定及各种金属与非金属材料的磨损试验。GB/T12444.2-90《金属磨损试验方法》、SH/T0073-91《喷气航空燃料抗磨指数测定法》等指定在高速环块试验机上进行。高速环块试验机的最高转速可达5000r/min。该设备的摩擦偶件接触形式为线接触,即上试样块下平面与下试样环圆周面的切线接触。在做润滑油和脂的润滑性能试验时,用标准的环块试样,把试验油或脂加注到试验腔体内,让标准环块试样在试验油或脂中在一定的试验条件下作相对运动。试验结束后,可测取试块上磨痕的宽度来评定试验油或脂的润滑及抗擦伤性能。在做各种金属与非金属材料的磨损试验时,把试验材料制成标准尺寸的环和块试样,在一定的试验条件下(载荷、转速、时间、温度、润滑等),使摩擦偶件作相对运动。在试验过程中,测量摩擦偶件间的摩擦系数以评定其摩擦性能,试验结束后还可用失重法测得在该试验条件下的磨损率。
4.综述
    摩擦磨损试验的设计是摩擦学研究中重要一个环节,而在设计摩擦磨损试验中又离不开试验设备的选型。只有正确的选取试验设备,精确的模拟实际使用条件,才能得到实用性好、表征明显的实验数据,以利于研究和实际应用。
 

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