单摆冲击划痕法测试设备的优化

　　0　引言

　　磨损是造成机器零件、构件失效的主要原因之一,不仅由于频繁地更换零件,会造成生产率的下降,整体设备的使用寿命也会降低,而且还直接造成金属材料和能源的极大浪费。而磨损状态监测一直是摩擦学领域的研究重点,但因影响磨损的因素较多,很难用常规数学模型预测磨损状况,在摩擦过程中产生的磨粒形态复杂,特征隐含性强,磨粒群体中单个磨粒的出现及分布具有很强的不确定性。磨损的过程一般包括变形能耗、表面能耗、滑动摩擦热消耗能量以及机械振动等其他能耗。由于磨粒磨损过程的复杂性,近年来,出现了很多测量磨损的方法,　　其中比较容易控制磨损条件的单颗粒磨损试验机得到了人们的青睐。

　　1　凿削磨损测试的发展及存在的问题

　　单摆冲击法是20世纪70年代末由瑞典Uppsala大学的O.Vingsbo等人首先提出的,其应用背景主要是为有效模拟材料的磨粒磨损并节约试验费用降低试验周期。它能较好模拟单颗粒磨粒以一定冲击力滑过材料表面的单元过程,具有磨粒磨损的微犁削和微切削作用及冲蚀的冲击加载特点,更符合实际工况。在凿削磨损研究方面瑞典的Bryggman等人建立了一种单摆冲击试验机式的单颗粒凿削磨损试验机,并试图从磨损能量消耗的角度来比较和研究材料的凿削磨抗能力。这种方法对研究冶金矿山机械和农业机械等领域普遍存在的冲击磨粒磨损行为具有重要的使用意义。在经过Vingsbo、B.Lamy、F.E.Kennedy和李诗卓等人的工作后,得到了很大的进步。

　　20世纪80年代末期,李诗卓等人改制单摆冲击划痕试验机并用于改型表面及非均匀材料表层力学行为的研究,提出了将应力和能耗突变作为膜/基结合情况的标志,而与之对应的法向载荷Fn定义为评价膜/基体系承载能力的判据。

　　近年来,国内比较先进的摩擦磨损测试设备是中国科学院金属研究所摩擦磨损实验室自行研制的单摆冲击划痕试验机。该机兼测滑动磨损和冲击磨损的特点,能较好地模拟单一磨粒以一定的冲击力犁削材料表面的单元过程,它区别于削盘式或往复式等磨损试验机的平稳加载工况,在试验过程中可以记录划痕过程中的切向力和法向力随时间的变化,故更接近于大多数工件的服役条件。但是,该机采用记忆示波器,程序是固化在ROM中的,所以不能按实际实验要求对其进行修改。

　　2　单摆冲击划痕实验机的改进过程

　　单颗粒凿削磨损试验机的研制可以分为3个部分:冲击试验机的改造,单片机数据采集系统的开发以及后期的数据处理。

　　采用单片机数据采集系统,将采集到的原始数据送计算机进行处理,可根据实际需要设计数据处理程序,可根据试验条件的变化动态地修改程序。同时,抛开了传统试验机需要对每个试样进行很多次试验的弊端,只需对每个试样进行一次测定,通过计算,对划痕进行标定,即可计算出2个点之间的划痕体积。由于2个点之间的划痕体积不同,故可模拟多次进行不同体积划痕的试验,简化了试验过程和试验设备。为了促进新近发展起来的单摆冲击划痕法在磨损研究领域的应用,考察材料在单摆冲击划痕下的磨损规律,在该设备的基础上进行改进。