多功能摩擦试验机的研制与应用

　　引　　言

　　机械设备中零部件的摩擦磨损性能是由材料(摩擦副配对及润滑剂)、工作参数(载荷、速度)、接触几何和环境条件(温度、气氛等)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试验机和评价参数。有时为了全面评价一种材料的摩擦磨损性能,需要同时配置多台不同用途的试验机。本文结合某航空预研课　　题的研究,研制出一种可以在干摩擦或润滑状态、常温或高温环境下进行销盘试验、环块试验、接触疲劳试验的摩擦试验机。该摩擦试验机可以对同一盘试样进行摩擦、摩损和接触疲　　劳性能的试验,避免了试样制备中的误差,试验结果更准确,重复性更好,有效地提高了工作效率。

　　1　试验原理

　　评价材料摩擦性能的指标通常包括摩擦系数和耐磨性,对于表面涂层材料还应包括接触疲劳寿命。测定摩擦系数f必须与试验条件相对应,同时统一使用库仑定律

　　在外界施加一定载荷P的前提下,测出摩擦力F,从而求得摩擦系数[1]。在试验中如两试样为线接触,则该位置的接触应力最大值σH用赫兹公式求得

　　式中:Fn为法向应力;ρ1,ρ2分别为接触点处的曲率半径;b为接触线长度;E1,E2分别为两试样的弹性模量;γ1,γ2分别为两试样的泊松比。以磨损速率(dW/dt)和磨损率(dW/ds)两项指标作为测定耐磨性的基本指标[2],结合实际情况,将其扩展为在一定的条件下,经过一定时间的摩擦试验后,根据磨痕体积、磨痕宽度或面积来衡量耐磨性。

　　测定接触疲劳寿命是利用滚轮在试样表面滚动,滚轮每滚动一圈,试样承受一次交变载荷。预先确定转速,根据涂层开始产生疲劳破坏时的累计旋转圈数(即载荷交变次数),或分析试样承受一定次数交变载荷后的表面状况,确定其接触疲劳寿命[3,4]。

　　2　试验机的结构、组成及其主要性能指标

　　该试验机为立式结构,由主体、试样装夹附件和数据采集及处理系统组成,如图1所示。

　　调速电机通过一组皮带轮带动主轴旋转,主轴上的夹头可以根据需要更换。加载杆通过万向联轴节固定在基座上,外载荷通过加载杆放大后施加到试样上。加载杆上装有测量摩擦力的传感器,传感器输出的信号传送给数据采集系统进行处理和分析。加载杆上的固定座可以改装其它附件,以满足不同的试验要求。基座台面上可以放置润滑附件或加热附件。试样一般为圆盘状,易于加工并获得必要的精度。

　　该试验机可以进行滑动摩擦试验和滚动摩擦试验,通过选装不同的附件来实现。滑动摩擦试验有销盘试验和环块试验,分别见图1,2所示。上下试样之间的接触可以是点、线或面接触。这种安排用于评价摩擦副之间间歇工作的情况。如啮合齿轮的运动,齿轮每转一周,每个齿的齿面承受一次摩擦。图2为环块试验的示意图。上下试样可以是线接触,也可以是面接触。这种安排用于评价摩擦副中一个一直处于工作状态,而另一个处于间隙性工作状态的情况。如活塞环和缸体摩擦性能的评价,活塞环为上试样,缸体为下试样,所用试验材料直接取材于试验对象