摩擦摆在实验教学中的应用

当前,摩擦学作为一门学科已经得到了迅速发展,摩擦学理论已被越来越多地用来解决机械设计中的许多问题。近年来,国内“机械设计”教材也因此相应地增加了摩擦学方面的篇幅,不少工科院校还对机械类专业本科学生开出了摩擦学方面的选修或必修课程。但是,摩擦学实验教学还远远跟不上形势的发展,许多学校缺乏相应的实验设备和实验教学手段。所以,当人们面临着要解决生产实际中的摩擦学问题时,往往没有可供直接利用的实验验证装置。本文所讨论的摩擦摆实验装置最初是为验证生产中的摩擦学问题而设计的,以后才被用来进行摩擦学实验教学。实践表明,这一经得起生产实际检验的装置完全能够进行多项内容的摩擦学实验研究。

一、摩擦摆的实际应用

某些生产工艺过程中产生的振动和噪声是摩擦自激振动的直接结果。滑动摩擦副系统发生自激振动有两个主要原因:其一是滑动副间静、动摩擦力之差较大;其二为滑动摩擦系数具有随相对滑动速度增加而减小的下降特性[1]。为了能在实验室条件下找到适当的减振降噪措施,首先就需要对生产实际中的摩擦过程进行模拟。通过对摩擦摆的理论分析可知,用摩擦摆的心轴和摆环来分别模拟作相对滑动的部件是完全合理的。它们不仅可以模拟机床中滑动部件的运动,而且可以模拟诸如坯料进入轧辊或型材进入矫直机这样的工艺过程。通过更换心轴或摆环,可以实现不同的摩擦副材料配对。借助调速器,可以十分方便地调整心轴与摆环间的相对滑动速度。采用非接触式的电磁加载方式,既可以不变更摩擦摆的转动惯量、不影响摩擦摆系统的固有力学特性,又可以在不停车状态下随意加载而不会产生冲击。这种加载方式的优越性是接触式加载方式无法与之相比的。下图所示即为摩擦摆及其测试系统的原理简图。

这一系统使得人们可以在实验室条件下十分方便地研究摩擦过程、润滑剂的油性及其抵抗摩擦自激振动的能力。笔者配制的一种油品经摩擦摆实验测试之后即投入生产现场应用取得了有效消除高达120dB (A)啸叫噪声的突出效果[2]。

二、摩擦摆实验教学实践

图1所示系统具有结构简单,设备小型通用以及测试项目多样化等特点,十分适合用于摩擦学的实验教学之中。开出这一实验将在某种程度上丰富摩擦学的教学内容,学生通过这一实验可以增加对摩擦学研究方法的了解,可以加深对课堂理论知识的理解与掌握,同时也可提高他们动手解决实际问题的能力。摩擦摆装置的第一次教学实验实践是在笔者指导机械专业本科学生的毕业论文期间完成的。某些学生的毕业论文的专题部分是论述润滑剂在消除自激振动中的作用,学生之所以能够完成这一毕业课题,就是因为实验室提供了图1所示的实验测试系统。在学生的论文中,摩擦摆实验研究占有较大篇幅,其中主要讨论的内容有:(1)摩擦摆实验的理论依据; (2)实验方法; (3)力能参数的标定方法和标定曲线的绘制;(4)数据处理及讨论; (5)几种油品的特性及实用效果等。