端面接触摩擦磨损试验机的研制

　　1 前 言

　　摩擦磨损试验机是进行摩擦学实验研究必不可少的实验设备，机械设备中的零部件的摩擦磨损性能是由材料、工作参数、接触几何及环境条件等因素决定的;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[1]。为了研究直升机发动机齿轮端面垫片的摩擦特性，从而选择优质材料和改性方法，需要研制一台工作状态与之相应的摩擦磨损试验机，该试验机可以在干摩擦或润滑状态、常温或高温环境下进行端面对磨实验，该试验机由主体、试样装夹附件、压力传感器和计算机数据采集及处理系统组成，通过实验可以得到指定时间段里的摩擦系数，该试验机可在一定范围内实行载荷、速度控制，利用虚拟测试软件 LabVIEW 建立友好的虚拟仪器面板，可完成对摩擦力数据的采集、动态曲线显示及数据保存。

　　2 实验原理

　　材料的摩擦性能指标一般包括摩擦系数及耐磨性，对于表面涂层材料还应包括接触疲劳寿命;实验测得的摩擦系数 f 要与实验条件对应，统一使用库仑定律 f=Ff/N，外界施加一定载荷 N 的情况下，测出摩擦力 Ff，求得摩擦系数 f[2]。以磨损率(dW/ds)和磨损速率(dW/dt)两项指标作为测定耐磨性的基本指标[3]，结合实际情况，将其扩展为在一定的条件下，经过一定时间摩擦实验后，根据磨痕的体积、宽度或面积来衡量摩擦材料的耐磨性。

　　3 试验机的结构、工作原理及其测试系统

　　3.1 试验机结构

　　该试验机为立式结构试验机，由主体、试样装夹附件、压力传感器及数据采集及处理系统组成，试验机结构原理图如图1 所示。

　　调速电机 16 通 过带传动带动主轴 12 旋转，下试样 9 安装在下试样夹具 10上并随主轴一起旋转，与相对静止的上试样 8 组成摩擦副。加载杆 5 通过联轴节 6 固定在基座上，外加载荷 1 通过加载杆放大后，以点接触的方式施加到上试样夹具 7上;上试样安装在上试样夹具上并与横梁 3 固接，横梁两端的圆孔空套在支柱上以阻止上试样的转动，同时还可以沿支柱 4 上下自由移动，在实验中当试样磨损后依然可以保证法向外载荷大小不变。横梁 3两端孔的侧面各装有一个压力传感器2，用来测量上下试样间的摩擦阻力矩，力传感器 2 输出的信号传送给计算机，通过数据采集系统进行处理，计算得到摩擦系数平均值。该试验机的实验台的详细结构图如图 2所示。

　　产生摩擦力 Ff所要施加的正压力N 由加载杆放大后的载荷、上试样自重、上试样夹具自重和横梁自重之和产生，加载杆与上试样夹具之间的接触为点接触，根据该试验机的工作原理可知加载杆几乎不会对所测的摩擦力及摩擦系数有影响。该试验机的优点体现在利用加载杆实现加载力的放大，只要相对很小的力就能实现很大的加载力;而且实验台结构简单，但能够完成我们所需要的功能，且随着上下试样的磨损，横梁会自动沿着支柱下降以满足加载力不变。该摩擦磨损试验机还可以进行不同尺寸齿轮与垫片的端面对摩实验，只要更换上下试样的夹具，就可以针对不同尺寸齿轮与垫片进行实验。