王偉，孫見君，涂橋安，馬晨波

(南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

摩擦磨損試驗機發(fā)展現(xiàn)狀研究

王偉，孫見君，涂橋安，馬晨波

(南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

為了對材料摩擦磨損現(xiàn)象及其本質(zhì)進行試驗研究，并正確評價各種因素對摩擦磨損性能的影響，簡述了國內(nèi)外通用摩擦磨損試驗機及特種摩擦磨損試驗機的結(jié)構(gòu)和原理，介紹了幾種典型試驗機及其技術(shù)特征，并探討了摩擦磨損試驗機的發(fā)展方向。

摩擦磨損;試驗機;結(jié)構(gòu);技術(shù)特性

機械設(shè)備的相對運動部件之間都存在摩擦，由于潤滑不當而造成的非正常摩擦磨損，在影響人們生產(chǎn)活動的同時也造成了社會財富的巨大浪費。因此對摩擦磨損機理、材料的摩擦學(xué)性能進行研究至關(guān)重要，摩擦磨損試驗機則成了研究的關(guān)鍵設(shè)備。

摩擦磨損試驗機的種類很多，人們對其分類的方式也不相同。在國外，最具代表性的是前蘇聯(lián)學(xué)者И.В.克拉蓋爾斯基等［1］按模擬摩擦面的破壞形式將摩擦磨損試驗機分為8類;美國潤滑工程師協(xié)會按摩擦副的幾何形狀將摩擦磨損試驗機分為12類［2］。在國內(nèi)，合肥工業(yè)大學(xué)桂長林等［3］提出了一種按摩擦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和摩擦副的相對運動形式對摩擦磨損試驗機進行分類的方法，將摩擦磨損試驗機分成固體-固體試驗機、固體-固體加磨粒(或固體-磨粒)試驗機、固體-液體加磨粒(或固體-液體)試驗機、固體-氣體加磨粒試驗機以及其他特殊試驗機共5大類。本文對國內(nèi)外典型的及特種摩擦磨損試驗機的結(jié)構(gòu)及原理加以介紹，以期為研究人員進行摩擦磨損試驗的設(shè)計和設(shè)備選型提供參考。

1 通用摩擦磨損試驗機

通用摩擦磨損試驗機是使用范圍廣、工況簡單、具有較大通用性的一類摩擦磨損試驗機，這類試驗機是進行摩擦學(xué)研究的基本設(shè)備。

1.1 四球摩擦試驗機

四球摩擦試驗機主要用于滑動、轉(zhuǎn)動工況下潤滑油的潤滑性能研究，其摩擦副由3個固定球和1個與之壓緊的旋轉(zhuǎn)球組成，如圖1所示，試驗球直徑一般為12.7mm。實驗前，將被測試的潤滑油倒入油杯中，實驗結(jié)束后，根據(jù)測得的發(fā)生膠合時載荷的大小或者磨損痕跡的大小評定被測樣品的摩擦學(xué)性能。

圖1 四球摩擦試驗機摩擦學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成

濟南試驗機廠是國內(nèi)最早從事該型試驗機研制和生產(chǎn)的廠家，該廠于1965年研制的MQ-12型四球摩擦試驗機，滿足了我國石油工業(yè)和材料工業(yè)發(fā)展的迫切需求，然而該機存在體積大、穩(wěn)定性欠佳等不足。目前該公司研制的最新一代MRS-10G杠桿式四球摩擦磨損試驗機，最大加載載荷達到5 000N，主軸轉(zhuǎn)速可在100～1 500r/min間實現(xiàn)無級變速，試驗油溫度在室溫至100℃可調(diào)，自動化程度高、測量精確，是我國石化行業(yè)先進的檢測設(shè)備。美國FALEX公司有超過300臺FALEX四球摩擦試驗機在各個國家使用，該款試驗機設(shè)計有精密的加載系統(tǒng)，是檢驗潤滑材料是否滿足ASTM、ISO和DIN要求的標準試驗設(shè)備。該款試驗機分為可變驅(qū)動四球試驗機和標準四球試驗機，最大載荷分別為180kg與50kg，轉(zhuǎn)速分別為60～3 600r/min連續(xù)可調(diào)與600r/min，1 200r/min，1 800r/min三級變速。此外，該機具有自動加熱系統(tǒng)，試驗溫度最高可達到232℃。由于四球試驗機試件和工作方式都比較簡單，因而被廣泛使用，已被一些國家規(guī)定為標準試驗機。

1.2 端面摩擦磨損試驗機

端面摩擦磨損試驗機主要用于模擬和檢測面接觸摩擦副的摩擦學(xué)特性，如機械密封配對材料摩擦特性的研究。

端面摩擦磨損試驗機摩擦學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，通過加載盤使上、下試樣間保持試驗壓力，運動裝置帶動上試樣旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)試樣間的相對轉(zhuǎn)動。將端面摩擦副的內(nèi)徑和外徑以及試驗測得的正壓力及摩擦扭矩代入計算公式，可獲得相應(yīng)工況下摩擦副間的摩擦系數(shù)。濟南益華試驗機廠生產(chǎn)的MMU-2型高速端面摩擦磨損試驗機具有控制方式靈活、載荷范圍大(0～2 000N)、調(diào)速范圍廣(0～5 800r/min)、自動化程度高等特點，在國內(nèi)科研院校有著較為廣泛的應(yīng)用。國外專用的端面摩擦磨損試驗機較少，大多使用集多種功能于一體的多功能摩擦磨損試驗機進行端面摩擦磨損試驗，如FALEX公司的Falex-6型多試件摩擦磨損試驗機可在載荷0～3 600N、轉(zhuǎn)速150～7 200r/min的條件下進行球盤及端面等多種摩擦副試驗，參數(shù)控制精度高、功能齊全。

圖2 端面摩擦磨損試驗機摩擦學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成

1.3 往復(fù)式摩擦磨損試驗機

往復(fù)式摩擦磨損試驗機可對作往復(fù)運動的零件材料進行試驗研究，如氣缸套和活塞環(huán)。試驗機中實現(xiàn)往復(fù)運動的機構(gòu)通常有曲柄滑塊機構(gòu)［4-6］、齒輪齒條機構(gòu)［7］、四桿機構(gòu)［8］、六桿機構(gòu)［9］等。國產(chǎn)WMJ-1500型試驗機是一款微機控制、全平衡式高速往復(fù)試驗機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。齒輪箱將旋轉(zhuǎn)運動變換為連桿的往復(fù)運動，試件裝在滑塊上，由連桿帶動作往復(fù)運動，主軸轉(zhuǎn)速200～1 500r/min，行程110mm;通過液壓缸對上試件進行實驗載荷加載，最大加載壓力12MPa。該試驗機可在室溫至250℃范圍內(nèi)進行干摩擦或滴油潤滑試驗，并可對溫度、載荷、往復(fù)運動速度等參數(shù)進行測量、顯示、記錄及打印。日本新東科學(xué)株式會社生產(chǎn)的14FW往復(fù)摩擦試驗機采用齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)往復(fù)運動，往復(fù)運動速度5～6 000mm/min，行程1～100mm，載荷0.1～20N。該機適用于各種平板材料或涂層表面的摩擦、磨損及劃痕試驗，還可利用摩擦磨損解析軟件進行平均動摩擦運算，避免了操作者個體產(chǎn)生的誤差。

圖3 WMJ-1500型往復(fù)式摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 環(huán)塊摩擦磨損試驗機

環(huán)塊摩擦磨損試驗機是一款用于線接觸摩擦副試驗的試驗機。該機摩擦副由轉(zhuǎn)動的標準旋轉(zhuǎn)圓環(huán)和與之壓緊的矩形塊組成，加載機構(gòu)與橫桿連接，可實現(xiàn)摩擦系數(shù)的測量，結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。通過測量不同載荷下矩形塊上出現(xiàn)的條形磨痕寬度，以及摩擦副材料間的摩擦力及摩擦系數(shù)，來評定潤滑劑的承載能力以及摩擦副材料的摩擦磨損性能。

圖4 環(huán)塊式摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

美國FALEX公司于20世紀80年代研發(fā)的Timken試驗機是最早的一款環(huán)塊試驗機。該機包括加載系統(tǒng)、潤滑脂填充系統(tǒng)及可根據(jù)用戶需要選配的變速馬達和冷卻系統(tǒng)，可提供最大3 400r/min的主軸轉(zhuǎn)速和500N的加載載荷。該試驗機是ASTM方法中潤滑脂負荷及潤滑液極端壓力特性測試的標準試驗機。濟南恒旭試驗機技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MRH-3A型環(huán)塊摩擦試驗機具有載荷范圍大(最大載荷3 000N)、主軸轉(zhuǎn)速范圍廣(200～6 000r/min)、操作方便等特點，在國內(nèi)科研院校中使用廣泛，是開展中高檔汽車齒輪油抗擦傷性能評定及材料摩擦學(xué)性能研究的重要設(shè)備。

1.5 微動摩擦磨損試驗機

微動摩擦磨損試驗機用于研究摩擦副接觸面間產(chǎn)生極小振幅而相對滑動時摩擦副材料或潤滑材料的摩擦學(xué)性能。從獲得微動位移幅度和交變應(yīng)力的動力源角度，微動摩擦磨損試驗機可分為機械驅(qū)動、電磁驅(qū)動和電液伺服驅(qū)動3種［10-11］。機械驅(qū)動通常使用凸輪或偏心輪機構(gòu)，振幅穩(wěn)定，成本低，但其自動化程度低，振動頻率通常低于50Hz，且難以實現(xiàn)極小位移幅值的運動;電磁驅(qū)動一般采用電磁振動或利用功能材料產(chǎn)生振動，頻率高、試驗設(shè)備體積小，但目前使用的電磁驅(qū)動試驗臺振幅不高、激振力較小;電液伺服驅(qū)動具有驅(qū)動力大，振幅、頻率變動范圍廣，能進行閉環(huán)和即時控制等特點，但該類型的設(shè)備體積較大、技術(shù)復(fù)雜、維護成本較高。濟南益華集團生產(chǎn)的WWM-1型微動摩擦試驗機可在不同載荷、溫度、氣氛或潤滑介質(zhì)條件下評定材料微動磨損特性，其試驗載荷、往復(fù)頻率、試驗溫度及振幅范圍分別為40～2 000N、5～50Hz、室溫～700℃、20～400μm，該機可采用手動及自動兩種控制方式，操作方便、自動化程度高。德國Optimol公司生產(chǎn)的SRV-Ⅳ微動摩擦磨損試驗機如圖5所示，該機通過曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)摩擦副的快速擺動，可在接觸載荷10～2 000N、振動頻率1～511Hz、振幅0～5mm范圍內(nèi)對各種油、脂、潤滑材料在微動或振動運動形式下的減摩抗磨及抗疲勞性能進行評定。該機具有運行平穩(wěn)、精度高、免維護等特點，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

此外，常用的通用摩擦磨損試驗機還有銷盤摩擦磨損試驗機、沖擊摩擦磨損試驗機以及可進行多種摩擦副接觸及運動形式試驗的多功能摩擦磨損試驗機等［12-15］。這些試驗機也都已實現(xiàn)商品化，在摩擦學(xué)研究的各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

圖5 SRV-Ⅳ微動摩擦磨損試驗機

2 特種摩擦磨損試驗機

航空航天及空間科技等高技術(shù)工程的發(fā)展，對材料在高溫、高速、真空等特殊工況下的摩擦學(xué)性能要求越來越高。在特殊工況下，通用摩擦磨損試驗機已無法滿足使用要求，特種摩擦磨損試驗設(shè)備應(yīng)運而生。

2.1 高溫摩擦磨損試驗機

在航空航天等高科技領(lǐng)域中，特定材料在高溫工況下需要保持良好的摩擦學(xué)性能，因而高溫摩擦磨損試驗機的研發(fā)具有重要意義。

Soemantri S等［16］在20世紀80年代初研制成功了一款高溫磨料磨損試驗機，并用該試驗機進行了純銅和純鋁的磨粒磨損性能研究。隨后，Tischer A等［17］研制了一臺如圖6所示的氣氛可控高溫磨料磨損試驗機，該機可以較好地控制試驗氣體氛圍以及溫度、摩擦速度等試驗參數(shù)。試驗結(jié)果表明，該型試驗機有著良好的數(shù)據(jù)重復(fù)性，但存在著諸如缺少冷卻系統(tǒng)、磨料難以進入摩擦面等不足。

圖6 高溫磨料磨損試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

武文忠等［18］在Tischer A所研制的高溫磨料磨損試驗機的基礎(chǔ)上，研制了一臺高溫氧化三體磨損試驗機，摩擦學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成如圖7所示。該試驗機主軸轉(zhuǎn)速30r/min、60r/min、90r/min三級可調(diào)，可在溫度20℃～900℃、載荷0～70N、磨料流量2～60g/min范圍內(nèi)進行試驗。此外，氣氛中氧分壓在0～0.02MPa間可調(diào)，可用于研究高溫磨損和高溫氧化腐蝕之間的交互作用。經(jīng)試驗表明，該機試驗數(shù)據(jù)重復(fù)性及鑒別率良好。

圖7 高溫氧化三體磨損試驗機摩擦學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成

楊學(xué)軍等［19］研制了一臺如圖8所示的高溫摩擦磨損試驗機，該試驗機采用銷盤摩擦副結(jié)構(gòu)形式，具有工況模擬準確、可靠性高、摩擦速度可調(diào)(主軸轉(zhuǎn)速0～1 000r/min連續(xù)可調(diào))、溫度范圍廣(室溫～1 000℃)等特點，可以很好地滿足高溫工況下材料摩擦學(xué)性能的研究需要。

圖8 高溫銷盤磨損試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

蘭州中科凱華科技有限公司開發(fā)了HT-1000型高溫摩擦磨損試驗機。該試驗機可在室溫至1 000℃范圍內(nèi)、不同惰性氣體氣氛中進行銷盤摩擦副試驗。它通過高溫爐將置于爐內(nèi)的上摩擦副樣品加熱至所需溫度，加載機構(gòu)對上試樣施加載荷，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動樣品盤及下摩擦副轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)銷盤摩擦副試驗。由計算機對傳感器測得的參數(shù)進行處理并進行即時圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲。該試驗機轉(zhuǎn)速和載荷范圍分別為100～2 800r/min、0.5～20N，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、參數(shù)控制精確等優(yōu)點。世界知名的表面力學(xué)性能測試設(shè)備供應(yīng)商瑞士CSM公司開發(fā)了THT型高溫銷盤摩擦磨損測試儀，該機具有高效精準的控溫系統(tǒng)，可實現(xiàn)溫度的實時測量，最高可提供1 000℃的試驗溫度，主軸轉(zhuǎn)速0～1 700r/min連續(xù)可調(diào)，載荷范圍1～70N，操作方便、數(shù)據(jù)可靠，此外，該機還可以在液體本身物理條件允許的情況下，在液體環(huán)境中進行高溫摩擦試驗。

2.2 高速摩擦磨損試驗機

在航空、化工和透平機械中，摩擦表面的相對滑動速度通常超過50m/s，甚至達到60m/s以上，用于模擬高速摩擦工況的高速摩擦磨損試驗機也相繼出現(xiàn)。

李霞等［20］設(shè)計了一款最大滑動速度可達70m/s的盤塊式高速摩擦磨損試驗機。該試驗機由動力、慣性、夾持、加載、測試和控制系統(tǒng)構(gòu)成，可實現(xiàn)磨損量、摩擦力、載荷等測試數(shù)據(jù)的即時顯示與記錄，適用于金屬材料、陶瓷材料等固體材料及表面涂層的摩擦學(xué)性能研究。謝軍等［21］研制了一款用于樞軸寶石軸承壽命研究的高速摩擦磨損試驗機，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。該機設(shè)計轉(zhuǎn)速可達51 000r/min，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、速度可調(diào)，可較好地模擬實際工況，此外還可加設(shè)紅外測溫儀來測量摩擦溫度。

圖9 高速摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

鐵喜順等［22］研制了HST-100型高速載流摩擦磨損試驗機，很好地滿足了高速列車受電弓-滑板材料摩擦性能的研究需求，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。試驗時，主電機啟動，帶動摩擦盤旋轉(zhuǎn)，加載軸使銷試樣緊貼摩擦盤，施加試驗載荷，啟動電源，即可進行試驗。該試驗機具有高速度(最高線速度100m/s)、大載荷(最大載荷500N)、大電流(最大電流300A)等特點，能夠在高速工況下進行不同材質(zhì)摩擦副材料的載流摩擦磨損試驗。

圖10 HST-100高速載流摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

濟南恒旭試驗機技術(shù)有限公司開發(fā)了FHC型高速載流摩擦磨損試驗機，該機采用銷盤結(jié)構(gòu)，可在恒定載荷與交變載荷條件下進行試驗，最大加載載荷300N，主軸轉(zhuǎn)速在200～12 000r/min范圍內(nèi)可調(diào)，載流范圍0～800A，具有精度高、壽命長的特點。美國NANOVEA公司研發(fā)了一款高速納米摩擦磨損試驗機，該機采用高精度壓電陶瓷控制器及載荷控制系統(tǒng)，最高速度可達1 400mm/s，最高載荷2N，摩擦長度10μm～10mm，具有體積小、精度高等優(yōu)點。

2.3 真空摩擦磨損試驗機

隨著航天及空間技術(shù)的發(fā)展，真空條件下材料的摩擦學(xué)性能研究備受關(guān)注，真空摩擦磨損試驗機的研制成為摩擦學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點［23］。

崔周平等［24］研制的MT-1型真空摩擦磨損試驗機最高可提供6.7×10-3Pa的真空環(huán)境，該機采用微機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和處理，載荷測量和速度調(diào)節(jié)范圍大，具有較好的數(shù)據(jù)重復(fù)性和精確度。宋寶玉等［25］研制了可提供4×10-3Pa真空環(huán)境的SY-1型真空摩擦磨損試驗機，該機為球盤結(jié)構(gòu)，可在0～2 800r/min主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行真空、不同氣體環(huán)境以及加熱及冷卻等多種條件下的材料摩擦學(xué)性能測試，此外該機還可對試驗數(shù)據(jù)進行自動采集和處理，自動化程度較高。馬國政等［23］研制了MSTS-1型多功能摩擦磨損試驗機，該試驗機可在大氣環(huán)境至1×10-5Pa的真空環(huán)境中穩(wěn)定地進行試驗，測量范圍廣、自動化程度高，此外，該機還具有較好的擴充性和多功能性。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研制了如圖11所示的WT-MG-3E型全自動高真空摩擦磨損試驗儀，該試驗儀將全部機械裝置放入真空罩中，可實現(xiàn)1×10-4Pa高真空環(huán)境下材料摩擦學(xué)性能的研究。其設(shè)計有4只上試樣夾具壓頭，在真空環(huán)境中可自動完成壓頭的更換及旋轉(zhuǎn)摩擦半徑的調(diào)整，具有自動化程度高、測量范圍廣、速度調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點。

圖11 WTMG-3E試驗機

瑞士CSM儀器公司研發(fā)了VTR型高真空摩擦試驗機，該機可提供1×10-7Pa的真空環(huán)境，并可適應(yīng)不同尺寸和形狀的試樣，當達到最大摩擦距離或摩擦系數(shù)時具有自動關(guān)機保護功能，可對接觸壓力、試驗速率、真空度等參數(shù)進行實時測量。

2.4 特種環(huán)境氣氛摩擦磨損試驗機

在特種氣體氛圍中工作的機械零部件通常對材料的性能有著特殊的要求，如在濕度較大的酸性氣體氛圍中工作的機械密封，就要求其具有一定的耐酸性。面對特殊的工況，特種氣體氛圍摩擦磨損試驗機就成了進行研究的必要設(shè)備。李光等［26］研制了一款多氣氛及真空環(huán)境下測量材料摩擦學(xué)性能的試驗裝置，可以根據(jù)試驗要求將相應(yīng)氣體輸入到密封裝置中，進而研究材料在該氣體環(huán)境下的摩擦學(xué)性能。武漢材料保護研究所的裴召輝［27］研發(fā)了QK-1型可控氣氛摩擦試驗機，該試驗機采用環(huán)盤結(jié)構(gòu)形式，可在有害氣氛及液體介質(zhì)條件下研究材料的摩擦學(xué)性能，具有載荷范圍寬(10～100N)、加載誤差小、線速度范圍廣(130～5 200mm/s)、可實現(xiàn)連續(xù)在線測量等特點。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研制的空間輻照環(huán)境摩擦試驗機可進行原子氧、紫外光、質(zhì)子等特殊環(huán)境下材料的摩擦磨損試驗。

除上述特種試驗機外，還有諸如模擬重載［9］、低溫［28］等特殊工況的試驗機。這些試驗機大多是由企業(yè)和科研工作者根據(jù)需要和實際工況自行設(shè)計和制造的，它們也是開展特種工況摩擦學(xué)研究的重要設(shè)備。

3 結(jié)束語

近年來，摩擦磨損試驗機的研制有了很大的進展，然而隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，對摩擦磨損試驗機的要求也越來越高。綜合目前摩擦磨損試驗機的發(fā)展狀況，預(yù)計未來摩擦磨損試驗機將朝著以下幾個方向發(fā)展:1)高性能的運動機構(gòu)及精密的加載系統(tǒng)。伺服電機、直線電機等高性能電機的使用將使機械機構(gòu)更加簡潔，運行更加穩(wěn)定;動態(tài)加載技術(shù)的應(yīng)用可對復(fù)雜工況實現(xiàn)更真實的模擬。2)高精度的測控系統(tǒng)與快速的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。通過高精度傳感器和閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可實現(xiàn)多種信號實時動態(tài)采集與試驗機的實時控制，試驗數(shù)據(jù)可通過工作站直接處理，自動化程度更高，處理速度更快［29-32］。

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Research on the development of the friction and wear tester

WANG Wei，SUN Jianjun，TU Qiaoan，MA Chenbo
(College of Mechanical and Electronic Engineering，Nanjing Forestry University，Jiangsu Nanjing，210037，China)

For studying the phenomena and essence of the friction and wear，and accurately assessing the impacts of various factors on the friction and wear performance of materials，it presents a review of test equipments，describes the structures and principles of common and special test equipments，illustrates the technical characteristics of several typical test equipments and discusses the future development of test equipments.

friction and wear;test equipment;structure;technical characteristics

TH871

B

2095-509X(2015)07-0001-06

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.07.001

2015-05-30

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375245);江蘇省青年科學(xué)基金資助項目(BK20130976);江蘇省第十批六大人才高峰資助項目(ZBZZ-037)

王偉(1990—)，男，江蘇宿遷人，南京林業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為機電一體化。