２０１５年７月 机械设计与制造工程 Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｕ１．２０１５ Ｖｏ１．４４ Ｎｏ．７ 第４４卷第７期 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—５０９Ｘ．２０１５．０７．００１ 摩擦磨损试验机发展现状研究 王伟，孙见君，涂桥安，马晨波 ２１００３７） （南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京摘要：为了对材料摩擦磨损现象及其本质进行试验研究，并正确评价各种因素对摩擦磨损性能的 影响，简述了国内外通用摩擦磨损试验机及特种摩擦磨损试验机的结构和原理，介绍了几种典型 试验机及其技术特征，并探讨了摩擦磨损试验机的发展方向。 一 关键词：摩擦磨损；试验机；结构；技术特性 中图分类号：ＴＨ８７１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：２０９５—５０９Ｘ（２０１５）０７—０００１—０６ １．１四球摩擦试验机 机械设备的相对运动部件之间都存在摩擦，由 于润滑不当而造成的非正常摩擦磨损，在影响人们 生产活动的同时也造成了社会财富的巨大浪费。 因此对摩擦磨损机理、材料的摩擦学性能进行研究 四球摩擦试验机主要用于滑动、转动工况下润 滑油的润滑性能研究，其摩擦副由３个固定球和１ 个与之压紧的旋转球组成，如图１所示，试验球直 径一般为１２．７ｒａｍ。实验前，将被测试的润滑油倒 入油杯中，实验结束后，根据测得的发生胶合时载 至关重要，摩擦磨损试验机则成了研究的关键设 备。 摩擦磨损试验机的种类很多，人们对其分类的 方式也不相同。在国外，最具代表性的是前苏联学 者１４．Ｂ．克拉盖尔斯基等…按模拟摩擦面的破坏 形式将摩擦磨损试验机分为８类；美国润滑工程师 协会按摩擦副的几何形状将摩擦磨损试验机分为 １２类 』。在国内，合肥工业大学桂长林等 提出 荷的大小或者磨损痕迹的大小评定被测样品的摩 擦学性能。 形体 了一种按摩擦系统的结构和摩擦副的相对运动形 圆 式对摩擦磨损试验机进行分类的方法，将摩擦磨损 试验机分成固体一固体试验机、固体一固体加磨粒 （或固体一磨粒）试验机、固体一液体加磨粒（或固 体一液体）试验机、固体一气体加磨粒试验机以及 油 图１ 四球摩擦试验机摩擦学系统构成 济南试验机厂是国内最早从事该型试验机研 制和生产的厂家，该厂于１９６５年研制的ＭＱ一１２ 型四球摩擦试验机，满足了我国石油工业和材料工 业发展的迫切需求，然而该机存在体积大、稳定性 欠佳等不足。目前该公司研制的最新一代ＭＲＳ一 其他特殊试验机共５大类。本文对国内外典型的 及特种摩擦磨损试验机的结构及原理加以介绍，以 期为研究人员进行摩擦磨损试验的设计和设备选 型提供参考。 １０Ｇ杠杆式四球摩擦磨损试验机，最大加载载荷达 １通用摩擦磨损试验机 通用摩擦磨损试验机是使用范围广、工况简 到５ Ｏ００Ｎ，主轴转速可在１００—１ ５００ｒ／ｍｉｎ间实现 无级变速，试验油温度在室温至１００℃可调，自动 单、具有较大通用性的一类摩擦磨损试验机，这类 试验机是进行摩擦学研究的基本设备。 收稿日期：２０１５—０５—３０ 化程度高、测量精确，是我国石化行业先进的检测 设备。美国ＦＡＬＥＸ公司有超过３ ００台ＦＡＬＥＸ四 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３７５２４５）；江苏省青年科学基金资助项目（ＢＫ２０１３０９７６）；江苏省第十批六大人才高峰资助项目 （ＺＢＺＺ一０３７） 作者简介：王伟（１９９０一），男，江苏宿迁人，南京林业大学硕士研究生，主要研究方向为机电一体化。 ・１・ ２０１５年第４４卷 机械设计与制造工程 球摩擦试验机在各个国家使用，该款试验机设计有 精密的加载系统，是检验润滑材料是否满足 ＡＳＴＭ、ＩＳＯ和ＤＩＮ要求的标准试验设备。该款试 验机分为可变驱动四球试验机和标准四球试验机， 最大载荷分别为１８０ｋｇ与５０ｋｇ，转速分别为６０～ ３ ６００ｒ／ｍｉｎ连续可调与６００ｒ／ｒａｉｎ，１ ２００ｒ／ｍｉｎ， １ ８００ｒ／ｍｉｎ三级变速。此外，该机具有自动加热系 统，试验温度最高可达到２３２℃。由于四球试验机 试件和工作方式都比较简单，因而被广泛使用，已 被一些国家规定为标准试验机。 １．２端面摩擦磨损试验机 端面摩擦磨损试验机主要用于模拟和检测面 接触摩擦副的摩擦学特性，如机械密封配对材料摩 擦特性的研究。 端面摩擦磨损试验机摩擦学系统构成如图２ 所示，通过加载盘使上、下试样间保持试验压力，运 动装置带动上试样旋转，实现试样间的相对转动。 将端面摩擦副的内径和外径以及试验测得的正压 力及摩擦扭矩代入计算公式，可获得相应工况下摩 擦副间的摩擦系数。济南益华试验机厂生产的 ＭＭＵ一２型高速端面摩擦磨损试验机具有控制方 式灵活、载荷范围大（０～２ ０００Ｎ）、调速范围广 （０～５ ８００ｒ／ｍｉｎ）、自动化程度高等特点，在国内科 研院校有着较为广泛的应用。国外专用的端面摩 擦磨损试验机较少，大多使用集多种功能于一体的 多功能摩擦磨损试验机进行端面摩擦磨损试验，如 ＦＡＬＥＸ公司的Ｆａｌｅｘ一６型多试件摩擦磨损试验机 可在载荷０～３ ６００Ｎ、转速１５０～７ ２００ｒ／ｍｉｎ的条 件下进行球盘及端面等多种摩擦副试验，参数控制 精度高、功能齐全。 １一上试样（标准试样）；２一下试样（检测试样）；３一加载盘 图２端面摩擦磨损试验机摩擦学系统构成 １．３往复式摩擦磨损试验机 往复式摩擦磨损试验机可对作往复运动的零 件材料进行试验研究，如气缸套和活塞环。试验机 中实现往复运动的机构通常有曲柄滑块机构 、 齿轮齿条机构 、四杆机构 、六杆机构 等。国 ・２・ 产ＷＭＪ一１５００型试验机是一款微机控制、全平衡 式高速往复试验机，其结构示意图如图３所示。齿 轮箱将旋转运动变换为连杆的往复运动，试件装在 滑块上，由连杆带动作往复运动，主轴转速２００～ １ ５００ｒ／ｒａｉｎ，行程１１０ｍｍ；通过液压缸对上试件进 行实验载荷加载，最大加载压力１２ＭＰａ。该试验机 可在室温至２５０￣Ｃ范围内进行于摩擦或滴油润滑 试验，并可对温度、载荷、往复运动速度等参数进行 测量、显示、记录及打印。日本新东科学株式会社 生产的１４ＦＷ往复摩擦试验机采用齿轮齿条机构 实现往复运动，往复运动速度５～６ ０００ｒａｍ／ｒａｉｎ，行 程１～１００ｍｍ，载荷０．１～２０Ｎ。该机适用于各种平 板材料或涂层表面的摩擦、磨损及划痕试验，还可 利用摩擦磨损解析软件进行平均动摩擦运算，避免 了操作者个体产生的误差。 １一液压加载系统；２一上试样；３一下试样；４一全平衡齿轮箱 图３ ＷＭＪ一１５００型往复式摩擦磨损试验机结构示意图 １．４环块摩擦磨损试验机 环块摩擦磨损试验机是一款用于线接触摩擦 副试验的试验机。该机摩擦副由转动的标准旋转 圆环和与之压紧的矩形块组成，加载机构与横杆连 接，可实现摩擦系数的测量，结构原理如图４所示。 通过测量不同载荷下矩形块上出现的条形磨痕宽 度，以及摩擦副材料间的摩擦力及摩擦系数，来评 定润滑剂的承载能力以及摩擦副材料的摩擦磨损 性能。 ‘润滑油 ｌ一标准旋转圆环；２一矩形块； ３一测摩擦力横杆；４一加载杆 图４环块式摩擦磨损试验杌结构示意图 ２０１５年第７期 王伟：摩擦磨损试验机发展现状研究 美国ＦＡＬＥＸ公司于２Ｏ世纪８０年代研发的 Ｔｉｍｋｅｎ试验机是最早的一款环块试验机。该机包 括加载系统、润滑脂填充系统及可根据用户需要选 配的变速马达和冷却系统，可提供最大３ ４００ｒ／ｍｉｎ 的主轴转速和５００Ｎ的加载载荷。该试验机是 ＡＳＴＭ方法中润滑脂负荷及润滑液极端压力特性 测试的标准试验机。济南恒旭试验机技术有限公 司生产的ＭＲＨ一３Ａ型环块摩擦试验机具有载荷 范围大（最大载荷３ ０００Ｎ）、主轴转速范围广 （２００～６ ０００ｒ／ｍｉｎ）、操作方便等特点，在国内科研 院校中使用广泛，是开展中高档汽车齿轮油抗擦伤 性能评定及材料摩擦学性能研究的重要设备。 １．５微动摩擦磨损试验机 微动摩擦磨损试验机用于研究摩擦副接触面 间产生极小振幅而相对滑动时摩擦副材料或润滑 材料的摩擦学性能。从获得微动位移幅度和交变 应力的动力源角度，微动摩擦磨损试验机可分为机 械驱动、电磁驱动和电液伺服驱动３种¨ ”Ｊ。机 械驱动通常使用凸轮或偏心轮机构，振幅稳定，成 本低，但其自动化程度低，振动频率通常低于 ５０Ｈｚ，且难以实现极小位移幅值的运动；电磁驱动 一般采用电磁振动或利用功能材料产生振动，频率 高、试验设备体积小，但目前使用的电磁驱动试验 台振幅不高、激振力较小；电液伺服驱动具有驱动 力大，振幅、频率变动范围广，能进行闭环和即时控 制等特点，但该类型的设备体积较大、技术复杂、维 护成本较高。济南益华集团生产的ＷＷＭ一１型微 动摩擦试验机可在不同载荷、温度、气氛或润滑介 质条件下评定材料微动磨损特性，其试验载荷、往 复频率、试验温度及振幅范围分别为４０～２ ０００Ｎ、 ５～５０Ｈｚ、室温～７００ｏＣ、２０～４００１￣ｍ，该机可采用手 动及自动两种控制方式，操作方便、自动化程度高。 德国Ｏｐｔｉｍｏｌ公司生产的ＳＲＶ一１Ｖ微动摩擦磨损 试验机如图５所示，该机通过曲柄连杆机构实现摩 擦副的快速摆动，可在接触载荷１０～２ ０００Ｎ、振动 频率１—５１１Ｈｚ、振幅０～５ｍｍ范围内对各种油、 脂、润滑材料在微动或振动运动形式下的减摩抗磨 及抗疲劳ｌ生能进行评定。该机具有运行平稳、精度 高、免维护等特点，在世界范围内得到了广泛应用。 此外，常用的通用摩擦磨损试验机还有销盘摩 擦磨损试验机、冲击摩擦磨损试验机以及可进行多 种摩擦副接触及运动形式试验的多功能摩擦磨损 试验机等¨ ｊ。这些试验机也都已实现商品化， 在摩擦学研究的各个领域发挥着重要作用。 图５ ＳＲＶ—ＩＶ微动摩擦磨损试验机 ２特种摩擦磨损试验机 航空航天及空间科技等高技术工程的发展，对 材料在高温、高速、真空等特殊工况下的摩擦学性 能要求越来越高。在特殊工况下，通用摩擦磨损试 验机已无法满足使用要求，特种摩擦磨损试验设备 应运而生。 ２．１高温摩擦磨损试验机 在航空航天等高科技领域中，特定材料在高温 工况下需要保持良好的摩擦学性能，因而高温摩擦 磨损试验机的研发具有重要意义。 Ｓｏｅｍａｎｔｉｆ Ｓ等¨ 在２０世纪８０年代初研制成 功了一款高温磨料磨损试验机，并用该试验机进行 了纯铜和纯铝的磨粒磨损性能研究。随后，Ｔｉｓｃｈｅｒ Ａ等 研制了一台如图６所示的气氛可控高温磨 料磨损试验机，该机可以较好地控制试验气体氛围 以及温度、摩擦速度等试验参数。试验结果表明， 该型试验机有着良好的数据重复性，但存在着诸如 缺少冷却系统、磨料难以进入摩擦面等不足。 ｌ一加载机构；２一扭矩传感器；３一加热炉； ４一摩擦副；５一电动机；６一机架 图６ 高温磨料磨损试验机结构示意图 武文忠等 在Ｔｉｓｃｈｅｒ Ａ所研制的高温磨料 磨损试验机的基础上，研制了一台高温氧化三体磨 损试验机，摩擦学系统构成如图７所示。该试验机 ・３・ ２０１５年第４４卷 机械设计与制造工程 ［１３］范炯，戴振东，姜澄宇．多功能摩擦试验机的研制与应用［Ｊ］． 南京航空航天大学学报，２０００，３２（４）：４０５～４０９． 展，然而随着材料科学的不断发展，对摩擦磨损试 验机的要求也越来越高。综合目前摩擦磨损试验 机的发展状况，预计未来摩擦磨损试验机将朝着以 ［１４］刘正林．摩擦学原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００９． ［１５］温诗铸，黄平．摩擦学原理［Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２０１２． 下几个方向发展：１）高性能的运动机构及精密的 加载系统。伺服电机、直线电机等高性能电机的使 用将使机械机构更加简洁，运行更加稳定；动态加 载技术的应用可对复杂工况实现更真实的模拟。 ２）高精度的测控系统与快速的数据处理系统。通 ［１６］Ｓｏｅｍａｎｔｒｉ Ｓ，ＭｃＧｅｅ Ａ Ｃ，Ｆｉｎｎｉｅ １．Ｓｏｍｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ａｂｒａｓｉｖｅ ｗｅｒ ａａｔ ｅｌｅｖａｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９８５（１）：７７—９１． ［１７］Ｔｉｓｃｈｅｒ Ａ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｔｅｓｔｅｒ ｆｏｒ ｅｌｅｖａｔｅｄ ｔｅｍｐｅｍｔｕｍｓ ａｎｄｆｉｒｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｌｉｄｉｎｇ ａｂｒｓｉａｏｎ ｔｅａｔ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９８９（２）： ７２９—７３４． 过高精度传感器和闭环反馈调节系统，可实现多种 信号实时动态采集与试验机的实时控制，试验数据 可通过工作站直接处理，自动化程度更高，处理速 度更快 凹 ］。 ［１８］武文忠，郝建东，苏俊义．高温磨损试验机的研制［Ｊ］．试验技 术与试验机，２００２，４２（１—２）：１５一ｌ７． ［１９］杨学军，赵浩峰，赵听碉．高温销盘磨损试验机的研制［Ｊ］．太 原理工大学学报，２００５，３６（４）：４７７—４７９． ［２Ｏ］李霞，许志庆，杨永．高速摩擦磨损试验机的总体设计［Ｊ］．中 国仪器仪表，２００３（１０）：ｌ９—２１． ［２１］谢军，吴宏章，陈大林，等．高速摩擦磨损试验机的研制［Ｊ］． 润滑与密封，２００８，３３（５）：９７—９９． 参考文献： ［１］Ｍ．Ｂ．克拉盖尔斯基，Ｍ．Ｈ．陀贝钦，Ｂ．ｃ．康巴洛夫．摩擦磨 损计算原理［Ｍ］．汪一麟，朱安仁，范明德，译．北京：机械 工业出版社，１９８２． ［２２］铁喜顺，李建朝，张永振，等．ＭＭＳ一１Ｇ试验机软件的开发及 应用［Ｊ］．润滑与密封，２００６（７）：１６５—１６７． ［２］ Ｂｅｎｚｉｎｇ Ｒ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｗｅａｒ ＤｅｖｉｃｅｓｆＭ１．２ｎｄ ｅｄ．Ｐａｒｋ Ｒｉｄｇｅ：Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｅｉｅ￣ｏｆ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎ￣ｎｅｅｒｓ．１９７６． ［２３］马国政，徐滨士，王海斗，等．ＭＳＴＳ一１型多功能摩擦磨损试 验机的研制［Ｊ］．真空科学与技术学报，２０１３，３３（２）：１６２— １６７． ［３］桂长林，沈健．摩擦磨损试验设计的基础［Ｊ］．固体润滑，１９９０ （１）：４８—５５． ［２４］崔周平，宋期，张人估，等．ＭＴ一１型真空摩擦磨损试验机的 研制［Ｊ］．固体润滑，１９９０。ｌ（１）：２２—３１． ［２５］宋宝玉，吉乐，张锋，等．ＳＹ一１型真空摩擦磨损试验机的研 制［Ｊ］．润滑与密封，２００４（１）：６１—６２． 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Ｊｉａｎｊｕｎ，ＴＵ Ｑｉａｏａｎ，ＭＡ Ｃｈｅｎｂｏ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００３７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ａｎｄ ｅｓｓｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｌ＂，ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｃｔｒｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｔ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｄｅ— ｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ａｎｄ ｓｐｅｃｉａｌ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ— ｔｉｃｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒｌ ｔａｙｐｉｃａｌ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｒ；ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ・６・
