摩擦磨损试验机发展现状研究

王伟，孙见君，涂桥安，马晨波

(南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

摩擦磨损试验机发展现状研究

王伟，孙见君，涂桥安，马晨波

(南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

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。

摩擦磨损;试验机;结构;技术特性

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И.В.克拉盖尔斯基等［1］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［2］。在国内，合肥工业大学桂长林等［3］提出了一种按摩擦系统的结构和摩擦副的相对运动形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-固体试验机、固体-固体加磨粒(或固体-磨粒)试验机、固体-液体加磨粒(或固体-液体)试验机、固体-气体加磨粒试验机以及其他特殊试验机共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。

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。

1.1 四球摩擦试验机

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12.7mm。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。

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-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-10G杠杆式四球摩擦磨损试验机，最大加载载荷达到5 000N，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300台FALEX四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/min，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-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-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。

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［4-6］、齿轮齿条机构［7］、四杆机构［8］、六杆机构［9］等。国产WMJ-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/min，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℃范围内进行干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 000mm/min，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。

图3 WMJ-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。

图4 环块式摩擦磨损试验机结构示意图

美国FALEX公司于20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-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［10-11］。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-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～700℃、20～400μm，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-Ⅳ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性能进行评定。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［12-15］。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。

Soemantri S等［16］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［17］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。

图6 高温磨料磨损试验机结构示意图

武文忠等［18］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。该试验机主轴转速30r/min、60r/min、90r/min三级可调，可在温度20℃～900℃、载荷0～70N、磨料流量2～60g/min范围内进行试验。此外，气氛中氧分压在0～0.02MPa间可调，可用于研究高温磨损和高温氧化腐蚀之间的交互作用。经试验表明，该机试验数据重复性及鉴别率良好。

图7 高温氧化三体磨损试验机摩擦学系统构成

杨学军等［19］研制了一台如图8所示的高温摩擦磨损试验机，该试验机采用销盘摩擦副结构形式，具有工况模拟准确、可靠性高、摩擦速度可调(主轴转速0～1 000r/min连续可调)、温度范围广(室温～1 000℃)等特点，可以很好地满足高温工况下材料摩擦学性能的研究需要。

图8 高温销盘磨损试验机结构示意图

兰州中科凯华科技有限公司开发了HT-1000型高温摩擦磨损试验机。该试验机可在室温至1 000℃范围内、不同惰性气体气氛中进行销盘摩擦副试验。它通过高温炉将置于炉内的上摩擦副样品加热至所需温度，加载机构对上试样施加载荷，旋转机构驱动样品盘及下摩擦副转动，实现销盘摩擦副试验。由计算机对传感器测得的参数进行处理并进行即时图形显示和数据存储。该试验机转速和载荷范围分别为100～2 800r/min、0.5～20N，具有结构简单、操作方便、参数控制精确等优点。世界知名的表面力学性能测试设备供应商瑞士CSM公司开发了THT型高温销盘摩擦磨损测试仪，该机具有高效精准的控温系统，可实现温度的实时测量，最高可提供1 000℃的试验温度，主轴转速0～1 700r/min连续可调，载荷范围1～70N，操作方便、数据可靠，此外，该机还可以在液体本身物理条件允许的情况下，在液体环境中进行高温摩擦试验。

2.2 高速摩擦磨损试验机

在航空、化工和透平机械中，摩擦表面的相对滑动速度通常超过50m/s，甚至达到60m/s以上，用于模拟高速摩擦工况的高速摩擦磨损试验机也相继出现。

李霞等［20］设计了一款最大滑动速度可达70m/s的盘块式高速摩擦磨损试验机。该试验机由动力、惯性、夹持、加载、测试和控制系统构成，可实现磨损量、摩擦力、载荷等测试数据的即时显示与记录，适用于金属材料、陶瓷材料等固体材料及表面涂层的摩擦学性能研究。谢军等［21］研制了一款用于枢轴宝石轴承寿命研究的高速摩擦磨损试验机，其结构如图9所示。该机设计转速可达51 000r/min，结构简单、可靠性高、速度可调，可较好地模拟实际工况，此外还可加设红外测温仪来测量摩擦温度。

图9 高速摩擦磨损试验机结构示意图

铁喜顺等［22］研制了HST-100型高速载流摩擦磨损试验机，很好地满足了高速列车受电弓-滑板材料摩擦性能的研究需求，其结构示意图如图10所示。试验时，主电机启动，带动摩擦盘旋转，加载轴使销试样紧贴摩擦盘，施加试验载荷，启动电源，即可进行试验。该试验机具有高速度(最高线速度100m/s)、大载荷(最大载荷500N)、大电流(最大电流300A)等特点，能够在高速工况下进行不同材质摩擦副材料的载流摩擦磨损试验。

图10 HST-100高速载流摩擦磨损试验机结构示意图

济南恒旭试验机技术有限公司开发了FHC型高速载流摩擦磨损试验机，该机采用销盘结构，可在恒定载荷与交变载荷条件下进行试验，最大加载载荷300N，主轴转速在200～12 000r/min范围内可调，载流范围0～800A，具有精度高、寿命长的特点。美国NANOVEA公司研发了一款高速纳米摩擦磨损试验机，该机采用高精度压电陶瓷控制器及载荷控制系统，最高速度可达1 400mm/s，最高载荷2N，摩擦长度10μm～10mm，具有体积小、精度高等优点。

2.3 真空摩擦磨损试验机

随着航天及空间技术的发展，真空条件下材料的摩擦学性能研究备受关注，真空摩擦磨损试验机的研制成为摩擦学领域的一大研究热点［23］。

崔周平等［24］研制的MT-1型真空摩擦磨损试验机最高可提供6.7×10-3Pa的真空环境，该机采用微机系统进行数据采集和处理，载荷测量和速度调节范围大，具有较好的数据重复性和精确度。宋宝玉等［25］研制了可提供4×10-3Pa真空环境的SY-1型真空摩擦磨损试验机，该机为球盘结构，可在0～2 800r/min主轴转速范围内进行真空、不同气体环境以及加热及冷却等多种条件下的材料摩擦学性能测试，此外该机还可对试验数据进行自动采集和处理，自动化程度较高。马国政等［23］研制了MSTS-1型多功能摩擦磨损试验机，该试验机可在大气环境至1×10-5Pa的真空环境中稳定地进行试验，测量范围广、自动化程度高，此外，该机还具有较好的扩充性和多功能性。

中国科学院兰州化学物理研究所研制了如图11所示的WT-MG-3E型全自动高真空摩擦磨损试验仪，该试验仪将全部机械装置放入真空罩中，可实现1×10-4Pa高真空环境下材料摩擦学性能的研究。其设计有4只上试样夹具压头，在真空环境中可自动完成压头的更换及旋转摩擦半径的调整，具有自动化程度高、测量范围广、速度调节范围宽等优点。

图11 WTMG-3E试验机

瑞士CSM仪器公司研发了VTR型高真空摩擦试验机，该机可提供1×10-7Pa的真空环境，并可适应不同尺寸和形状的试样，当达到最大摩擦距离或摩擦系数时具有自动关机保护功能，可对接触压力、试验速率、真空度等参数进行实时测量。

2.4 特种环境气氛摩擦磨损试验机

在特种气体氛围中工作的机械零部件通常对材料的性能有着特殊的要求，如在湿度较大的酸性气体氛围中工作的机械密封，就要求其具有一定的耐酸性。面对特殊的工况，特种气体氛围摩擦磨损试验机就成了进行研究的必要设备。李光等［26］研制了一款多气氛及真空环境下测量材料摩擦学性能的试验装置，可以根据试验要求将相应气体输入到密封装置中，进而研究材料在该气体环境下的摩擦学性能。武汉材料保护研究所的裴召辉［27］研发了QK-1型可控气氛摩擦试验机，该试验机采用环盘结构形式，可在有害气氛及液体介质条件下研究材料的摩擦学性能，具有载荷范围宽(10～100N)、加载误差小、线速度范围广(130～5 200mm/s)、可实现连续在线测量等特点。中国科学院兰州化学物理研究所研制的空间辐照环境摩擦试验机可进行原子氧、紫外光、质子等特殊环境下材料的摩擦磨损试验。

除上述特种试验机外，还有诸如模拟重载［9］、低温［28］等特殊工况的试验机。这些试验机大多是由企业和科研工作者根据需要和实际工况自行设计和制造的，它们也是开展特种工况摩擦学研究的重要设备。

3 结束语

近年来，摩擦磨损试验机的研制有了很大的进展，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［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

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-037)

王伟(1990—)，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。