1 概论
1.1 本课题研究的目的和意义
摩擦学是由多学科组成的综合性和实践性很强的应用科学。研究以机械学、 表面科学与技术、摩擦学材料、摩擦化学为主。为了更好的研究材料摩擦磨损行 为，科学家通过借助摩擦磨损试验机来测量摩擦副的摩擦磨损特性等一系列参 数。 目前， 国内的相关研究中广泛使用的试验机有滚子式磨损试验机、往复式摩 擦磨损试验机、四球式摩擦切人式摩擦、擦磨损试验机、磨损试验机、盘销式摩 擦磨损试验机等。 摩擦磨损问题普遍存在于人类物质活动的各个方面。 如与我们生活相关的汽 车、发电、设备、冶金、铁道、宇航、电子和农机等各方面的机械都大量存在着
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1.3 发展趋势
随着人类的发展和现代科学技术的不断进步， 摩擦磨损测试技术出呈现了快 速发展之势，摩擦磨损试验机有如下发展趋势： 1. 逐渐以高性能的电机系统代替机械变速系统：如今，己经比较成熟的系 统有高性能的电机系统，其调速比可以达到一比几百、甚至几千或者更高。通过 利用这种系统不但可以实现转动，也可以实现摆动和直线运动。通过由高性能电 机来直接驱动主轴， 不但能使机械结构得到大大简化，并且还可以降低试验机的 摩擦损耗来提高整机的寿命以及可靠性。 但有一点不好就是高性能电机系统价格 往往比较昂贵。 2. 微型计算机在摩擦磨损试验机上得到很好的应用：微型计算机不但价格 低廉，操作简单，并且性能稳定，不但完全取代以往的二次仪表对试验机进行控 制， 并且可以对测试参数进行相关的自动采集和数据处理，从而使得试验机的功 能得到了大大加强。 3. 改进测试手段； 4. 提高了稳定性、测试精度，使得试验结果具有更好的重复性和再现性
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具有了自行研制摩擦磨损试验机的能力。在最近的几年，涌现出了一批新兴生产 摩擦磨损试验机的企业，也有不少优质产品面世。 济南竟成测试技术有限公司生产的 SFT-2M 销盘式摩擦磨损试验机：
图 1.1 SFT-2M 销盘式摩擦磨损试验机 仪器的工作原理： 本试验装置只适用于材料涂层和材料表面的摩擦磨损的相 关测试。但可提供较宽的负载范围和旋转速度。可进行球－盘、栓（销）－盘、 盘－盘的不同摩擦副的相关试验， 精确测量在不同摩擦方式下， 材料的摩擦系数、 磨 痕 深 度 及 耐 磨 性 ， 操 作 简 便 ， 测 量 精 度 高 。 主要技术指标： 载荷范围： 旋转速度： 样品尺寸： 1N～200N(100g～20kg 100～4500rpm(连续可调) Φ 8～Φ 80mm 厚度： 0.5～30mm )
F-1520：手动测量 环 境 ：
固 态 或 液 态 ( 润 滑 油 、 润 滑 脂 , 固 态 膜 涂 层 等 )
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可 可
选 选 尺
外 压
罩 力
仓 仓
增 ，
强
温 最 寸
度 大
控 压
制 力
精
度
125psi ：
161
cm 220V,
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摩擦学的问题。据估计，全世界大约有 1/2- 1/3 的能源以各种形式消耗在摩擦 上，假如从摩擦学方面采取正确的措施，就可以大大节约能源消耗。磨损是机械 零部件 3 种主要的失效形式之一，可想而知它所导致的经济损失是多么巨大的， 大约有 80%的机械零件由于各种磨损导致失效。特别是随着人类物质文明的进步 和工业技术现代化的发展，机械设备的开发使用普遍趋向于重载、高速、高效率 化， 怎样控制和改善机械的摩擦磨损状况且提高其使用寿命和工作可靠性，已成 为机械工业技术人员必须关注的问题，并促使其研究不断的深入和发展。 摩擦试验机大多数中采用静态选位法观察摩擦试件，虽然简单易行，但却不 能获得摩擦过程的动态信息，更不必说（摩擦）过程进行动态观测及动态数据记 录；另外加上由于受到试验机转速的限制，摩擦副相对运动的速度大多较低（一 般不超过 10m/s ） 。然而现代机械装备中许多摩擦副的相对滑动速度相当高，如 高速 列车运行时的速度约为 300km/h，制动时制动盘与刹车片之间摩擦速度为 60～70m/s.而目前还未曾见到可用于高速条件下数据动态测量所需的商用摩擦 磨损试验机。 摩擦磨损试验的目的是为了对摩擦磨损现象及其本质进行研究， 正确地评价 各种因素对摩擦磨损性能的影响， 从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参 数。 高温高速摩擦磨损试验机是进行高温高速摩擦磨损试验的有效设备， 广泛运 用于对各种高速刀具的高温摩擦磨损性能进行测试和评价， 是高速切削和新型刀 具材料研制开发和应用的必备设备。 该设备是高速加工和刀具材料研究方向研究 工作急需的基础设备，该设备可以扩展该学科的研究领域和提高研究水平。
图 1.5 CSM 公司摩擦磨损试验机测试原理。 试验机的测试原理是：平头或圆形压头安放在被测样品上，可用精确测定质 量的砝码施加载荷；针或球安装在一支倔强系数很大的杠杆上，该杠杆可被设计 为无摩擦切向力的传感器； 当盘式样品旋转时，压头和样品间产生的摩擦力才会 使杠杆发生轻微的弯曲，该形变程度可固定在一起的线性差分位移传感器检测， 并由此计算摩擦力的具体数值； 通过测量材料的损失体积可计算压头和样品的磨 损系数。
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图 1.3 FALEX 四球法磨损实验测定仪 技术参数和试验负荷: F-1519：可变驱动四球试验机，气动可变负载最大到 180kg F-1520：标准四球试验机，固定砝码和机械杆，最大 50kg 试验速度: F-1519：气动连续可变驱动，60 -3600 rpm 连续可调，可选 1 -10,000 rpm 度转换组件 F-1520：V 形带和滑轮驱动，提供三种速度选择 600, 1200, 1800 rpm. 温度控制: 数 环 自 动 定 数 测 F-1519 ： 集 成 测 压 元 件 字 可 编 程 定 量 和 数 字 显 示 摩 擦 字 境 启 动 加 温 温 热 ， 时 时 器 度 度 直 至 控 -232 设 定 温 制 ℃ 度 : (1s-999h) : 力
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时间-摩擦力矩曲线
及数据处理，可实时显示时间-摩擦力 矩曲线。
13 14
试验机的外形尺寸 （长³宽³高） 主机：970³660³1100 试验机净重 约 500kg
美国 FALEX 公司： FALEX 公司是摩擦磨损测试仪器方面的专业制造商， 具 有多年的经验，其产品广泛应用于铁路、石油、钢铁、石化、机械，军工等多个 领域， 目前有超过 300 台四球机试验机在不同的国家使用， 并已得到各国政府部 门和工业界广泛的认同， FALEX 公司的很多仪器成为摩擦磨损领域的测试标准， 已 被 收 录 在 ISO 、 ASTM 等 国 际 和 行 业 的 标 准 中 。
FALEX 四球法磨损磨损试验机设计具有精密负载以便完成精确的磨损实 验，它是唯一通过多个实验室循环实验所得出的精度作为 ASTM 方法中的精度 要求的仪器，到目前为止没有其他的仪器展示这个精度，为了符合 ASTM、ISO、 DIN 的要求，就一定要使用 FALEX 四球法磨损实验测定仪。
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技术参数和技术指标表 1.1
序号 1 2 3 4 5 6 最大试验力 摩擦力矩测量范围 上、下试样轴转速 试样轴向最大移动距离 试验力示值相对误差 试验力示值重复性相对误差 项目名称 2500N 0～20N.m 0—600r/min ±4mm 在满量程的 10%以上，不超过±2% 在满量程的 10%以上，不超过 2% 技术指标
1.2 国内外研究概况
摩擦试验机对冶金、 矿山、 电力以及工程机械等行业的发展有着至关重要的 作用,随着目前世界各国科技的飞速发展 ,各个行业在技术上的突飞猛进摩擦试 验机对于各行业的重要性也越来越明显. 目前，世界只有美国、日本、瑞士等少数几个国家有摩擦磨损试验机的专业 生产企业， 而济南试金集团是国内最早研制和生产的摩擦磨损试验机的厂家。早 在 1964 年为了满足了我国石油工业和材料相关工业的发展需要，济南试金集团 从开始研制 MQ-12 型四球摩擦试验机起，于 1965 年研制成功并投入生产，又在 1966 年又研制成功 MM-200 型磨损试验机，这两种试验机研制成功标志了我国已
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81 50/60Hz
cm 、
， 10A 源
80 psi 干燥空气 ( F-1519) 主要特点： 标准配置 ：1HP 变速马达 60 到 3600 rpm ；DC 马达控制器 ；数字转速 指示器 ；数字温度控制器 ；数字计时器 ；数字负载读取 ；加热器（最高 232℃） ；数字摩擦系统 ；落地柜 ；温度系统自动启动 ；气体压力指示器 ； 气动负载（最大到 180kg） ；杯盖拧紧工具；前面板负载调节器 ；前面板有紧 情况下切断电源开关； 0- 25 Ib-In 扭矩扳手 ；可装配球盖 ；流量过滤球指示 器；热电偶 ；球盘组件 ；空气轴承组件。
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摩擦力矩示值相对误差 摩擦力矩示值重复性相对误差 温度控制范 围 时间控制范 围 转数控制范 围
在满量程的 10%以上，不超过±2% 在满量程的 10%以上，不超过 2% 室温-60℃
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1s-9999min
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1-99999999 由计算机实现对各个参数的测量显示
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毕业设计是大学里的最后一次设计任务， 是一次对自己专业知识系统学习的 总结和检验， 旨在培养自己综合运用所学基础知识、专业知识去分析和解决实际 生产中所遇到的问题的能力， 树立正确的设计思想，学会运用正确的设计方法进 行设计，锻炼自己的动手能力，绘图能力，通过设计去发现问题，找到问题，解 决问题，为今后走向社会打下坚实的基础。 本次设计的课题为： “销盘式高温高速摩擦磨损试验机” ，该课题属于传统机 械设计基础上的创新性改进设计，我国是一个机械制造大国，但机械制造业与世 界先进水平仍有不小的差距， 在保持传统设计的同时，如何进行创新与改进已成 为当务之急，本次设计正是在这样一个思想的指导下进行的。 整个设计过程中， 通过知道老师与组员的共同努力， 毕业设计进行的很顺利， 大家互相帮助，协同工作，充分发挥我们这个集体的力量，在学习与设计的同时 也增强了自己的集体荣誉感， 其次，我衷心的感谢所有的指导老师对我的悉心指 导。当然，由于个人知识以及能力上的缺陷，本次设计还存在一些问题和不足之 处，诚望各指导老师指出。