滑动电接触材料的摩擦磨损试验装置研制和摩擦磨损性能测试
摘要：研制一台环块式摩擦磨损试验装置，并用此装置对四组成分不同的二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料进行摩擦磨损性能测试。
结果表明：同种成分的材料，电磨比机磨的磨
损量大；二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料的摩擦磨损性能比铜-镀铜石墨复合材料的
好，该摩擦磨损试验装置完全达到了设计要求。
关键词：摩擦磨损试验;装置研制;二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料;性能测试;
本次所设计的滑动电接触材料摩擦磨损试验装置，主要由拖动电机、环-块式对磨系统、加载装置、变速系统、摩擦系数测量系统和加电摩擦系统构成。
本项目的创新之处是摩擦磨损试验装置可进行不通电和通电摩擦磨损试验，以及在滑动速度、载荷、通电电流可变下进行摩擦磨损试验，另外，摩擦副之间的接触始终保持贴合状态且无振动现象、试样装取方便、装置结构简单、小巧玲珑、经济又实用。
一、摩擦磨损试验装置研制
本实验的摩擦磨损试验装置是由动力系统、变速系统、环块式摩擦磨损系统、通电摩擦
磨损系统和摩擦系数测量系统组成，试验装置图见：图1-1、1-2
1-交流电源；2-变频装置；
3-功率表；4-交流电动机；
5-对磨环与电刷；6-直流电源；
图1-1摩擦磨损试验装置示意图图1-2摩擦磨损试验装置实物图1．动力系统
摩擦磨损试验装置的动力系统由交流电源和拖动电机构成。
动力系统为对磨环提供动力，使其与电刷产生滑动摩擦，并以与电动机转子相同的转速转动。
2．变速系统
摩擦磨损试验装置的变速系统由三相变频器和三相变频调速电动机构成；通过调节三相变频器的频率，改变拖动电机的转速，电动机转速n=60f，f为频率，对磨环滑动线速度V=2πr n，r 为对磨环半径；使得电动机实现无级变速，从而改变对磨环转速，以实现在不同滑动线速度下对电刷材料的摩擦磨损性能进行测试。
3 .环块式摩擦磨损系统
环块式摩擦磨损系统主要由拖动电机带着的对磨环与装电刷材料的刷握构成，为了对电刷材料进行加载还包括压力加载装置，通过旋转刷握杆后面的加力螺母，对电接触复合材料电刷进
行加载。
4 .通电摩擦磨损系统
对电刷材料加入可调直流电源，即可进行不同电流密度下的通电摩擦磨损性能测试。
通过由型号为WJ-15V30A 的直流稳压电源，将220V 的交流电通过整流转换成低压0-15V 直流电，输出的直流电流最大为30A ，进行通电下的摩擦磨损性能测试。
5 .摩擦系数测量系统
本系统建立于环块式摩擦磨损系统之上，在该摩擦磨损系统中加入功率表，功率表型号为D64型, 采用功率损耗法，在电机稳定旋转条件下测定拖动电机的负载功率P ，然后再以相同角速度测定拖动电机的空载功率P0。
利用功率损耗法测量摩擦系数，是将功率表的电压档并联在所测得电路中，电流档串联在所测得电路中。
本次实验为了节省经费，采用“一表三测法” （图1-3为摩擦系数测量示意图）将测量插头按下图接线，然后分别插入拖动电机的三相火线L1、L2、L3的插座中，当插头插入一根火线插座时，即可测出一相的功率，测好三相功率后相加即为电动机总功率。
在拖动电机不带负载时，按上述方法测出的功率为空载功率，在拖动电机带负载时，按上述方法测出的功率为负载功率，按下式即可计算出实验材料与对磨环之间的摩擦系数。
µ=(P-P0)/(9.81*N*0.5*V) 公式中：µ为电接触复合材料的摩擦系数，P 为拖动电机的负载功率，P0为拖动电机的空载功率，N 为电接触复合材料电刷的数目，V 为电动机的转速。
V ~
A ~
W
M
L0L1L3
L2变频器
图1-3 摩擦系数测量系统
二．二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料的制备
1 .二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料的制备步骤
为了改善石墨和铜的界面结合状况，首先对石墨表面进行镀铜处理，经分析测定镀铜石墨粉上铜含量约为50%（质量分数）。
本实验用粉末冶金法制备了二硫化钼含量不同的二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料，其具体成分见下表：表一
样品为长方体（主要是模具的限制和为后面的体积计算提供方便），尺寸为32mm ×8mm ×5mm 。
复合材料制备步骤如下：原料还原处理—配料—混料—压制—烧结。
2. 二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料性能的测定
相关性能测试数据见：表二
性能指标
密度(g/cm3 ) 硬度（HR）抗弯强度（MPa）电阻率(μΩ.m) 试样
A0 5.6787 58.4 51.43 0.0782
A1 5.7944 76.8 51.11 0.0764
A2 5.7727 85.0 52.40 0.0796
A4 5.8706 90.6 55.20 0.0812
三、二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料的摩擦磨损性能测试
1．实验前的准备
做好试验前的检查事项工作，保证试验正常进行，并快速跑合磨弧。
2．试验测定的步骤
各项试验准备阶段已完毕时，可以正式开始试验。
试验主要是分为两个步骤。
一是纯机械摩擦磨损性能的测试（通过电流为0A），二是带电摩擦磨损性能的测试（通过电流为8A）;重复实验步骤，直到测量八组数据结束（对四种成分不同的材料进行了机磨与电磨的实验）。
（1）压力的校核：重复压力加载操作，检查是否准确；
（2）所加压力的调整：实验前加载的力为500g，在装复合材料时以此为所需载荷的基准线；
（3）复合材料、刷握的标记，依次将对应的电刷和刷握装在对应的位置，注意电刷有标记的表面朝上；
（4）通电线路的，调节稳流电源为8A（不通电磨损略去此步骤）；
（5）调节变频器的参数，使电机的输入频率为40HZ，电机转速为2400转/分钟。
变频器到40HZ时开始计时，磨损时间为1.5h；
（6）磨损后数据测量；
（7）重复1-6步骤，再次测量；直到测量8组数据结束；
3.二硫化钼-铜-石墨复合材料摩擦磨损试验数据分析
图3-1 试样A2在机械与通电摩擦磨损状态下的磨损量与时间的关系图
图3-2 试样A2在机械与通电摩擦磨损状态下的摩擦系数与时间的关系图
图3-3 试样A0、A1、A2、A4在机械摩擦磨损状态下的磨损量与时间的关系图
图3-4 试样A0、A1、A2、A4在机械摩擦磨损状态下的摩擦系数与时间的关系图
图3-5 试样A0、A1、A2、A4在通电状态下的磨损量与时间的关系图
图3-6 试样A0、A1、A2、A4在通电摩擦磨损状态下的摩擦系数与时间的关系图
由数据和关系图分析可得如下结论：
1.由图3-1和3-2知：同种成分的二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料在摩擦磨损时，电磨的磨损量和摩擦系数都大于机磨。
2.由图3-3和3-4知:不同成分的二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料在摩擦磨损时,A2的机磨耐磨性最好。
3.由图3-5和3-6知:不同成分的二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料在摩擦磨损时,A4的电磨耐磨性最好。
4.磨损磨面分析
磨面组织形貌：
A2电磨（100倍） A2机磨（100倍）
A2电磨（400倍） A2机磨（400倍）
四、结论
1、制作的滑动电接触材料摩擦磨损试验装置，达到了各项设计要求，可进行通电和不通电摩擦磨损试验，并且滑动速度、载荷大小、电流密度可调，结构简单，经济适用。
2、同种成分的二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料在摩擦磨损时，电磨的磨损量大于机磨的磨损量，而摩擦系数在大多情况下，也遵循电磨的摩擦系数大于机磨的摩擦系数。
3、二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料的摩擦磨损性能比铜-镀铜石墨复合材料的好。