王飞摩擦实验技术

1、报告人 王飞4. 4. 摩擦和磨损的测量摩擦和磨损的测量目录目录 4.1 4.1 引言引言 4.2 4.2 摩擦系数的测量摩擦系数的测量 4.3 4.3 磨损的测量磨损的测量 4.4 4.4 测量摩擦和磨损的间接技术测量摩擦和磨损的间接技术 4.5 4.5 总结总结4.1 4.1 引言引言 摩擦和磨损的测量似乎是一个相对简单的工作，摩擦和磨损的测量似乎是一个相对简单的工作， 但是如果考虑到但是如果考虑到摩擦或磨损的确切含义的话，就会变成相当复杂的工作。磨损是不是摩擦或磨损的确切含义的话，就会变成相当复杂的工作。磨损是不是意味着材料的减少，或者它仅仅意味着材料在摩擦主体的表面的位置意味着材料的减

2、少，或者它仅仅意味着材料在摩擦主体的表面的位置变动？在摩擦的时候，如果摩擦力和接触力都以一种持续的、随机的变动？在摩擦的时候，如果摩擦力和接触力都以一种持续的、随机的方式变化，如何得到一个有效的摩擦系数呢？尽管人们研究了很多年，方式变化，如何得到一个有效的摩擦系数呢？尽管人们研究了很多年，但是对摩擦和磨损的精确定义仍然没有达成一个共识，这就阻碍了不但是对摩擦和磨损的精确定义仍然没有达成一个共识，这就阻碍了不同研究小组之间的数据比较。同研究小组之间的数据比较。 准确的摩擦和磨损数据需要高质量的测量技术以获得有效的结果。准确的摩擦和磨损数据需要高质量的测量技术以获得有效的结果。早期的研究依靠一些早

3、期的研究依靠一些例如例如悬挂重物来进行摩擦力的测量的基本方法，但悬挂重物来进行摩擦力的测量的基本方法，但是现在这些方法已被更加先进的测量方法所取代。可获得的摩擦和是现在这些方法已被更加先进的测量方法所取代。可获得的摩擦和磨损数据的质量影响摩擦和磨损现象的解释，因此，磨损数据的质量影响摩擦和磨损现象的解释，因此，对于摩擦学实验对于摩擦学实验来说，必须来说，必须准确理解各种测量技术的优点和局限性。准确理解各种测量技术的优点和局限性。 4.2 4.2 摩擦系数的测量摩擦系数的测量 在几乎所有的摩擦学试验中（除了基于从斜面上滑下的滑块的试验在几乎所有的摩擦学试验中（除了基于从斜面上滑下的滑块的试验以外

4、），摩擦系数都是从摩擦力的测量中得来的。在根据摩擦力从而推断以外），摩擦系数都是从摩擦力的测量中得来的。在根据摩擦力从而推断摩擦系数的情况中，有两个不确定因素：摩擦系数的情况中，有两个不确定因素：1.1.摩擦力持续变化，因此一个准确的摩擦系数的概念就是接近于实际的摩擦力持续变化，因此一个准确的摩擦系数的概念就是接近于实际的近似值。近似值。2.2.摩擦系数的计算是基于正压力的，也就是摩擦系数的计算是基于正压力的，也就是 摩擦系数摩擦系数= =摩擦力摩擦力/ /正压力。正压力。 在大多数情况下，在大多数情况下，正压力通常被应用于悬挂的重物以对滑动面施加正压力通常被应用于悬挂的重物以对滑动面施加一个

5、接触压力。为重物提供软避震是必不可少的，因为在粗糙的表面上，一个接触压力。为重物提供软避震是必不可少的，因为在粗糙的表面上，接触压力变化很大，也就是说，表面越粗糙，接触压力变化范围越大。接触压力变化很大，也就是说，表面越粗糙，接触压力变化范围越大。摩擦力也受表面粗糙度影响。当我们不知道接触压力变化范围和摩擦力摩擦力也受表面粗糙度影响。当我们不知道接触压力变化范围和摩擦力之间的关系时，我们不得不假定摩擦力的峰值与接触压力的峰值一致以之间的关系时，我们不得不假定摩擦力的峰值与接触压力的峰值一致以提供一个平均效应。如果存在平均效应，那么上述所给出的摩擦系数的提供一个平均效应。如果存在平均效应，那么上

6、述所给出的摩擦系数的等式就是近似正确的。这个理论如图等式就是近似正确的。这个理论如图4.1所示，所示， 抑制 摩擦力测量技术摩擦力测量技术 通常用来测量摩擦力并确定摩擦系数的装置有压电测力计和应变式通常用来测量摩擦力并确定摩擦系数的装置有压电测力计和应变式传感器这两种基本类型。在摩擦传感器出现问题的地方，摩擦系数传感器这两种基本类型。在摩擦传感器出现问题的地方，摩擦系数能根据滑动开始的地方的相对于垂线的倾斜角而确定，也就是说，能根据滑动开始的地方的相对于垂线的倾斜角而确定，也就是说， ，这里，这里 是摩擦系数，而是摩擦系数，而 是倾斜角；我们也能使用平是倾斜角；我们也能使用平衡重量确定摩擦系数

7、。另外一种确定摩擦系数的方法包含一个钟衡重量确定摩擦系数。另外一种确定摩擦系数的方法包含一个钟摆和让钟摆停止振动的所必需的时间的测量。然而，这些不使摆和让钟摆停止振动的所必需的时间的测量。然而，这些不使用传感器的技术都不适合测量一个易变的摩擦系数，并且在当前的用传感器的技术都不适合测量一个易变的摩擦系数，并且在当前的研究中也很少使用。研究中也很少使用。tan 压电测力计压电测力计 因为使用电子控制可以记录电子脉冲，因此压电测力计可以直接因为使用电子控制可以记录电子脉冲，因此压电测力计可以直接记录摩擦力。早期的压电测力计最初包含一个受压或受拉时能释放电记录摩擦力。早期的压电测力计最初包含一个受压

8、或受拉时能释放电荷的是石英晶体。现在石英晶体已大部分被铁电陶瓷或锆钛酸铅所取荷的是石英晶体。现在石英晶体已大部分被铁电陶瓷或锆钛酸铅所取代以获得更强的电子信号。压电装置可以监测到高达代以获得更强的电子信号。压电装置可以监测到高达 25kHz 的频的频率，因此甚至连摩擦力中非常快速的变化也能测量。然而，我们应该率，因此甚至连摩擦力中非常快速的变化也能测量。然而，我们应该认识到，与摩擦试样配套的结构装置的大量集中降低了与这个结构装认识到，与摩擦试样配套的结构装置的大量集中降低了与这个结构装置密切关联的所有压电装置的频率极限。置密切关联的所有压电装置的频率极限。 依据压电晶体的弹性挠曲的压电装置的功

9、能和工作频率极限必须小于依据压电晶体的弹性挠曲的压电装置的功能和工作频率极限必须小于晶体和附加装置的共振频率。虽然比其他装置也就是应变计式传感器的频晶体和附加装置的共振频率。虽然比其他装置也就是应变计式传感器的频率极限高，一些摩擦力的平均值仍然会以下面讨论所示的形式出现。对于率极限高，一些摩擦力的平均值仍然会以下面讨论所示的形式出现。对于1m/s的典型的滑动速度来说，一个的典型的滑动速度来说，一个25kHz的频率相当于摆动中每周期移动的频率相当于摆动中每周期移动40m。在微凸体之间的变形和粘结断裂通常在小于。在微凸体之间的变形和粘结断裂通常在小于40m的距离之间发的距离之间发生，因此压电测力计

10、只能探测到在很低的滑动速度下由单个微凸体引起的生，因此压电测力计只能探测到在很低的滑动速度下由单个微凸体引起的摩擦力变化。对于压电测力计来说，其频率极限也较低，因此不适合测量摩擦力变化。对于压电测力计来说，其频率极限也较低，因此不适合测量一个恒定的摩擦力。一个恒定的摩擦力。 安装压电测力计的方法对于有效测量是至关重要的。应避免松散或过度安装压电测力计的方法对于有效测量是至关重要的。应避免松散或过度的灵活安装，否则作为结果的振动可能会影响测力计，随后影响实验数据。的灵活安装，否则作为结果的振动可能会影响测力计，随后影响实验数据。在一个摩擦计中的压电测力计的原理和安装压电测力计的方法如图在一个摩擦

11、计中的压电测力计的原理和安装压电测力计的方法如图4.2所示。所示。 如果摩擦力足够小，那么压电测力计可以直接安装到摩擦试样上，如图如果摩擦力足够小，那么压电测力计可以直接安装到摩擦试样上，如图4.2所示。因为试验涉及到的摩擦力比商业生产的压电测力计所能容纳的摩所示。因为试验涉及到的摩擦力比商业生产的压电测力计所能容纳的摩擦力大，因此有必要研发出一个杠杆系统使只是一部分的摩擦力作用于测力擦力大，因此有必要研发出一个杠杆系统使只是一部分的摩擦力作用于测力计上。重要的是使在杠杆支点上的摩擦力最小化以便它们不会在力值测量中计上。重要的是使在杠杆支点上的摩擦力最小化以便它们不会在力值测量中引起系统误差。

12、基于一个支柱而且不包括支点的杠杆如图引起系统误差。基于一个支柱而且不包括支点的杠杆如图4.2所示。如图所示。如图4.2所示的弹性柱支撑着作用于摩擦试样的垂直载荷以避免由滚动轴承悬挂或其所示的弹性柱支撑着作用于摩擦试样的垂直载荷以避免由滚动轴承悬挂或其他类型的轴承所引起的所有摩擦力。悬挂试样的摩擦力可以错误地增大或减他类型的轴承所引起的所有摩擦力。悬挂试样的摩擦力可以错误地增大或减小摩擦系数的测量值。测力传感器与固定试样相连时，测量的是减小的摩擦小摩擦系数的测量值。测力传感器与固定试样相连时，测量的是减小的摩擦力。如果测力传感器与移动试样相连，移动试样的悬挂系统的摩擦力会引起力。如果测力传感器与

13、移动试样相连，移动试样的悬挂系统的摩擦力会引起记录下来一个增大的摩擦系数。悬挂摩擦力的影响如图记录下来一个增大的摩擦系数。悬挂摩擦力的影响如图4.3所述。所述。 压电测力计对温度、振动和腐蚀剂敏感。它们也比较昂贵。在许多情况压电测力计对温度、振动和腐蚀剂敏感。它们也比较昂贵。在许多情况下，尽管它们具有好的力记录特性，但是人们认为，使用这些测力计并不是下，尽管它们具有好的力记录特性，但是人们认为，使用这些测力计并不是有效的，而且应该被别的摩擦测量技术替代。有效的，而且应该被别的摩擦测量技术替代。应变测量梁应变测量梁 应变测量梁成本相对比较低，可以用来设计几乎所有的摩擦力的杠杆。应变测量梁成本相对

14、比较低，可以用来设计几乎所有的摩擦力的杠杆。摩擦力通常由放在垂直于摩擦力方向的梁的弯曲度测量得来。使用柔性梁的摩擦力通常由放在垂直于摩擦力方向的梁的弯曲度测量得来。使用柔性梁的原理的摩擦力的测量原理图如图原理的摩擦力的测量原理图如图4.4所示。所示。 应变片单臂电桥电路阻抗补偿应变片 一个类似的原理被用来测量在真空中的摩擦系数，如图一个类似的原理被用来测量在真空中的摩擦系数，如图4.5所示。我们可以所示。我们可以通过记录在电路阻抗的变化来测量作用于圆盘试样切线方向的摩擦力，然后从通过记录在电路阻抗的变化来测量作用于圆盘试样切线方向的摩擦力，然后从摩擦力和载荷中计算摩擦系数。摩擦力和载荷中计算摩

15、擦系数。绝缘 应变测量梁的频率极限应变测量梁的频率极限 在大多数情况下，应变测量梁测量摩擦力的方法灵敏而且准确。它们能有在大多数情况下，应变测量梁测量摩擦力的方法灵敏而且准确。它们能有效地测量压电测力计不适合测量的恒定的摩擦力。然而，在某些特定的情况效地测量压电测力计不适合测量的恒定的摩擦力。然而，在某些特定的情况下，应变测量梁完全不适合记录摩擦系数。应变测量梁发生故障的最常见的下，应变测量梁完全不适合记录摩擦系数。应变测量梁发生故障的最常见的原因是摩擦力的过度快速变化。在干摩擦的情况下，摩擦系数变化非常迅原因是摩擦力的过度快速变化。在干摩擦的情况下，摩擦系数变化非常迅速，否则就会出现粘滑特性

16、。在使用高频率、小振幅、往复滑动的装置进行速，否则就会出现粘滑特性。在使用高频率、小振幅、往复滑动的装置进行试验中，其摩擦力变化必定非常迅速而且应变仪不能产生可靠的数据。试验中，其摩擦力变化必定非常迅速而且应变仪不能产生可靠的数据。 柔性梁性能不足的原因是当力的变化率比梁的共振频率慢得多时，梁的变柔性梁性能不足的原因是当力的变化率比梁的共振频率慢得多时，梁的变形量仅仅与作用力成比例。如果梁承受的力的变化率比它的共振频率高时，它形量仅仅与作用力成比例。如果梁承受的力的变化率比它的共振频率高时，它仅仅会振动而不会发生与摩擦力成比例的偏转。在极限情况下，梁可能会共仅仅会振动而不会发生与摩擦力成比例的

17、偏转。在极限情况下，梁可能会共振，使摩擦试样遭受在滑动速度上的不受控制的变化，也不能产生有意义的摩振，使摩擦试样遭受在滑动速度上的不受控制的变化，也不能产生有意义的摩擦数据。这个问题的一个解决方法是提高梁的刚度但是这种方法会降低传感器擦数据。这个问题的一个解决方法是提高梁的刚度但是这种方法会降低传感器对小摩擦力的灵敏度。对小摩擦力的灵敏度。 为了得到可靠的实验数据，梁的刚度应该尽可能的高，应该电子放大所获为了得到可靠的实验数据，梁的刚度应该尽可能的高，应该电子放大所获得的微小应变信号。在一些情况下，即使当传感器存在剧烈的振动时也有可能得的微小应变信号。在一些情况下，即使当传感器存在剧烈的振动时

18、也有可能获得摩擦数据，但这需要一个详尽的振动分析。为了实际的用途，摩擦力中测获得摩擦数据，但这需要一个详尽的振动分析。为了实际的用途，摩擦力中测量的波动应该足够慢，以便应变测量梁仅仅需要以低于它在振动中的最低共振频量的波动应该足够慢，以便应变测量梁仅仅需要以低于它在振动中的最低共振频率的频率振动。率的频率振动。依照在第三章所讨论的内容，梁的刚度也有可能影响摩擦和磨损特性，所以依照在第三章所讨论的内容，梁的刚度也有可能影响摩擦和磨损特性，所以应该仔细选择梁的刚度以满足测量和实验条件的需要应该仔细选择梁的刚度以满足测量和实验条件的需要。 表面水平度与粗糙度对测量摩擦系数的影响表面水平度与粗糙度对测

19、量摩擦系数的影响 在测量低摩擦系数时，表面水平度特别重要。甚至大约在测量低摩擦系数时，表面水平度特别重要。甚至大约1的小斜坡也能的小斜坡也能引起摩擦系数测量的大的误差。这对于单向滑动特别重要，举例来说，在销引起摩擦系数测量的大的误差。这对于单向滑动特别重要，举例来说，在销盘实验中，测量的摩擦系数和真正的摩擦系数必定不相同，尤其是在摩擦系盘实验中，测量的摩擦系数和真正的摩擦系数必定不相同，尤其是在摩擦系数较小接近于数较小接近于0.01的情况下。摩擦系数定义为切向力的情况下。摩擦系数定义为切向力F除以正压力除以正压力W，也就是，也就是说，说，=F/W。如果圆盘以一个小的角度。如果圆盘以一个小的角度

20、 相对于正常情况下倾斜，然后，作相对于正常情况下倾斜，然后，作用于与桌面平行的应变仪上的摩擦力用于与桌面平行的应变仪上的摩擦力Fm(测量的力测量的力)也会相对于切向力也会相对于切向力F偏离偏离一些角度，如图一些角度，如图4.6所示。所示。 基板上升倾斜角 如图如图4.6a所示的布置相当于典型情况，这里滑块在滑动中与圆盘对齐。所示的布置相当于典型情况，这里滑块在滑动中与圆盘对齐。如果圆盘没有完全和滑块对齐，例如，将圆盘向下倾斜，那么从垂直于滑动如果圆盘没有完全和滑块对齐，例如，将圆盘向下倾斜，那么从垂直于滑动方向的负载的偏差将使摩擦力方向的负载的偏差将使摩擦力F增加一个额外的增加一个额外的Wsi

21、n 。因此，测量的摩擦。因此，测量的摩擦系数系数 就偏离了真正的摩擦系数就偏离了真正的摩擦系数，我们可以从自由体图可以推断出来，如，我们可以从自由体图可以推断出来，如图图4.6b所示。在下列公式中，所示。在下列公式中，m 对于上升的滑块来说，其测量的摩擦系数对于上升的滑块来说，其测量的摩擦系数 可以从如图可以从如图4.6c所示的自由体所示的自由体图以一种类似的方式计算出来图以一种类似的方式计算出来 ，也就是：，也就是：测量的摩擦系数是：测量的摩擦系数是：m 和和 对于小角度来说，对于小角度来说， ，这里，这里 以弧度形式表示。这个修正在摩擦以弧度形式表示。这个修正在摩擦测量中很少使用，因为相对

22、于测量中很少使用，因为相对于， 通常非常小，也就是说，对于通常非常小，也就是说，对于1的倾斜的倾斜角，角， =0.017弧度。然而，在极小的摩擦测量中，弧度。然而，在极小的摩擦测量中，大约是大约是0.01时，这个角度时，这个角度增益就明显了。因此，在单向滑动中，为了做极小的摩擦测量，我们必须仔增益就明显了。因此，在单向滑动中，为了做极小的摩擦测量，我们必须仔细地将圆盘放平，举例来说，对于细地将圆盘放平，举例来说，对于0.1倾斜角，要求摩擦系数为倾斜角，要求摩擦系数为0.017的精的精确度为确度为10%。 有必要提到的是，这个误差在往复滑动中不算是个问题，因为对于所有的有必要提到的是，这个误差在

23、往复滑动中不算是个问题，因为对于所有的倾斜角来说，当滑块改变滑动方向时，摩擦力的测定值与其真值的偏差就会倾斜角来说，当滑块改变滑动方向时，摩擦力的测定值与其真值的偏差就会反向。这意味着在一个完整的滑动周期中测量的平均摩擦力应该非常接近真反向。这意味着在一个完整的滑动周期中测量的平均摩擦力应该非常接近真值。然而，非零的倾斜角将会引起往复运动中的一个阶段的摩擦力与另一个值。然而，非零的倾斜角将会引起往复运动中的一个阶段的摩擦力与另一个阶段的摩擦力有区别。由于滑块上的不均匀磨损有可能引起完美的加载对齐阶段的摩擦力有区别。由于滑块上的不均匀磨损有可能引起完美的加载对齐系统失去对准性。这将引起滑块倾斜，

24、必然影响加载系统。系统失去对准性。这将引起滑块倾斜，必然影响加载系统。 我们也应该注意到，大部分但并非全部的材料常常表现出均匀的摩擦系我们也应该注意到，大部分但并非全部的材料常常表现出均匀的摩擦系数，举例说明，无论哪个滑动方向，摩擦系数都是相同的。然而，有些材料数，举例说明，无论哪个滑动方向，摩擦系数都是相同的。然而，有些材料并不总是这种情况。例如，有些材料如羊毛纤维是渐进式表面，表面的一个并不总是这种情况。例如，有些材料如羊毛纤维是渐进式表面，表面的一个方向的摩擦系数非常高，但其他方向不是这样。对于这些材料，在往复滑动方向的摩擦系数非常高，但其他方向不是这样。对于这些材料，在往复滑动 中，平

25、均摩擦系数将随着倾斜角而变化。因此，在对拥有不对称的摩擦系中，平均摩擦系数将随着倾斜角而变化。因此，在对拥有不对称的摩擦系数的材料进行摩擦试验的情况下，试样倾斜角的影响是显著的。数的材料进行摩擦试验的情况下，试样倾斜角的影响是显著的。 在空气中，当金刚石在金刚石涂料上滑动时，摩擦系数变化在在空气中，当金刚石在金刚石涂料上滑动时，摩擦系数变化在0.03和和0.5之间变化，变化很大，其值取决于滑动表面的粗糙度。摩擦系数随着表之间变化，变化很大，其值取决于滑动表面的粗糙度。摩擦系数随着表面粗糙度的降低而减小。泰勒提出混合粘附面粗糙度的降低而减小。泰勒提出混合粘附/粗糙上升机制是摩擦力取决于粗糙上升机

26、制是摩擦力取决于表面粗糙度的原因。考虑到表面粗糙度的影响，摩擦系数可由下列公式计表面粗糙度的原因。考虑到表面粗糙度的影响，摩擦系数可由下列公式计算出来：算出来：这里这里 是粗糙表面之间的摩擦系数（无量纲）；是粗糙表面之间的摩擦系数（无量纲）； 是光滑表面之间的真实的摩擦系数（无量纲）；是光滑表面之间的真实的摩擦系数（无量纲）； 是粗糙表面的倾斜角（无量纲）；是粗糙表面的倾斜角（无量纲）；av 负载和摩擦力的同步测量负载和摩擦力的同步测量 在摩擦系数的精确测定中，瞬时接触力应该持续不断的测量。可通过使用在摩擦系数的精确测定中，瞬时接触力应该持续不断的测量。可通过使用合适的应变仪测量接触力。挠曲元

27、素在负载轴上的随着力的变化而发生偏差，合适的应变仪测量接触力。挠曲元素在负载轴上的随着力的变化而发生偏差，挠曲元素有一个弹性平面，它垂直于摩擦力测量中的挠曲元素。通过使用双挠曲元素有一个弹性平面，它垂直于摩擦力测量中的挠曲元素。通过使用双应变测量梁进行摩擦力和负载的同步测量如图应变测量梁进行摩擦力和负载的同步测量如图4.7所示。所示。 应当提到的是，双应变测量梁系统甚至比单应变测量梁更易受共振的影应当提到的是，双应变测量梁系统甚至比单应变测量梁更易受共振的影响。因此，在试验中摩擦力出现快速变化的情况下，对于摩擦力和负载的测量响。因此，在试验中摩擦力出现快速变化的情况下，对于摩擦力和负载的测量来

28、说，使用两个压电测力计可能会更有效。为了来说，使用两个压电测力计可能会更有效。为了 测量负载，压电测力计应该测量负载，压电测力计应该与平稳性检验试样相连，以便能探测到在移动试样的正常运动（也就是跳动）与平稳性检验试样相连，以便能探测到在移动试样的正常运动（也就是跳动）中的接触力的变化。中的接触力的变化。 应该注意的是，如果柔性梁位于滑动平面上应该注意的是，如果柔性梁位于滑动平面上/下过远的位置，应变测量梁下过远的位置，应变测量梁就易于扭曲。理想上，梁的纵轴应该位于滑动平面，但是通常为试验试样之就易于扭曲。理想上，梁的纵轴应该位于滑动平面，但是通常为试验试样之间的机械干扰所阻止。梁的纵轴和滑动平

29、面之间的距离的影响如图间的机械干扰所阻止。梁的纵轴和滑动平面之间的距离的影响如图4.7所示。所示。由于在梁的纵轴和滑动平面之间过大的距离导致梁的扭曲引起试样倾斜。由于在梁的纵轴和滑动平面之间过大的距离导致梁的扭曲引起试样倾斜。 支点板磨损痕迹粗糙面标称值外加力 试样的倾斜将引起磨损表面上的接触压力的不均匀分配和单边磨损，这将试样的倾斜将引起磨损表面上的接触压力的不均匀分配和单边磨损，这将影响实验数据的有效性。在动态接触位于处于滑动接触表面上影响实验数据的有效性。在动态接触位于处于滑动接触表面上/ /下位置的四个应下位置的四个应变测量梁的中心的摩擦计的设计事实上以提高设计复杂性为代价减少了试样倾

30、变测量梁的中心的摩擦计的设计事实上以提高设计复杂性为代价减少了试样倾斜的影响。斜的影响。 使用电子传感器进行摩擦测量是最近的摩擦学的一个相对的创新。摩擦数据使用电子传感器进行摩擦测量是最近的摩擦学的一个相对的创新。摩擦数据也能通过其他方法得到。最常用的方法有：斜桌法；悬挂重物法；也能通过其他方法得到。最常用的方法有：斜桌法；悬挂重物法；摆动法。这三种方法如图摆动法。这三种方法如图4.8所示。所示。 早期的摩擦学研究依靠使用具有可变的倾斜角的斜桌或通过滑轮和绳索连在早期的摩擦学研究依靠使用具有可变的倾斜角的斜桌或通过滑轮和绳索连在试验试样上的悬挂的重物。这些方法在现在的研究中很少使用，除了一两个

31、著名试验试样上的悬挂的重物。这些方法在现在的研究中很少使用，除了一两个著名的例外。倾斜角的方法应用在真空中干净的金属表面之间的高的摩擦系数的第一的例外。倾斜角的方法应用在真空中干净的金属表面之间的高的摩擦系数的第一个实验示范中。这个实验布置允许在一个简单的真空装置中测量摩擦系数，而且个实验示范中。这个实验布置允许在一个简单的真空装置中测量摩擦系数，而且没有从安装在真空室里的摩擦传感器获得电子信号的复杂性。摩擦实验在一个小没有从安装在真空室里的摩擦传感器获得电子信号的复杂性。摩擦实验在一个小玻璃容器中进行，这个容器可以增大倾斜角直到试验试样开始滑动。玻璃容器中进行，这个容器可以增大倾斜角直到试验

32、试样开始滑动。其他方法其他方法 振幅 摆动摇摆运动 使用倾斜角方法测量摩擦系数的在最近的应用的例子是生物摩擦学。使用倾斜角方法测量摩擦系数的在最近的应用的例子是生物摩擦学。人们用倾斜一定角度的练习桌来测量动物脚底对地面的摩擦系数。尽管斜桌人们用倾斜一定角度的练习桌来测量动物脚底对地面的摩擦系数。尽管斜桌只能够允许对滑动发生之前脚底的摩擦系数的最大值的初步测量，但是这种只能够允许对滑动发生之前脚底的摩擦系数的最大值的初步测量，但是这种方法仍然比将仪器用在动物脚底或练习桌的方法更可取。方法仍然比将仪器用在动物脚底或练习桌的方法更可取。 钟摆法可对作用在由一个旋转的组件和静态的组件组成的动态接触上的

33、钟摆法可对作用在由一个旋转的组件和静态的组件组成的动态接触上的摩擦的非常小的摩擦系数进行测量。常见的例子是如图摩擦的非常小的摩擦系数进行测量。常见的例子是如图4.8c所示的由轴和轴所示的由轴和轴瓦组成的径向轴承。钟摆法的基本缺点是只能在很小范围的滑动速度区间内瓦组成的径向轴承。钟摆法的基本缺点是只能在很小范围的滑动速度区间内研究往复滑动。可能钟摆法最有效和最令人兴奋的应用是滑膜关节中摩擦系研究往复滑动。可能钟摆法最有效和最令人兴奋的应用是滑膜关节中摩擦系数的测量。在这些实验中，保护滑膜关节是必不可少的初始条件。一个完整数的测量。在这些实验中，保护滑膜关节是必不可少的初始条件。一个完整的带有滑膜

34、关节的膝盖或髋部放置在钟摆装置中，测量摩擦系数时没有把力的带有滑膜关节的膝盖或髋部放置在钟摆装置中，测量摩擦系数时没有把力传感器安装到人类组织的问题。传感器安装到人类组织的问题。 4.3 4.3 磨损的测量磨损的测量 磨损的测量在一定程度上由磨损应用的精确定义决定。最简单的磨损的定义可磨损的测量在一定程度上由磨损应用的精确定义决定。最简单的磨损的定义可能是在磨损过程中物体质量的改变。通过称量磨损试验前后磨损物体可能测量能是在磨损过程中物体质量的改变。通过称量磨损试验前后磨损物体可能测量这种方式的磨损。这种基于质量改变而估计磨损的难点是不考虑磨损所造成这种方式的磨损。这种基于质量改变而估计磨损的

35、难点是不考虑磨损所造成的某些材料位置改变后仍然附着在磨损的物体上的情况。位置改变的材料是片的某些材料位置改变后仍然附着在磨损的物体上的情况。位置改变的材料是片状的，一个磨损试样的下游边的材料是背向线状的，也就是说，材料没有作为磨状的，一个磨损试样的下游边的材料是背向线状的，也就是说，材料没有作为磨损粒而移动，但是，它已不能支撑接触负载所以说磨损已经发生了。在这种情况损粒而移动，但是，它已不能支撑接触负载所以说磨损已经发生了。在这种情况下，从测量磨损表面和磨损试样的其他表面之间的距离（也就是磨损深度），可下，从测量磨损表面和磨损试样的其他表面之间的距离（也就是磨损深度），可以更精确地确定磨损。以

36、更精确地确定磨损。 实验中磨损测量的另一个难点是当磨损测量与持续监测截然相反而有一系列实验中磨损测量的另一个难点是当磨损测量与持续监测截然相反而有一系列的间隔造成的数据的缺失。从磨损过程的持续记录中可以找到磨损的许多信息。的间隔造成的数据的缺失。从磨损过程的持续记录中可以找到磨损的许多信息。从持续的磨损测量比偶尔的测量观察得到的磨损件的突然的或周期的材料的缺失从持续的磨损测量比偶尔的测量观察得到的磨损件的突然的或周期的材料的缺失更可靠。在针对检测到的金属配合端面的高速滑动中，持续的磨损记录使熔融更可靠。在针对检测到的金属配合端面的高速滑动中，持续的磨损记录使熔融聚合物层状的聚合物试样定期释放。

37、当定期测量取代持续的磨损记录时，基于聚合物层状的聚合物试样定期释放。当定期测量取代持续的磨损记录时，基于质量改变、试样尺寸和信息缺失的磨损测量之间的差异如图质量改变、试样尺寸和信息缺失的磨损测量之间的差异如图4.9所示。所示。 直方图粘附离散版 目前有三种测量磨损的基本方法：检测质量方面的变化；磨损试样的目前有三种测量磨损的基本方法：检测质量方面的变化；磨损试样的尺寸变化的测量；磨损试样的轮廓测定法。其他测量磨损的方法，例如，尺寸变化的测量；磨损试样的轮廓测定法。其他测量磨损的方法，例如，基于检测试样（该试样放在核反应堆里已被辐射）的放射性。通常放射性基于检测试样（该试样放在核反应堆里已被辐射

38、）的放射性。通常放射性同位素被用来做廉价的替代物。在流体或润滑剂涌过磨损接触时的放射性同位素被用来做廉价的替代物。在流体或润滑剂涌过磨损接触时的放射性水平的测量可估计磨损率。在有些情况下，植入放射性元素到磨损表面是水平的测量可估计磨损率。在有些情况下，植入放射性元素到磨损表面是为了降低放射性水平。另一个磨损测量的简单方法是做一个硬度压痕，然为了降低放射性水平。另一个磨损测量的简单方法是做一个硬度压痕，然后测量压痕印记尺寸的改变。最近开发出的适合远程磨损接触的方法是后测量压痕印记尺寸的改变。最近开发出的适合远程磨损接触的方法是超声波干涉的应用。根据试样中透射和反射的超声波之间的干涉的变化超声波干

39、涉的应用。根据试样中透射和反射的超声波之间的干涉的变化探测到试样尺寸的变化。磨损测量的主要方法的特点如下所述。探测到试样尺寸的变化。磨损测量的主要方法的特点如下所述。 根据重量减少确定磨损根据重量减少确定磨损 人们通常使用分析天平进行质量变化的测量。如果试样在测量前清洗过人们通常使用分析天平进行质量变化的测量。如果试样在测量前清洗过并且对于小试样来说，仅仅使用钳子或镊子传递过，就能得到很准确的数并且对于小试样来说，仅仅使用钳子或镊子传递过，就能得到很准确的数据。磨损中质量的改变通常很小，只有几毫克，因此需要灵敏的分析天平。据。磨损中质量的改变通常很小，只有几毫克，因此需要灵敏的分析天平。试样质

40、量的变化可能不仅仅是磨损的结果。当试验中材料处于潮湿的、腐试样质量的变化可能不仅仅是磨损的结果。当试验中材料处于潮湿的、腐蚀性的环境时尤其要考虑其他因素如试样的腐蚀、流体的吸收。这种类型蚀性的环境时尤其要考虑其他因素如试样的腐蚀、流体的吸收。这种类型试验的例子有腐蚀磨损实验和有机流体中高分子磨损的研究。试验的例子有腐蚀磨损实验和有机流体中高分子磨损的研究。 通过组件尺寸的变化进行磨损测量通过组件尺寸的变化进行磨损测量 通过将位移传感器连接到位于磨痕上方的磨损试样的表面，检测磨损试样通过将位移传感器连接到位于磨痕上方的磨损试样的表面，检测磨损试样尺寸的变化。位移传感器的灵敏度应该能检测到磨损表面

41、的转移膜的释放，大尺寸的变化。位移传感器的灵敏度应该能检测到磨损表面的转移膜的释放，大约是约是1m。为此，。为此，LVDT(线性差动变压器线性差动变压器)和非接触感应位移计耦合的电子和非接触感应位移计耦合的电子放大器是典型设备。在几乎所有的包括放大器是典型设备。在几乎所有的包括LVDT实验中，在位移传感器和试验实验中，在位移传感器和试验试样的接触是弹簧负载的压缩力维护的。由于磨损试样的接触是弹簧负载的压缩力维护的。由于磨损LVDT能检测到试样非常小能检测到试样非常小的运动，然而的运动，然而, LVDT的使用并不总是方便的，因此人们经常使用非接触感应的使用并不总是方便的，因此人们经常使用非接触感

42、应位移计。这些位移传感器和放大器的输出转移到记录仪或基于电脑的数据位移计。这些位移传感器和放大器的输出转移到记录仪或基于电脑的数据采集系统，例如基于采集系统，例如基于LabView软件，它能连续记录所得到的磨损数据。软件，它能连续记录所得到的磨损数据。 因为在磨损测量中位移传感器能提供关于磨损过程的持续信息，因此它因为在磨损测量中位移传感器能提供关于磨损过程的持续信息，因此它的使用非常方便。当几乎所有的磨损都只限于一个试样时，磨损中位移的测的使用非常方便。当几乎所有的磨损都只限于一个试样时，磨损中位移的测量是最有效的，举例来说，销盘试验中的销，因为技术没有提供任何关于试量是最有效的，举例来说，

43、销盘试验中的销，因为技术没有提供任何关于试样之间的磨损的分布。使用非接触感应位移计或样之间的磨损的分布。使用非接触感应位移计或LVDT传感器的磨损测量和传感器的磨损测量和相关的问题如图相关的问题如图4.10所示。所示。 有利条件 通过轮廓测定法确定磨损通过轮廓测定法确定磨损 根据磨痕确定估计磨损量常用的方法是轮廓测定法。为此，所使用的设备有根据磨痕确定估计磨损量常用的方法是轮廓测定法。为此，所使用的设备有光学投影仪，例如轮廓投影仪，触针轮廓测定法，例如表面光度仪或激光扫描光学投影仪，例如轮廓投影仪，触针轮廓测定法，例如表面光度仪或激光扫描轮廓测定法，例如超声生物显微镜。光学投影仪和触针轮廓测定

44、法是几十年前轮廓测定法，例如超声生物显微镜。光学投影仪和触针轮廓测定法是几十年前开发的老技术，而激光光学轮廓测定法是最近的技术。所有的这些技术都能提供开发的老技术，而激光光学轮廓测定法是最近的技术。所有的这些技术都能提供关于磨痕的形貌和试样之间的磨损分布的大量信息。光学投影仪在拥有简单的关于磨痕的形貌和试样之间的磨损分布的大量信息。光学投影仪在拥有简单的形状（例如销）的试样中能够简单地但是很灵敏地测量磨损变化。这个技术是基形状（例如销）的试样中能够简单地但是很灵敏地测量磨损变化。这个技术是基于投影一个物体（例如销）的图像到屏幕上，并测量磨损试样轮廓尺寸的变化，于投影一个物体（例如销）的图像到屏

45、幕上，并测量磨损试样轮廓尺寸的变化，如图如图4.11a所示。这个技术的一个局限性是由于爬行引起的销的变形和附着在磨所示。这个技术的一个局限性是由于爬行引起的销的变形和附着在磨痕上的移位的材料会阻碍真正的磨损轮廓的观测。痕上的移位的材料会阻碍真正的磨损轮廓的观测。 触针轮廓测定法通过在磨痕上的触针或激光做几次均匀隔开的横向运动从触针轮廓测定法通过在磨痕上的触针或激光做几次均匀隔开的横向运动从而编辑磨痕的图像。因此磨损可以根据最深的磨痕轮廓评估，否则磨痕量可而编辑磨痕的图像。因此磨损可以根据最深的磨痕轮廓评估，否则磨痕量可通过对磨痕截面进行数值积分计算出来。然而，这项技术费时，通常用来在通过对磨痕

46、截面进行数值积分计算出来。然而，这项技术费时，通常用来在实验结束时记录总磨损。这项技术如图实验结束时记录总磨损。这项技术如图4.11b所示。所示。 放大的轮廓触针连续电磁执行器弹簧片可动透镜管分束器亮度光电二极管 在扫描轮廓测定法中从半导体激光发射器发射出的光束聚焦到测量表面在扫描轮廓测定法中从半导体激光发射器发射出的光束聚焦到测量表面产生直径大约为产生直径大约为1m的入射点。然后这个点通过分束器、光电二极管成像的入射点。然后这个点通过分束器、光电二极管成像到传感器上。光电二极管的混合输出传递误差信号给焦点。然后根据这个到传感器上。光电二极管的混合输出传递误差信号给焦点。然后根据这个信号控制可

47、动镜头使之在传感器中。镜头以这样的方式实时移动，因此信信号控制可动镜头使之在传感器中。镜头以这样的方式实时移动，因此信号总是最大值，也就是，光束的焦点总是与物体表面保持一致。然后附在号总是最大值，也就是，光束的焦点总是与物体表面保持一致。然后附在镜头上的光平衡系统就能测量由于镜头的移动而再现的表面位移。激光扫镜头上的光平衡系统就能测量由于镜头的移动而再现的表面位移。激光扫描轮廓测定法的工作原理如图描轮廓测定法的工作原理如图4.11c所示。其他的轮廓测定法技术在第六章所示。其他的轮廓测定法技术在第六章中有描述。中有描述。 专门的技术专门的技术 人们开发了许多专门的技术以测量在特定的实验条件下的磨

48、损。最广为人人们开发了许多专门的技术以测量在特定的实验条件下的磨损。最广为人知的是，通过放射性测量进行的薄层活化法和测量尺寸变化进行的超声波干涉。知的是，通过放射性测量进行的薄层活化法和测量尺寸变化进行的超声波干涉。其他的方法有使用接近转换器（其他的方法有使用接近转换器（92页有提到）的，例如用它测量活塞环和缸壁页有提到）的，例如用它测量活塞环和缸壁之间的间隙。之间的间隙。 薄层活化法包含了在一个核反应堆或粒子加速器中通过辐射而进行的磨损薄层活化法包含了在一个核反应堆或粒子加速器中通过辐射而进行的磨损表面的薄层活化。从恢复了润滑的试样进行的放射性磨损粒子的采集和对它们表面的薄层活化。从恢复了润

49、滑的试样进行的放射性磨损粒子的采集和对它们的放射性进行的测量提供了磨损程度的指标。首先要选择合适的放射源（慢中的放射性进行的测量提供了磨损程度的指标。首先要选择合适的放射源（慢中子，快中子，质子等），磨损材料中不同的元素都可被活化，因此，可以精确子，快中子，质子等），磨损材料中不同的元素都可被活化，因此，可以精确地测量两个相互作用的组件的在磨损率的差别。例如，对轴承材料使用不同的活地测量两个相互作用的组件的在磨损率的差别。例如，对轴承材料使用不同的活化方法，从而可以显现出铁或铬的放射性，就能区分轴承中各元素的磨损率。化方法，从而可以显现出铁或铬的放射性，就能区分轴承中各元素的磨损率。 在内燃机

50、中，通过使用不同的同位素对邻近的轴承组件进行放射，就有可能在内燃机中，通过使用不同的同位素对邻近的轴承组件进行放射，就有可能区分活塞环和凸轮及推杆的磨损。薄层活化法的主要缺点有：区分活塞环和凸轮及推杆的磨损。薄层活化法的主要缺点有： 1.难以发现润滑中磨损率和磨损粒子密度之间的校正曲线难以发现润滑中磨损率和磨损粒子密度之间的校正曲线2.依赖润滑剂对磨损接触进行冲洗依赖润滑剂对磨损接触进行冲洗3.涉及使用放射性同位素带来的危害，因此这种方法最近已停止使用涉及使用放射性同位素带来的危害，因此这种方法最近已停止使用 另一种测量磨损的方法是超声波干涉法。通过这种方法由于磨损引起的尺寸另一种测量磨损的方

51、法是超声波干涉法。通过这种方法由于磨损引起的尺寸变化可以直接测量得到而且实验危害有限。这种方法对非常小的尺寸变化（大约变化可以直接测量得到而且实验危害有限。这种方法对非常小的尺寸变化（大约1m）都能灵敏地察觉到，因此可用来确定磨损接触中非常有限的磨损的特性。）都能灵敏地察觉到，因此可用来确定磨损接触中非常有限的磨损的特性。然而，这项技术高度专业化，要得到可靠数据需要大量的专业知识。薄层活化和然而，这项技术高度专业化，要得到可靠数据需要大量的专业知识。薄层活化和超声波干涉如图超声波干涉如图4.12所示。所示。 评定区感生放射性 实装中非常小的磨损量的测量实装中非常小的磨损量的测量 随着原子力显微

52、镜（随着原子力显微镜（AFM）的发展（第八章有描述），现在人们已能够对）的发展（第八章有描述），现在人们已能够对立体物外形尺寸的非常小的变化进行精确的测量。这意味着现在人们对于非常立体物外形尺寸的非常小的变化进行精确的测量。这意味着现在人们对于非常小而浅的磨痕也能进行精确的测量。在对钢制凸轮滚子上的小而浅的磨痕也能进行精确的测量。在对钢制凸轮滚子上的0.6Kg的组件使用的组件使用AFM以确定表面形貌和纤维硬度压痕的变化时，可以测量到小至以确定表面形貌和纤维硬度压痕的变化时，可以测量到小至1mg的磨损量。的磨损量。这些压痕在表面扫描中为这些压痕在表面扫描中为AFM定位可以起到参考点的作用。这项技

53、术可以测得定位可以起到参考点的作用。这项技术可以测得浅到浅到30nm深度的磨损。这项技术的实际应用深度的磨损。这项技术的实际应用在中等负载和速度的实际实验中在中等负载和速度的实际实验中对微妙的磨损变化进行测量，现在已经是可能的了。对微妙的磨损变化进行测量，现在已经是可能的了。AFM使得对非常小的磨损量使得对非常小的磨损量的准确的分辨率能够成为在安全区域运转的机器的特性。的准确的分辨率能够成为在安全区域运转的机器的特性。 加速试验的常规方法涉及到通过常规方法可以更容易的测得的不规则载荷、加速试验的常规方法涉及到通过常规方法可以更容易的测得的不规则载荷、速度以产生大的磨损量。这个试验带来的风险是提

54、高载荷和速度时的磨损机理速度以产生大的磨损量。这个试验带来的风险是提高载荷和速度时的磨损机理和普遍的正常的载荷和速度下的磨损机理可能不一致。因此，从加速试验的和普遍的正常的载荷和速度下的磨损机理可能不一致。因此，从加速试验的常规形式中可能找不到磨损和材料或操作参数之间的真正的关系。常规形式中可能找不到磨损和材料或操作参数之间的真正的关系。 磨损测量技术的相对的优点和缺点如表磨损测量技术的相对的优点和缺点如表4.1所示。从表所示。从表4.1和前文可以看出，和前文可以看出，没有一个技术被认为适合每一个摩损测量问题。在多数情况下，在决定磨损没有一个技术被认为适合每一个摩损测量问题。在多数情况下，在决

55、定磨损测量的合适方法之前，我们必须要考虑所有的特殊实验或试验的需要。在许多测量的合适方法之前，我们必须要考虑所有的特殊实验或试验的需要。在许多情况下，对于特殊的实验条件，我们应该同时使用两种测量磨损的方法以检验情况下，对于特殊的实验条件，我们应该同时使用两种测量磨损的方法以检验数据的准确性。数据的准确性。对于一个特殊应用的测量技术的选择对于一个特殊应用的测量技术的选择 技术技术 优点优点 缺点缺点 称重法称重法 简单，精确简单，精确转移或移位的材料破坏数转移或移位的材料破坏数据据原地测量磨损试样长度变原地测量磨损试样长度变化法化法精确，能持续记录磨损率精确，能持续记录磨损率试样之间的磨损没区别

56、试样之间的磨损没区别 触针轮廓测定法触针轮廓测定法非常精确非常精确 能给出试样之能给出试样之间的磨损分布间的磨损分布缓慢，最适合测量试验结缓慢，最适合测量试验结束时，设备昂贵束时，设备昂贵 激光扫描轮廓测定法激光扫描轮廓测定法非常精确而且快速，能给非常精确而且快速，能给出试样之间的磨损分布出试样之间的磨损分布 设备昂贵设备昂贵 光学轮廓测定法光学轮廓测定法 简单，快速简单，快速试样有复杂的形状或磨损试样有复杂的形状或磨损或爬行在负载下扭曲了试或爬行在负载下扭曲了试样形状的情况下方法不可样形状的情况下方法不可行行 薄层活化法薄层活化法在封闭的设备中原地测量在封闭的设备中原地测量磨损，可对各部分磨

57、损率磨损，可对各部分磨损率进行同步测量进行同步测量不精确，难以保证人身安不精确，难以保证人身安全全 超声波干涉法超声波干涉法对小的尺寸变化灵敏对小的尺寸变化灵敏需要专业知识的专门技术需要专业知识的专门技术表表4.1 4.1 磨损测量技术的优缺点磨损测量技术的优缺点 4.4 4.4 测量摩擦和磨损的间接技术测量摩擦和磨损的间接技术 由于难达到动态接触，因此人们常常很难直接测量摩擦和磨损。特别是磨损由于难达到动态接触，因此人们常常很难直接测量摩擦和磨损。特别是磨损测量，常常涉及到不合需要的弄乱试验试样。由于这些问题，人们有时更倾向于测量，常常涉及到不合需要的弄乱试验试样。由于这些问题，人们有时更倾

58、向于测量与摩擦和磨损有因果关系并且不要求有创测量技术的一个量。因为热、噪音测量与摩擦和磨损有因果关系并且不要求有创测量技术的一个量。因为热、噪音和振动拥有从动态接触传输到远程传感器的性能，所以它们的排放是摩擦和磨损和振动拥有从动态接触传输到远程传感器的性能，所以它们的排放是摩擦和磨损数据的合适的来源。在设备条件检测中，数据的合适的来源。在设备条件检测中，“摩擦排放物摩擦排放物”（例如噪音的排放）的（例如噪音的排放）的检测是特别方便的。在实际的机械装置中为符合合摩擦或磨损传感器的需要而检测是特别方便的。在实际的机械装置中为符合合摩擦或磨损传感器的需要而改造设备通常是不切实际的。从改造设备通常是不

59、切实际的。从“摩擦排放物摩擦排放物”中得到的数据不仅代替了直接的中得到的数据不仅代替了直接的摩擦和磨损数据，而且它也能揭示出动态接触的其他细节。摩擦和磨损数据，而且它也能揭示出动态接触的其他细节。 通过声发射估计磨损通过声发射估计磨损 描述噪音的一个基本参数是释放的声能，人们常常依照声发射参考技术描述噪音的一个基本参数是释放的声能，人们常常依照声发射参考技术文献。在磨损接触中，相对的表面之间的粗糙面相互作用引起声发射。每当文献。在磨损接触中，相对的表面之间的粗糙面相互作用引起声发射。每当相对的表面的粗糙面开始接触时，磨损就开始或被加强了，释放的能量将产相对的表面的粗糙面开始接触时，磨损就开始或

60、被加强了，释放的能量将产生振动。振动的特殊原因有塑性变形引起的错位、迁移，裂纹的扩大，空隙生振动。振动的特殊原因有塑性变形引起的错位、迁移，裂纹的扩大，空隙的塌陷。也有人提出当释放荷载时，表面微凸体的弹性变形和随后的的塌陷。也有人提出当释放荷载时，表面微凸体的弹性变形和随后的“弹起弹起”可能有助于特定频率的振动的产生。在实验条件足够有限的情况下，我们可可能有助于特定频率的振动的产生。在实验条件足够有限的情况下，我们可认为摩损和声发射都与摩擦功耗成比例并且它们的参数应该表现出一个共同认为摩损和声发射都与摩擦功耗成比例并且它们的参数应该表现出一个共同的比例性。然而必须仔细对待声发射和磨损之间的关系