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第四节 摩擦性能检测设备及试验方法(上)

浏览次数: 日期:2017-06-28

摩擦性能检测设备及试验方法

 一、非实样(小样)摩擦试验机

    (一) 定速式摩擦试验机

    定速式摩擦试验机( 依椐GB5763-98、GB/T5764-98GB12834-2000等有关标准规定)。     

    定速试验机具有结构简单,成本低等优点,是目前国内应用广泛的一种小样品试验机,该机的依据标准是GB5763-1998和GB5764-1998。现结合图 9-1 简介定速试验机的工作原理和工作过程。

    定速试验机采用小样品(即从原样件上按规定制取的小样品)实验方法。通过试样与摩擦盘表面的摩擦,测定样品的摩擦性能。其基本原理是:以一个恒定压力将被测试样件压在具有一定转速的旋转摩擦盘的表面上,从而沿接触表面的切线方向产生一个摩擦力。通过对该摩擦力的测定来确定被测试样(被测材料)的摩擦系数μ(μ= f / F, 其中: f为摩擦力,F为正压力)。此外,定速试验机还可在试验过程中控制温度的变化,模拟不同的试验环境和对不同的试样重复同一测试条件下的试验。

    工作过程简述如下(见图9-1):将待试制品制成小样块、抬起加压装置、将试样放入图示位置、放下加压装置、确定试验程序、开始试验。

这种定速试验机,具有自动温度控制,试验数据计算机处理,结果输出有屏显和打印两种方式等特点。

    在该机型的基础上,通过改进,该设备还可得到更广泛的应用。如使摩擦盘的转速无级可调,将试样的单位压强由定值力改进为伺服施压等。这些改进已经得以实现并获得了实际应用。

 图9-2 JF150D-II定速试验机,是吉林大学机电所研制的。目前国内已有M-DS型(二汽产)、XL112型(武汉祥龙)、XD-MSM(咸阳所)等同类型试验机。

    ⒈ 试验设备试验片中心与旋转中心的距离为0.15m

    ⑴ 定速式摩擦试验机。

    ⑵摩擦圆盘材质为GB/T9439中灰铸铁牌号HT250,布氏硬度HB195(180220HB);圆盘金相组织为珠光体,其表面应用JB/T7498中粒度为P240的砂纸处理。

    ⑶摩擦力用自动记录仪测定。

    ⑷摩擦盘表面温度(以下简称盘温)测定,是把焊有热电偶的银片8×8×0.6mm)0.10.2N的力压,在圆盘摩擦部位宽度的中心线上,且从试片中心沿旋转方向50100 mm处。

    ⑸摩擦盘温可通过加热和冷却装置在100350℃内进行调整。

    ⑹试样宽度尺寸用精度0.02mm游标卡尺测量,厚度尺寸用精度0.01mm的千分尺测量。

    ⒉ 试验条件

    ⑴ 试验温度的允许偏差为±10℃。

    ⑵ 圆盘转速恒定在400500r/min

    ⑶ 试片压力分别为0.98MPa(制动器衬片)0.49MPa(离合器面片。)

    ⑷ 摩擦方向与衬片、面片的摩擦方向相同。

    ⒊ 试片

    ⑴ 试片从同一片制动器衬片(或离合器面片)上制取2个试片。

    ⑵ 试片摩擦面尺寸为25mm×25mm,允许偏差为-0.20mm

    ⑶ 试片厚度为57mm2个试片的厚度差在0.2mm以下。若制品厚度小于5mm,则 按制品厚度。

     ⒋ 试验步骤

     ⑴制好的两个试片进行编号,以做区分。

     ⑵把试片装入支承臂内,并调节加压杆为水平位置。并确定加载砝码。

    ⑶试片在100℃以下磨合至接触面达95%以上。 在常温下用千分尺测试片四个角与中心处厚度,计5 点做好标志并作记录。

    ⑷在试验温度100℃时,按规定条件测定圆盘旋转5000转期间的摩擦力及摩擦后测量试片的厚度并做记录。

    ⑸同样方法在各个规定试验温度,如150℃、200℃、250℃、300℃、350℃,进行同样试验操作和记录。

    ⑹各类制品的最高试验温度,应按产品的国家标准规定或用户要求进行。

    ⑺在最高试验温度测定结束后:

    ①面片制品: 在100℃时测定圆盘旋转3000转期间的摩擦力。

    ②衬片制品: 从最高试验温度起每降50℃时,测定圆盘1500转期间的摩擦力,一直至100 ℃,但温度下降至下一阶段时应在500转以内。

     注:1.在测定圆盘5000转期间,圆盘温度应在1500转以内升至各个规定的试验温度时,可用辅助  加热装置。

     注:2.配套用衬片取同一试片的第二遍记录数据做为试验结果。

    ⒌ 计算

     ⑴ 各个试验温度时的摩擦系数:

                f    

         μ= ───          f K· S

                F                                               (9-1

                式中:

                    μ--摩擦系数

                     f --摩擦力(总摩擦距离的后半部稳定的摩擦力的平均值) N

                     F--加在试片上的法向力(试片的压力×试片面积) N

                     K--弹簧常数kg-f/mm

                     S--基线和曲线之间的距离,mm

    ⑵各个试验温度时的磨损率

                1      A     d1-d2

          V = ─── × ─── × ────

               2πr     n      fm                            9-2

 

                     A   d1-d2

           = 1.06 × ───×────

                     n    sfm                                (9-3

                     式中:

                           V--磨损率,cm3/(N·m)

                           r- -试片中心与圆盘旋转轴中心的距离( 15cm)

                           n--试验时圆盘的总转数。

                           A--试片摩擦面的总面积,cm2

                           d1--试验前试片的平均厚度,cm

                           d2--试验后试片的平均厚度,cm

                          fm--试验时总平均摩擦力,N

     摩擦力全平均=(曲线数(全)-标定时的曲线数)×校正常数+196(基准线)

     摩擦力后半平均=(后半曲线数-标定时的曲线数)×校正常数+196(基准线)

      注:磨损率(V)试验结果不允许为负值。

 

 ( 二)chase摩擦试验机

chase摩擦试验机(以下称chase机)是1958年由美国汽车工程师协会(SAE)设计,美国LINK公司制造的。chase机是基于小样品试验的是一种小样试验机。

依摩擦材料行业发展需要,吉林大学机电设备研究所1996年研制成功并已推广应用20多台。

chase摩擦试验机可用于对通过惯性台架及道路试验后得到的新材料进行分级试验;也可用于生产质量控制试验及产品质量的认证试验。其主要执行的试验方法及获得试验的结果也作摩擦材料生产工艺引进及产品出口的可靠依据。并得到国际社会的广泛认可。其主要完成的试验标准有ISO7881SAEJ661aSAEJ661SAE866JISO4411GB/T1769-98等等。被世界各国摩擦材料行业广泛采用。

 

chase摩擦试验机,基本原理是:以一个恒定压力将测试样压在以某一速度旋转的摩擦鼓的内表面上,因而沿接触表面的切线方向将产生一个摩擦力,通过对压力和摩擦力的测定便可确定出被测样品的摩擦系数。chase摩擦试验机在试验过程中,依要求随时控制温度变化,采用鼓外环辅助加热管加热和背部吸风冷却。这样使试样处的温度变化平稳,温度测量精度更高,其传动系统采用直流调速系统。参见图

chase摩擦试验机,可在恒定正压力时通过测量摩擦力或恒定摩擦力下测量正压力以求得被测材料的摩擦系数。它可用于:

⑴在确定温度、转速和载荷条件下,将试样按指定的周期加载,测定样品的定温摩擦系数。

⑵在升温条件下连续或断续加载,测量材料的衰退性能。

⑶在衰退试验后,在风冷的情况下,依条件加载,测定恢复性能。

⑷通过比较试验前后的厚度测量材料的磨损特性。

 图9-3给出了JF160chase试验机的结构图,该机采用计算机控制,数据采集、过程控制和数据分析、处理,结果输出打印等,均可自动完成。而且除可执行上述标准外,还可根据具体情况调整试验程序,具有广泛的适应性。

 chase摩擦试验机目前国内主要有JF160型,还有XL160型等。

1.试验设备

Chase摩擦试验。

美国SAE J 661测试规范中采用的摩擦试验机,

①试验鼓的内径为278.5毫米,有效使用范围为277.0-278.0毫米

②鼓的转速(rpm)是以直径为278.5毫米并且对试样加载的状态为基准的。在按要求完成试验准备工作后方可进行性能测试,所有测试要连续进行不能中断。

⑵试验准备

①试样一块,尺寸为25.4×25.4(645mm2)试样背面为平面,工作面为弧形其半径应与试验鼓的半径一致,试样厚度5-6mm左右。

②试验鼓表面先用砂纸、砂布打磨鼓的表面,再用320目砂纸抛光后,用干净纸巾或软纸将鼓表面擦拭干净。

③试验磨合在转达速为308rpm、载荷为430N、最高温度为200F93℃)条件下,对试样进行磨合,时间不少于20分钟,试样按触面不低于95%

④初始厚度和重量的测量

测量试样的初始厚度按试验鼓的轴向取三个点(外、内与中心)进行测量并作记录。

称量试样的重量,应精确至毫克并作记录。然后将试样重新安装要试验机上,在载荷为220N,转达数为205rpm条件下连续磨合5分钟,当试样与试验鼓处于非接触状态时,(即“OFF”)试样与鼓的间隙应为0.3-0. mm

⑤初始磨损的测量:

鼓处于静止状态,温度为190F(88℃)至210F99℃)之间,对试样加载660N,用千分表测量试样卡具的高度并作记录。

2.试验步骤:

⑴基线试验:在鼓转数为411rpm的条件下,对试样加载10秒,载荷 为660N,然后卸载20秒,共进行20次。

试验开始时,鼓温度应在180F(82℃)至200F93℃)之间,在以后的每次加载中鼓温都有应保持在这个范围之内。可采用风冷的方法来达到这一目的。但最后一次加载时,应关闭冷却风。

⑵第一次衰退试验,关闭加热和冷却,让鼓在转动中,自然冷却。当鼓温降至180F82℃)时,对试样加载,同时开放加热器,在转速为411rpm,载荷为660N的条件下,试样连续拖磨,当温度达到550F288℃)或拖磨时间达到10分钟,在这两个条件中任何一种条件下先实现,试验即可完成。在试验 过程中从温度200F93℃)开始。每隔50F28℃)记录一次摩擦力共记录8次,同时记录当鼓温达到550F288℃)所用的时间。

⑶第一次恢复试验:

当第一次衰退试验结束后,立即关闭加热器,打开通风冷却装置,鼓转速为411rpm,当鼓温降至500F260℃),400F204℃),300F149℃)和20093℃)时,分别对试样加载荷10秒,载荷 为660N,记录各次加载时的摩擦力(共记录4次)。

⑷第二次磨损测量,重复初始磨损测量(2.5)。

⑸磨损试验:

在转数为411rpm,载荷为660N条件下,对试样加载20秒,卸载10秒,共进行100次,开始试验时鼓温应在380F193℃),400F204℃)之间,在全部试验过程中,鼓温应维持在193-216℃这个范围内,有时用冷却空气来达到此要求。

⑹第三次磨损测量:

在磨损试验(3.5)结束后,立即将试验鼓冷却至于90F88℃),210F99℃),然后重复初始磨损测量(2.5)。

⑺第二次衰退试验:

在第三次磨损测量完成后,立即关闭加热器,让鼓在转动中,自然冷却。当鼓温降至180F(82℃)时,对试样加载,同时开启加热器,在转速为411rpm,载荷为660N的条件下,试样连续拖磨,当温度达到650F343℃)或拖磨时间达到10分钟,这两个条件中任何一条先实现,试验即可完成。在试验 过程中从温度200F93℃)开始。每隔50F28℃)记录一次摩擦力共记录10次,同时记录当鼓温达到650F343℃)所用的时间。

⑻第二次恢复试验:

当第二次衰退试验(3.7节)结束后,立即关闭加热器,打开通风冷却装置,鼓转速为411rpm,当鼓温降至600F316℃),500F260℃),400F204℃)和300F149℃)和200F93℃)时,分别对试样加载荷10秒,载荷 为660N,记录各次加载时的摩擦力。

⑼第二次基线试验:重复第一次基线试验。

⑽最终磨损测量:

重复初始磨损测量。

⑾最终厚度及重量测量:

按初始厚度和重量测量之要求进行。

3.摩擦系数的选取原则:

在断续加载的试验中,摩擦系数取加载终点的数值。

⑴试验数椐的展示:

⑵试验数椐填印在总记录表中(Master Form Log Sheet)

⑶试验数据在总曲线表 (Master Form Plot  Sheet)中绘成曲线。

高温摩擦系数(μH)定义为第一次恢复试验中的400F(204℃)和300F149℃),第二次衰退试验中的450F232℃),500F260℃),550F288℃),600F316℃),650F343℃)五个温度点,以及第二次恢复试验中500F260℃),400F204℃)和300F149℃)三个温度点上,总共十个温度点上摩擦系数的平均值。

注:如果用于计算摩擦系数的某个温度点或几个温度点在规定的限制的时间内没有得到,则用10分钟时的摩擦系数值作为所有所需温度点的值。

例如,某种制动器衬片的常温摩擦系数为0.4,高温摩擦系数为0.29,其摩擦系数级别代号为“FE”级。

代号标注位置,应在产品的非工作外表面上,打印相应的代号字母,其高度应不小于0.125英寸。

⑷磨损量的表示方法:

①以重量磨损表示,末磨前的试样重(克)与磨后的试样重(克)之差值,为重量磨损克数。

②以重量磨损率表示:

                   磨前试样重(克)- 磨后试样重(克)

      重量磨损率=—————————————————×100%

                            磨前试样重(克)                 (9-4)     

 

③以厚度磨损表示:

磨前的样品厚度(mm)与磨后的样品厚度(mm)之差为样品厚度磨损。

④以厚度磨损率表示:

                     磨前样品厚度(mm)----磨后样品厚度(mm

        厚度磨损率=———————————————————  ×100%

                              磨前的样品厚度(mm)           (9-5

 

(三)MM-1000型摩擦材料试验机

    该机适用于实验室条件下试验和鉴定摩擦材料(包括金属、金属陶瓷、塑料、石棉等制品)的摩擦性能。是摩擦材料生产厂在成批生产摩擦材料制品时,控制和检验产品质量的设备,也是科研单位研究,探索及评价摩阻材料的重要设备。

    该机可做下述两类模拟试验

  1.摩擦热稳定性试验(在恒定比压,不同线速度及温度下,测定摩阻材料的摩擦系数和磨损情况)。

  2.热冲击刹车性能试验(包括:刹车力矩、刹车稳定性系数、刹车效率系数、刹车片的磨损量及刹车距离等)。

    该机工作过程简叙如下,本机试验方式采用卧式园环试件端面摩擦。变速电动机通过皮带传递摩擦离合器带动主轴旋转,由预调压力的气压通过气缸对摩擦面作正向(轴向)加压。摩擦力矩通过与安装在静摩头轴上的等强度梁上连接的拉压传感器测出,摩擦温度由焊接在静磨块上的热电偶传出,然后通过计算机进行数据采集。采集的数据经过一定的处理以后可以在计算机屏幕上进行显示、画曲线,也可以进行数据保存,还可以通过打印机打印输出所需的数据、曲线等。作刹车试验时,装配惯性轮以模拟实际惯量,达到相当转速后即可脱开离合器,送气加压刹车。

     (四)Fast试验机

     FAST是Friction Assessment Screening Test 词头的缩写,意为摩擦评定筛选试验。它和Chase试验机,是美国并存的两种摩擦材料摩擦磨损性能试验机。该机由美国福特汽车公司为评定制动衬片和离合器面片的摩擦磨损性能研制而成,并用于产品质量控制。美国Linkengeering CompanyGreening Associates inc两厂均有生产。

    FAST试验机试件为小尺寸试样,具有所有小样试验的共性。其优点是试验简捷,试验条件重复性好、试验结果可比性好。当摩擦材料产品材质不均匀性严重时,试验结果将出现离散。因此作为产品研制开发,则需作较多试样的试验。对此美方对该机有较高评价,认为它能鉴别摩擦材料组份的变动。FAST试验在用作产品质量控制时, 把经台试、汽车路试、使用试验等系统测试并通过认证的产品试样, FAST试验, 得出的试验数据、指标或曲线作为评定依据。

    FAST试验机的主要试验方法是恒摩擦力试验。当摩擦系数因热衰退导致摩擦力衰退时,采用提高试验压力法保持恒摩擦力,这与制动衬片在行车制动中的工作状态—加大制动踏板力提高制动系统管路压力相似,因而试验有较好的模拟性。

    试验机本体由驱动电机、摩擦盘、加载臂、夹紧总成、控制阀总成,基座兼储油室,压力传感器及附于本体上的开关柜和电动油泵等部件组成,采用计算机控制。摩擦盘与驱动电机主轴直接连接,盘的两个表面都可使用, 其非摩擦表面采取绝热措施,如外加隔热护罩等。

    加载臂右端以万向支承为支点作为试件的支架,其上装有试件夹具,把试件夹在加载臂上, 试件夹具两面可用,一面夹持0.5”×0.5”试样, 调换另一面可夹持1”×1”试样。加载臂左边平行于F方向设置一凹槽,通过反应杆把F转换作用到控制阀的柱塞阀上,形成Ff和Pf , Af=0.196(平方英尺)。加载臂最左端设有限位装置,防止试样过度磨损时与转动的摩擦盘擦伤。

FAST试验机几何尺寸参数及工作原理图

    控制阀总成为双筒柱式阀, 其中之一接受Ff 产生Pf , 直到Pf 达到试验规定值。控制阀总成的作用是,控制调节夹紧总成的压力,以保持Pf 恒定。它起电液伺服阀的作用,但其机构纯属机械式。

    夹紧总成通过细螺柱,沿平行于盘转动中心方向,经加载臂把试样压紧在摩擦盘上。试件的FN由夹紧总成产生。Af=0.9平方英寸。夹紧总成内也设置了一只后限位装置,限止机构有防止其因错误调整而遭损坏。

    压力传感器把Pc转电信号,通过计算机予以采集和记录。

    FAST试验机的主要功能是用于研究测定摩擦系数与温度、压力的关系;增加某些附件后,也可用于研究与速度的关系;还可以用于研究静摩擦,衰退特性,尖叫界限,残留拖摩等方面问题。

    FAST试验机的最突出优点是具有恒摩擦力功能, 试验机上的特殊装置会在摩擦系数改变时,自动调整正压力使摩擦力维持在设定的水平上。这一试验方式用于评定材料的磨损比DM-S定速机要优越得多。另外,FAST机的试验负荷可达到3.1MPa,比DM-S大三倍以上。因此可用于摩擦材料的强化试验研究中。

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