扭矩式摩擦磨损试验机 工作原理

扭矩式摩擦磨损试验机 工作原理 

扭矩式摩擦磨损试验机是一种广泛应用于材料科学、机械工程和润滑剂评估领域的精密测试设备。其核心工作原理是通过精确测量旋转轴上的扭矩来反推并计算摩擦副之间的摩擦力，从而获得摩擦系数，并同步评估材料的磨损性能。

以下是其工作原理的详细分解：

1. 核心机械结构与运动形式：
试验机通常采用“上试样旋转-下试样固定"的经典模式（如销-盘式、球-盘式）。上试样（如销或球）被安装在一根由高性能电机驱动的主轴末端，并压紧在静止的下试样（如圆盘或平面）表面。主轴驱动上试样以恒定或可编程的转速旋转，在接触面上形成相对滑动摩擦。

2. 核心测量原理——扭矩与摩擦力的转换：
这是此类试验机工作的基石。当两试样接触并发生相对滑动时，接触界面产生的摩擦力（Ff） 会形成一个与旋转方向相反的阻力矩。这个阻力矩被传递到驱动主轴上，表现为驱动电机需要额外输出的扭矩（T）。
关键在于，摩擦力与测得的扭矩之间存在直接的物理关系。对于球/销在旋转圆盘上的接触形式，其关系可简化为：摩擦力 Ff = 扭矩 T / 等效摩擦半径 R。这里的等效摩擦半径根据接触点的轨迹（通常是一个圆环）计算得出。因此，通过高精度扭矩传感器实时测量驱动轴的扭矩变化，即可直接、连续地计算出摩擦力的瞬时值。

3. 摩擦系数的实时计算：
根据摩擦学基本定义，摩擦系数（μ）= 摩擦力（Ff）/ 法向载荷（Fn）。试验机通过独立的加载系统（通常为伺服电机或气动加载）施加并保持一个恒定的、已知的法向载荷。数据采集系统同步接收来自扭矩传感器的摩擦力信号和力传感器的法向载荷信号，实时计算并记录下摩擦系数随时间的变化曲线。这使得研究人员能够观察到摩擦过程的稳定性、跑合阶段以及任何突变的摩擦事件。

4. 磨损的评估：
磨损性能的评估通常在试验结束后进行，属于“事后分析"。主要方法包括：

• 称重法： 使用精密天平测量试样在试验前后的质量损失。

• 形貌分析法： 利用光学显微镜、扫描电子显微镜或三维表面轮廓仪观察和分析下试样表面留下的磨损痕迹（磨痕）的宽度、深度、体积和微观形貌，以判断磨损机制。

5. 系统集成与控制：
整个系统由计算机控制，可精确设定和控制试验参数，如法向载荷、旋转速度（滑动速度）、试验时间、环境温度（如有温控腔）等。高频率的数据采集系统确保能捕捉到摩擦过程的动态细节。

总结来说，扭矩式摩擦磨损试验机的工作原理精髓在于“以扭测摩"。它通过将难以直接测量的界面摩擦力，转化为可高精度测量的旋转轴扭矩，从而实现了对摩擦系数连续、精确的在线监测，并结合试验后的磨损形貌分析，为评价材料配对、涂层或润滑剂的摩擦磨损性能提供了核心量化数据。