测定高接触压力下的摩擦系数的新型液压试验装置

缘分天定

1　引言
　　在金属塑性成形工艺以及重型设备机械传动装置中，金属材料之间往往存在相当高的接触压力。在高接触压力状态下，金属表面之间的摩擦状态相当复杂，一般处于干摩擦与边界摩擦相混合的半干摩擦状态。此时实际接触面积比低接触压力下的实际接触面积大得多，摩擦力与摩擦面之间的法向载荷不成比例关系，摩擦系数不再为常量，即不再符合经典的阿蒙顿一库仑摩擦定律［1］：
μ＝T/N　　　(1)
式中：μ——摩擦系数；
　　　T——摩擦力；
& `  D  D# ~3 ^5 C6 B8 m) S　　　N——正压力。
　　在高接触压力状态下，摩擦力T与正压力N的非线性关系，导致不能再借助于常摩擦系数μ计算摩擦力T。因此，方便、精确地测定在各种高压状态下的摩擦系数μ，建立起各种压力状态下的摩擦力T与正压力N的换算关系，对于金属塑性成形的工艺分析、变形力计算、设备优选，机械传动中的金属构件的刚度与强度分析、磨损与疲劳计算，以及润滑剂的选用等，具有重要意义［1，2］。
　　目前，测定在高接触压力状态下尤其在塑性成形时的摩擦系数的方法主要有两种，一是夹钳—轧制法，一是圆环镦粗法［1］。前者要求有轧机设备，后者要求有压力机，而且都是针对金属材料发生体积变形的工况，故采用这两种方法测定摩擦系数相当不便，而且重复性差，偶然性因素多。
　　本文中研制的试验装置利用库仑定律概念，采用液压系数测定出相应正压力N下的摩擦力T,从而计算出不同高压状态下各种金属材料在不同工况下的动、静摩擦系数。
2　液压试验装置原理
　　测定在高接触压力状态下的摩擦系数的液压试验装置的原理如图所示。
　　该液压系统的工作过程为：

- K; F! Q2 {2 s+ E/ K" T液压试验装置的工作原理
1.油箱　2，7.三位四通电磁阀　3.电机　4.联轴器　5.齿轮泵　6.溢流阀　8.液控单向阀　9，13.液压缸　10，11.压力表　12.节流阀
3 g) n5 v6 k7 L　　(1)按照检测要求，将固定在试验装置上的上压头、固定在液压缸9的活塞杆头部的下压头换为所要求的材料，同时将待测金属材料的双面都涂敷上所要求的润滑剂，放置在下压头上。
6 G, M, \4 ^, o2 p: L  W, w7 @/ }　　(2)当电磁铁1DT、2DT、3DT、4DT都处于断电状态时，启动电机3，液压油通过齿轮泵5、三位四通电磁阀7、2回油箱1。
0 T4 i' Y/ Y1 Q/ a% U　　(3)电磁铁1DT通电，三位四通电磁阀7的左位工作，液压缸9的活塞杆上升，将待测金属材料压紧在上、下压头之间，其压力由压力表10显示。
+ u' N1 s+ w! B( R　　(4)当电磁铁1DT断电时，三位四通电磁阀7恢复中间位置，齿轮泵5卸荷，液压缸9在液控单向阀8的作用下保压。
/ ]3 R5 t6 q* ]　　(5)电磁铁3DT通电，三位四通电磁阀2的左位工作，液压缸13的活塞杆向右退入缸体内，其拉力由压力表11显示，液压缸13的拉伸速度由节流阀12控制。记录液压缸13开始滑动以及平稳滑动时压力表11的读数。
8 a1 |3 ?( a; j$ L) j　　(6)拉伸结束后，电磁铁3DT断电，三位四通电磁阀2恢复中间位置，齿轮泵5卸荷。
( B- U4 O) ?* y" s/ n0 Q　　(7)电磁铁2DT通电，三位四通电磁阀7的右位工作，液压缸9的活塞杆向下退入缸体内。
' O4 z0 p# j0 t4 w, j　　(8)电磁铁2DT断电，三位四通电磁阀7恢复中间位置。
　　(9)电磁铁4DT通电，三位四通电磁阀2的右位工作，液压缸13的活塞杆向左伸出。
7 d% H5 ]; V. L　　(10)电磁铁4DT断电，三位四通电磁阀2恢复中间位置。
- b: b+ y& I, L# ~6 k& e2 @; u: y　　可见，该试验装置主要由液压缸9对金属材料施加正压力N，由液压缸13对金属材料施加拉伸力F，通过改变正压力、润滑剂、金属材料、相对运动速度等，可测得不同工况下的正压力N和拉伸力F，然后利用下述公式：
, B6 R3 x8 F: I* C* uμ＝F/2N　　　(2)
& N. d. F, X7 O( O& a8 V) }计算出相应的动、静摩擦系数。
3　摩擦系数测定实例
6 u$ |$ w4 ~- P6 W8 d& v　　应用该装置测定1Cr18Ni9Ti钢板与Cr12模具钢在高接触压力状态下处于蓖麻油润滑条件时的室温摩擦系数。由压力表10读取液压缸9的液压力为0.64MPa，由压力表11读取液压缸13开始滑动和平稳滑动时的液压力为0.25MPa和0.17MPa。根据液压缸活塞腔和活塞杆腔的加压面积分别为1256mm2、876mm2，可计算出该不锈钢板在润滑状态下的静摩擦系数为0.137，动摩擦系数为0.093。
. A' R$ \2 |( b0 A" s. W& A8 k4　结论
" L5 v( g3 k5 |. d$ ]4 M- V　　采用本文研制的液压试验装置可以方便、精确地测定高接触压力状态下金属材料之间在不同工况下的摩擦系数，从而为金属塑性成形工艺分析、机械传动中金属构件的力学分析或润滑剂的优选提供有力的依据。
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