微动摩擦磨损实验教学的探索与实践

在高校的机械设计、车辆工程和热能与动力工程等学科的专业课

教学中，有关摩擦学的教学内容日趋丰富。为促进学生对机械原理、

机械设计、

机械设计基础等课程中有关材料的摩擦、磨损以及螺栓联接等相关知识的掌握，从提高教学成果、

培养学生的工程意识、创新能力和动手能力来看，有必要开设这门较前沿的教学实验，使学生在实验中加深对微动摩擦学机理的理解，提高学生对教学内容的进一步认识，培养科研意识，激发创新能力。

本文结合教学实践和实验室建设，对微动摩擦磨损实验教学进行了探讨。

1、微动摩擦磨损实验教学的意义微动摩擦磨损是一门包括物理、化学、力学、热力学、材料科学和机械学等多种学科交织在一起的边缘学科，研究接触部件表面的微摩擦磨损和润滑等问题。微动摩擦磨损通常发生在一个振动环境下的近似紧配合的接触表面，由两接触表面的极小振幅（微米量级）的运动引起。微动造成的接触表面间的摩擦磨损，会引起构件咬合、松动或形成污染

源；同时，微动也可以加速裂纹的萌生、

扩展，使构件的疲劳寿命大大降低。

在航空系列产品中，拥有众多的各种压配合或收缩配合构件，如铆接件、

螺栓、电插接件、榫槽、锥套、法兰连接件、键或销固定件、弹簧密封和支撑面等，在交变应力或机械、环境振动作用下，构件接触表面之

间会产生相对微小幅度的滑动,这种重复的滑动被称为微动。

交变载荷和微动能促使构件产生微裂纹，加速受微动作用构件接触处表面及表层裂纹的萌生和扩展,最后导致构件在大大低于材料疲劳极限时失效,大大降低部件的疲劳寿命。可以说，微动摩擦磨损广泛存在于航空航天领域，微动损伤失效现象十分普遍,有时候甚至会造成灾难性后果。因

此,研究材料、

结构件以及不同的制造加工、表面工艺处理件在预应力条件下的微动摩擦磨损性能，模拟并开设预应力条件下的微动摩擦磨损实验，具有非常重要的现实意思，目标明确，针对性较强，对促进学生

对机械原理、

机械设计和材料工艺等课程中有关材料的摩擦、磨损以及螺栓联接等相关知识的掌握，加强学生对润滑油的性能、

润滑状态、零件的加工工艺以及表面加工质量等知识的进一步认识，从而“强化基础、提高素质、激励创新”，促进创新性人才的培养具有重要意义。

2、微动摩擦磨损实验设备的研制

在微动摩擦磨损研究领域中，存在着许多形式不一的微动摩擦磨

损实验设备。

在获得微位移幅度和交变应力动力源方面，目前的微动摩擦磨损实验装置大体可分为以下三类[1-3]

：

（1）机械式

机械式微动摩擦磨损实验机较简易，频率较低，位移幅值较大，但其振幅或激振较稳定，容易模拟工程中的微动实例、成本低。

（2）电磁式

电磁式微动摩擦磨损实验机的最大优点是频带宽，可达上千赫兹，实验设备体积较小，但目前使用的电磁式实验台振幅不高、激振力小。

（3）电液伺服式

电液伺服式微动摩擦磨损实验机的振幅或激振力、频率适中，能进行循环和随时控制，精度高，但该类型的设备体积较大，液压系统有可能发生漏油，维修成本较高。

微动摩擦磨损实验教学的目的是模拟实际的摩擦系统，在实验室再现微动摩擦磨损现象，通过设定系统参数，测量和分析载荷、速度、微位移等对摩擦副的影响，考察微动摩擦磨损现象的规律性，加强学生对理论教学的认识，强化工程意识。从实验教学的目的、可行性和长远性出发，因此选择了成本较低、容易维护的机械式微动摩擦磨损实验装

置。

（1、计算机及测量控制系统2、弹性梁支架3、调平螺母4、弹性梁5、应

变片6、

回转轴7、加载砝码8、球试件9、平面试件10、平面试件夹具11、导轨12、压电陶瓷驱动器13、驱动器底座14、实验台底座）

图1微动摩擦磨损实验机的结构示意图

根据实验目的和微动摩擦磨损的原理，研制了微动摩擦磨损实验机。

图1所示为微动摩擦磨损实验机的结构示意图。该实验机主要由动力系统、

加载系统、磨损测试组件和摩擦力测试组件组成。微动摩擦磨损实验机的驱动力采用压电陶瓷驱动器12获取，通过压电陶瓷驱动器

得到微幅的往复运动，使之驱动平面试件9的夹具10，

平面试件9安装在夹具上并随夹具一起运动，从而在两个试件间产生微幅的相对运动。球试件8上施加有砝码7，平面试件9则通过球试件8施加载荷。运动

过程中，弹性梁5在摩擦力作用下产生变形，

在小幅情况下，变形量与摩擦力成正比。利用弹性梁5上应变片测量摩擦力。当弹性梁5发生变

形时，弹性梁5的应变片伸长或缩短，

通过动态应变仪及计算机测量控制系统，将应变片电阻的变化转变为电压的变化，然后将电压信号乘以标定系数即为摩擦力。工作时，平面试件夹具体与导轨中需加注润滑油。为使实验机在高频情况下运动平稳、轻快，并具有较长的使用寿命，因而采用了精密直线导轨。

3、微动摩擦磨损实验教学的实施3.1微动摩擦磨损实验教学的方法

学生一般在实验前期学习过机械设计、

数据处理的课程。在实验过程中，老师讲解实验的目的，通过演示一个简单的实验，观察实验的过程，包括载荷标定、加载、数据采集及处理、观察试验件表面形貌，让学生对实验有个完整的认识。

3.2微动摩擦磨损实验的具体实施（1

）基本实验图2试验件微观表面形貌图

微动摩擦磨损实验是从最基本的形式入手：点点接触的微动摩擦磨损实验。实验者首先要确定实验目的，拟定实验方案，对施加的载荷、位移等进行分组，以考察不同工况条件对试验件微动摩擦磨损实验教学的探索与实践

南京航空航天大学机电学院

靳广虎

朱如鹏

李磊

［摘要］为深化对机械原理、机械设计、机械设计基础等课程中有关零部件接触表面间的微动摩擦磨损知识的理解，培养科研和工

程意识，激发创新能力，研制了微动摩擦磨损实验机，开设了微动摩擦磨损实验。本文结合教学实践，

对此进行了实验教学方法的探讨。

［关键词］实验教学摩擦磨损

作者简介：靳广虎（1971-），男，博士研究生，讲师。主要研究方向：结构强度，机械传动

。

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