摩擦系数实验

实验项目性质：验证性 实验计划学时：1

一、实验目的

1．通过实验了解不同材料配副、不同摩擦状态时的摩擦系数的变化及磨损量的不同。 2．学会摩擦学实验的基本方法，学会有关仪器设备的使用方法。 二、实验设备及原理

1．实验机

图9-1为HIT-1型球盘式摩擦磨损实验机原理图。电动机2经带传动1驱动托盘3回转，下试件4安装在托盘3上并随托盘3一起回转，上试件5装在夹头6中。载荷P由砝码7的重力W产生，摆杆8在摩擦力F作用下摆动，摆杆的另一端压在压力传感器9上，压在压力传感器上的力Q可经数据采集测量系统获得。工作时，托盘3中可加入润滑油或在下试件4表面上滴润滑油（边界润滑），也可不加润滑油（干摩擦）。

1. 带传动 2. 电动机 3. 托盘 4. 下试件 5. 上试件

6. 夹头 7. 砝码 8. 摆杆 9. 压力传感器 图9-1 HIT-1型球盘式摩擦磨损实验机原理图

图9-2 试件结构及尺寸

试验机主要技术指标： 转速：100~500r/min 最大载荷：W=10N 2． 试件

试件结构及尺寸如图9-2所示，上试件为球体，下试件为圆盘。上试件选用标准轴承球，材料为GCr15钢或Si3N4陶瓷等。下试件材料根据实际需要可选用铜、铸铁或钢等。

3．摩擦系数测试原理

如图9-1所示，本实验机作用在试件上的载荷P由砝码重力W产生，P与W的关系为：

P=W （N） （1）

作用在上试件5上的摩擦力F与作用在压力传感器9上的力Q的关系为：

QL1=FL2 （2）

本试验机 L1=L2=100mm，则：

Q=F （3）

摩擦系数：

fFQ （4） PW所以，只要预先确定加载砝码的重力W1再测出传感器受力Q的大小，即可计算出摩擦系数f。

4．数据采集处理系统 本试验机配有自动数据采集处理系统，图9-3为数据处理系统框图，系统的硬件有：传感器、数据采集卡、计算机等。

数据的结果有两种形式：一是由计算机直接做出摩擦系数随时间的变化曲线。在屏幕上显示，并在打印机上打印出曲线；二是计算机只记录实验数据，并通过计算机打印出数据，由学生手工绘图。 三、实验内容

传感器 AD转换 图9-3 数据处理系统框图

数据存储数据处理 1．测试在干摩擦条件下不同材料配副的摩擦系数，了解材料的减摩情况。观察磨痕大小及形貌，了解材料的耐磨情况。本实验选用两种配副材料，表9-1为两种配副的编号。

2．测试相同材料配副时，不同润滑条件下的摩擦系数，了解有无润滑时减摩情况，观察磨痕的大小及形貌，了解有无润滑时的耐磨情况。本实验选用两种摩擦状态，表9-2为两种摩擦状态的编号。

表9-1 材料的配副编号

编号 配时材料 1 GCr15钢球—45#钢盘

表9-2 摩擦状态编号

2 GCr15钢球—黄铜 编号 摩擦状态

四、实验步骤与方法

1．干摩擦条件下配副1的实验

1 干摩擦 2 边界润滑 1）在教师指导下选择试件，清洗干净，并按操作规程将试件安装。所用工具及物品：工具盘、镊子、吹风机、丙酮、脱脂棉； 2）加上加载砝码；

3）开启计算机，打开摩擦磨损实验系统界面，输入实验参数及有关数据，点击“开始”； 4）调整好转速，并开启实验机，此时在计算机屏幕上可看到摩擦系数随时间的变化曲线；

5）将试验曲线打印出来，学生带回用于整理实验报告；

6）将试件折下，观察GCr15钢球的磨痕并将磨痕的直径记录在表9-3、表9-4中。 2．干摩擦件下配副2的实验。 实验步骤和方法见1． 磨痕记录在表9-3中。

3．边界润滑条件下配副1的实验 实验步骤和方法见1．

实验时在45#钢盘上滴上润滑油滴。 磨痕直径记录在表9-4中。

编者按：大地涵藏万物，孕育生命，被誉为人类的母亲。但是，近年来，伴随我国工业化的快速发展，大地不断遭到各种污染的伤害。仅仅因土壤污染防治不足、环境监管乏力，导致的食品药品安全事件就频频发生，2008年以来，全国已发生百余起重大污染事故。目前我国大地污染现状严峻，成因十分复杂，形成令人扼腕的“大地之殇”。《经济参考报》以此为主题，探寻大地污染背后所触及的我国农业、工业、城市化进程中关于生存与发展的一系列深

层矛盾与两难抉择，并以“大地之殇”系列报道的形式在“深度”版推出，敬请关注。 大地之殇一·黑土地之悲

占全国粮食总产五分之一的东北黑土区是我国最重要的商品粮基地，但一个并不为多数人了解的严峻事实是，支撑粮食产量的黑土层却在过去半个多世纪里减少了50%，并在继续变薄，几百年才形成一厘米的黑土层正以每年近一厘米的速度消失。照此速度，部分黑土层或将在几十年后消失殆尽，东北这一中国最大粮仓的产能也将遭受无法挽回的损失。 □记者 孙彬 管建涛 连振祥 吉哲鹏 娄辰 李松 南京 哈尔滨 兰州 昆明 济南 重庆报道 毒土：GDP至上的恶果

当前，我国土壤污染出现了有毒化工和重金属污染由工业向农业转移、由城区向农村转移、由地表向地下转移、由上游向下游转移、由水土污染向食品链转移的趋势，逐步积累的污染正在演变成污染事故的频繁爆发。 日益加剧的污染趋势可能还要持续30年

“目前，我国土壤污染呈日趋加剧的态势，防治形势十分严峻。”多年来，中国土壤学会副理事长、中国农业科学院研究员张维理教授一直关注我国土壤污染问题“我国土壤污染呈现一种十分复杂的特点，呈现新老污染物并存、无机有机污染混合的局面。”

“现在我国土壤污染比各国都要严重，日益加剧的污染趋势可能还要持续30年。”中国土壤学专家，南京农业大学教授潘根兴告诉《经济参考报》记者，这些污染包括随经济发展日益普遍的重金属污染、以点状为主的化工污染、塑料电子废弃物污染及农业污染等。 国土资源部统计表明，目前全国耕种土地面积的10%以上已受重金属污染。环保部南京环科所研究员单艳红说，华南部分城市约有一半的耕地遭受镉、砷、汞等有毒重金属和石油类有机物污染；长三角有的城市连片的农田受多种重金属污染，致使10%的土壤基本丧失生产力，成为“毒土”。

农药化肥污染同样严重。张维理说，我国农药使用量达130万吨，是世界平均水平的2.5倍。黑龙江农业监测站杜桂德站长说：“目前，农药和化肥的实际利用率不到30%，其余70%以上都污染环境了。”云南农业大学测算，每年大量使用的农药仅有0.1%左右可以作用于目标病虫，99.9%的农药则进入生态系统，造成大量土壤重金属、激素的有机污染。 “不仅污染加重，而且还在转移扩散。”潘根兴说，当前，我国土壤污染还出现了有毒化工和重金属污染由工业向农业转移、由城区向农村转移、由地表向地下转移、由上游向下游转移、由水土污染向食品链转移的趋势，逐步积累的污染正在演变成污染事故的频繁爆发。 2008年以来，全国已发生百余起重大污染事故，包括砷、镉、铅等重金属污染事故达30

多起。其中浏阳镉污染事件不仅污染了厂区周边的农田和林地，还造成2人死亡，500余人镉超标。

频繁爆发的污染事故损失惨重，不仅增加了环境保护治理成本，也使社会稳定成本大增，而土壤污染修复所需的费用更是天价。常州农药厂土壤修复需2亿元，无锡胡埭电镀厂重金属铬污染修复费用890万元，苏州化工厂需数亿至数十亿元。 每年因土壤污染致粮食减产100亿公斤

污染的加剧导致土壤中的有益菌大量减少，土壤质量下降，自净能力减弱，影响农作物的产量与品质，危害人体健康，甚至出现环境报复风险。

潘根兴教授说“许多土壤污染地区已超过土壤的自净能力，没有外来的治理干预，千百年后土壤也无法自净，有的地块永远都无法自净，甚至出现环境报复。” 一是生态关系失衡，引起生态环境恶化。

中国科学院地理科学与资源研究所在长江三角洲等地调查的主要农产品，农药残留超标率高达16%以上，致使稻田生物多样性不断减少，系统稳定性不断降低。

“吃土吐土，净化土壤，作为土壤的„义工‟，蚯蚓的存在是土壤重要的环境指标，对土壤具有重大意义。”令潘根兴教授忧心的是，现在，土壤中的蚯蚓、土鳖及各种有益菌等大量消失，农作物害虫的天敌青蛙的数量大减，自然生态面临危机。

云南农业大学副教授周江鸿等人在湖北、安徽等地的农田里发现，杀虫剂的使用对稻田节肢动物物种有损害作用，使得稻田天敌和害虫的平衡关系被打破。 二是土壤质量下降，使农作物减产降质。

重金属污染的增加，农药、化肥的大量使用，造成土壤有机质含量下降，土壤板结，导致农产品产量与品质下降。农业部全国农技推广中心高级农艺师陈志群认为，由于农药、化肥和工业导致的土壤污染，我国粮食每年因此减产100亿公斤。

环保部门估算，全国每年因重金属污染的粮食高达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。

三是重金属病开始出现，人们身体健康和农业可持续发展构成严重威胁。

汞、镉、铅、铬、砷五种重金属被称为重金属的“五毒”，对人有致命的危害。苏州环境科学研究所所长杨积德说“这些污染严重影响儿童发育，使人致病、致癌，危及人体生命健康。”上世纪70年代，日本曾出现“痛痛病”，是镉对人类生活环境的污染而引起的，影响面很广，受害者众多，所以被公认为是“公害病”。

潘根兴教授在全国各地市场上进行的调查也显示，约有10%的大米存在重金属镉超标。他说：“这些镉米对自产自食的农民来说无疑是致命的风险。”令人担忧的是，一些“痛痛病”

初期症状已开始在我国南方部分地区出现“土壤污染导致的疾病将严重威胁人类健康和农业可持续发展，最终危害中华民族的子孙未来。” “宁愿毒死也要GDP”？产业模式亟待反思

土壤污染如隐形“杀手”，难以察觉却可能直接危害人体健康，特别是重金属在蔬菜、粮食中的累积，将处于食物链顶端的人类置于危险境地，甚至产生环境报复。“土壤污染的加剧原因有天灾，但更多是人祸，不科学的发展是环境恶化的主要原因。”南京农业大学教授潘根兴认为，土壤污染主要一来自矿山采冶、工业“三废”、污灌、固废堆放等，基本上都属于人为因素，表明近年来的产业发展模式亟待反思。

当前，令人忧心的是各地以追求G D P为核心的政绩观，不科学的产业发展模式和大量违法排污、超量排污。记者在调研中发现，一些地方发展心切，抱着“宁愿毒死也要G D P”的心态，有意无意地忽视环境保护，导致“引进企业就是引进污染，发展经济就是破坏环境”的恶果。

面对企业违法排污，一些地方政府成为企业的保护伞，通过变通政策打擦边球，甚至开绿灯，最终大事化小，小事化了。保护环境不被污染，是各级政府的法定职责。污染事件暴露了各地环保意识薄弱，政府监督缺失，是整个社会的耻辱。

“不断发生的污染事件告诉人们，缺乏对自然环境的敬畏与呵护，对公共利益和公众生命漠不关心，暴露出企业环境意识薄弱和地方政府责任缺失。”江苏省小康发展研究中心主任、江苏省委党校教授冯治指出，必须反思高歌猛进的产业发展模式，真正落实转变发展方式的政策，实现社会经济可持续发展。 黑土层流失 危及中国最大粮仓

黑土层变薄，是指黑土地的有效耕层变薄，直接导致支撑粮食产能的有机质含量降低，土壤肥力下降。然而，农业科技进步和高产作物增加作用下的粮食增产，在一定程度上“掩盖”了黑土层日渐变薄、耕地质量下降的严峻现实，导致农民和相关部门放松对耕地质量的保护。有关专家建议，应尽早完善耕地质量建设法规，扩大保护性耕作技术应用，用最小代价守住我国最大“粮仓”的产粮之本。 “一两黑土换二两油”的日子再不会有了

“以前挖两锹深还是黑土，现在一锹后就基本看不到了。”黑龙江省依兰县三道岗镇三道岗村农民程先粟从自己地里抓起一把黑土，“你瞅瞅，黑土都不太„黑‟了，„一两黑土换二两油‟的日子再也不会有了。”

作为世界三大黑土区之一，东北黑土区总面积约3523.3万公顷，分布在黑龙江、吉林、辽宁省和内蒙古自治区境内，粮食年产量约占全国五分之一，是我国重要的玉米、粳稻等商品粮供应地，粮食商品量、调出量均居全国首位。

由中国科学院、东北农业大学、吉林省农业科学院等院所专家联合调研形成的“东北黑

土资源利用现状及发展战略研究”指出，东北黑土地初垦时黑土厚度一般在60至80厘米，开垦20年的黑土层则减至60至70厘米，开垦70至80年的黑土层只剩下20至30厘米。

“建国初期，黑龙江省黑土层大都一米多厚，现在找半米深的都难了，水土流失严重地区只剩下表皮薄薄一层，颜色也由黑变黄。”黑龙江省土肥管理站站长胡瑞轩有些感慨，形成1厘米的熟化黑土层大约需要50年，半米就得上千年，而现在东北黑土区平均每年流失0.3至1厘米的黑土层。有专家担心，“如果不及早治理，部分黑土层或将在几十年后消失殆尽。” “黑土层变薄，就是指黑土地的有效耕层变薄，直接导致支撑粮食产能的有机质含量降低，土壤肥力下降。”中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员韩晓增断言，这势必影响我国粮食安全。

黑龙江省土肥管理站对肇东、讷河等县市区的耕地检测显示，从1982年第二次土壤普查到2007年的25年间，耕地土壤有机质已相对下降两成，严重地区下降六成。

地越来越没劲儿，想增产就得大量用化肥。最近几年，45岁的张艳峰感觉自家水稻田患上了“化肥依赖症”。老张是吉林省前郭县平凤乡黑岗子村农民，“10年前一亩水稻就用60多斤肥，如今已经翻番到120斤了，不施肥就得减产一半”。老张还有些担心，现在能靠化肥增产，这地要是越来越没劲儿，以后可能化肥也无能为力了。

据了解，吉林省位于东北黑土区中部“十一五”期间完成小流域综合治理840条，治理水土流失面积5600多平方公里，但黑土地水土流失还没有得到有效控制，全省仍有3.15万平方公里的水土流失面积亟须治理。

“几年后就不是自己的地了，谁还愿意投入保护？”

《经济参考报》记者在辽宁、吉林、黑龙江三省粮食主产区了解到，当地一些土地已连续十几年种玉米、水稻等同一种作物，吸收养分单一，加上盲目施肥普遍，土壤养分失衡加剧。由于土地分散，不少农民常年使用小型农机具耕作，耕层越来越浅板结严重“晴天硬邦邦，雨天不渗汤”就是真实写照。

由于高产作物面积增加、农田水利设施不断完善，特别是化肥使用量大增等因素支撑，在黑土层日渐变薄的同时，东北黑土区粮食产量仍然稳中有升。但专家指出，恰恰是粮食增产在一定程度上“掩盖”了黑土层变薄、耕地质量下降的严峻现实，这反倒容易导致农民和有关部门放松对耕地质量的保护。东北部分黑土区在发展粮食生产过程中已透支耕地产出能力，黑土层变薄的风险性被粮食增产淡化，严重性正在人为和自然因素的“合谋”影响下加剧。 “最重要的是耕地质量保护法规不完善，作为耕地使用主体的农民缺乏保护耕地质量的主动性。”中国农科院土壤肥料研究所副所长、中国土壤学会副理事长张维理一语道破黑土质量下降的玄机，我国自20世纪80年代开始农村耕地转化为一家一户的经营方式，耕地管理单元变小，使用权变更频繁，农民保护耕地积极性不足“种几年后就不是自己的地了，谁还愿意投入保护？”

“技术层面上也落后，没有有效的监测体系就无法及时发现耕地质量变化的最新情况，不能制定准确的修复方案。”张维理认为，耕地质量测试指标和方法陈旧，比如我国对地力的评价通常采用土壤有机质含量，但实际测定的却是有机物质全量，而不是活性有机质，这样的测试结果根本无法准确反映耕地地力和土壤演变。

此外，地方在建设桥梁、道路时会占用优质的黑土农田，补回来的却多是相对贫瘠的土地，“这就不仅是黑土层流失问题，占一亩就少一亩。”即便新增土地具备改造成黑土地的条件，还需要大量人力、物力。黑龙江省国土资源厅土地开法整理处处长任百会说，耕地占补平衡中对新增土地的整理费用每亩在10万元左右。