CN102944764B - 一种测量绝缘材料摩擦静电和摩擦性能参数动态变化的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量绝缘材料摩擦静电和摩擦性能参数动态变化的装置，在水平旋转的摩擦磨损试验机（27）上水平放置振动电容式静电计（4）的静电势感应头（1）以监测待测样品（18）的工作表面的摩擦静电势的动态变化并将其信号导入计算机；摩擦力传感器（12）连接在加载套杆（11）的切线方向上，并通过摩擦力传输线（13）将获取的待测样品（18）的摩擦力信号输入计算机；可监测待测样品（18）工作表面的温度变化；玻璃密封罩（37）通过密封槽（36）安装在底盘（35）上，密封槽（36）保证玻璃罩（37）与底盘（35）达到良好的气密；本发明将为揭示绝缘材料的摩擦起电机理和分析其摩擦静电势的影响因素提供一个可以准确测量的实验平台。<!--1-->

Description

一种测量绝缘材料摩擦静电和摩擦性能参数动态变化的装置

技术领域

本发明涉及可在摩擦副的不同摩擦形式或接触形式下（如滑动摩擦或滚动摩擦；点接触、面接触或线接触）、不同PV值下（P为外加载荷，V为速度）、不同湿度和不同温度氛围以及不同环境介质内（大气、真空、氧气、惰性气体等）等多种复杂耦合条件下测量绝缘材料的摩擦静电势、摩擦系数和摩擦表面温度随时间动态变化的装置，尤其涉及的是一种可在多种复杂条件下测量绝缘材料摩擦静电和摩擦性能参数动态变化的装置。

背景技术

当两种材料在接触、摩擦并重新分离后，每一种材料上就会带有比接触、摩擦前过量的正(或负)电荷，这种使物体带有电荷的过程称为起电。摩擦起电和接触起电是人们熟知的静电现象，对于绝缘材料尤其常见。在绝缘材料的生产、加工和使用过程中，相同或不同材料的接触和摩擦是十分普遍的。由于绝缘材料的电阻率一般较高，一旦带上静电，便很难消除。这些电荷的积聚将可能造成很大的危害，如在医药上引尘、引菌；医疗手术上引起电颤事故；矿山、石油化工上引起火灾、爆炸；在电子工业上引起集成电路破坏；在纺织上引起纤维聚集等等。据报道，美国电子工业每年因静电带电或放电造成的损失就达到100亿美元以上，防静电制品的市场需求量的年增长率达15%～20%。我国石化企业静电事故产生的损失高达百万元以上，所以静电的防治已经引起人们的普遍重视。

然而事物总是具有它的两面性，静电不仅是导致灾害的重要起因，也能用来造福人类。比如电阻率很高的聚合物材料容易起静电的这种特性虽然在很多场合制约了其应用，但是如果能合理地利用这些静电作用和物理现象，则可根据静电原理制成多种产品，利用静电来造福人类。

目前虽然人们做了大量试验企图把静电起电的本质与按触或摩擦物体的物理、化学性质联系起来，但至今对物体起电现象的解释仍很不完善。这是由于摩擦起电与许多因素有关，例如摩擦面之间的距离和状态(粗糙度、杂质、含湿层厚度等)、相互接触物体间的性质、摩擦系数、摩擦速度、压力以及周围介质的性质（如湿度、温度、空气中杂质、游离电荷及外电场等）都会对电子逸出功带来影响。而且摩擦起电不仅与绝缘材料的结构有关，还与残存的单体、催化剂、杂质等也有关。面对如此复杂的影响因素，绝缘材料摩擦静电的研究非常有必要更多关注实验过程中的动态变化情况，并且研究材料的摩擦静电与其摩擦磨损过程的互相制约和影响，因此，研究绝缘材料摩擦静电的首要条件是要具备一种能测量其摩擦静电的动态变化，并且外界实验条件（如湿度、温度、空气中杂质、游离电荷及外电场等可控，摩擦副的接触形式、速度和外加载荷可调）可以变化的装置。

根据摩擦产生静电的原理，能反映两个物体摩擦后所带静电大小最直接的方法，就是测量摩擦后物体表面贮存的静电电荷量或静电电位。但是目前国内商品化的测试设备只能做到单次测量电荷电量，由于存在一次电荷电量饱和的缺点，需重新放电后才能进行再次测量，无法实现连续测量电荷电量的要求，因此不能直接用于摩擦起电后静电荷电量的动态检测，比如：法拉第筒仪每次测量前电荷量测定装置必须清零。目前国际上也尚未寻找到其它适用的专业设备，仅有R.J.K.Wood等人（轴承钢在干滑动摩擦下的静电荷的监测.磨损,2003,255:430-443.以及利用静电荷的监测来识别柴油润滑添加剂和油烟的相互影响因素的可行性研究.国际摩擦学,2006,39:1564-1575.）在利用静电荷检测预测金属的初期磨损的研究报道中提及过他们自主设计的静电电荷动态监控设备。唐军等人（发明专利号03117847.2）公开了一种利用摩擦静电测量金属材料磨损性能的方法。然而，金属摩擦副之间产生的摩擦静电势信号非常微弱，通常只有几个微伏大小，而绝缘材料之间或绝缘材料与金属之间产生的摩擦静电势高达几百伏乃至上万伏，所以该设备量程较小不适用于绝缘材料摩擦静电势的动态测量。艾栋梁等人（发明专利号200820213813.9）设计了一种自动式摩擦静电电压测试仪，但是该设备是直线往复运动，电压感应头和摩擦头只能以相同的轨迹同向位移，这就意味着在运动过程中电压感应头只能断续的感应新鲜摩擦表面的电势，比如当摩擦头在前面电压感应头在后面的方向运动时，电压感应头可以感应到样品的新鲜摩擦表面上的电势，但是随后相反方向运动时，电压感应头对应的是未摩擦的样品表面（没有电荷积累），在这样的交变过程中，势必影响摩擦静电电压的测量，而且我们在设计设备的过程中就此问题做了试验，发现在摩擦突然停止时，测得的瞬时摩擦静电势有所下降。因此，我们认为在摩擦静电势的测量中，选择往复运动会影响摩擦静电势测试结果的准确性，推荐选用平面圆环式运动轨迹，使静电压感应头持续感应到的是待测材料的新鲜摩擦表面，而且这种运动方式便于设定多种复杂的实验条件。还有，该专利的设备速度选择只有两档，范围偏少，无法进行从温和条件到苛刻条件下的广域范围或复杂条件下的摩擦静电势的测量和研究，因此考察外界实验条件对材料摩擦静电势的影响研究具有一定的局限性。另外，目前国内评价纺织品的静电测试时选用的是国标GB/T12703-91。GB/T12703-91虽然可以初步考察纺织面料的最大摩擦静电压和静电荷，但是同样存在电压感应电极只能感应到断续的摩擦静电压的缺点，这种交变感应严重影响摩擦静电压测量的准确性；另外还存在由于装置简易从而无法实现摩擦副接触形式、PV值以及环境介质进行交叉的研究。因此，利用该设备研究材料的摩擦静电机理显然难以胜任。其它标准如SJ/T10694-1996和FZ/T01061-1999，不仅存在着和上述设备同样的缺点，而且SJ/T10694-1996采用人工单向摩擦和人工读数，更是无法实现准确获取摩擦静电压的目的。张国珍等人设计了一种可用于球-盘式接触的摩擦磨损试验机（发明专利号200720104137.7）和一种可用于真空和低温环境的摩擦磨损试验仪（发明专利号200720149289.9），但是该设备没有测量摩擦静电压或静电荷的功能，只有钢球-盘滑动摩擦单一的一种摩擦运动方式，也没有测量摩擦表面温度动态变化的功能。众所周知，滚动摩擦的摩擦系数和磨损率极低，并且与滑动摩擦相比较，滚动摩擦有其特殊性，但是目前国内外尚没有能测量滚动摩擦下材料的摩擦静电势的动态变化的设备，也没有发现相关的研究文献报道。并且无论是滚动摩擦还是滑动摩擦，速度与载荷（PV值）、湿度和温度氛围以及环境介质（大气、真空、氧气、惰性气体等）的变化必将对材料的化学结构、理化性能以及电子逸出造成影响，这也将反映在材料的摩擦静电势和摩擦学性能的变化上，但是目前国内外尚没有发现能在不同的PV值以及环境介质下测量绝缘材料摩擦静电势的动态变化的设备，而材料的摩擦静电势与其摩擦学性能息息相关，因此，在研究材料的摩擦起电机理时必然要与其摩擦学性能关联起来进行分析，这就对设备的多功能化提出了更高的要求。另外，目前市售的常规摩擦试验机、不仅无法实现球-盘点接触滑动摩擦、栓-盘面接触滑动摩擦、滚动摩擦的转换实验，更重要的是没有测量摩擦静电压或静电荷的功能，也没有测量摩擦表面温度动态变化的功能。

发明内容

本发明涉及一种可在摩擦副的不同摩擦形式或接触形式下（如滑动摩擦或滚动摩擦；点接触、面接触或线接触）、不同PV值下（P为外加载荷，V为速度）、不同湿度和不同温度氛围以及不同环境介质内（大气、真空、氧气、惰性气体等）等多种复杂耦合条件下测量绝缘材料的摩擦静电势、摩擦系数和摩擦表面温度随时间动态变化的装置及其设计理念，以克服现有的试验机存在的上述问题。

本发明采用如下技术方案：

一种测量绝缘材料摩擦静电和摩擦性能参数动态变化的装置，在水平旋转的摩擦磨损试验机（27）上水平放置振动电容式静电计（4）的静电势感应头（1）；摩擦力传感器（12）连接在加载套杆（11）的切线方向上，并通过摩擦力传输线（13）将摩擦力传感器（12）获取的待测样品（18）的摩擦力信号输入计算机，经A/D数据采集卡（5）的转换将摩擦力信号通过运算得到摩擦系数变化曲线；玻璃密封罩（37）通过密封槽（36）安装在底盘（35）上密封槽（36）保证玻璃罩（37）与底盘（35）达到良好的气密；底盘（35）上安装接线座（38）；底盘（35）上还开有通气孔（39），用于和抽真空管（40）、外加气体通气管（41）、通水蒸气管（42）直接连接，从而实现对不同湿度和不同环境介质的控制；将钢球（16）放入钢球夹具（15）内，通过固定套杆（14）压紧和固定，并将固定套杆（14）与加载套杆（11）通过螺纹连接；将热电偶（9）插入空心的加载套杆（11）中直至钢球（16）的表面来测量钢球（16）在滑动摩擦过程中的温度变化，热电偶（9）得到的信号通过热电偶传输线（10）输入计算机。

所述的装置，将固定套杆（14）和钢球夹具（15）拆卸后更换为钢栓夹具（19），将钢栓（21）加工成锥面的一端插入钢栓夹具（19）内，通过钢栓夹具上的第一紧固螺母（（20））将钢栓（21）压紧和固定，钢栓夹具（19）与加载套杆（11）通过螺纹连接；将热电偶（9）插入空心的加载套杆（11）中直至钢栓（21）的上表面来测量钢栓（21）在滑动摩擦过程中的温度变化。

所述的装置，将固定套杆（14）和钢球夹具（15）拆卸后更换为保持架夹具（22）、第二紧固螺母（23）和滚珠轴承保持架（24），将滚珠轴承（25）安装在滚珠轴承保持架（24）内，再用第二紧固螺母（23）将保持架（24）和保持架夹具（22）固定起来，然后把保持架夹具（22）安装在加载套杆（11）上；将热电偶（9）插入滚珠轴承（25）的中轴内来测量滚珠轴承（25）在滑动摩擦过程中的温度变化，热电偶（9）得到的信号通过传输线（10）输入计算机经A/D数据采集卡（5）的转换将温度信号通过软件处理得到Excel文件、Word文档和JPEG图片。

所述的装置，所述静电势感应头（1）的直径为Φ10～40mm，所述钢球（16）的直径范围为Φ1～10mm，静电势感应头（1）的直径为待测样品磨痕（17）轨迹宽度的1倍以上。

所述的装置，通过安装在可开合的磁性表座（6）上的夹具（2）调节静电势感应头（1）与摩擦磨损试验机工作平台（26）的距离，静电势感应头（1）得到的信号通过传输线（3）输入计算机经A/D数据采集卡（5）的转换将静电势信号通过软件处理得到Excel文件、Word文档和JPEG图片。

所述的装置，所述振动电容式静电计（4）的测量范围为0～±1999V，显示分辨率±1/2000，最小显示分辨率可达1V，准确度优于2%读数±1。

所述的装置，砝码托盘（7）与加载套杆（11）通过螺纹和螺母固定在一起，外加载荷通过在砝码托盘（7）上加载砝码（8）实现，砝码加载范围：10g～2000g，精度0.1g。

所述的装置，在待测样品的待测样品磨痕（17）上方平行放置静电势感应头（1），通过即时测量待测样品磨痕（17）在固定距离处的摩擦静电势来表征物体摩擦后所带静电量的相对大小和所带电荷极性。

所述的装置，待测样品（18）固定在工作平台（26）上，摩擦磨损试验机（27）控制待测样品（18）的旋转速度，转速范围为1转/min～3000转/min，精度±1转，测试操作采用键盘操作和微机控制。

所述的装置，通过旋转半径调节旋钮（31）选择磨痕直径后拧紧旋转半径固定螺钉（32），然后安装待测样品（18），通过转动加载梁升降调整转轮（33）可以使加载梁（30）上下移动以保证钢球（16）的底部与待测样品（18）的工作表面在同一个水平面上，拧紧加载梁升降固定螺钉（34）和加载梁定位螺钉（28）以保证摩擦磨损实验的平稳性，固定加载梁（30）后，旋转调节加载梁平衡砝码（29）以保证外加砝码（8）之前钢球（16）与待测样品（18）之间没有接触压力。

本发明在充分考虑了各种摩擦试验机的运动特点、保证准确测量以及控制其测试环境介质的基础上，选定了台式小型水平旋转的摩擦试验机作为基础试验机，设计增加了绝缘材料的摩擦静电势动态变化的监控功能、摩擦表面温度动态变化的测量功能、滑动摩擦和滚动摩擦的夹具和夹头可拆卸和转换、摩擦副的不同接触形式的转换、不同环境湿度和不同温度氛围以及不同介质内（大气、真空、氧气、惰性气体等）的选择，这些内容和功能的组合是目前国内外任何试验机都不具备的，而且也不是能在现有的商品摩擦试验机上进行简单的改造就能实现的。尤其值得重视的是，其中摩擦静电势动态变化的监控功能由本发明首次提出，目前尚未看到任何具有该功能的其它商品机或样机的报道。并且由此衍生的在不同的摩擦方式（滑动摩擦和滚动摩擦）下的材料摩擦静电势的动态变化，在摩擦副的不同接触形式（点接触、面接触或线接触）下的材料摩擦静电势的动态变化，以及不同环境氛围（大气、真空、氧气、惰性气体等）内的材料摩擦静电势的动态变化，本发明都可以实现其监测的目的，而目前在国内外尚未看到相关研究和设备的报道，这是本发明完全有别于其它设备的最大特点。

不同湿度和不同温度氛围以及不同环境介质比如大气、真空、氧气、惰性气体等，无论是对材料的摩擦静电还是摩擦系数和磨损率以及摩擦表面温度都有显著的影响，究其原因是这些外界环境因素将造成摩擦过程中材料表面的电子发射、电荷逸出以及离子转移发生变化，从而导致了上述宏观性能的明显改变。因此，本发明设计将小型摩擦试验机安装在一个可移开的密封玻璃罩内，底盘是开有密封槽的铝板，密封槽保证玻璃罩与底盘达到良好的气密，在铝板上装有接口以便各种传输线以及电源线的接入，铝板上还开有气口以便安装四通气阀从而实现对不同湿度和不同环境介质的控制。这样的设计不仅能保证研究人员可以自由选择多种环境氛围的组合而且保证了良好的气密性，因此，可以用来考察不同湿度氛围和不同环境介质对材料的摩擦静电势和摩擦性能参数动态变化的影响。另外考虑到实验过程中湿度对摩擦试验机的配件的影响，我们建议采用不锈钢材质加工配件。因此，本发明的这项功能也是目前其它摩擦试验机和静电测试设备的商品或样机所不具备的。

本发明依据静电测量的原理和方法，设计采用振动电容式静电计采集和处理绝缘材料的摩擦静电势信号，量程最高可达上万伏。由于该设备采用的国际上先进的振动电容调制技术，克服了目前直流放大静电表在长时间测量过程中的累计漂移问题；采用的独特前级放大技术，在带电离子环境中也能准确长时间的在线连续监测静电电压，即使在空气湿度大、灰尘多的环境也能正常工作。因此，振动电容式静电计可以连续的采集或检测被测材料表面的摩擦静电势信号而不用清零。本发明采用型号为EST120的振动电容式静电计采集和处理试样的摩擦静电势信号，输入计算机经A/D数据采集卡将摩擦静电信号通过运算转换得到摩擦静电势的变化曲线。

综合考虑摩擦实验机的传动方式和摩擦副的接触形式，为了保证材料的摩擦静电势、摩擦系数和摩擦热在实际测量过程中的准确性和稳定性，本发明选择在刚刚对摩后的新鲜摩擦平面上方一定距离处平行放置静电电压传感器，通过即时测量样品摩擦表面在固定距离处的摩擦静电势来表征物体摩擦后所带静电量的相对大小和所带电荷极性。选用平面圆环式运动轨迹，使静电压感应头始终感应到的是待测材料的新鲜摩擦表面，而且可以设定多种复杂的实验条件。

本发明的可在多种复杂条件下测量绝缘材料摩擦静电和摩擦性能参数动态变化的装置。本发明的优点是：①该设备是目前国内外首次设计的可在多种复杂条件下同时监测绝缘材料摩擦静电和摩擦性能参数动态变化的装置。②外界实验条件的可选择范围广，并且可根据具体需求进行不同的组合，可进行多种复杂耦合条件下的实验。③摩擦静电压的测量范围宽泛，从零伏到上万伏，将适用于进行从绝缘材料-导电材料宽范围的摩擦起电监测应用。④静电势传感器始终对应的是测试材料的新鲜摩擦轨迹，保证了摩擦静电势信号的准确测量和获取。

本发明将为揭示绝缘材料的摩擦起电机理和分析其摩擦静电势的影响因素提供一个可以准确测量的实验平台。研究结果不仅使得继续探索摩擦过程诱导的电场和电子发射有了良好的理论和实践切入点，还将拓展绝缘材料的摩擦学研究空间，而且能为聚合物材料的摩擦起电理论框架的建立以及摩擦静电的防止和利用提供一些有意义的工作指导。

附图说明

图1是球-盘点接触滑动摩擦形式下监测绝缘材料摩擦静电势和摩擦学性能参数动态变化的装置示意图；

图2是图1的局部放大图；

图3是栓-盘面接触滑动摩擦形式下监测绝缘材料摩擦静电势和摩擦学性能参数动态变化的装置示意图；

图4是图3的局部放大图；

图5是滚珠轴承-盘线接触滚动摩擦形式下监测绝缘材料摩擦静电势和摩擦学性能参数动态变化的装置示意图；

图6是图5的局部放大图。

1静电势感应头，2夹具，3传输线，4振动电容式静电计，5A/D数据采集卡（安装在主机内），6磁性表座，7砝码托盘，8砝码，9热电偶，10热电偶传输线，11加载套杆（内插热电偶），12摩擦力传感器，13摩擦力传输线，14固定套杆（内插热电偶），15钢球夹具，16钢球，17待测样品磨痕，18待测样品，19钢栓夹具（内插热电偶），20第一紧固螺母，21钢栓，22保持架夹具，23第二紧固螺母，24滚珠轴承保持架，25滚珠轴承，26工作平台，27摩擦磨损试验机，28加载梁定位螺钉，29加载梁平衡砝码，30加载梁，31旋转半径调节旋钮，32旋转半径固定螺钉，33加载梁升降调整转轮，34加载梁升降固定螺钉，35底盘，36密封槽，37玻璃密封罩，38接线座，39底盘通气孔，40抽真空管，41外加气体通气管（通氧气、惰性气体等），42通水蒸气管。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1和图2所示，本实例在水平旋转的摩擦磨损试验机27上水平放置振动电容式静电计4的静电势感应头1，通过安装在可开合的磁性表座6上的夹具2随意调节静电势感应头1与摩擦磨损试验机工作平台26的距离，静电势感应头1得到的信号通过传输线3输入计算机经A/D数据采集卡5的转换将静电势信号通过软件处理得到Excel文件、Word文档和JPEG图片。

振动电容式静电计4的测量范围为0～±1999V，显示分辨率±1/2000，最小显示分辨率可达1V，准确度优于2%读数±1。振动电容式静电计4采用的国际上先进的振动电容调制技术，克服了目前直流放大静电表在长时间测量过程中的累计漂移问题；采用的独特前级放大技术，在带电离子环境中也能准确长时间的在线连续监测静电电压，即使在空气湿度大、灰尘多的环境也能正常工作。因此，本实例可以连续地采集或检测待测样品磨痕17（磨损是在一个物体与另一个固体的、液体的或气体的对偶件发生接触和相对运动中，由于机械作用而造成的表面材料不断损失的过程，而且磨损是具有时变特征的渐进动态过程，磨痕就是待测样品的工作表面在摩擦过程中形成的磨损轨迹）表面的摩擦静电势信号而不用清零。

砝码托盘7与加载套杆11通过螺纹和螺母固定在一起，本实例的外加载荷通过在砝码托盘7上加载砝码8实现。砝码加载范围：10g～2000g，精度0.1g。

将钢球16放入钢球夹具15内，通过固定套杆（内插热电偶）14压紧和固定，并将固定套杆（内插热电偶）14与加载套杆11通过螺纹连接。将热电偶9插入空心的加载套杆11中直至钢球16的表面来测量钢球16在滑动摩擦过程中的温度变化，热电偶9得到的信号通过热电偶传输线10输入计算机经A/D数据采集卡5的转换将温度信号通过软件处理得到Excel文件、Word文档和JPEG图片。

将摩擦力传感器12连接在加载套杆11的切线方向上（由于待测样品18是以其圆心为中心进行水平旋转，因此摩擦副的摩擦力方向就是其运动轨迹的切线方向，而待测样品18与钢球16的摩擦力大小相同但方向相反），并通过摩擦力传输线13将摩擦力传感器12获取的待测样品18的摩擦力信号输入计算机，经A/D数据采集卡5的转换将摩擦力信号通过运算得到摩擦系数变化曲线，摩擦系数通过软件处理得到Excel文件、Word文档和JPEG图片。

本实例选择在待测样品磨痕17上方平行放置静电势感应头1，通过即时测量待测样品磨痕17在固定距离处的摩擦静电势来表征物体摩擦后所带静电量的相对大小和所带电荷极性。本实例静电势感应头1的直径为Φ10～40mm，钢球16的直径范围为Φ1～10mm，静电势感应头1的直径应为待测样品磨痕17轨迹宽度的1倍以上，这将有益于减小磨痕轨迹和静电势感应头之间在电荷转移过程中由于边缘效应造成的测量误差。待测样品磨痕17轨迹是平面圆环，圆环宽度与磨损量有关，圆环宽度越宽则待测样品的磨损量越大。

本实例待测样品18固定在工作平台26上，摩擦磨损试验机27控制待测样品18的旋转速度，转速范围为1转/min～3000转/min，精度±1转，测试操作采用键盘操作和微机控制。

通过旋转半径调节旋钮31选择磨痕直径后拧紧旋转半径固定螺钉32，然后安装待测样品18，通过转动加载梁升降调整转轮33可以使加载梁30上下移动以保证钢球16的底部与待测样品18的工作表面在同一个水平面上，拧紧加载梁升降固定螺钉34和加载梁定位螺钉28以保证摩擦磨损实验的平稳性，固定加载梁30后，旋转调节加载梁平衡砝码29以保证外加砝码8之前钢球16与待测样品18之间没有接触压力。

图1所示的测量装置安装在一个可移开的玻璃密封罩37内，底盘35是开有密封槽36的铝板，密封槽36保证玻璃罩37与底盘35达到良好的气密。在底盘35上安装的接线座38不仅可以方便各种传输线以及电源线的接入，而且可以保证玻璃密封罩37内气密性良好。底盘35上还开有通气孔39以便和抽真空管40、外加气体通气管41、通水蒸气管42直接连接，从而实现对不同湿度和不同环境介质的控制。这样的设计不仅能保证研究人员可以自由选择多种环境氛围的组合，而且保证了良好的气密性。因此，可以用来考察不同湿度氛围和不同环境介质（比如大气、真空、氧气、惰性气体、甲烷、氢气等等）对材料的摩擦静电势和摩擦性能参数动态变化的影响，实验环境的湿度可通过在密封玻璃罩37内加干燥剂或通入水蒸气调节。另外考虑到实验过程中湿度对摩擦试验机的配件的影响，建议采用不锈钢材质加工配件。

本实例设备的使用方法和操作规程如下：

1、检查和连接仪器的所有电源插头和传输线。通过底盘35上的接线座38分别将摩擦磨损试验机27的电源线和摩擦力的传输线13、静电势的传输线3、热电偶的传输线10连接在玻璃密封罩外，传输线3、热电偶传输线10和摩擦力传输线13与计算机主机内的A/D数据采集卡5连接。

2、开机：打开计算机机箱后面板的电源控制开关，开启计算机电源，进入WINDOWS接口，预热20分钟。然后点击桌面测试软件图标，进入MS-T3000摩擦磨损试验仪主界面。点击所需测试方法即可进入试验操作界面，包括旋转摩擦试验、静电摩擦试验、旋转摩擦温度试验、静电摩擦温度试验四项测试方法，这四项测试方法可以根据实际需要自由选择。以下详细说明的是点击“静电摩擦温度”后的具体操作规程，用户可根据需要删减相应的操作步骤。

3、摩擦温度测试：将热电偶9插入空心的加载套杆11中直至钢球16的表面来测量钢球16在滑动摩擦过程中的温度变化，热电偶9得到的信号通过热电偶传输线10输入计算机经A/D数据采集卡5的转换将温度信号通过软件处理得到Excel文件、Word文档和JPEG图片，并且在计算机的显示器界面上可以实时显示温度随时间变化的曲线。

4、摩擦静电测试：将振动电容式静电计4的连接线一端插入静电计的Probe输入端，另一端与计算机的A/D数据采集卡5（安装在主机内）连接，电源线接220V插座。将静电势感应头1用夹具2固定在磁性表座6上，位于摩擦磨损试验机27的工作平台26侧面，将静电势感应头1调整到待测样品磨痕17上方，静电势感应头1底部与待测样品18的工作表面的距离根据需要确定，一般要求大于10mm，否则容易击穿静电势感应头1造成损坏。

5、摩擦磨损实验：

5.1将钢球16放入钢球夹具15内，通过固定套杆14（内插热电偶）压紧和固定，并将固定套杆（内插热电偶）14与加载套杆11通过螺纹连接。通过旋转半径调节旋钮31选择磨痕直径后拧紧旋转半径固定螺钉32，然后安装待测样品18，通过转动加载梁升降调整转轮33可以使加载梁30上下移动以保证钢球16的底部与待测样品18的工作表面在同一个水平面上，拧紧加载梁升降固定螺钉34和加载梁定位螺钉28以保证摩擦磨损实验的平稳性，固定加载梁30后，旋转调节加载梁平衡砝码29以保证外加砝码8之前钢球16与待测样品18之间没有接触压力。

5.2拧开加载梁定位螺钉28和加载梁升降固定螺钉34，将加载梁30逆时针转动约45°，将待测样品18用螺钉固定在工作平台26上，通过转动加载梁升降调整转轮33使加载梁30上下移动以保证钢球16的底部与待测样品18的工作表面在同一个水平面上，拧紧加载梁升降固定螺钉34和加载梁定位螺钉28以保证摩擦磨损实验的平稳性。待测样品18的直径范围为20mm-140mm。

5.3如需改变待测样品磨痕17的测量半径，可通过旋转半径调节旋钮31选择磨痕直径，调到所需半径后，拧紧旋转半径固定螺钉32。

5.4将加载梁30转动至初始位置，通过加载梁平衡砝码29调节至加载套杆11悬空，以保证外加砝码8之前钢球16与待测样品18之间没有接触压力。然后将加载梁平衡砝码29对旋锁死，拧紧加载梁定位螺钉28和加载梁固定螺钉31。

5.5手动旋转待测样品18或设定转速在10转/分，轻施切向力，检查钢球16的压头是否在静电势感应头1的下方，摩擦实验是否平稳。然后，使用无水乙醇将待测样品18的表面清理干净。

5.6在空载状态下，使待测样品18的工作表面与钢球16的压头分离，设定转速为10转/分，将摩擦力调节为零，计算机机箱前面板的摩擦力调零旋钮，精确至小数点后三位。如果需多次测量此待测样品18的试件，则从第一次手动调零后采用自动调零，可以点击软件界面的“摩擦力调零”按钮。

5.7在砝码托盘7上加上砝码8，然后在计算机显示器的软件界面中用键盘依次输入样品编号、材料名称、试验载荷、试验时间、测量半径、转速设定（在“转速设定”栏内输入试验所需的转速，按“确定”即可）、摩擦系数保护值设定（双击“摩擦系数保护值设定”，输入所需保护的数值即可）。

6、改变实验环境条件（真空或其他气氛条件）：在底盘35的密封槽36内涂抹真空脂后将垫圈放入密封槽36中，再在垫圈表面一周涂抹真空脂，以保证盖上玻璃密封罩37后能保证良好的气密性。然后加盖玻璃密封罩37，关闭外加气体通气管41的气阀和通水蒸气管42的气阀，打开抽真空管40的气阀，真空泵接电，开始抽真空。待真空表显示为0.7~0.8MPa或试验所需的真空度时，可进行真空摩擦磨损实验或关闭抽真空管40气阀，从外加气体通气管41通入所需气体（氧气、惰性气体、甲烷、氢气等等）。反复上述操作一至两次。如果是需要增加湿度，可以从通水蒸气管42引入水蒸气，湿度可根据实验的要求调节。

7、以上操作确定无误后，按“重新开始”，再按“开始”按钮，仪器进入试验测试，状态栏显示“试验开始”。

8、保存资料：试验时间到后，仪器会自动停止，点击界面的跳出“试验结束”框，按“确定”。如要保存数据按“保存数据”，跳出数据存储路径框，选择存储路径，新建对应文件夹，将数据存储到所选路径下。

9、打印：如要选择结果打印，点击“打印”，打印机将会打印出测试结果。

10、读取数据：点击“读取数据”，跳出数据路径框，选择所要读取的数据路径及数据文件名，双击或按“确定”，屏幕即调出所存储的数据曲线。

11、重新开始：按“清屏”，屏幕将清屏，开始新的操作。

12、自动保存：选中复选框，在试验过程当中非人为停止时，按优先级为样品编号、材料名称保存试验数据。

13、退出：如不进行任何操作，按“退出”键，则退出到WINDOWS主菜单。

14、按键盘上的“↑”键，分段看曲线；按“↓”键看曲线整体；按“←”右移一屏；按“→”左移一屏。

15、试验结束后，首先关闭振动电容式静电计，以免在取试样过程中造成静电势感应头被击穿。其次拧开加载梁定位螺钉28和加载梁固定螺钉31，将加载梁30逆时针转动约45°，将待测样品18从工作平台26上取下，将钢球16从钢球夹具15中取下。然后将加载梁30归位，拧紧加载梁定位螺钉28和加载梁固定螺钉31。

16、关闭摩擦磨损试验机27的电机开关，然后关闭计算机，关闭计算机机箱后面板控制开关，切断计算机主电源。结束实验。

实施例2

如图3和图4所示，本实例通过夹具的拆卸和转换，可将球-盘点接触滑动摩擦形式更改为栓-盘面接触滑动摩擦形式。

球-盘点接触滑动摩擦形式（见图4），本实例通过将固定套杆14和钢球夹具15拆卸后更换为钢栓夹具（内插热电偶）19，可将球-盘点接触滑动摩擦形式更改为栓-盘面接触滑动摩擦形式。将钢栓21加工成锥面的一端插入钢栓夹具19内，通过钢栓夹具上的第一紧固螺母20将钢栓21压紧和固定，钢栓夹具19与加载套杆11通过螺纹连接。将热电偶9插入空心的加载套杆11中直至钢栓21的上表面来测量钢栓21在滑动摩擦过程中的温度变化。

本实例静电势感应头1的直径为Φ10～40mm，钢栓21的直径范围为Φ1～10mm。

通过旋转半径调节旋钮31选择磨痕直径后拧紧旋转半径固定螺钉32，然后安装待测样品18，通过转动加载梁升降调整转轮33可以使加载梁30上下移动以保证钢栓21的底部与待测样品18的工作表面在同一个水平面上，拧紧加载梁升降固定螺钉34和加载梁定位螺钉28以保证摩擦磨损实验的平稳性，固定加载梁30后，旋转调节加载梁平衡砝码29以保证外加砝码8之前钢栓21与待测样品18之间没有接触压力。

实施例3

如图5、图6，本实例通过夹具的拆卸和转换，可将滑动摩擦形式更改为滚动摩擦形式。图6是滚珠轴承-盘线接触滚动摩擦形式，如图5、图6所示，本实例通过将固定套杆（内插热电偶）14和钢球夹具15或者钢栓夹具（内插热电偶）19拆卸后更换为保持架夹具22、第二紧固螺母23和滚珠轴承保持架24，可将滑动摩擦形式更改为滚珠轴承-盘线接触滚动摩擦形式。将滚珠轴承25安装在滚珠轴承保持架24内，再用第二紧固螺母23将保持架24和保持架夹具22固定起来，然后把保持架夹具22安装在加载套杆11上。将热电偶9插入滚珠轴承25的中轴内来测量滚珠轴承25在滑动摩擦过程中的温度变化，热电偶9得到的信号通过传输线10输入计算机经A/D数据采集卡5的转换将温度信号通过软件处理得到Excel文件、Word文档和JPEG图片。

本实例静电势感应头1的直径为Φ10～40mm，滚珠轴承25的宽度<10mm。

通过旋转半径调节旋钮31选择磨痕直径后拧紧旋转半径固定螺钉32，然后安装待测样品18，通过转动加载梁升降调整转轮33可以使加载梁30上下移动以保证滚珠轴承25的底部与待测样品18的工作表面在同一个水平面上，拧紧加载梁升降固定螺钉34和加载梁定位螺钉28以保证摩擦磨损实验的平稳性，固定加载梁30后，旋转调节加载梁平衡砝码29以保证外加砝码8之前滚珠轴承25与待测样品18之间没有接触压力。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种测量绝缘材料摩擦静电和摩擦性能参数动态变化的装置，其特征在于，在水平旋转的摩擦磨损试验机(27)上水平放置振动电容式静电计(4)的静电势感应头(1)；摩擦力传感器(12)连接在加载套杆(11)的切线方向上，并通过摩擦力传输线(13)将摩擦力传感器(12)获取的待测样品(18)的摩擦力信号输入计算机，经A/D数据采集卡(5)的转换将摩擦力信号通过运算得到摩擦系数变化曲线；玻璃密封罩(37)通过密封槽(36)安装在底盘(35)上，密封槽(36)保证玻璃密封罩(37)与底盘(35)达到良好的气密；底盘(35)上安装接线座(38)；底盘(35)上还开有通气孔(39)，用于和抽真空管(40)、外加气体通气管(41)、通水蒸气管(42)直接连接，从而实现对不同湿度和不同环境介质的控制；将钢球(16)放入钢球夹具(15)内，通过固定套杆(14)压紧和固定，并将固定套杆(14)与加载套杆(11)通过螺纹连接；将热电偶(9)插入空心的加载套杆(11)中直至钢球(16)的表面来测量钢球(16)在滑动摩擦过程中的温度变化，热电偶(9)得到的信号通过热电偶传输线(10)输入计算机。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，将固定套杆(14)和钢球夹具(15)拆卸后更换为钢栓夹具(19)，将钢栓(21)加工成锥面的一端插入钢栓夹具(19)内，通过钢栓夹具上的第一紧固螺母(20)将钢栓(21)压紧和固定，钢栓夹具(19)与加载套杆(11)通过螺纹连接；将热电偶(9)插入空心的加载套杆(11)中直至钢栓(21)的上表面来测量钢栓(21)在滑动摩擦过程中的温度变化。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，将固定套杆(14)和钢球夹具(15)拆卸后更换为保持架夹具(22)、第二紧固螺母(23)和滚珠轴承保持架(24)，将滚珠轴承(25)安装在滚珠轴承保持架(24)内，再用第二紧固螺母(23)将保持架(24)和保持架夹具(22)固定起来，然后把保持架夹具(22)安装在加载套杆(11)上；将热电偶(9)插入滚珠轴承(25)的中轴内来测量滚珠轴承(25)在滑动摩擦过程中的温度变化，热电偶(9)得到的信号通过传输线(10)输入计算机经A/D数据采集卡(5)的转换将温度信号通过软件处理得到Excel文件、Word文档和JPEG图片。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述静电势感应头(1)的直径为Φ10～40mm，所述钢球(16)的直径范围为Φ1～10mm，钢栓(21)的直径范围为Φ1～10mm，滚珠轴承(25)的宽度<10mm，静电势感应头(1)的直径为待测样品磨痕(17)轨迹宽度的1倍以上。

5.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，通过安装在可开合的磁性表座(6)上的夹具(2)调节静电势感应头(1)与摩擦磨损试验机工作平台(26)的距离，静电势感应头(1)得到的信号通过传输线(3)输入计算机经A/D数据采集卡(5)的转换将静电势信号通过软件处理得到Excel文件、Word文档和JPEG图片。

6.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，所述振动电容式静电计(4)的测量范围为0～±1999V，显示分辨率±1/2000，最小显示分辨率可达1V，准确度优于2％读数±1。

7.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，砝码托盘(7)与加载套杆(11)通过螺纹和螺母固定在一起，外加载荷通过在砝码托盘(7)上加载砝码(8)实现，砝码加载范围：10g～2000g，精度0.1g。

8.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，在待测样品的待测样品磨痕(17)上方平行放置静电势感应头(1)，通过即时测量待测样品磨痕(17)在固定距离处的摩擦静电势来表征物体摩擦后所带静电量的相对大小和所带电荷极性。

9.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，待测样品(18)固定在工作平台(26)上，摩擦磨损试验机(27)控制待测样品(18)的旋转速度，转速范围为1转/min～3000转/min，精度±1转/min，测试操作采用键盘操作和微机控制。

10.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，通过旋转半径调节旋钮(31)选择磨痕直径后拧紧旋转半径固定螺钉(32)，然后安装待测样品(18)，通过转动加载梁升降调整转轮(33)可以使加载梁(30)上下移动以保证钢球(16)的底部与待测样品(18)的工作表面在同一个水平面上，拧紧加载梁升降固定螺钉(34)和加载梁定位螺钉(28)以保证摩擦磨损实验的平稳性，固定加载梁(30)后，旋转调节加载梁平衡砝码(29)以保证外加砝码(8)之前钢球(16)与待测样品(18)之间没有接触压力。