CN103822837B - 一种摩擦试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦试验机，该摩擦试验机将盘状的定试件或定基准件安装在固定座上，将动试件或动基准件安装在活动座上，并通过驱动装置来驱动活动座沿直线或曲线轨迹移动，在摩擦磨损过程中，定试件或定基准件固定不动，而动试件或动基准件可在定试件或定基准件上移动，而动试件或动基准件本身并不做回转运动，即在摩擦磨损试验的过程中不存在回转体，无需导电滑环传送电信号，就能在动试件或动基准件和定试件或定基准件直接安装传感器，以达到测量相应物理量的目的，传感器也可以采用接触式传感器，从而解决了现有技术中因摩擦盘一直转动所造成的摩擦磨损试验测量结果不准确的问题。

Description

一种摩擦试验机

技术领域

本发明涉及摩擦磨损试验领域，尤其涉及一种摩擦试验机。

背景技术

目前，在进行摩擦磨损试验时采用的设备大多采用球—盘式或销—盘式摩擦试验机，以销—盘式摩擦试验机为例，传统的销—盘式摩擦试验机在工作时都是盘旋转，而销不动，如中国专利文献CN103308409A的说明书中公开一种转盘式多样品同步摩擦磨损试验装置，该摩擦磨损试验装置包括输出扭矩的驱动装置、固定在驱动装置输出端上的摩擦盘、偏心设置在摩擦盘上方的磨头和磨头上装配的Z向加载装置，摩擦盘由盘体及其上固定的试件片构成，从而用摩擦盘的盘体来作为安装试件片的活动座，对应的磨头成为试验用基准件。在试验时，通过驱动装置带动样片公转，同时Z向加载装置会将磨头压紧在样品片上，随着摩擦盘的转动，磨头不断在摩擦盘的表面上摩擦，再由Z向加载装置上采样连接在摩擦力传感器来采集试验过程中摩擦片和磨头之间的摩擦力数据，通过贴设在摩擦片上的电阻片以及摩擦盘和摩擦盘上连接的电源和信号采集电路来采集试验过程中的实时电流数据，并将摩擦力数据和电流数据传输到计算机上，由计算机计算出摩擦盘的摩擦系数。但因整个试验过程中，摩擦盘一直是转动的，所以摩擦盘上将不便于安装相应的传感器测量所需的物理量，即使在摩擦盘上安装有传感器，测量的结构也不是很准确，如安装在摩擦盘的转轴上的动态扭转传感器受驱动装置输出扭矩的影响，测量到的摩擦扭矩将很不准确；当需要测量摩擦盘上的温度时，无法在摩擦盘上安装接触式温度传感器，而非接触式的温度传感器的测量精度又太低了；在研究电场对摩擦盘的摩擦磨损的影响时，无法直接将电场施加到摩擦盘上，而采用导电滑环的话，导电滑环在摩擦盘上的移动又将增加了一个摩擦副，这一摩擦副将干涉摩擦盘和磨头形成的摩擦副，使得检测结果的精度降低；在摩擦磨损过程中，在摩擦面上会产生摩擦接触电势，对摩擦磨损的性能产生很大的影响，并且在研究磁场对摩擦磨损的影响时，在摩擦副中还会产生感应电势，同样因为摩擦盘一直在旋转，所以无法直接测量摩擦盘与磨头之间的摩擦接触电势和感应电势。总之，由于摩擦盘在旋转，所以无法直接在摩擦盘上安装传感器测量所需要的物理量，也无法在盘上施加电场，即使采用了导电滑环能够实现，但影响了测量的精度，无法获得正确的研究结果，因而现有的摩擦磨损试验方法测量结果不准确、测量数据精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种摩擦试验机，旨在解决现有技术中因摩擦盘一直转动所造成的摩擦磨损试验测量结构不准确的问题。

为了实现以上目的，本发明中摩擦试验机的技术方案如下：

摩擦试验机，包括用于安装盘状的定试件或定基准件的固定座和用于安装动试件或动基准件的活动座，活动座上传动连接有用于驱动活动座相对于固定座沿直线或曲线轨迹移动的驱动装置。

驱动装置包括水平设置且具有X向滑台和Y向滑台的十字滑台以及用于驱动X向滑台在X向移动、Y向滑台在Y向移动的输出元件。

输出单元为伺服电机。

活动座和十字滑台之间设有用于驱动活动座在Z向移动的Z向加载装置，Z向加载装置包括随同十字滑台在X向和Y向移动的基座和连接在活动座上的输出端。

Z向加载机构还包括绕Z向延伸的转动轴线转动装配在基座上的丝杠和与丝杠配合且止旋装配在基座上的丝母，Z向加载装置的输出端与丝母固连。

活动座上设有用于向动试件或动基准件施加背向Z向加载装置的弹性阻尼力的弹性缓冲机构。

活动座上设有用检测Z向加载装置施加在动试件或动基准件上的Z向加载力的压力传感器。

摩擦试验机还包括具有顶横梁的门形架，顶横梁沿X向延伸，十字滑台的X向导轨固定在顶横梁上。

门形架与固定座固连。

摩擦试验机还包括用于检测定试件或定基准件温度的温度传感器和/或用于在活动座沿曲线轨迹移动时检测固定座受到的摩擦扭矩的静态扭矩传感器和/或用于检测定试件或定基准件磁感应强度的特斯拉计和/或用于在活动座沿直线轨迹移动时检测固定座受到的摩擦力的力传感器。

本发明将盘状的定试件或定基准件安装在固定座上，将动试件或动基准件安装在活动座上，并通过驱动装置来驱动活动座沿直线或曲线轨迹移动，在摩擦磨损过程中，定试件或定基准件固定不动，而动试件或动基准件可在定试件或定基准件上移动，而动试件或动基准件本身并不做回转运动，即在摩擦磨损试验的过程中不存在回转体，无需导电滑环传送电信号，就能在动试件或动基准件和定试件或定基准件直接安装传感器，以达到相应物理量的目的，传感器也可以采用接触式传感器，从而解决了现有技术中因摩擦盘一直转动所造成的摩擦磨损试验测量结果不准确的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中摩擦试验机的结构示意图；

图2是本发明实施例中控制装置的系统组成示意图；

图3是图1中Z向加载装置与活动座连接的结构示意图；

图4是本发明实施例实现温度、接触电势、摩擦电势、感应电势的测量的工作原理示意图；

图5是本发明实施例在实现外加电场和外加磁场摩擦磨损试验的工作原理示意图。

具体实施方式

本发明中摩擦试验机的实施例：如图1至图5所示，该摩擦试验机包括上下相对设置的活动座1和固定座2，活动座1主要由安装销状的动试件101的夹具构成，固定座2主要由同轴安装盘状的定试件201的传动轴构成，固定座2通过底座202和试验台203固连有具有顶横梁1021的门形架102，门形架102的顶横梁1021和活动座1之间设有可驱动活动座1在X向和Y向所处水平面内沿圆周曲线轨迹和直线往复移动轨迹移动的驱动装置以及向活动座1施加Z向加载力的Z向加载装置，其中驱动装置包括水平设置且具有X向滑台1041和Y向滑台1042的十字滑台以及用于驱动X向滑台1041在X向移动、Y向滑台1042在Y向移动的输出元件105，十字滑台的X向导轨固定在顶横梁1021上，X向滑块固连在Y向导轨上，Y向导轨固连在Z向加载装置的基座上，输出元件105为伺服电机；Z向加载装置包括随同十字滑台在X向和Y向移动的基座、连接在活动座1上的输出端1032以及基座和输出端1032之间设置的螺旋传动机构，螺旋传动机构中丝杠1033通过Z向伺服电机1035绕Z向延伸的转动轴线转动装配在基座上，丝母1034与丝杠1033配合且装配在基座上，Z向加载装置的输出端1032为固连在丝母1034上的Z向滑台，并在Z向加载装置的输出端1032和活动座1之间穿装有弹性缓冲机构106和压力传感器107，弹性缓冲机构106用于向动试件101施加向下的阻尼力，压力传感器107用于测量Z向加载装置向动试件101上施加的Z向加载力。

在摩擦磨损试验中，需要测量动试件101和定试件201的温度、接触电势、摩擦电势和感应电势时，可在动试件101和定试件201上分别安装上温度传感器2041和下温度传感器2042，并从动试件101和定试件201上分别引出导线后再在两段引线之间串接电压传感器205，以测量接触电势、摩擦电势和感应电势。

在进行外加电场和外加磁场的摩擦磨损试验时，将动试件101和定试件201串接在一外加电源206上，以向动试件101和定试件201之间的摩擦副施加外加电场；在动试件101上也可以安装电磁线圈207，并施加直流或交流电后，将在动试件101和定试件201之间的摩擦副上施加外加磁场，同时可以在定试件201上安装特斯拉计以测量动试件101移动过程中定试件201上磁感应强度的变化，还可在动试件101上安装电流传感器来测量动试件101移动过程中定试件201上的感应电流变化。

在驱动装置的驱动下，活动座1在带动动试件101在定试件201上做圆周曲线移动时，为测量定试件201在动试件101摩擦移动过程中所受到的摩擦扭矩，可在固定座2上安装静态扭矩传感器；活动座1在带动动试件101在定时间上沿直线轨迹往复移动时，为测量定试件201在动试件101摩擦移动过程中所受到的摩擦力，可在固定座2上安装摩擦力传感器。

摩擦试验机还包括控制十字滑台和Z向加载装置动作的控制装置，该控制装置包括工业控制计算机、数据采集卡、运动控制卡和I/O控制板卡，在工业控制计算机中设置有进行数据采集、X和Y轴平面曲线运动控制、Z轴加载控制和其他控制的控制软件，在使用过程中，摩擦力传感器、温度传感器、电压传感器205、电流传感器、静态扭矩传感器等都可通过相应的变送器将检测信号传送到数据采集卡，数据采集系统软件定时通过数据采集卡对试验过程的各种物理量进行数据采集。对摩擦设备的所需的其他控制设备可通I/O控制板卡进行控制。

在摩擦磨损试验时，定试件201被安装在固定座2上固定不动，Z向加载装置在控制装置的控制下，Z向伺服电机1035通过丝杠1033推动Z向加载装置的输出端1032向下移动过，当动试件101和定试件201接触时，数据采集系统可通过压力传感器107测量动试件101和定试件201之间的Z向载荷，并把测量值传送到控制装置。当Z向载荷达到设定值时，控制装置控制Z向伺服电机1035停止运动；当Z向载荷小于设定值时，控制装置控制Z向伺服电机1035重新转动继续加载，直到Z向载荷达到设定值时再次停转，从而实现加载力的动态加载。十字滑台的X向运动和Y向运动可在控制装置的控制下进行平面圆周曲线移动，从而通过活动座1带动十字滑台上的动试件101绕定试件201的Z向进行圆周运动（但并不绕自身轴线旋转），实现了销—盘式摩擦磨损试验。在固定的定试件201下安装静态扭矩传感器，提高了摩擦扭矩的测量精度。整个试验过程中定试件201和动试件101都没有旋转运动，故无需导电滑环传送电信号，便于在动试件101和定试件201上布置各种传感器以实现所需信号的数据采集和测量，也便于在摩擦副上施加电场和磁场进行摩擦磨损试验。

另外，通过控制装置内的控制软件还可以控制十字滑台进行沿直线轨迹的往复移动，进而实现动试件101与定试件201的往复式摩擦磨损试验。

本实施例中摩擦试验机中定试件201不动，动试件101的圆周运动可以进行销—盘式摩擦磨损试验，可用静态扭矩传感器，没有轴承支座，没有空载转动扭矩，减少了干扰和成本，提高了测量精度；动试件101本身不转，可在动试件101上安装温度传感器，也可在定试件201上布置温度传感器；由于动试件101、定试件201本身都不绕各自的中轴旋转，可方便测量两者之间的摩擦界面的接触电势、摩擦电势等，便于施加电压，进行外加电场和外加磁场下摩擦磨损试验；在动试件101上加线圈进行外加磁场销—轴式摩擦磨损实验时，在定试件201上可以布置特斯拉计以测量运动过程中定试件201上的磁场变化，也可以在定试件201上布置电流传感器检测感应电流；便于观察摩擦磨损过程中定试件201上磨屑运动和分布，便于收集磨屑；当把静态扭矩传感器换成力传感器时，可控制动试件101做往复运动进行往复运动摩擦磨损实验和微动摩擦磨损试验；控制软件中的X、Y向平面曲线运动控制通过运动控制卡、X向驱动器、X向伺服电机、Y向驱动器、Y向伺服电机来驱动X向滑台、Y向滑台进行插补运动，可带动其上的Z向加载装置、活动座和动试件产生圆弧运动，运动的速度和圆弧的半径可在数控软件参数中设定，X、Y轴平面曲线运动控制部分控制动试件在定试件的摩擦平面上进行圆周运动，Z轴加载控制系统控制动试件与定试件之间保持恒定的加载力，从而实现了销—盘式摩擦磨损试验。

在上述实施例中，固定座上安装定试件，活动座上安装动试件，在其他实施例中，活动座上也可以安装动基准件，固定座上也可以安装定基准件，但定试件和定基准件都需要是盘状的，以向动试件或动基准件提供摩擦面和便于安装各种传感器，这样在可实现动试件—定基准件、动基准件—定试件、动基准件—定基准件以及上述实施例中动试件—定试件的试验要求，对于其中的动基准件—定基准件试验，试件可被其他结构定位在固定座和活动座之间。

在上述实施例中，用于驱动X向滑台和Y向滑台动作的输出元件为伺服电机，在其他实施例中，伺服电机也可以用手动驱动机构、油缸、气缸等代替。

在上述实施例中，驱动机构中用以带动活动座沿曲线轨迹移动的部件为十字滑台，在其他实施例中，十字滑台也可以用偏心轮、连杆机构等替换，当然在将动试件或动基准件偏心安装在一回转体上后，相应的控制装置可以去除掉，因为上述实施例中控制装置主要是为了通过十字滑台来驱动动试件沿圆周曲线移动的，所以在将动试件偏心安装在回转体上的，动试件就可以在回转体的带动下沿圆周曲线轨迹移动，而无需控制装置来控制。

在上述实施例中，Z向加载装置中实现Z向加载的传动机构为螺旋传动机构，该螺旋传动机构通过Z向伺服电机来驱动，在其他实施例中，Z向伺服电机也可以用手动方式、液压马达等替换，而螺旋传动机构也可以用气缸、液压缸、电动推杆等代替。

在上述实施例中，固定座通过门形架与驱动装置连接在一起，以保证整个摩擦试验机的整体性，在其他实施例中，固定座和驱动装置也可以互不连接，即固定座直接置于地面上，而驱动装置也相对独立的安装在地面上，从而实现活动座和固定座的相对独立布置。

在上述实施例中，动试件是销状的，在其他实施例中，动试件也可以是盘状的，从而实现盘—盘式摩擦磨损试验。

Claims (9)

1.摩擦试验机，其特征在于，包括用于安装盘状的定试件或定基准件的固定座和用于安装动试件或动基准件的活动座，活动座上传动连接有用于驱动活动座相对于固定座沿直线或曲线轨迹移动、以使动试件或动基准件本身并不做回转运动的驱动装置，驱动装置包括水平设置且具有X向滑台和Y向滑台的十字滑台以及用于驱动X向滑台在X向移动、Y向滑台在Y向移动的输出元件。

2.根据权利要求1所述的摩擦试验机，其特征在于，输出元件为伺服电机。

3.根据权利要求1所述的摩擦试验机，其特征在于，活动座和十字滑台之间设有用于驱动活动座在Z向移动的Z向加载装置，Z向加载装置包括随同十字滑台在X向和Y向移动的基座和连接在活动座上的输出端。

4.根据权利要求3所述的摩擦试验机，其特征在于，Z向加载装置还包括绕Z向延伸的转动轴线转动装配在基座上的丝杠和与丝杠配合且止旋装配在基座上的丝母，Z向加载装置的输出端与丝母固连。

5.根据权利要求3所述的摩擦试验机，其特征在于，活动座上设有用于向动试件或动基准件施加背向Z向加载装置的弹性阻尼力的弹性缓冲机构。

6.根据权利要求3所述的摩擦试验机，其特征在于，活动座上设有用于检测Z向加载装置施加在动试件或动基准件上的Z向加载力的压力传感器。

7.根据权利要求1所述的摩擦试验机，其特征在于，摩擦试验机还包括具有顶横梁的门形架，顶横梁沿X向延伸，十字滑台的X向导轨固定在顶横梁上。

8.根据权利要求7所述的摩擦试验机，其特征在于，门形架与固定座固连。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的摩擦试验机，其特征在于，摩擦试验机还包括用于检测定试件或定基准件温度的温度传感器和/或用于在活动座沿曲线轨迹移动时检测固定座受到的摩擦扭矩的静态扭矩传感器和/或用于检测定试件或定基准件磁感应强度的特斯拉计和/或用于在活动座沿直线轨迹移动时检测固定座受到的摩擦力的力传感器。