CN106895972B - 一种粘滑运动试验装置 - Google Patents

Abstract

一种粘滑运动试验装置，属于摩擦学技术领域。本发明提供的装置通过控制系统控制二维移动平台2在水平方向和竖直方向上的移动，使应变式力传感器14压紧固定轴6进而压紧夹具9使得上摩擦件10和下摩擦件11接触后保持设定的法向载荷，控制系统控制转动装置3以设定的速度及方向进行转动，使得上摩擦件10和下摩擦件11间产生相对摩擦。本发明采用两个上摩擦件10，可以有效的避免上摩擦件和下摩擦件接触不均匀的现象，进而避免接触面应力分布不均匀；本装置可以研究不同材料的摩擦件、不同法向力、不同速度等相关参数下摩擦力、位移、法向力、速度的变化规律，从而研究粘滑运动的产生机理及影响因素。

Description

一种粘滑运动试验装置

技术领域

本发明属于摩擦学技术领域，具体涉及一种粘滑运动试验装置。

背景技术

粘滑运动是在一定条件下，由于动静摩擦系数数值不同而引起的一种“运动-静止-再运动-再静止”的摩擦现象，是发生在两个相互滑动物体间的一种摩擦自激跳跃运动。作为一种典型的摩擦现象，粘滑运动广泛存在于机械系统中，它是系统产生振动的主要致因之一，会带来机械系统颤振、极限环振荡、刹车时制动系统出现尖锐噪音、数控机床低速时加工精度变差等众多负面问题。因此为了提高机械系统稳定性并降低振动，提高机床加工精度，降低摩擦振动噪声进而发展环境友好型车辆制动系统，开展粘滑运动的摩擦学特性相关研究工作，例如粘滑运动过程中的摩擦力信号、位移信号、法向力信号等，具有十分重要的意义。

目前，国内外关于粘滑运动的研究多集中于数值研究，缺少试验验证。因此研制针对粘滑运动试验的新方法及其装置，进而通过试验对粘滑运动现象进行深入研究，对于丰富和发展粘滑运动相关理论具有重要的学术与理论价值，对减少实际机械系统中出现的粘滑运动所引发的问题，改进机械设备的相关设计，提高其性能与寿命、节约能源等具有十分重要的现实意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粘滑运动试验装置，可以模拟可能存在粘滑运动隐患的不同机械系统的真实工况，通过采集不同材料的摩擦件在不同法向力、不同速度等参数下摩擦力、位移、法向力、速度信号的变化，分析粘滑运动的产生机理及影响因素，为机械设备的优化设计提供理论支撑。

本发明的技术方案为：

一种粘滑运动试验装置，包括机座1，机座1的顶板1A底部安装有二维移动台2，机座1的底板1B上安装有转动装置3，

转动装置3上安装下摩擦件11，下摩擦件11根据转动装置3设定的速度和方向进行转动；

二维移动平台2底部固定有应变式力传感器14，应变式力传感器14的底部设置有与之接触并固定的法兰盘4；

所述法兰盘4和转动装置3之间还设置有编码器5、固定轴6和横梁7，固定轴6穿过编码器5的中心孔并与之固定，固定轴6的一端固定在法兰盘4的内孔，另一端固定在横梁7的中心内孔，横梁7和固定轴6之间还设置有扭转弹簧13，扭转弹簧13一端安装在横梁7的中心内孔附近，另一端安装在固定轴6底端卡槽内；

横梁7下表面两侧对称固定有两个应变式摩擦力传感器8，两个应变式摩擦力传感器8分别固定连接两个夹具9，每个夹具9上夹持一个上摩擦件10；

两个上摩擦件10与下摩擦件11相接触；

二维移动平台2、应变式力传感器14、转动装置3与控制系统电连接，两个应变式摩擦力传感器8与信号测试分析系统电连接，编码器5与计算机电连接。

具体的，所述转动装置3包括：

固定在机座1的底板1B上的第一同步带轮3A和第二同步带轮3D；

第一同步带轮3A上设置有伺服电机3B，伺服电机3B通过轴与第一同步带轮3A连接并驱动第一同步带轮3A转动；

第一同步带轮3A通过同步带3C和第二同步带轮3D连接并带动第二同步带轮3D转动；

第二同步带轮3D上设置有工作平台3E，第二同步带轮3D与工作平台3E的轴连接并带动工作平台3E转动，工作平台3E上放置下摩擦件11；

轴支撑架3F固定在机座1的底板1B上支撑第二同步带轮3D和工作平台3E的轴承。

具体的，所述二维移动平台2包括：

固定在机座1的顶板1A底部的第一步进电机2F；

与第一步进电机2F的输出轴通过联轴器连接的垂向滚珠丝杆装置2E；

安装在滚珠丝杆装置2E的丝杆螺母上的垂直滑块2A，垂直滑块2A底部设有水平燕尾槽导轨2B，第一步进电机2F通过垂向滚珠丝杆装置2E驱动垂直滑块2A在垂直支撑导轨2G上沿竖直方向上下滑动；

固定在机座1的顶板1A底部的垂直支撑导轨2G，垂直滑块2A安装在垂直支撑导轨2G上；

安装在水平燕尾槽导轨2B上的水平滑块2D，水平滑块2D的底部与应变力传感器14连接；

固定在垂直滑块2A一侧的第二步进电机2H；

一端与第二步进电机2H的输出轴通过联轴器连接的水平丝杆装置2C，水平丝杆装置2C的丝杆螺母与水平滑块2D固定，通过旋转水平丝杆装置2C的丝杆螺母可使水平滑块2D在水平丝杆装置2C上沿水平方向移动。

具体的，所述横梁7与固定轴6通过角接触球轴承12连接，角接触球轴承12的外圈与横梁7的中心内孔过盈配合，其内圈与固定轴6过盈配合。

具体的，所述固定轴6与法兰盘4通过第一锁紧螺钉4A锁紧，与编码器5通过第二锁紧螺钉5A锁紧。

具体的，所述编码器5和横梁7之间通过Z型钢片5B固定。

具体的，所述应变式摩擦力传感器8为单向应变式力传感器，量程为0～100N，灵敏度为0.3mv/V，线性度0.1N。

具体的，所述编码器5为绝对式编码器，量程为0～360°，分辨率为10″，精度为±20″，波特率为115.2Kb/s。

具体的，所述应变式力传感器14量程为5～500N，精度为0.025N。

使用本发明提供的粘滑运动试验装置进行粘滑试验的方法，其做法为：

控制系统控制二维移动平台2在水平方向和竖直方向上移动使得上摩擦件10和下摩擦件11相接触，控制系统控制转动装置3以设定的速度及方向转动，使得上摩擦件10和下摩擦件11间产生相对摩擦，在试验过程中应变式力传感器14实时监测并采集上摩擦件10和下摩擦件11之间的法向载荷反馈至控制系统，控制系统调整二维移动平台2使得上摩擦件10和下摩擦件11之间保持设定的法向载荷，两个摩擦力传感器9分别检测两个上摩擦件10所受的摩擦力并将采集到的摩擦力信号送至数据采集分析系统；编码器5采集上摩擦件10的角位移信号并将角位移信号送至电脑。

粘滑试验过程中，当上摩擦件10受到的摩擦力大于扭转弹簧13因扭转而产生的弹簧力时，上摩擦件10和下摩擦件11“粘”在一起并转动，上摩擦件10和下摩擦件11无相对运动。随着上摩擦件10的转动，扭转弹簧13的扭转角度不断增大，上摩擦件10受到的弹簧力不断增大，当弹簧力大于摩擦力时，上摩擦件10开始在下摩擦件11表面上滑动，上摩擦件10和下摩擦件11有相对运动。随着上摩擦件10的滑动，扭转弹簧13的扭转角度变小，弹簧力随之减小，当摩擦力又大于弹簧力时，上摩擦件10和下摩擦件11又“粘”在一起并转动，如此循环往复，上摩擦件10的运动状态在“粘”、“滑”周期性交替切换。

上述方法中用电脑和数据采集分析系统分析得出表征粘滑运动中的摩擦动力学特性试验结果有：粘滑运动过程中的法向力-时间曲线、摩擦力-时间曲线、角位移-时间曲线、角速度-时间曲线、角位移-角速度曲线。法向力、摩擦力、角位移和角速度是粘滑运动动力学分析最重要的基础数据，由此得到的法向力-时间曲线、摩擦力-时间曲线、角位移-时间曲线、角速度-时间曲线、角位移-角速度曲线是粘滑运动动力学研究的主要数据，可分析在粘滑运动过程中的发生机理及影响因素。

本发明的有益效果为：本发明提供的装置可以研究不同材料的摩擦件、不同法向力、不同速度等相关参数下摩擦力、位移、法向力、速度的变化规律，从而研究粘滑运动的产生机理及影响因素，进而降低机械系统的振动，提高系统稳定性及加工精度，并降低粘滑运动而诱发的摩擦振动噪声等问题提供理论依据；本发明提供的装置采用两个销试样，即两个上摩擦件，可以避免上摩擦件和下摩擦件接触不均匀的现象，进而避免接触面应力分布不均匀；本发明涉及的试验材料种类较为广泛，包括锻钢、铸铁、阻尼合金、玻璃等；本试验装置采用的应变式摩擦力传感器8、编码器5以及二维应变力传感器14均属于高精度传感器，具有测量精度高，稳定好好的特点。

附图说明

图1是本发明提供的一种粘滑运动试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的实施例中的装置结构示意图如图1所示，机座1的顶板1A底部安装二维移动台2，机座1的底板1B上安装转动装置3，下摩擦件11安装在转动装置3上，应变式力传感器14固定在二维移动平台2的底部，法兰盘4与应变式力传感器14底面接触并通过螺钉固定在应变式力传感器14的底部，固定轴6穿过编码器5的中心孔与之固定，一端固定在法兰盘4的内孔，另一端固定在横梁7的中心内孔；扭转弹簧13一端安装在横梁7的中心内孔附近，另一端安装在固定轴6底端卡槽内，两个应变式摩擦力传感器8对称固定在横梁7下表面两侧，通过螺钉固定，两个夹具9分别与两个应变式摩擦力传感器8通过螺钉固定连接，两个上摩擦件10分别通过螺钉固定在两个夹具9上，两个上摩擦件10与下摩擦件11相接触，二维移动平台2、应变式力传感器14、转动装置3与控制系统电连接，两个应变式摩擦力传感器8与信号测试分析系统电连接，编码器5与计算机电连接。

其中，转动装置3中的第一同步带轮3A和第二同步带轮3D固定在机座1的底板1B上，第一同步带轮3A上设置有伺服电机3B，伺服电机3B通过轴与第一同步带轮3A连接并驱动第一同步带轮3A转动，第一同步带轮3A通过同步带3C和第二同步带轮3D连接并带动第二同步带轮3D转动，第二同步带轮3D上设置有工作平台3E，第二同步带轮3D与工作平台3E的轴连接并带动工作平台3E转动，工作平台3E上放置下摩擦件11，轴支撑架3F固定在机座1的底板1B上支撑第二同步带轮3D和工作平台3E的轴承。

二维移动平台2中的第一步进电机2F固定在机座1的顶板1A底部，与第一步进电机2F的输出轴通过联轴器连接的垂向滚珠丝杆装置2E设置在第一步进电机2F下面，垂直滑块2A安装在滚珠丝杆装置2E的丝杆螺母上的，垂直滑块2A底部设有水平燕尾槽导轨2B，垂直支撑导轨2G固定在机座1的顶板1A底部，垂直滑块2A安装在垂直支撑导轨2G上；水平滑块2D安装在水平燕尾槽导轨2B上，水平滑块2D的底部与应变力传感器14螺纹联接；第二步进电机2H固定在垂直滑块2A的一侧；水平丝杆装置2C一端与第二步进电机2H的输出轴通过联轴器连接，水平丝杆装置2C的丝杆螺母与水平滑块2D固定。

横梁7与固定轴6通过角接触球轴承12连接，角接触球轴承12的外圈与横梁7的中心内孔过盈配合，其内圈与固定轴6过盈配合。

固定轴6与法兰盘4通过第一锁紧螺钉4A锁紧，与编码器5通过第二锁紧螺钉5A锁紧。

编码器5和横梁7之间通过Z型钢片5B螺钉联接。

本实施例中，应变式摩擦力传感器8为单向应变式力传感器，量程为0～100N，灵敏度为0.3mv/V，线性度0.1N；编码器5为绝对式编码器，量程为0～360°，分辨率为10″，精度为±20″，波特率为115.2Kb/s；应变式力传感器14为二维应变式力传感器，量程为5～500N，精度为0.025N。

本实施例的工作过程如下：

a、试样的安装

将两个上试样10分别安装在两个夹具9中，并通过螺钉压紧在夹具9的内孔中。将下试样11通过螺钉安装在工作平台3E上。

b、粘滑运动试验

通过控制系统控制二维移动平台2在水平方向和竖直方向上的移动，使应变式力传感器14压紧固定轴6进而压紧夹具9使得上摩擦件10和下摩擦件11接触后保持设定的法向载荷。控制系统控制转动装置3以设定的速度及方向进行转动，使得上摩擦件10和下摩擦件11间产生相对摩擦。

粘滑试验过程中，当上摩擦件10受到的摩擦力大于扭转弹簧13因扭转而产生的弹簧力时，上摩擦件10和下摩擦件11“粘”在一起并转动，上摩擦件10和下摩擦件11无相对运动。随着上摩擦件10的转动，扭转弹簧13的扭转角度不断增大，上摩擦件10受到的弹簧力不断增大，当弹簧力大于摩擦力时，上摩擦件10开始在下摩擦件11表面上滑动，上摩擦件10和下摩擦件11有相对运动。随着上摩擦件10的滑动，扭转弹簧13的扭转角度变小，弹簧力随之减小，当摩擦力又大于弹簧力时，上摩擦件10和下摩擦件11又“粘”在一起并转动，如此循环往复，上摩擦件10的运动状态在“粘”、“滑”周期性交替切换。

c、粘滑运动试验的数据采集

在进行粘滑运动试验的同时，二维应变式力传感器14实时监测并采集粘滑运动的法向载荷，并将法向力信号送至电脑。两个摩擦力传感器9分别测试两个上摩擦件10所受的摩擦力，并将摩擦力信号送至数据采集分析系统。编码器5采集上摩擦件10的角位移信号，并将角位移信号送至电脑。

粘滑试验中，二维应变式力传感器14实时监测粘滑运动时的法向载荷，传送给数据控制系统，由控制系统对二维移动平台2的垂向位置进行实时反馈控制，确保上摩擦件10和下摩擦件11之间的法向载荷始终处于恒定的给定值。

上摩擦件10和夹具9、横梁7、编码器5均为刚性连接，上摩擦件10的旋转角度与编码器5的旋转角度相同，在进行粘滑试验的同时，可以通过编码器5采集上摩擦件10的角位移信号。同时安装在横梁7两端的应变式摩擦力传感器8分别测量两个上摩擦件10的摩擦力信号。

给定不同的试验参数，即可进行不同工况下的粘滑运动试验。对于不同形状和尺寸的上摩擦件10，采用相应的夹具9即可完成试验。

本试验装置通过控制系统控制二维移动平台2使应变式力传感器14压紧固定轴6进而压紧夹具9，并通过应变式力传感器14的实时反馈，在上摩擦件10和下摩擦件11之间恒定地施加设定的应变式力传感器14量程范围内的任意法向载荷。另外，控制系统通过转动装置3控制下摩擦件11以不同的速度旋转。

粘滑运动是由于动静摩擦系数数值不同而引起的一种“运动-静止-再运动-再静止”的摩擦现象，在本试验装置中，随着上摩擦件10的运动状态的不同，扭转弹簧13的转动角度的不同，实现上摩擦件10的运动状态在“粘”、“滑”两者中周期性变化，并通过两个应变式摩擦力传感器8分别采集两个上摩擦件10的摩擦力信号，编码器5采集角位移信号并进一步得到角速度信号，二维应变式力传感器14采集法向力信号。

本试验装置采用的应变式摩擦力传感器8、编码器5以及二维应变力传感器14均属于高精度传感器，具有测量精度高，稳定性好的特点。

本试验装置采用两个上摩擦件10，可以有效的避免上摩擦件10和下摩擦件11接触不均匀的现象，进而避免接触面应力分布不均匀，可以得到更准确的摩擦力、角位移、法向力等信号来更好的研究粘滑运动摩擦学特性。

本试验装置可以研究多种不同摩擦副材料的粘滑运动过程中的摩擦力信号、角位移信号、法向力信号的变化规律，包括：锻钢、铸铁、阻尼合金、玻璃等，涉及试验材料种类较为广泛。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种粘滑运动试验装置，包括机座(1)，机座(1)的顶板(1A)底部安装有二维移动平台(2)，机座(1)的底板(1B)上安装有转动装置(3)，其特征在于，

转动装置(3)上安装下摩擦件(11)，下摩擦件(11)根据转动装置(3)设定的速度和方向进行转动；

二维移动平台(2)底部固定有应变式力传感器(14)，应变式力传感器(14)的底部设置有与之接触并固定的法兰盘(4)；

所述法兰盘(4)和转动装置(3)之间还设置有编码器(5)、固定轴(6)和横梁(7)，固定轴(6)穿过编码器(5)的中心孔并与之固定，固定轴(6)的一端固定在法兰盘(4)的内孔，另一端固定在横梁(7)的中心内孔，横梁(7)和固定轴(6)之间还设置有扭转弹簧(13)，扭转弹簧(13)一端安装在横梁(7)的中心内孔附近，另一端安装在固定轴(6)底端卡槽内；

横梁(7)下表面两侧对称固定有两个应变式摩擦力传感器(8)，两个应变式摩擦力传感器(8)分别固定连接两个夹具(9)，每个夹具(9)上夹持一个上摩擦件(10)；

两个上摩擦件(10)与下摩擦件(11)相接触；

二维移动平台(2)、应变式力传感器(14)、转动装置(3)与控制系统电连接，两个应变式摩擦力传感器(8)与信号测试分析系统电连接，编码器(5)与计算机电连接。

2.根据权利要求1所述的粘滑运动试验装置，其特征在于，所述转动装置(3)包括：

固定在机座(1)的底板(1B)上的第一同步带轮(3A)和第二同步带轮(3D)；

第一同步带轮(3A)上设置有伺服电机(3B)，伺服电机(3B)通过轴与第一同步带轮(3A)连接并驱动第一同步带轮(3A)转动；

第一同步带轮(3A)通过同步带(3C)和第二同步带轮(3D)连接并带动第二同步带轮(3D)转动；

第二同步带轮(3D)上设置有工作平台(3E)，第二同步带轮(3D)与工作平台(3E)的轴连接并带动工作平台(3E)转动，工作平台(3E)的上表面固定下摩擦件(11)；

轴支撑架(3F)固定在机座(1)的底板(1B)上支撑第二同步带轮(3D)和工作平台(3E)的轴承。

3.根据权利要求1所述的粘滑运动试验装置，其特征在于，所述二维移动平台(2)包括：

固定在机座(1)的顶板(1A)底部的第一步进电机(2F)；

与第一步进电机(2F)的输出轴通过联轴器连接的垂向滚珠丝杆装置(2E)；

安装在滚珠丝杆装置(2E)的丝杆螺母上的垂直滑块(2A)，垂直滑块(2A)底部设有水平燕尾槽导轨(2B)；

固定在机座(1)的顶板(1A)底部的垂直支撑导轨(2G)，垂直滑块(2A)安装在垂直支撑导轨(2G)上，第一步进电机(2F)通过垂向滚珠丝杆装置(2E)驱动垂直滑块(2A)在垂直支撑导轨(2G)上沿竖直方向上下滑动；

安装在水平燕尾槽导轨(2B)上且可在水平燕尾槽导轨(2B)上沿水平方向滑动的水平滑块(2D)，水平滑块(2D)的底部与应变力传感器(14)连接；

固定在垂直滑块(2A)一侧的第二步进电机(2H)；

一端与第二步进电机(2H)的输出轴通过联轴器连接的水平丝杆装置(2C)，水平丝杆装置(2C)的丝杆螺母与水平滑块(2D)固定，通过旋转水平丝杆装置(2C)的丝杆螺母可使水平滑块(2D)在水平丝杆装置(2C)上沿水平方向移动。

4.根据权利要求1所述的粘滑运动试验装置，其特征在于，所述横梁(7)与固定轴(6)通过角接触球轴承(12)连接，角接触球轴承(12)的外圈与横梁(7)的中心内孔过盈配合，其内圈与固定轴(6)过盈配合。

5.根据权利要求1所述的粘滑运动试验装置，其特征在于，所述固定轴(6)与法兰盘(4)通过第一锁紧螺钉(4A)锁紧，与编码器(5)通过第二锁紧螺钉(5A)锁紧。

6.根据权利要求1所述的一种粘滑运动试验装置，其特征在于，所述编码器(5)和横梁(7)之间通过Z型钢片(5B)螺钉联接。

7.根据权利要求1所述的一种粘滑运动试验装置，其特征在于，所述应变式摩擦力传感器(8)为单向应变式力传感器，量程为0～100N，灵敏度为0.3mv/V，线性度0.1N。

8.根据权利要求1所述的一种粘滑运动试验装置，其特征在于，所述编码器(5)为绝对式编码器，量程为0～360°，分辨率为10″，精度为±20″，波特率为115.2Kb/s。

9.根据权利要求1所述的一种粘滑运动试验装置，其特征在于，所述应变式力传感器(14)量程为5～500N，精度为0.025N。