CN110160905A - 一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，涉及试验机领域。包括工作台、支架、支撑架、上试件、下试件、双自由度柔性铰链、加载缸、应变片Ⅰ、应变片Ⅱ、力传感器、液压加载及控制系统、控制器及往复运动组件。上试件由往复运动组件驱动，并通过加载缸施加正压力，使试件间产生摩擦，摩擦迫使双自由度柔性铰链形变，变形通过应变片Ⅰ和应变片Ⅱ转变为电信号，进而由控制器算得摩擦力大小；正压力大小、试件间摩擦副两端液体压力差均通过液压加载及控制系统、控制器、力传感器实现实时感知与控制。本发明可实现摩擦载荷、摩擦副端面液体压力差及摩擦速度的动态调整，及上述变工况条件下摩擦力的实时动态测量，并且其稳定性较好。

Description

一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机

技术领域

本发明涉及一种摩擦试验机，具体涉及一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机。

背景技术

往复式摩擦磨损试验机是一种可用来测试金属或者非金属材料移动副的摩擦学性能的试验设备，摩擦学领域将摩擦试验机的研制与摩擦学理论研究视为同等重要地位，因此研制高性能摩擦磨损试验机意义重大。

目前常见摩擦磨损试验机多为旋转摩擦磨损试验机，往复式摩擦磨损试验机较少，且已有往复式摩擦磨损试验机主要存在以下问题：

首先，已有往复式摩擦磨损试验机的摩擦载荷加载多为丝杠加载，加载响应速度慢，且多为恒定加载，部分先进试验机也只能实现等步长加载，并不能实现响应快速的动态变负载加载。

其次，已有往复摩擦磨损试验机的往复运动，多为曲柄连杆机构实现，往复速度调节困难，且曲柄连杆机构振动冲击严重，调节往复行程需要调节停机调节曲柄半径；部分试验机采用丝杠传动，动态响应速度更低。可见，现有往复摩擦磨损试验机的往复运行速度调节不变，且速度调节响应速度较低，并不能实现快速响应的变速度或变行程往复运动。

再次，已有往复摩擦磨损试验机的摩擦副浸入环境多为干摩擦，部分试验机加入了润滑通道，可实现介质润滑条件下的摩擦磨损试验，但现有摩擦磨损试验机，很少具备模拟摩擦副两端液体压力差及压力差实时变动工况下的摩擦磨损试验，可见现有摩擦磨损试验机，也不能实现摩擦副两端液体压力差快速变化响应的摩擦磨损试验。

此外，现有往复摩擦磨损试验机多采用悬臂梁支撑及砝码重力加载的结构为主，悬臂梁结构导致整个试验机在往复运动的冲击下振动严重，加之采用砝码重力加载，整个试验机系统的稳定性较差，导致摩擦副正压力波动，进而影响摩擦力测量精度。

综上，传统往复摩擦磨损试验机，难以实现快速响应的变载荷、变速度、变摩擦副端面压力的动态变工况摩擦磨损试验，且悬臂梁支撑及砝码重力加载导致整机振动、稳定性差，且测量精度受影响。

为了解决上述问题，本发明提出一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，可实现摩擦载荷、摩擦副端面液体压力差及摩擦速度动态调整，以及上述变工况条件下往复摩擦力的实时动态测量，并且试验机整体在往复运动条件下稳定性较好、精度较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，解决传统往复摩擦磨损试验机，难以实现变载荷、变速度、变摩擦副端面压力的快速响应的动态变工况摩擦磨损试验，以及悬臂梁支撑及砝码重力加载导致整机振动和稳定性差的技术难题。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，包括工作台、安装于工作台四周的支脚、固定于工作台上平面的支架和往复运动组件、上试件、下试件、双自由度柔性铰链、加载缸、应变片Ⅰ、应变片Ⅱ、力传感器、液压加载及控制系统、控制器、以及固定于工作台上平面的定滑轮和速度传感器。往复运动组件通过两个直线轴承安装于工作台的上平面，双自由度柔性铰链通过支架安装在工作台上，其特征在于：

所述的加载缸通过支撑架悬置于双自由度柔性铰链的正上方，加载缸的输出杆顶在双自由度柔性铰链上表面的中心位置，且柔性铰链两侧面粘贴应变片Ⅰ和应变片Ⅱ；力传感器设置于双自由度柔性铰链和连接块之间，连接块与双自由度柔性铰链通过圆柱副连接，且连接块位于双自由度柔性铰链正下方，上试件与连接块之间通过螺纹连接，并由紧固螺母锁紧；下试件与上试件间通过移动副连接，且下试件支撑在上试件下方，下试件两端安装于往复运动组件上，上试件与液压加载及控制系统之间通过液压管路连接。

所述的往复运动组件由直线电机、过渡块、左连接轴、右连接轴和销钉组成；其中直线电机安装于工作台上平面，过渡块安装于直线电机的运动平台上；右连接轴一端安装在过度块上，另一端与下试件的一端通过莫氏锥度连接，并由销钉固定，且右连接轴的轴线与运动平台运动方向平行；左连接轴与下试件的另一端通过莫氏锥度连接，并由销钉固定，且右连接轴、下试件和左连接轴三者同轴布置；右连接轴和左连接轴还分别通过轴线轴承支撑在工作台上表面。

所述的双自由度柔性铰链为中心对称结构，由两端至铰链中心依次为厚度较厚的刚性板Ⅰ、厚度较薄的柔性板Ⅰ、厚度较厚的刚性板Ⅱ、厚度较薄的柔性板Ⅱ及位于中间的厚度较厚的刚性板Ⅲ组成，其中刚性板Ⅰ、柔性板Ⅰ、刚性板Ⅱ及刚性板Ⅲ均与工作台平行布置，柔性板Ⅱ与工作台垂直布置，且柔性板Ⅱ布置方向还与下试件的运动方向垂直；刚性板Ⅰ的侧面设有轴线与下试件运动方向平行的通孔，该通孔与心轴外圆面通过转动副连接，心轴两端分别支撑在支架的两侧通孔上，且心轴的两轴端设置有与支架螺钉连接的限位端盖；刚性板Ⅲ的下表面的中心设有一定深度的盲孔。

所述的柔性板Ⅰ的上下两侧分别粘贴一个应变片Ⅰ，柔性板Ⅱ左右两侧分别粘贴一个应变片Ⅱ，应变片Ⅰ和应变片Ⅱ均通过信号线将应变信号传递至采集卡，采集卡通过信号线将采集信号传递至控制器。

所述的连接块由三段构成，上段为套筒，中间段为圆柱段，下段为螺柱段；套筒外表面与盲孔构成圆柱副连接，力传感器安装在套筒内部，力传感器的高度大于套筒的深度，力传感器的上端顶在盲孔底部，力传感器的下端压在套筒的底部，且在套筒的侧面开有传感器接线孔，借助接线孔力传感器通过信号线与控制器连接；螺柱段与上试件通过螺纹连接，并通过紧固螺母锁紧上试件。

所述的液压加载及控制系统由泵Ⅰ、溢流阀Ⅰ、二位四通电磁换向阀、油箱、比例溢流阀Ⅰ、比例放大器Ⅰ、压力传感器Ⅰ、泵Ⅱ、溢流阀Ⅱ、比例溢流阀Ⅱ、比例放大器Ⅱ及压力传感器Ⅱ组成。

泵Ⅰ出口并联溢流阀Ⅰ，泵Ⅰ出口与二位四通电磁换向阀进油口连接，二位四通电磁换向阀出油口与比例溢流阀Ⅰ进油口连接，二位四通电磁换向阀、溢流阀Ⅰ及比例溢流阀Ⅰ的回油口均通过管路连至油箱；且二位四通电磁换向阀工作油口还分别与加载缸的无杆腔和有杆腔相连，加载缸无杆腔连有压力传感器Ⅰ，且压力传感器Ⅰ检测的压力信号通过信号线传递至比例放大器Ⅰ并与控制器的给定信号相比较，产生的偏差信号通过信号线传递至比例溢流阀Ⅰ，控制比例溢流阀Ⅰ的控制压力，二位四通电磁换向阀与控制器间通过信号线连接。

泵Ⅱ出口并联溢流阀Ⅱ和比例溢流阀Ⅱ，溢流阀Ⅱ及比例溢流阀Ⅱ的回油口均通过管路连至油箱；且泵Ⅱ出口通过管路及管接头与上试件连接，上试件与下试件之间的泄漏油通过安装在工作台上的集油器收集，再经过过滤器过滤后进入测量盒，且在上试件的进油口并联一压力传感器Ⅱ，压力传感器Ⅱ检测的压力信号通过信号线传递至比例放大器Ⅱ并与控制器的给定信号相比较，产生的偏差信号通过信号线传递至比例溢流阀Ⅱ，控制比例溢流阀Ⅱ的控制压力，压力传感器Ⅱ2212检测的压力信号还通过信号线传递至控制器25。

所述上试件轴向开有贯穿的通孔，在上试件上部外壁的中间位置设有螺纹孔，侧面外壁的中间位置设有进油口，进油口与流道的轴线重合，并连接至通孔；进油口和螺纹孔的轴线均垂直于通孔的轴线，且进油口和螺纹孔的轴线或其延长线均与通孔轴线相交；进油口上连有管接头；螺纹孔与连接块间通过螺柱段连接。

所述下试件为双活塞结构，轴向依次设有连接轴段Ⅰ、活塞段Ⅰ、连接轴段Ⅱ、活塞段Ⅱ、连接轴段Ⅲ；连接轴段Ⅰ与左连接轴间通过莫氏锥度连接，连接轴段Ⅲ与右连接轴间也通过莫氏锥度连接。且上试件轴向通孔应有足够的长度，保证下试件在往复运动过程中活塞段Ⅱ始终与通孔完全接触。

所述工作台上表面安装有定滑轮和速度传感器，所述定滑轮的凹槽中心在下试件的轴线上，所述速度传感器安装在直线电机的右端，且其发射端口位于下试件的轴线上；速度传感器及直线电机均与控制器间通过信号线连接。

所述的上试件还可以设计成通孔内部带有凹腔的结构形式，此时与其配对构成摩擦副的下试件为一光轴结构，凹腔内的液压介质的压力通过液压加载及控制系统控制。

综上所述本发明与现有技术相比优点在于：

(1)可实现摩擦载荷、摩擦副端面液体压力差及摩擦速度动态调整，以及上述变工况条件下往复摩擦力的实时动态测量，解决传统往复摩擦磨损试验机难以开展复杂变工况条件下的实时摩擦力精确测量的技术难题。

(2)采用双自由度柔性铰链作为变形结构，避免加载方向和测量摩擦力方向的相互干扰，且双自由度柔性铰链采用两端支撑，中间加载结构形式，避免传统悬臂梁结构导致的稳定性差的问题，从而提高试验机的稳定性和测量精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明整体结构正面示意图；

图3为本发明整体结构侧面示意图；

图4为本发明往复运动组件连接示意图；

图5为本发明加载结构连接示意图；

图6为本发明双自由度柔性铰链示意图；

图7为本发明下试件结构示意图；

图8为本发明上试件结构示意图；

图9为本发明另一种上试件和下试件配合的连接示意图；

图10为本发明液压加载及控制系统示意图；

图中：1、工作台；2、支脚；3、往复运动组件；4、上试件；5、下试件；6、双自由度柔性铰链；7、支架；8、直线轴承；9、加载缸；10、连接块；11、紧固螺母；12、集油器；13、过滤器；14、测量盒；15、定滑轮；16、管接头；17、支撑架；18、心轴；19、应变片Ⅰ；20、应变片Ⅱ；21、力传感器；22、液压加载及控制系统；23、限位端盖；24、速度传感器；25、控制器；301、直线电机；302、过渡块；303、左连接轴；304、右连接轴；305、销钉；401、通孔；402、流道；403、进油口；404、螺纹孔；405、凹腔；501、连接轴段Ⅰ；502、活塞段Ⅰ；503、连接轴段Ⅱ；504、活塞段Ⅱ；505、连接轴段Ⅲ；601、刚性板Ⅰ；602、柔性板Ⅰ；603、刚性板Ⅱ；604、柔性板Ⅱ；605、刚性板Ⅲ；606、圆柱孔；607、盲孔；101、套筒；102、圆柱段；103、螺柱段；104、接线孔；2201、泵Ⅰ；2202、溢流阀Ⅰ；2203、二位四通电磁换向阀；2204、油箱；2205、比例溢流阀Ⅰ；2206、比例放大器Ⅰ；2207、压力传感器Ⅰ；2208、泵Ⅱ；2209、溢流阀Ⅱ；2210、比例溢流阀Ⅱ；2211、比例放大器Ⅱ；2212、压力传感器Ⅱ；2213、采集卡。

具体实施方式

为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。但所描述的仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，另外以下“左、右、上、下、前、后”等方位词语仅是根据图示叙述方便而建立的方向，他人不得借此提出反驳。

如图1、图2、图3和图4所示，一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，包括工作台1、安装于工作台1四周的支脚2、固定于工作台1上平面的支架7和往复运动组件3、上试件4、下试件5、双自由度柔性铰链6、加载缸9、应变片Ⅰ19、应变片Ⅱ20、力传感器21、液压加载及控制系统22、控制器25、以及固定于工作台1上平面的定滑轮15和速度传感器24；往复运动组件3通过两个直线轴承8安装于工作台1的上平面，双自由度柔性铰链6通过支架7安装在工作台1上。

如图5所示，所述加载缸9通过支撑架17悬置于双自由度柔性铰链6的正上方，加载缸9的输出杆顶在双自由度柔性铰链6上表面的中心位置，且柔性铰链6两侧面粘贴应变片Ⅰ19、应变片Ⅱ20；力传感器21设置于双自由度柔性铰链6和连接块10之间，连接块10与双自由度柔性铰链6通过圆柱副连接，且连接块10位于双自由度柔性铰链6正下方，上试件4与连接块10之间通过螺纹连接，并由紧固螺母11锁紧；下试件5与上试件4间通过移动副连接，且下试件5支撑在上试件4下方，下试件5两端安装于往复运动组件3上，上试件4与液压加载及控制系统22之间通过液压管路连接。变片Ⅰ19和应变片Ⅱ20用于测量双自由度柔性铰链6的变形，力传感器21用于检测加载缸9的加载力。上试件4与连接块10之间通过螺纹连接，可方便实现上试件4的更换和安装。

如图2和图4所示，所述的往复运动组件3由直线电机301、过渡块302、左连接轴303、右连接轴304和销钉305组成；其中直线电机301安装于工作台1上平面，过渡块302安装于直线电机301的运动平台上；右连接轴304一端安装在过度块302上，另一端与下试件5的一端通过莫氏锥度连接，并由销钉305固定，且右连接轴304的轴线与运动平台运动方向平行；左连接轴303与下试件5的另一端通过莫氏锥度连接，并由销钉305固定，且右连接轴304、下试件5和左连接轴303三者同轴布置；右连接轴304和左连接轴303还分别通过轴线轴承8支撑在工作台1上表面。下试件5的两端分别通过莫氏锥度与左连接轴303和右连接轴304连接，可实现下试件5的快速更换和安装。

如图6、图5和图2所示，所述的双自由度柔性铰链6为中心对称结构，由两端至铰链中心依次为厚度较厚的刚性板Ⅰ601、厚度较薄的柔性板Ⅰ602、厚度较厚的刚性板Ⅱ603、厚度较薄的柔性板Ⅱ604及位于中间的厚度较厚的刚性板Ⅲ605组成，其中刚性板Ⅰ601、柔性板Ⅰ602、刚性板Ⅱ603及刚性板Ⅲ605均与工作台1平行布置，柔性板Ⅱ604与工作台1垂直布置，且柔性板Ⅱ604布置方向还与下试件5的运动方向垂直；刚性板Ⅰ601的侧面设有轴线与下试件5运动方向平行的圆柱孔606，该圆柱孔606与心轴18外圆面通过转动副连接，心轴18两端分别支撑在支架7的两侧通孔上，且心轴18的两轴端设置有与支架7螺钉连接的限位端盖23；刚性板Ⅲ605的下表面的中心设有一定深度的盲孔607。柔性板Ⅰ602和柔性板Ⅱ604相互垂直布置，柔性板Ⅰ602将在加载缸9加载力作用下优先变形，柔性板Ⅱ604将在上试件4和下试件5间摩擦力作用下优先变形，即采用双自由度柔性铰链作为变形结构，避免加载方向和测量摩擦力方向的相互干扰，从而可保证双自由度柔性铰链6在垂直工作台1方向上的变形和沿下试件5的运动方向上的变形互相解耦，互不影响，测量精度较高。且双自由度柔性铰链采用两端支撑，中间加载结构形式，避免传统悬臂梁结构导致的稳定性差的问题，进而提高试验机的稳定性和测量精度。

如图3、图5、图6和图10所示，所述的柔性板Ⅰ602的上下两侧分别粘贴一个，柔性板Ⅱ604左右两侧分别粘贴一个应变片Ⅱ20，应变片Ⅰ19和应变片Ⅱ20均通过信号线将应变信号传递至采集卡2213，采集卡2213通过信号线将采集信号传递至控制器25。通过控制器25后处理计算，得到加载力和摩擦力大小的具体数值，从而实现加载力和摩擦力大小的实时测量。

如图5和图6所示，所述的连接块10由三段构成，上段为套筒101，中间段为圆柱段102，下段为螺柱段103；套筒101外表面与盲孔607构成圆柱副连接，力传感器21安装在套筒101内部，力传感器21的高度大于套筒101的深度，力传感器21的上端顶在盲孔607底部，力传感器21的下端压在套筒101的底部，且在套筒101的侧面开有传感器接线孔104，借助接线孔104力传感器21通过信号线与控制器25连接；螺柱段103与上试件4通过螺纹连接，并通过紧固螺母11锁紧上试件4。套筒101外表面与盲孔607通过圆柱副连接，可保证套筒101在加载力方向上是浮动的，从而将加载缸9作用于双自由度柔性铰链6为中心的加载力传递给上试件4；力传感器21的高度大于套筒101的深度，可保证力传感器21能有效测量加载缸9作用于上试件4上的加载力。

如图10所示，所述的液压加载及控制系统22由泵Ⅰ2201、溢流阀Ⅰ2202、二位四通电磁换向阀2203、油箱2204、比例溢流阀Ⅰ2205、比例放大器Ⅰ2206、压力传感器Ⅰ2207、泵Ⅱ2208、溢流阀Ⅱ2209、比例溢流阀Ⅱ2210、比例放大器Ⅱ2211及压力传感器Ⅱ2212组成。

如图10所示，泵Ⅰ2201出口并联溢流阀Ⅰ2202，泵Ⅰ2201出口与二位四通电磁换向阀2203进油口连接，二位四通电磁换向阀2203出油口与比例溢流阀Ⅰ2205进油口连接，二位四通电磁换向阀2203、溢流阀Ⅰ2202及比例溢流阀Ⅰ2205的回油口均通过管路连至油箱2204；且二位四通电磁换向阀2203工作油口还分别与加载缸9的无杆腔和有杆腔相连，加载缸9无杆腔连有压力传感器Ⅰ2207，且压力传感器Ⅰ2207检测的压力信号通过信号线传递至比例放大器Ⅰ2206并与控制器25的给定信号相比较，产生的偏差信号通过信号线传递至比例溢流阀Ⅰ2205，控制比例溢流阀Ⅰ2205的控制压力，二位四通电磁换向阀2203与控制器25间通过信号线连接。上述系统可实现摩擦载荷的动态调整，实现实时的变载荷加载。

如图1至图3及图10所示，泵Ⅱ2208出口并联溢流阀Ⅱ2209和比例溢流阀Ⅱ2210，溢流阀Ⅱ2209及比例溢流阀Ⅱ2210的回油口均通过管路连至油箱2204；且泵Ⅱ2208出口通过管路及管接头16与上试件4连接，上试件4与下试件5之间的泄漏油通过安装在工作台1上的集油器12收集，再经过过滤器13过滤后进入测量盒14，且在上试件4的进油口并联一压力传感器Ⅱ2212，压力传感器Ⅱ2212检测的压力信号通过信号线传递至比例放大器Ⅱ2211并与控制器25的给定信号相比较，产生的偏差信号通过信号线传递至比例溢流阀Ⅱ2210，控制比例溢流阀Ⅱ2210的控制压力；压力传感器Ⅱ2212检测的压力信号还通过信号线传递至控制器25。上述系统可实现摩擦副端面液体压力差的动态调整，实现实时的变压力加载。

如图4、图5和图8所示，所述上试件4轴向开有贯穿的通孔401，在上试件4上部外壁的中间位置设有螺纹孔404，侧面外壁的中间位置设有进油口403，进油口403与流道402的轴线重合，并连接至通孔401；进油口403和螺纹孔404的轴线均垂直于通孔401的轴线，且进油口403和螺纹孔404的轴线或其延长线均与通孔401轴线相交；进油口403上连有管接头16；螺纹孔404与连接块10间通过螺柱段103连接。

如图4和图7所示，所述下试件5为双活塞结构，轴向依次设有连接轴段Ⅰ501、活塞段Ⅰ502、连接轴段Ⅱ503、活塞段Ⅱ504、连接轴段Ⅲ505；连接轴段Ⅰ501与左连接轴303间通过莫氏锥度连接，连接轴段Ⅲ505与右连接轴304间也通过莫氏锥度连接。下试件5的双活塞结构与上试件4轴向通孔401构成摩擦副，双活塞之间腔体内的液压介质的压力通过液压加载及控制系统22控制。为保证下试件5的双活塞结构与上试件4轴向通孔401构成的摩擦副接触面积稳定不变，上试件4轴向通孔401应有足够的长度，保证下试件5在往复运动过程中活塞段Ⅱ504始终与通孔401完全接触。

如图1至图3及图10所示，所述工作台1上表面安装有定滑轮15和速度传感器24，所述定滑轮15的凹槽中心在下试件5的轴线上，所述速度传感器24安装在直线电机301的右端，且其发射端口位于下试件5的轴线上；速度传感器24及直线电机301均与控制器25间通过信号线连接。定滑轮15用于应变片变形信号与摩擦力大小之间对应关系的标定。

如图9所示，所述的上试件4的通孔401，还可设置成内部带有凹腔405的结构形式，此时与其配对构成摩擦副的下试件5为一光轴结构，凹腔405内的液压介质的压力通过液压加载及控制系统22控制。

本发明具体使用及工作过程如下：

试件安装方法：安装上试件4，并调节上试件4竖直方向上的高度，然后安装下试件5，使上试件4和下试件5构成摩擦副，再将下试件5两端分别与左连接轴304和右连接轴305通过莫氏锥度连接，并通过销钉305紧固。在上试件4上安装管接头16，并与液压加载及控制系统22通过管路连接。

摩擦副往复运动速度和行程控制：控制器25控制直线电机301的往复运动速度和行程，直线电机301进而通过过渡块302、右连接轴304带动下试件5作往复运动，并通过速度传感器24实时检测下试件5的运动状态，反馈至控制器25，提高控制精度。

摩擦载荷控制：控制器25通过控制比例放大器Ⅰ2206输入信号，控制控制加载缸9的加载力的实时变化，并通过力传感器21实时检测上试件4对下试件5的加载力，力传感器21的检测信号反馈至控制器25，提高控制精度。

柔性板Ⅰ602的变形监测：加载缸9的加载力通过双自由度柔性铰链6传递至上试件4，在加载力作用下柔性板Ⅰ602会发生变形，该变形通过应变片Ⅰ19转变为应变信号传递至采集卡2213，采集卡2213再将其采集的信号传递至控制器25，控制器25通过后处理计算得到加载力大小和柔性板Ⅰ602变形情况，从而辅助测量加载力大小，并监测柔性板Ⅰ602的变形状态。

摩擦副端面液体压力差控制：控制器25通过控制比例放大器Ⅱ2211输入信号，控制控制上试件4和下试件5构成的摩擦副的端面液体压力差的实时变化，并通过压力传感器Ⅱ2212实时检测摩擦副的端面液体压力，同时将压力传感器Ⅱ2212检测的压力信号反馈至控制器25，提高控制精度。

摩擦力测量：上试件4和下试件5之间的摩擦力通过连接块10传递至双自由度柔性铰链6，进而迫使双自由度柔性铰链6上柔性板Ⅱ604产生微小变形，该微小变形通过应变片Ⅱ20转变为应变信号传递至采集卡2213，采集卡2213再将其采集的信号传递至控制器25，控制器25通过后处理计算得到上试件4和下试件5之间的摩擦力数据。

摩擦副泄漏量测量：上试件4和下试件5之间的泄漏介质，通过集油器12收集，并通过过滤器13进入测量盒14，通过测量一段时间的泄漏介质体积，判断摩擦副密封性能。

磨损量测量：通过精密分析天平称量摩擦副磨损前后的质量即可得到磨损量；或者通过形貌仪等精密分析仪器，测量磨损前后摩擦面也可得到磨损量。

摩擦形貌分析：通过显微镜或形貌仪等设备，观察或分析磨损前后形貌变化。

摩擦特性曲线生成：本发明可实现摩擦载荷、摩擦副端面液体压力差及摩擦速度动态调整，以及上述变工况条件下往复摩擦力的实时动态测量，通过控制器25后处理后，即可得到随摩擦载荷、摩擦副端面液体压力差及摩擦速度动态变化条件下的实时摩擦特性曲线。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的基本原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，包括工作台(1)、安装于工作台(1)四周的支脚(2)、固定于工作台(1)上平面的支架(7)和往复运动组件(3)、上试件(4)、下试件(5)、双自由度柔性铰链(6)、加载缸(9)、应变片Ⅰ(19)、应变片Ⅱ(20)、力传感器(21)、液压加载及控制系统(22)、控制器(25)、以及固定于工作台(1)上平面的定滑轮(15)和速度传感器(24)；往复运动组件(3)通过两个直线轴承(8)安装于工作台(1)的上平面，双自由度柔性铰链(6)通过支架(7)安装在工作台(1)上，其特征在于：

加载缸(9)通过支撑架(17)悬置于双自由度柔性铰链(6)的正上方，加载缸(9)的输出杆顶在双自由度柔性铰链(6)上表面的中心位置，且柔性铰链(6)两侧面粘贴应变片Ⅰ(19)、应变片Ⅱ(20)；力传感器(21)设置于双自由度柔性铰链(6)和连接块(10)之间，连接块(10)与双自由度柔性铰链(6)通过圆柱副连接，且连接块(10)位于双自由度柔性铰链(6)正下方，上试件(4)与连接块(10)之间通过螺纹连接，并由紧固螺母(11)锁紧；下试件(5)与上试件(4)间通过移动副连接，且下试件(5)支撑在上试件(4)下方，下试件(5)两端安装于往复运动组件(3)上，上试件(4)与液压加载及控制系统(22)之间通过液压管路连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的往复运动组件(3)由直线电机(301)、过渡块(302)、左连接轴(303)、右连接轴(304)和销钉(305)组成；其中直线电机(301)安装于工作台(1)上平面，过渡块(302)安装于直线电机(301)的运动平台上；右连接轴(304)一端安装在过度块(302)上，另一端与下试件(5)的一端通过莫氏锥度连接，并由销钉(305)固定，且右连接轴(304)的轴线与运动平台运动方向平行；左连接轴(303)与下试件(5)的另一端通过莫氏锥度连接，并由销钉(305)固定，且右连接轴(304)、下试件(5)和左连接轴(303)三者同轴布置；右连接轴(304)和左连接轴(303)还分别通过轴线轴承(8)支撑在工作台(1)上表面。

3.根据权利要求1所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的双自由度柔性铰链(6)为中心对称结构，由两端至铰链中心依次为厚度较厚的刚性板Ⅰ(601)、厚度较薄的柔性板Ⅰ(602)、厚度较厚的刚性板Ⅱ(603)、厚度较薄的柔性板Ⅱ(604)及位于中间的厚度较厚的刚性板Ⅲ(605)组成，其中刚性板Ⅰ(601)、柔性板Ⅰ(602)、刚性板Ⅱ(603)及刚性板Ⅲ(605)均与工作台(1)平行布置，柔性板Ⅱ(604)与工作台(1)垂直布置，且柔性板Ⅱ(604)布置方向还与下试件(5)的运动方向垂直；刚性板Ⅰ(601)的侧面设有轴线与下试件(5)运动方向平行的圆柱孔(606)，该圆柱孔(606)与心轴(18)外圆面通过转动副连接，心轴(18)两端分别支撑在支架(7)的两侧通孔上，且心轴(18)的两轴端设置有与支架(7)螺钉连接的限位端盖(23)；刚性板Ⅲ(605)的下表面的中心设有一定深度的盲孔(607)。

4.根据权利要求3所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的柔性板Ⅰ(602)的上下两侧分别粘贴一个应变片Ⅰ(19)，所述的柔性板Ⅱ(604)左右两侧分别粘贴一个应变片Ⅱ(20)，应变片Ⅰ(19)和应变片Ⅱ(20)均通过信号线将应变信号传递至采集卡(2213)，采集卡(2213)通过信号线将采集信号传递至控制器(25)。

5.根据权利要求1所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的连接块(10)由三段构成，上段为套筒(101)，中间段为圆柱段(102)，下段为螺柱段(103)；套筒(101)外表面与盲孔(607)构成圆柱副连接，力传感器(21)安装在套筒(101)内部，力传感器(21)的高度大于套筒(101)的深度，的上端顶在盲孔(607)底部，力传感器(21)的下端压在套筒(101)的底部，且在套筒(101)的侧面开有传感器接线孔(104)，借助接线孔(104)力传感器(21)通过信号线与控制器(25)连接；螺柱段(103)与上试件(4)通过螺纹连接，并通过紧固螺母(11)锁紧上试件(4)。

6.根据权利要求1所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的液压加载及控制系统(22)由泵Ⅰ(2201)、溢流阀Ⅰ(2202)、二位四通电磁换向阀(2203)、油箱(2204)、比例溢流阀Ⅰ(2205)、比例放大器Ⅰ(2206)、压力传感器Ⅰ(2207)、泵Ⅱ(2208)、溢流阀Ⅱ(2209)、比例溢流阀Ⅱ(2210)、比例放大器Ⅱ(2211)及压力传感器Ⅱ(2212)组成；

泵Ⅰ(2201)出口并联溢流阀Ⅰ(2202)，泵Ⅰ(2201)出口与二位四通电磁换向阀(2203)进油口连接，二位四通电磁换向阀(2203)出油口与比例溢流阀Ⅰ(2205)进油口连接，二位四通电磁换向阀(2203)、溢流阀Ⅰ(2202)及比例溢流阀Ⅰ(2205)的回油口均通过管路连至油箱(2204)；且二位四通电磁换向阀(2203)工作油口还分别与加载缸(9)的无杆腔和有杆腔相连，加载缸(9)无杆腔连有压力传感器Ⅰ(2207)，且压力传感器Ⅰ(2207)检测的压力信号通过信号线传递至比例放大器Ⅰ(2206)并与控制器(25)的给定信号相比较，产生的偏差信号通过信号线传递至比例溢流阀Ⅰ(2205)，控制比例溢流阀Ⅰ(2205)的控制压力，二位四通电磁换向阀(2203)与控制器(25)间通过信号线连接；

泵Ⅱ(2208)出口并联溢流阀Ⅱ(2209)和比例溢流阀Ⅱ(2210)，溢流阀Ⅱ(2209)及比例溢流阀Ⅱ(2210)的回油口均通过管路连至油箱(2204)；且泵Ⅱ(2208)出口通过管路及管接头(16)与上试件(4)连接，上试件(4)与下试件(5)之间的泄漏油通过安装在工作台(1)上的集油器(12)收集，再经过过滤器(13)过滤后进入测量盒(14)，且在上试件(4)的进油口并联一压力传感器Ⅱ(2212)，压力传感器Ⅱ(2212)检测的压力信号通过信号线传递至比例放大器Ⅱ(2211)并与控制器(25)的给定信号相比较，产生的偏差信号通过信号线传递至比例溢流阀Ⅱ(2210)，控制比例溢流阀Ⅱ(2210)的控制压力；压力传感器Ⅱ(2212)检测的压力信号还通过信号线传递至控制器(25)。

7.根据权利要求1所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述上试件(4)轴向开有贯穿的通孔(401)，在上试件(4)上部外壁的中间位置设有螺纹孔(404)，侧面外壁的中间位置设有进油口(403)，进油口(403)与流道(402)的轴线重合，并连接至通孔(401)；进油口(403)和螺纹孔(404)的轴线均垂直于通孔(401)的轴线，且进油口(403)和螺纹孔(404)的轴线或其延长线均与通孔(401)轴线相交；进油口(403)上连有管接头(16)；螺纹孔(404)与连接块(10)间通过螺柱段(103)连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述下试件(5)为双活塞结构，轴向依次设有连接轴段Ⅰ(501)、活塞段Ⅰ(502)、连接轴段Ⅱ(503)、活塞段Ⅱ(504)、连接轴段Ⅲ(505)；连接轴段Ⅰ(501)与左连接轴(303)间通过莫氏锥度连接，连接轴段Ⅲ(505)与右连接轴(304)间也通过莫氏锥度连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述工作台(1)上表面安装有定滑轮(15)和速度传感器(24)，所述定滑轮(15)的凹槽中心在下试件(5)的轴线上，所述速度传感器(24)安装在直线电机(301)的右端，且其发射端口位于下试件(5)的轴线上；速度传感器(24)及直线电机(301)均与控制器(25)间通过信号线连接。

10.根据权利要求7所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的通孔(401)内部还可设置一个凹腔(405)，此时与上试件(4)配对构成摩擦副的下试件(5)为一光轴结构。