CN113686655B - 一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，包括支承系统、摩擦副试件、激励系统与测量系统。所述的支承系统用于各试验装置的安装与连接。所述的摩擦副试件包括一个静试件与一个动试件，动试件安装于滑轨上并可沿轨道方向微小位移，静试件通过铰链装置与万向球轴承约束固定在支撑框架上。所述的激励系统包括为动试件提供相对位移的激振器与为静试件提供法向时变正压力的压电作动器。所述的测量系统包括一个激光位移传感器、一个加速度传感器与三个力传感器。本发明的优势是可再现服役条件下接触界面的受载状态，可用于分析时变正压力对摩擦副界面力学特性演化的影响规律。

Description

一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置

技术领域

本发明属于摩擦磨损界面特性研究技术领域，具体涉及一种能够实现时变正压力的摩擦磨损实验装置。

背景技术

干摩擦与磨损现象广泛存在于带有组装结构的机械系统中。在机械系统的连接结构(如螺栓、法兰等)处，支撑与传动结构(如齿轮、轴承等)处以及一些阻尼结构(凸肩、叶冠、缘板阻尼器等)上，存在大量接触界面。这些接触面会由于机械系统在工作时产生的振动而形成微小的相对滑移，并且在长时间的工作状态下，在接触界面产生磨损。

接触界面的摩擦与磨损现象，会使得接触表面的力学特性发生变化，例如表面摩擦系数、接触刚度以及接触面轮廓等的改变。已有研究表明，即使是微小的摩擦磨损导致的接触界面力学特性的改变，也会对系统的动力学特性产生剧烈的影响，从而进一步影响机械系统的完整性与可靠性。因此，有必要深入研究由摩擦磨损导致的接触界面特性退化机理，从而准确预测系统动力学特性的演变规律。

然而，目前针对接触界面力学特性演化机理的研究中，普遍采用在常正压力作用下摩擦副的摩擦磨损试验来构建磨损模型。这类实验的特征之一在于给出了正压力是常值的假设，简化了实验要求，是对摩擦磨损下界面特性演化的初步研究。但是在服役条件下，由于接触面与结构振动方向存在一定角度，作用于接触界面上的正压力往往并不是常值而是周期变化的。这导致了传统摩擦磨损试验中界面的受载状态往往与实际情况存在偏差，进而导致所建立的磨损模型难以准确描述摩擦界面的演化情况。

综上所述，一种能够实现时变正压力的摩擦磨损实验装置是研究动力机械系统中摩擦磨损界面力学特性演变规律所亟需的。

发明内容

针对现有摩擦磨损实验装置的局限性，本发明的目的在于提供一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，可用于揭示服役条件下的摩擦副界面力学特性的演化规律。

本发明所采用的技术方案是：一种能够实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，具体包括支撑框架、静试件模块、左支承模块、右支承模块与动试件模块。

所述的支撑框架两个设计有多个移动槽的铁制支架，通过螺栓固定安装在工作台上。

所述的静试件模块包括调节螺栓、横向安装架、上套筒、适配器、压电作动器、静件套与静试件；横向安装架与支撑框架通过螺栓固定连接，上套筒通过螺栓安装在横向安装架上；调节螺栓与上套筒通过螺纹配合连接；压电作动器竖直放置，上下两端分别通过螺纹连接上适配器与下适配器，穿过上套筒后与位于上方的调节螺栓和位于下方静件套紧压配合；静件套下方与静试件通过螺纹固定连接。

所述的左支承模块包括预紧螺栓、左纵向安装架、左套筒、左拉压式力传感器与铰链装置；左纵向安装架通过螺栓与支撑框架固定连接；左套筒通过螺栓安装在左纵向安装架上；预紧螺栓与左套筒通过螺纹配合连接；左拉压式力传感器左右两侧带有螺栓，分别与左侧的左套筒和右侧的铰链装置相连接；铰链装置的右侧顶杆顶端有螺纹并与静件套螺纹配合连接。

所述的右支承模块包括右纵向安装架、右套筒、右拉压式力传感器与万向球轴承；右纵向安装架通过螺栓与支撑框架固定连接，右套筒通过螺栓安装在右纵向安装架上；右拉压式力传感器左右两侧带有螺栓，分别与右套筒和万向球轴承相连接；万向球轴承左侧与静件套表面紧压接触。

所述的动试件模块包括动试件、动试底座、滑轨组件、激振器、下拉压式力传感器、工字支架、可调夹具、激光位移传感器与加速度传感器；工字支架与夹具通过螺栓安装在工作台上；滑轨组件通过螺栓固定在工字支架上；动件底座的下方与滑轨组件通过螺栓固定连接，侧面与激振器通过螺纹固接，上方与下拉压式力传感器通过螺栓固接；下拉压式力传感器上方与动试件螺纹连接；加速度传感器紧贴在动试件上；激光位移传感器安装在可调夹具上，合理调节其位置使激光刚好穿过上述右纵向安装架而照射在动试件上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可通过压电作动器提供周期时变的法向正压力，实现了对时变正压力下摩擦磨损界面特性演化规律的实验研究；

(2)本发明实现了对摩擦磨损试验件的微动滑移的位移与加速度的准确测量；

(3)本发明中实现了对摩擦磨损试验件的可靠约束，保证了负载在实验装置的传递路径，使得力传感器能够有效准确地测量摩擦磨损试验件的受力情况；

(4)本发明中的摩擦磨损试验件结构简单且均为可拆卸式结构，便于实验中更换与测量；

(5)本发明中的支撑框架均设计有多个移动槽，保证了试验件在安装时具有较高的可调性；支撑结构整体可拆卸更换，安装简单，可操作性强。

附图说明

图1是本发明所述摩擦磨损实验装置的整体示意图。

图2是本发明所述摩擦磨损实验装置的不同结构模块示意图。

图3是本发明所述静试件模块的结构示意图。

图4是本发明所述左支承模块的结构示意图。

图5是本发明所述右支承模块的结构示意图。

图6是本发明所述动试件模块的结构示意图。

图中：

A-静试件模块 B-左支承模块 C-右支承模块 D-动试件模块

1-支撑框架 2-工作台 3-调节螺栓 4-横向安装架

5-上套筒 6-上适配器 7-压电作动器 8-下适配器

9-静件套 10-静试件 11-预紧螺栓 12-左纵向安装架

13-左套筒 14-左拉压式力传感器 15-铰链装置 16-万向球轴承

17-右拉压式力传感器 18-右套筒 19-右纵向安装架 20-动试件

21-激振器 22-工字支架 23-滑轨组件 24-动件底座

25-下拉压式力传感器 26-可调夹具 27-激光位移传感器 28-加速度传感器

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

如图1与图2所示，本发明的实验装置总体上包括支撑框架(1)、静试件模块(A)、左支承模块(B)、右支承模块(C)与动试件模块(D)。

所述的支撑框架(1)为设计有上、中、下三根横梁的框架结构，每根横梁上设有宽度为16mm的移动槽；通过M16螺栓将支撑框架(1)下端横梁与工作台(2)固定连接。

如图3所示，所述的静试件模块(A)包含调节螺栓(3)、横向安装架(4)、上套筒(5)、上适配器(6)、压电作动器(7)、下适配器(8)、静件套(9)与静试件(10)。其中调节螺栓(3)为M20螺栓，与上套筒(5)通过螺纹紧密配合。横向安装架(4)为中央设有通槽的板状支架结构，两边通过4个M16螺栓与支撑框架(1)的上端横梁固定连接，且可以在横梁的移动槽内调节x方向位置。上套筒(5)可在横向安装架(4)的中央通槽内调整y方向位置，并通过M6螺栓固定连接。压电作动器(7)上端安装上适配器(6)，下端安装下适配器(8)，以竖直方式装入上套筒(5)中；其中上适配器(6)与位于上方的调节螺栓(3)紧压接触，下适配器(8)与位于下方的静件套(9)紧压接触，两个适配器只能传递z向压力而不能传递x向剪力，避免压电作动器(7)承受剪应力，并保证预压力仅沿z方向传导。静件套(9)为左侧与下方开有螺纹孔的块体结构，作用是便于静试件的安装与更换，且方便力沿x方向与z方向传导。静试件(10)为上方带有螺杆的块体，通过螺纹装配在静件套(9)下方。

如图4所示，所述的左支承模块(B)包含预紧螺栓(11)、左纵向安装架(12)、左套筒(13)、左拉压式力传感器(14)与铰链(15)。其中预紧螺栓(3)为M12螺栓，与左套筒(13)通过螺纹紧密配合。左纵向安装架(12)是中央设有移动槽的板状支架结构，两边通过2个M16螺栓与支撑框架(1)的中部横梁固定连接，且能在横梁的移动槽内调节x方向位置；左套筒(13)可以在左纵向安装架(12)的移动槽内实现z方向安装位置的微调，并通过2个M8螺栓与其固定连接。左拉压式力传感器(14)为螺杆力传感器，左右两侧分别与左套筒(13)和铰链装置(15)螺纹连接。铰链装置(15)右侧有顶杆，顶杆顶端通过螺纹与静件套(9)固定连接。铰链装置(15)保证在静试件(10)上只提供z向预压力而避免沿x方向提供任何剪力或弯矩。

如图5所示，所述的右支承模块(C)包括万向球轴承(16)、右拉压式力传感器(17)、右套筒(18)与右纵向安装架(19)。右纵向安装架(19)同为中央设有移动槽的板状支架结构，两边通过2个M16螺栓与支撑框架(1)的中部横梁固定连接，且能在横梁的移动槽内调节x方向位置；右套筒(18)可以在右纵向安装架(19)的移动槽内实现z方向安装位置的微调，并通过2个M8螺栓与其固定连接。右拉压式力传感器(17)为螺杆力传感器，左右两侧分别与右套筒(18)和万向球轴承(16)螺纹连接。万向球轴承(16)左侧与静件套(9)通过滚珠紧压接触，保证右力传感器(17)仅检测作用于静件上的x向力。

如图6所示，所述的动试件模块(D)包括动试件(20)、激振器(21)、工字支架(22)、滑轨组件(23)、动件底座(24)、下拉压式力传感器(25)、可调夹具(26)、激光位移传感器(27)与加速度传感器(28)。其中激振器(21)、工字支架(22)与可调夹具(26)均通过M16螺栓与工作台(2)固定连接。滑轨组件(23)包括两条轨道，每条轨道通过7个M5螺栓与工字支架(22)固定连接；轨道上安装有滑座，滑座通过4个M4螺栓与动件底座(24)固接。动件底座(24)与激振器(21)的顶杆通过螺纹固定连接。激振器(21)向动件底座(24)提供激振力以实现其沿x方向往复微动。下拉压式力传感器(25)为螺杆力传感器，上下两侧分别与动试件(20)和动件底座(24)通过螺纹固定连接，用以测量静试件上的z向正压力的大小。动试件(20)为下方设有内螺纹孔的圆柱体结构，右侧车有一切面，加速度传感器(28)紧贴在切面上。可调夹具(26)由夹具座、纵向支架与安装托架组成。夹具座中央设有通槽，通过M16螺栓与工作台(2)固定连接；夹具座两侧设有安装边，通过M5螺栓与纵向支架固定连接。纵向支架上设有纵向槽道，安装托架可在槽道内调节z方向位置，并通过M5螺栓固定。激光位移传感器(27)通过2个M5的螺栓与安装托架固定连接。激光位移传感器(27)通过2个M5的螺栓与可调夹具(26)固定连接。

本次发明的实验装置针对对象为高温合金材料，静试件(10)与动试件(20)可采用DD6或GH3536等单晶高温合金。在实验过程中，静试件(10)的下表面与动试件(20)的上表面在压电作动器(7)的作用下产生平均幅值在50N至1000N的时变正压力，频率为50Hz至400Hz之间；激振器(21)作用于动试件(20)上，使动试件(20)产生10μm至50μm的微小位移，激振频率在50Hz到400Hz之间；静试件(10)始终保持静止，因此静试件(10)与动试件(20)的接触表面因高频的往复微动而产生摩擦磨损。加速度传感器(28)连接在动试件(20)上，用以测量动试件(20)的加速度情况；激光位移传感器(27)穿过右纵向安装架(19)上的通孔，测量动试件(20)的微小位移变化；左拉压式力传感器(14)与右拉压式力传感器(19)测量静试件(10)所受x向摩擦力大小，下拉压式力传感器(25)测量动试件(20)所受z向正压力大小。在获得每一个周期的相对位移与摩擦力的数据后，可以通过绘制不同正压力下的迟滞回线计算得到摩擦磨损界面参数，例如切向刚度系数、法向刚度系数、摩擦系数等。最终获得时变正压力对摩擦副界面力学特性演化的影响规律。

本发明的具体安装与使用过程如下：

将支撑框架(1)、激振器(21)、工字支架(22)与可调夹具(26)放置于适当位置，并通过M16螺栓与工作台(2)固定连接。

进一步的，将滑轨组件(23)的两条轨道通过M5螺栓与工字支架(22)固定连接。

进一步的，将动件底座(24)与激振器(21)的顶杆螺纹连接。

进一步的，将滑轨组件(23)上的滑座通过M4螺栓与动件底座(24)固定连接。至此，激振器(21)可为动件底座(24)提供激振力，使其沿滑轨方向实现往复位移。

进一步的，将动件底座(24)与下拉压式力传感器(25)螺纹连接，下拉压式力传感器(25)上方与动试件(20)螺纹连接。

进一步的，将加速度传感器(28)紧贴在动试件(20)右侧的切面上，用以测量动试件(20)在实验中的加速度情况。

进一步的，将左纵向安装架(12)通过M16螺栓安装在支撑框架(1)的中部横梁上，并将左套筒(13)通过M8螺栓与左纵向安装架(12)固定连接。

进一步的，将预紧螺栓(11)与左拉压式力传感器(14)分别从左侧与右侧安装入左套筒(13)内。

进一步的，铰链(15)与静件套(9)通过螺纹连接，铰链(15)与左拉压式力传感器(14)螺纹连接。

进一步的，将静试件(10)与静件套(9)通过螺纹固定连接，并且调整静试件(10)的旋入长度，调整左套筒(13)的安装高度，使得静试件(10)与恰好动试件(20)面面接触。

进一步的，将右纵向安装架(19)通过M16螺栓安装在支撑框架(1)的中部横梁上，并将右套筒(18)通过M8螺栓与右纵向安装架(19)固定连接，然后依次将右拉压式力传感器(17)与万向球轴承(16)通过螺纹连接。

进一步的，调节预紧螺栓(11)的旋入长度，使得静件套(9)与万向球轴承(16)压紧配合，并提供较大的预压力。

进一步的，将横向安装架(4)通过M16螺栓安装在支撑框架(1)的上端横梁上，并将上套筒(5)通过M8螺栓与横向安装架(4)固定连接。

进一步的，在压电作动器(7)两侧安装上适配器(6)与下适配器(8)，并以竖直方式安装进入上套筒(5)中。

进一步的，调节调节螺栓(3)的旋入长度，使得静件套(9)与下适配器(8)压紧配合，并提供指定的正压力值。正压力值由下拉压式力传感器(25)测得。

进一步的，将激光位移传感器(27)通过2个M5的螺栓与夹具(26)固定连接，并调节夹具(26)的位置，使得激光位移传感器(27)可透过装夹装置(19)上的通孔测量动试件(20)在实验中的微小位移变化。

静试件(10)与动试件(20)采用DD6或GH3536等单晶高温合金作为实验对象。在实验过程中，激振器(21)固定于工作台上，向动件底座(24)提供x向激振力，使得动试件(20)随动件底座(24)产生约为10μm至50μm的往复微动，激振频率在50Hz到400Hz之间；静件套(9)与静试件(10)通过静试件模块(A)、左支承模块(B)与右支承模块(C)固定在动试件(20)上方，并与动试件(20)摩擦面接触；静试件(10)在压电作动器(7)的作用下产生平均幅值在50N至1000N的时变正压力，频率为50Hz至400Hz之间；铰链装置(15)与万向球轴承(16)保证静试件(10)上所受x向摩擦力与x向预紧力仅沿着预紧螺栓(11)→左套筒(13)→左拉压式力传感器(14)→铰链(15)→静件套(9)→万向球轴承(16)→右拉压式力传感器(17)→右套筒(18)这一完整传递链切向传导；上适配器(6)与下适配器(8)保证调节螺栓(3)所提供的z向预紧力与压电作动器(7)所提供的z向周期时变正压力仅沿着调节螺栓(3)→上套筒(5)→上适配器(6)→压电作动器(7)→下适配器(8)→静件套(9)与静试件(10)→动试件(20)→下拉压式力传感器(25)这一完整传递链法向传导。

通过改变调节螺栓(3)与预紧螺栓(11)的旋入长度，和调节压电作动器(7)与激振器(21)的输出设置，可以实现不同工况中，周期时变正压力下的摩擦磨损界面参数的演化规律及其对摩擦阻尼效果的影响。本发明相比一般摩擦磨损试验器，具有结构简单，调节方便，工况模拟更加真实的特点，可用于不同动力机械中相关摩擦磨损结构的设计与研究。

Claims (10)

1.一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，其特征在于：包括支撑框架、静试件模块、左支承模块、右支承模块与动试件模块；其中，

所述的支撑框架是设计有多个移动槽的铁制支架，通过螺栓固定安装在工作台上；

所述的静试件模块包括调节螺栓、横向安装架、上套筒、适配器、压电作动器、静件套与静试件；横向安装架与支撑框架通过螺栓固定连接，上套筒通过螺栓安装在横向安装架上；调节螺栓与上套筒通过螺纹配合连接；压电作动器竖直放置，上下两端分别通过螺纹连接上适配器与下适配器，穿过上套筒后与位于上方的调节螺栓和位于下方静件套紧压配合；静件套下方与静试件通过螺纹固定连接；

所述的左支承模块包括预紧螺栓、左纵向安装架、左套筒、左拉压式力传感器与铰链装置；左纵向安装架通过螺栓与支撑框架固定连接；左套筒通过螺栓安装在左纵向安装架上；预紧螺栓与左套筒通过螺纹配合连接；左拉压式力传感器左右两侧带有螺栓，分别与左侧的左套筒和右侧的铰链装置相连接；铰链装置的右侧顶杆顶端有螺纹并与静件套螺纹配合连接；

所述的右支承模块包括右纵向安装架、右套筒、右拉压式力传感器与万向球轴承；右纵向安装架通过螺栓与支撑框架固定连接，右套筒通过螺栓安装在右纵向安装架上；右拉压式力传感器左右两侧带有螺栓，分别与右套筒和万向球轴承相连接；万向球轴承左侧与静件套表面紧压接触；

所述的动试件模块包括动试件、动试底座、滑轨组件、激振器、下拉压式力传感器、工字支架、可调夹具、激光位移传感器与加速度传感器；工字支架与夹具通过螺栓安装在工作台上；滑轨组件通过螺栓固定在工字支架上；动件底座的下方与滑轨组件通过螺栓固定连接，侧面与激振器通过螺纹固接，上方与下拉压式力传感器通过螺栓固接；下拉压式力传感器上方与动试件螺纹连接；加速度传感器紧贴在动试件上；激光位移传感器安装在可调夹具上，合理调节其位置使激光刚好穿过上述右纵向安装架而照射在动试件上。

2.根据权利要求1所述的一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，其特征在于：所述的支撑框架为设计有上、中、下三根横梁的框架结构，每根横梁上设有宽度为16mm的移动槽；通过M16螺栓将支撑框架下端横梁与工作台固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，其特征在于：调节螺栓为M20螺栓；横向安装架为中央设有通槽的板状支架结构，两边通过4个M16螺栓与支撑框架的上端横梁固定连接，且在横梁的移动槽内调节x方向位置；上套筒在横向安装架的中央通槽内调整y方向位置，并通过M6螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，其特征在于：静件套为左侧与下方开有螺纹孔的块体结构，静试件为上方带有螺杆的块体。

5.根据权利要求1所述的一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，其特征在于：适配器只能传递z向压力而不能传递x向剪力，避免压电作动器承受剪应力，并保证预压力仅沿z方向传导。

6.根据权利要求1所述的一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，其特征在于：预紧螺栓为M12螺栓，左纵向安装架是中央设有移动槽的板状支架结构，两边通过2个M16螺栓与支撑框架的中部横梁固定连接，且能在横梁的移动槽内调节x方向位置；左套筒在左纵向安装架的移动槽内实现z方向安装位置的微调，并通过2个M8螺栓与其固定连接；铰链装置保证压电作动器在静试件上只提供z向预压力，而避免静试件受到任何剪力或弯矩。

7.根据权利要求1所述的一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，其特征在于：右纵向安装架为中央设有移动槽的板状支架结构，两边通过2个M16螺栓与支撑框架的中部横梁固定连接，且能在横梁的移动槽内调节x方向位置；右套筒在右纵向安装架的移动槽内实现z方向安装位置的微调，并通过2个M8螺栓与其固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，其特征在于：滑轨组件包括两条轨道，每条轨道通过7个M5螺栓与工字支架固定连接；轨道上安装有滑座，滑座通过4个M4螺栓与动件底座固接；激振器向动件底座提供激振力以实现其沿x方向往复微动；动试件为下方设有内螺纹孔的圆柱体结构，右侧车有一切面，加速度传感器紧贴在切面上；可调夹具由夹具座、纵向支架与安装托架组成；夹具座中央设有通槽，通过M16螺栓与工作台固定连接；夹具座两侧设有安装边，通过M5螺栓与纵向支架固定连接；纵向支架上设有纵向槽道，安装托架在槽道内调节z方向位置，并通过M5螺栓固定。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，其特征在于：实验装置针对对象为高温合金材料，静试件与动试件采用DD6或GH3536单晶高温合金；在实验过程中，静试件的下表面与动试件的上表面在压电作动器的作用下产生平均幅值在50N至1000N的时变正压力，频率为50Hz至400Hz之间；激振器作用于动试件上，使动试件产生10μm至50μm的微小位移，激振频率在50Hz到400Hz之间；静试件始终保持静止，因此静试件与动试件的接触表面因高频的往复微动而产生摩擦磨损；加速度传感器连接在动试件上，用以测量动试件的加速度情况；激光位移传感器穿过右纵向安装架上的通孔，测量动试件的微小位移变化；左拉压式力传感器与右拉压式力传感器测量静试件所受x向摩擦力大小，下拉压式力传感器测量动试件所受z向正压力大小；在获得每一个周期的相对位移与摩擦力的数据后，通过绘制不同正压力下的迟滞回线计算得到摩擦磨损界面参数，最终获得时变正压力对摩擦副界面力学特性演化的影响规律。

10.根据权利要求9所述的一种可实现时变正压力的摩擦磨损实验装置，其特征在于：铰链装置与万向球轴承保证静试件上所受x向摩擦力与x向预紧力仅沿着预紧螺栓→左套筒→左拉压式力传感器→铰链→静件套→万向球轴承→右拉压式力传感器→右套筒这一完整传递链切向传导；上适配器与下适配器保证调节螺栓所提供的z向预紧力与压电作动器所提供的z向周期时变正压力仅沿着调节螺栓→上套筒→上适配器→压电作动器→下适配器→静件套与静试件→动试件→下拉压式力传感器这一完整传递链法向传导。

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