CN101581647B - 高频往复式疲劳摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种摩擦磨损试验机。高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，包括驱动机构、加载机构、电子控制系统及数据采集处理系统。该方案驱动机构采用磁致驱动机构，利用电磁感应原理产生周期变化的电磁力作为激振力，调节电磁线圈供电频率即可达到调节激振频率的目的。通过调节电流值可调节振动副值大小，从而得到不同的位移。加载机构采用砝码加载，由一系列滑动滚轮组件构成其传力机构，从而使试验力垂直加载到试样工作表面。该机构配有配重砝码用来平衡加载系统中其它构件的质量。电气控制系统与数据采集系统连接，通过专用软件可以调节主机往复运动频率，同时采集电气控制系统的信号并绘制出相关曲线，可以实现数据的实时保存。

Description

高频往复式疲劳摩擦磨损试验机

技术领域：

本发明涉及的是一种摩擦磨损试验机。

背景技术：

摩擦学是研究相对运动物体的表面相互作用机理的的边缘科学，所涉及的问题量大面广，需要借助数学、物理、化学、冶金化工、机械工程及材料、液压技术、计算机技术等多学科多领域的研究成果。一般认为，人类一次能源大约1/3是消耗于摩擦损失，约有70％的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的。中国机械工程学会摩擦学分会上世纪末的全国调查显示：我国每年制造汽车消耗的钢材与制造汽车配件消耗的相比大致相等。根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有关方面的花费大约占国民经济年生产总值的2％～7％。我国的GDP只占世界的4％，却消耗了世界30％以上的钢材。同发达国家比较，我国目前平均生产水平还较低。2003年国民经济的生产总值为11694亿元，如果摩擦、磨损有关方面的花费按占国民经济年生产总值的5％计算，就损失584.7亿元。

目前新材料、新工艺的研究，除传统的力学、理化等指标的测试考量外，摩擦磨损性能的测试已逐渐广泛应用。现有的用于摩擦磨损的试验机的驱动机构往往采用液压驱动或机械驱动，其效率不高。采用液压驱动的试验机对环境有污染，且能耗过高；采用机械驱动的试验机不仅往复频率低行程短而且能耗高、体积大。因此现在亟需一种环保节能的摩擦磨损试验机。

发明内容：

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种高频往复式疲劳摩擦磨损试验机的技术方案，该方案采用电磁感应原理，构建磁致驱动系统，功耗极低，无任何污染，环保节能。

本方案是通过如下技术措施来实现的：它包括驱动机构、加载机构、电子控制系统及数据采集处理系统，电子控制系统用于控制加载机构和驱动机构，并采集数据，数据采集处理系统用于对采集的数据进行处理，其特点是：

驱动机构包括导向轴、保持架、座架、感应线圈、弹性元件、永磁铁，导向轴一端与座架固定连接，导向轴另一端上设置有固定装置，保持架的一端可在导向轴上滑动，另一端与感应线圈固定连接，并伸入座架，座架内设置有永磁铁，导向轴上与保持架连接的那端两侧分别安装有谐振点相同的弹性元件；

加载机构包括上试样座、下试样座、加热台、测力传感器、测温传感器、滑动滚轮组件、底座，下试样座下部与加热台固定连接，下试样座内设置有测温孔，内置测温传感器，加热台下部通过支架与连接座固定连接，加热台的一侧与测力传感器连接，连接座下部固定连接有至少一个垂直导向轴，底座上相应位置上设置有直线轴承，垂直导向轴与直线轴承相互配合，底座内设置有滑动滚轮组件，其一端伸出底座可加载砝码，其另一端与提升机构连接；

上试样座通过连接架与保持架连接；驱动机构通过支架与底座连接；驱动机构、加载机构分别与电子控制系统和数据采集处理系统电连接。

该方案驱动机构采用磁致驱动机构，利用电磁感应原理产生周期变化的电磁力作为激振力，调节电磁线圈供电频率即可达到调节激振频率的目的。通过调节电流值可调节振动副值大小，从而得到不同的位移。加载机构采用砝码加载，由一系列滑动滚轮组件构成其传力机构，从而使试验力垂直加载到试样工作表面。该机构配有配重砝码用来平衡加载系统中其它构件的质量。电气控制系统与数据采集系统连接，通过专用软件可以调节主机往复运动频率，同时采集电气控制系统的信号并绘制出相关曲线，可以实现数据的实时保存。电子控制系统包括温度、频率、冲程等试验参数传感器和控制转换单元。具有以下功能：为振动源提供可变的频率和功率；为下试件夹具提供加热电源；处理力传感器信号；处理位移传感器信号；处理温度控制和报警热偶传感器信号。

上试样通过紧定螺栓固定在上试样座上，下试样通过压块固定在下试样坐上。上试样座用来夹住上试件，水平放置。上试样形状可根据需要有多种可选，如柱、球、片、销、等。下试样形状可选瓦、平板(面)、V形面、圆弧面等。

所述滑动滚轮组件包括设置在底座内的滚动轴承、轴承座及拉绳。所述提升机构包括设置在连接座下部的连接柱，穿过连接柱安装有圆柱销，所述拉绳分别与圆柱销的两端连接。

为了将弹性元件限制在导向轴上，导向轴一端与座架固定连接，导向轴另一端上设置有固定装置。所述固定装置包括顶盖，它与导向轴固定连接，顶盖外侧连接有上前支架和下前支架。

在导向轴与保持架之间装有双衬型线形滚珠衬套，其动摩擦系数仅为0.0006～0.0012，且无间隙配合保证了良好的刚性接触，提高了系统的稳定性，在良好工作条件下延长了其使用寿命。

为了使磁致驱动机构更好的发挥其作用，所述弹性元件为弹簧。

加热台内有加热器，加热器可通过电子控制系统进行控制。

所述导向轴一侧设置有位移传感器，其与电子控制系统与数据采集系统电连接。

可用两个支架支撑加热台，在纵向和横向设计为刚性的，在试件间的相对运动方向是有一定弹性的。测力传感器是用来测量两试件相互滑动时产生的摩擦力的。该测力传感器可为压电测力传感器。该测力传感器比弹性支架的刚性要强许多，使得大部分摩擦力都出现在传感器上，而不是在支架上。

为了通过加载机构使载荷均匀的加载到摩擦作用面上，所述垂直导向轴有两个，它们分别固定在连接座的下部的两侧，连接座下部的连接柱固定连接在连接座的中部，这样就能保证连接座升降的同步性。

所述连接座与底座间还安装有底板，所述垂直导向轴、直线轴承、连接柱均穿过座板。

试验机安装在一个钢制底座上，这样就比振动部件要重得多，以减少机器结构内各种多余的振动。

本方案的有益效果是：

(1)采用电磁感应原理，构建磁致驱动机构，应用弹簧谐振频率点，实现往复运动，激振电流小，功耗低；利用高频弹簧储能，实现能量重复利用，环保节能。

(2)该方案可动态检测摩擦副的摩擦力、试验力及其温度状况，并实时绘制各参数曲线。还可设有主要参数超预置停机或报警保护。

附图说明：

图1为本发明的结构图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的左视图。

图4为本发明的电气原理图。

图中，1为座架，2为后盖，3为加热台，4为支架，5为连接座，6为底座，7为连接柱，8为滚动轴承，9为垂直导向轴，10为直线轴承，11为砝码，12为滑动滚轮组件，13为压电测力传感器，14为下试样座，15为下试样，16为上试样，17为上试样座，18为上前支架，19为顶盖，20为弹簧，21为连接架，22为保持架，23为感应线圈，24为永磁铁，25为支座，26为支架，27为下前支架，28为支架，29为座板，30为连接法兰，31为弹簧，32导向轴，33为双衬型线形滚珠衬套，34为圆柱销，35为位移传感器。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

通过附图1、2、3可以看出，本方案的高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，包括驱动机构、加载机构、电子控制系统及数据采集处理系统。

驱动机构包括导向轴32、保持架22、座架1、感应线圈23、弹簧20和31、永磁铁24。导向轴32一端通过连接法兰30与座架1固定连接，导向轴32另一端上设置有固定装置。固定装置包括顶盖19，它与导向轴32固定连接，顶盖19外侧连接有上前支架18和下前支架27。座架1由支座25和后盖2组成。保持架22的一端可在导向轴32上滑动，另一端与感应线圈23固定连接，并伸入座架1。座架1内设置有永磁铁24，导向轴32上与保持架22连接的那端两侧分别固定有谐振点相同的弹簧20、31。在导向轴32与保持架22之间装有双衬型线形滚珠衬套33，其动摩擦系数仅为0.0006～0.0012，且无间隙配合保证了良好的刚性接触，提高了系统的稳定性。导向轴32的一侧设置有位移传感器35。

加载机构包括上试样座17、下试样座14、加热台3、压电测力传感器13、测温传感器、滑动滚轮组件12、底座6。下试样座14内设置有测温孔，内置测温传感器。下试样座17下部与加热台3固定连接，加热台3内设置有加热器。加热台3下部通过支架28与连接座5固定连接，加热台3的一侧与压电测力传感器13连接。连接座5下部固定连接有两个垂直导向轴9，它们分别固定在连接座5下部的两侧，底座6上相应位置上设置有直线轴承10，垂直导向轴9与直线轴承10相互配合。底座6内设置有滑动滚轮组件12，其一端伸出底座6可加载砝码11，其另一端与提升机构连接。滑动滚轮组件12包括设置在底座6内的滚动轴承8、轴承座及拉绳。提升机构包括设置在连接座5下部的连接柱7，穿过连接柱7安装有圆柱销34，拉绳分别与圆柱销34的两端连接。连接座5下部的连接柱7固定连接在连接座5的中部，通过这种结构可保证连接座5升降的同步性，加载机构可使载荷均匀的加载到摩擦作用面上。连接座5与底座6之间还安装有座板29，上述垂直导向轴9、直线轴承10、连接柱7均穿过座板29。上试样座17通过连接架21与保持架22连接，驱动机构通过支架4、26与底座6连接。驱动机构、加载机构分别与电子控制系统和数据采集处理系统电连接。

上试样16通过紧定螺栓固定在上试样座17上，下试样15通过压块固定在下试样座14上。上试样座17用来夹住上试样16，水平放置。上试样16形状可根据需要有多种可选，如柱、球、片、销、等。下试样15形状可选瓦、平板(面)、V形面、圆弧面等。

通过附图4可知，本发明的工作过程为：给设备通电后，设备进入预热-稳定工作状态，将试样装夹好，加载所需要的砝码。启动工作开关，进入试验及记录的工作程序。在PC机人机界面，设定频率、位移量、试验时间、温度设定、荷载大小等参数，由PC机传给单片机。单片机指令正弦波发生器改变频率，控制并设定位移量的大小，控制着驱动机构的开启和关闭，并实时监测过载与保护。温度测量及调节部分通过安装在试件上的测温传感器进行实时的温度测量及调节，由温度调节单元与PC机进行通讯。测力传感器通过电荷放大的信号，由单片机采集传至PC机做数据的分析与存储。位移传感器测量的信号一路经反馈信号处理后直接控制位移量；一路由单片机传至PC机做位移的显示与存储。时间的控制由PC机设定并控制整个试验过程的开启与停止。

Claims (10)

1.一种高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，包括驱动机构、加载机构、电子控制系统及数据采集处理系统，电子控制系统用于控制加载机构和驱动机构，并采集数据，数据采集处理系统用于对采集的数据进行处理，其特征是：

驱动机构包括导向轴(32)、保持架(22)、座架(1)、感应线圈(23)、弹性元件、永磁铁(24)，导向轴(32)一端与座架(1)固定连接，导向轴(32)另一端上设置有固定装置，保持架(22)的一端可在导向轴(32)上滑动，另一端与感应线圈(23)固定连接，并伸入座架(1)，座架(1)内设置有永磁铁(24)，导向轴(32)上与保持架(22)连接的那端两侧分别安装有谐振点相同的弹性元件；

加载机构包括上试样座(17)、下试样座(14)、加热台(3)、测力传感器(13)、测温传感器、滑动滚轮组件(12)、底座(6)，下试样座(14)下部与加热台(3)固定连接，下试样座(14)内设置有测温孔，内置测温传感器，加热台(3)下部通过支架(28)与连接座(5)固定连接，加热台(3)的一侧与测力传感器(13)连接，连接座(5)下部固定连接有至少一个垂直导向轴(9)，底座(6)上相应位置上设置有直线轴承(10)，垂直导向轴(9)与直线轴承(10)相互配合，底座(6)内设置有滑动滚轮组件(12)，其一端伸出底座(6)可加载砝码(11)，其另一端与提升机构连接；

上试样座(17)通过连接架(21)与保持架(22)连接；驱动机构通过支架(4、26)与底座(6)连接；驱动机构与电子控制系统和数据采集处理系统电连接，加载机构与电子控制系统和数据采集处理系统电连接。

2.根据权利要求1所述的高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，其特征是：所述滑动滚轮组件(12)包括设置在底座(6)内的滚动轴承(8)、轴承座及拉绳。

3.根据权利要求2所述的高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，其特征是：所述提升机构包括设置在连接座(5)下部的连接柱(7)，穿过连接柱(7)安装有圆柱销(34)，所述拉绳分别与圆柱销(34)的两端连接。

4.根据权利要求1所述的高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，其特征是：所述固定装置包括顶盖(19)，它与导向轴(32)固定连接，顶盖(19)外侧连接有上前支架(18)和下前支架(27)。

5.根据权利要求1所述的高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，其特征是：所述测力传感器为压电测力传感器。

6.根据权利要求1所述的高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，其特征是：所述导向轴(32)与保持架(22)之间装有双衬型线形滚珠衬套(33)。

7.根据权利要求1所述的高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，其特征是：所述导向轴(32)一侧设置有位移传感器(35)。

8.根据权利要求1所述的高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，其特征是：上试样(16)通过紧定螺栓固定在上试样座(17)上，下试样(15)通过压块固定在下试样座(14)上。

9.根据权利要求1所述的高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，其特征是：所述垂直导向轴(9)有两个，它们分别固定在连接座(5)的下部的两侧。

10.根据权利要求3所述的高频往复式疲劳摩擦磨损试验机，其特征是：所述连接座(5)与底座(6)间还安装有座板(29)，所述垂直导向轴(9)、直线轴承(10)、连接柱(7)均穿过座板(29)。

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