CN102818737A - 非金属材料机械性能试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种非金属材料机械性能试验设备，属于机械制造技术领域。该设备包括：底座、用于安装待试验材料试块的固定装置、用于与试块滑动摩擦的圆轮、用于驱动圆轮转动的驱动装置、压力调节装置、用于测量试块承受的来自压力调节装置的压力的第一压力计和用于测量圆轮转动的圈数的计数装置。该固定装置、圆轮和驱动装置安装在底座上。计数装置安装在圆轮的转动轴上，试块安装在固定装置的一侧，压力调节装置安装在固定装置的另一侧，第一压力计安装在压力调节装置上。本发明实施例通过根据实际工况选择试验条件，可以获得准确的试验结果。此外，本发明实施例可以通过一次试验获得某种非金属材料的各个机械性能参数，试验结果全面。

Description

非金属材料机械性能试验设备

技术领域

本发明涉及非金属材料技术领域，特别涉及一种非金属材料机械性能试验设备。

背景技术

非金属材料在近代工业中的用途不断扩大，并迅速发展。在一些特定的应用场景中，如海洋平台起重机上的回转支承和水平滚轮等，对非金属材料的机械性能要求很高，所以需要对非金属材料的机械性能进行测试，非金属材料的机械性能主要包括耐磨性（即磨损系数）、与金属表面的摩擦系数和极限耐压值等方面。

现有的非金属材料机械性能试验中，通常会采用一种类似于车床的设备，该设备采用一个圆柱体作为转动部分，该圆柱体的表面比较粗糙。高速转动圆柱体并通过一定的压力将非金属材料试块压在转动的圆柱体上，让圆柱体圆周面与试块之间发生摩擦，然后通过一定的计算方法推算出材料在实际使用下的耐磨性和使用寿命。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

在现有的非金属材料机械性能试验中，试验设备通过放大摩擦面的粗糙度和增加摩擦面的相对摩擦速度来检测材料的耐磨性，试验工况与实际工况相差较大，所以会导致试验结果的精确度较差。此外，采用现有的试验设备得到的试验结果仅针对非金属材料的耐磨性，获得的试验结果不够全面。

发明内容

为了解决现有技术中存在的对非金属材料进行机械性能试验时，试验结果精确度较差且不够全面的问题，本发明实施例提供了一种非金属材料机械性能试验设备。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种非金属材料机械性能试验设备，所述设备包括：底座、用于安装待试验材料试块的固定装置、用于与所述试块滑动摩擦的圆轮和用于驱动所述圆轮转动的驱动装置，所述固定装置、所述圆轮和所述驱动装置安装在所述底座上。所述设备还包括：压力调节装置、用于测量所述试块承受的来自所述压力调节装置的压力的第一压力计和用于测量所述圆轮转动的圈数的计数装置，所述计数装置安装在所述圆轮的转动轴上，所述试块安装在所述固定装置的一侧，所述压力调节装置安装在所述固定装置的另一侧，所述第一压力计安装在所述压力调节装置上。

具体地，所述压力调节装置包括：固定杆、弹簧和调节部件，所述固定杆的一端与所述固定装置连接，所述调节部件可移动地设于所述固定杆的另一端，且所述固定杆的另一端连接在所述底座上，所述弹簧套设在所述固定杆上，且所述弹簧抵靠在所述固定装置和所述调节部件之间，所述第一压力计安装在所述固定杆上。

进一步地，所述调节部件为调节螺母，所述固定杆为螺杆。

可选地，所述固定装置为固定块，所述固定块上开设有用于安装所述试块的凹槽，所述固定块通过支撑机构安装在所述底座上，所述支撑机构上设有用于测量所述试块和所述圆轮之间的摩擦力的第二压力计。

可选地，所述圆轮的表面沿所述圆轮的圆周方向划分为多个环形带状区域，每个环形带状区域的表面粗糙度不同。

可选地，所述底座上还设有水平调节装置，所述固定装置可沿所述圆轮的轴线方向移动地安装在所述水平调节装置上。

优选地，所述设备还包括：用于向所述试块和所述圆轮之间滴注润滑剂的润滑剂滴注器。

进一步地，所述设备还包括防油罩和接油盘，所述接油盘设于所述圆轮下方，所述防油罩设于所述圆轮外围。

优选地，所述第一压力计为压力传感器，所述设备还包括控制系统，所述控制系统分别与所述压力传感器、所述计数装置和所述驱动装置电连接。

具体地，所述控制系统包括：单片机、变频器、第一模数转换器，所述单片机分别与所述变频器和所述第一模数转换器电连接，所述变频器与所述电机电连接，所述第一模数转换器与所述第一压力计电连接。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过将待试验材料试块安装在固定装置上，并选择具有合适粗糙度的摩擦面，可以更好地模拟非金属材料的实际工况，从而获得准确的试验结果。此外，通过改变非金属材料试块的大小，并通过压力调节装置调整施加在试块上的压力，可以获得该非金属材料的极限耐压值，也就是说，采用本发明实施例的设备可以通过一次试验获得某种非金属材料的多个机械性能参数，试验结果全面且操作简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a是本发明实施例1提供的非金属材料机械性能试验设备的主视结构示意图；

图1b是本发明实施例1提供的非金属材料机械性能试验设备的侧视结构示意图；

图2是本发明实施例2提供的控制系统的结构框图；

图3是采用本发明实施例1或2中提供的非金属材料机械性能试验设备测试非金属材料的机械性能的方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例提供了一种非金属材料机械性能试验设备，如图1a所示，该设备包括：底座1、用于安装待试验材料试块2的固定装置4、用于与试块2滑动摩擦的圆轮3、用于驱动圆轮3转动的驱动装置6、压力调节装置5、用于测量试块2承受的来自压力调节装置5的压力的第一压力计5a和用于测量圆轮3转动的圈数的计数装置7。其中，固定装置4、圆轮3和驱动装置6安装在底座1上。计数装置7安装在3圆轮的转动轴上，试块3安装在固定装置4的一侧，压力调节装置5安装在固定装置4的另一侧，第一压力计5a安装在压力调节装置5上。

具体地，在具体实现中，圆轮3通过轴承座1a安装在底座1上。该计数装置7可以采用计数器。驱动装置6可以包括电机61和减速机62（见图1b）。

具体地，在本实施例中，该压力调节装置5包括：固定杆51、弹簧52和调节部件53，固定杆51的一端与固定装置4连接，调节部件53可移动地设于固定杆51的另一端，且固定杆51的另一端连接在底座1上，弹簧52套设在固定杆51上，且弹簧52抵靠在固定装置4和调节部件53之间，第一压力计5a安装在固定杆51上。通过调节调节部件53在固定杆51上的位置，即可以调节弹簧52施加在试块3上的压力。

需要说明的是，在本实施例中，固定杆51水平设置，在其它实施例中，该固定杆也可以竖直设置，取决于试块和圆轮的相对位置。

进一步地，调节部件53可以为调节螺母，固定杆51可以为螺杆。

具体地，在本实施例中，固定装置4为固定块，该固定块上开设有用于安装试块2的凹槽，固定块通过支撑机构41安装在底座1上，支撑机构41上设有用于测量试块2和圆轮3之间的摩擦力的第二压力计4a。

作为本发明的优选实施例，圆轮3的表面沿圆轮3的圆周方向划分为多个环形带状区域，每个环形带状区域的表面粗糙度不同。比如，可以为0.2、0.4、0.8、1.6、3.2和6.3等，该粗糙度可以根据实际使用工况设置。这样，可以根据实际工况下使用摩擦面的粗糙度来选择具有相应的表面粗糙度的圆轮。在另一种实现方式中，也可以采用多个圆轮，各个圆轮的表面粗糙度不同。

可选地，底座1上还设有水平调节装置8，固定装置4可沿圆轮3的轴线方向移动地安装在水平调节装置8上。具体地，在本实施例中，固定装置4通过支撑机构41安装在该水平调节装置8上，且可沿圆轮3的轴线方向移动。具体地，该水平调节装置8可以为螺杆，该螺杆的轴线方向与圆轮3的轴线方向相同。通过该水平调节装置8，可以调整固定装置4相对于圆轮3表面的位置，使得试块3正对着具有所选表面粗糙度的环形带状区域。

优选地，该设备还包括：用于向试块2和圆轮3之间滴注润滑剂的润滑剂滴注器91。由于在实际工况中，非金属材料与摩擦面的干摩擦的情况较少，所以需要加入合适的润滑剂（比如稀油、脂、凡士林、石墨等，可以根据实际工况来选择），从而使试验条件与实际工况更接近，进一步提高测量结果的准确度。在具体实现中，该润滑剂滴注器91可以为一个容器，内部装有润滑剂，该容器设于圆轮3的上方，容器的下部设有阀门，当圆轮转动时，打开该阀门，使其向圆轮3上滴注润滑剂。

可选地，所述设备还包括防油罩92，该防油罩92设于圆轮3外围，用于防止润滑油在圆轮的旋转过程中飞溅出去。

可选地，所述设备还包括接油盘93，该接油盘93设于圆轮3下方，用于将圆轮3上滴下的润滑剂收集起来。

通过将待试验材料试块安装在固定装置上，并选择具有合适粗糙度的摩擦面，可以更好地模拟非金属材料的实际工况，从而获得准确的试验结果。此外，通过改变非金属材料试块的大小，并通过压力调节装置调整施加在试块上的压力，可以获得该非金属材料的极限耐压值，也就是说，采用本发明实施例的设备可以通过一次试验获得某种非金属材料的多个机械性能参数，试验结果全面且操作简单。

实施例2

本发明实施例提供了一种非金属材料机械性能试验设备，本实施例的设备与实施例1中的设备结构基本相同，不同之处仅在于：在本实施例中，第一压力计5a为压力传感器，该设备还包括控制系统，该控制系统分别与第一压力计5a、计数装置7和驱动装置6电连接。采用该控制系统可以自动读取数据，并根据获得的数据计算机械性能参数，大大减少了试验过程中的人工干预，提高了试验效率。

具体地，如图2所示，该控制系统包括：单片机201、变频器202、第一模数转换器203，单片机201分别与变频器202和第一模数转换器203电连接，变频器202与电机61电连接，第一模数转换器203与第一压力计5a电连接。通过控制变频器202的频率，即可控制电机61的转速。

优选地，第二压力计4a也可以为压力传感器，控制系统还与第二压力计4a电连接。具体地，如图2所示，控制系统还包括第二模数转换器204，第二模数转换器204分别与单片机201和第二压力计4a电连接。

下面结合一个具体实例来说明本发明实施例的设备的工作过程。如图3所示，该工作过程包括以下步骤：

步骤301：选择与待试验的非金属材料的试块进行滑动摩擦的摩擦面，该摩擦面设置在圆轮上且该摩擦面的表面粗糙度与实际工况中与待试验的非金属材料产生摩擦的表面的粗糙度相同。

具体地，在该步骤中，待试验的非金属材料的试块的截面积可以为长·宽=a·b=10mm×10mm，厚度可以为30-50mm。

将试块安装到固定装置2中，使其与选出的摩擦面相接触，试块的厚度优选比槽深大10mm左右。

将试块的初始厚度记为δ₁，摩擦面的粗糙度记为

圆轮的直径记为D。

步骤302：通过压力调节装置向该试块施加预定的压力，并使圆轮以预定的速度旋转，以使试块和圆轮之间发生连续的滑动摩擦。

具体地，向试块施加的压力可以根据实际需要设置。比如，对于截面积为10mm×10mm的试块，若试验压应力为10MPa，则施加的压力应调节到Ny=1000N，该压力值可以通过压力计读取。在本实施例中，压力调节装置向试块施加的压力值记为Ny。

压力调节完成后，使圆轮按一定的速度旋转，以使试块和圆轮之间发生连续的滑动摩擦。具体地，可以通过电机驱动圆轮旋转。在驱动时，应注意该转速对应的最大摩擦线速度不能超过实际使用时的最大摩擦线速度。

优选地，该方法还包括：在试块和圆轮之间发生连续的滑动摩擦时，在圆轮的表面和试块之间滴加润滑剂（可以通过润滑剂滴加器8），使得试验工况更加符合待试验的非金属材料的实际工况，进而使得试验结果更准确。该润滑剂可以采用与实际工况中使用的相同的润滑剂，比如稀油、脂、凡士林、石墨等。

步骤303：测量试块与摩擦面之间的摩擦力。

在本实施例中，测得的摩擦力记为F。

需要说明的是，是否执行该步骤303根据需要获得的机械性能参数决定，若需要测量的机械性能参数包括摩擦系数，则需要执行该步骤，否则可以不执行。

步骤304：在圆轮转动一定时间后，停止圆轮，记录圆轮转动的圈数并测量试块磨损后的厚度。

在本实施例中，圆轮转动的时间记为t，圆轮转动的圈数记为D，试块磨损后的厚度可以记为δ₂。

步骤305：根据记录的数据计算该非金属材料的机械性能参数。

如前所述，记录的数据包括试块的初始厚度δ₁、试块磨损后的厚度δ₂、圆轮的转动圈数n、圆轮的转动时间t、试块的截面积a·b、压力值Ny、摩擦力F、摩擦面粗糙度

圆轮的直径D。机械性能参数包括磨损系数、耐磨性特征值、摩擦系数中的至少一种。

具体地，可以根据公式（1）计算试验材料的磨损系数：

$C_m=\frac{{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2}{\frac{N_y}{a\·b}\·(\mathrm{\π}\·D\·n\·t)\·\▿}---\left(1\right).$

进一步地，可以根据以下公式（2）计算试验材料与摩擦面之间的摩擦系数：

$\mathrm{\μ}=\frac{F}{N_y}---\left(2\right).$

更进一步地，可以根据公式（3）计算PV（耐磨性特征）值：

$\mathrm{PV}=\mathrm{pv}=\frac{N_y}{a\·b}\·\mathrm{\π}\·D\·n---\left(3\right).$

上述磨损系数是指材料磨损一定厚度时摩擦的线长度，该值与压应力成正比，与摩擦面的粗糙度成正比，磨损系数越小表明材料越耐磨。而PV值通常表示材料耐磨特征，作用在材料上的压应力(一般用p表示)与材料相对于摩擦面的滑移速度(一般用v表示)的乘积，单位：MPa*m/s。

可选地，该方法还包括：通过前述压力调节装置增大作用于试块的压力，直到试块被压裂，记录试块被压裂时的压力值；

采用记录的压力值计算非金属材料的极限承压值（极限耐压值是指在材料受到的压应力小于该压应力时，材料不会被压裂，其单位为MPa）。

优选地，被压裂试块的截面积较小，可以为5mm×5mm。

在本实施例中，试块被压裂时的压力值可以记为N_max(例如为1500N)。

具体地，可以根据以下公式计算材料的极限耐压值：

$P_{\mathrm{jx}}=\frac{N_{\max }}{a\·b}---\left(4\right).$

通过以上的测量一共检测了材料的四个机械性能数据(包括极限耐压值、PV值、磨损系数和摩擦系数)，这四个数据，尤其是极限耐压值、PV值、磨损系数这三个数据在非金属轴承材料的选用上至关重要，通过这些数据可以准确判断材料是否适用。

需要说明的是，若采用实施例1提供的试验设备，需要通过外部设备来记录和计算非金属材料的机械性能参数，而采用实施例2提供的试验设备，只需要将初始数据（如试块的初始厚度、摩擦面的粗糙度、圆轮的直径、变频器的频率、减速机的传动比等）输入控制系统，该控制系统即可根据输入的初始数据和实际读取的数据（圆轮转动的时间、圆轮转动的圈数）等，自动计算非金属材料的机械性能参数。

本发明实施例通过将待试验材料试块安装在固定装置上，并选择具有合适粗糙度的摩擦面，可以更好地模拟非金属材料的实际工况，从而获得准确的试验结果。此外，通过改变非金属材料试块的大小，并通过压力调节装置调整施加在试块上的压力，可以获得该非金属材料的极限耐压值，也就是说，采用本发明实施例的设备可以通过一次试验获得某种非金属材料的多个机械性能参数，试验结果全面且操作简单。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非金属材料机械性能试验设备，所述设备包括：底座、用于安装待试验材料试块的固定装置、用于与所述试块滑动摩擦的圆轮和用于驱动所述圆轮转动的驱动装置，所述固定装置、所述圆轮和所述驱动装置安装在所述底座上，其特征在于，所述设备还包括：

压力调节装置、用于测量所述试块承受的来自所述压力调节装置的压力的第一压力计和用于测量所述圆轮转动的圈数的计数装置，所述计数装置安装在所述圆轮的转动轴上，所述试块安装在所述固定装置的一侧，所述压力调节装置安装在所述固定装置的另一侧，所述第一压力计安装在所述压力调节装置上。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压力调节装置包括：固定杆、弹簧和调节部件，所述固定杆的一端与所述固定装置连接，所述调节部件可移动地设于所述固定杆的另一端，且所述固定杆的另一端连接在所述底座上，所述弹簧套设在所述固定杆上，且所述弹簧抵靠在所述固定装置和所述调节部件之间，所述第一压力计安装在所述固定杆上。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述调节部件为调节螺母，所述固定杆为螺杆。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固定装置为固定块，所述固定块上开设有用于安装所述试块的凹槽，所述固定块通过支撑机构安装在所述底座上，所述支撑机构上设有用于测量所述试块和所述圆轮之间的摩擦力的第二压力计。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述圆轮的表面沿所述圆轮的圆周方向划分为多个环形带状区域，每个环形带状区域的表面粗糙度不同。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述底座上还设有水平调节装置，所述固定装置可沿所述圆轮的轴线方向移动地安装在所述水平调节装置上。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：用于向所述试块和所述圆轮之间滴注润滑剂的润滑剂滴注器。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备还包括防油罩和接油盘，所述接油盘设于所述圆轮下方，所述防油罩设于所述圆轮外围。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一压力计为压力传感器，所述设备还包括控制系统，所述控制系统分别与所述压力传感器、所述计数装置和所述驱动装置电连接。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述控制系统包括：单片机、变频器、第一模数转换器，所述单片机分别与所述变频器和所述第一模数转换器电连接，所述变频器与所述电机电连接，所述第一模数转换器与所述第一压力计电连接。

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