CN102998254B - 微摩擦力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微摩擦力测量装置，其包括：机架（10）、相邻安装在所述机架10上的上样品承载单元(20)和下样品承载单元(40)，所述上样品承载单元（20）包括：轴承（23）、横梁（24）、摩擦力测量单元（25）及载荷测量单元（26），所述横梁（24）横跨设置在所述轴承（23）上端，所述摩擦力测量单元（25）与所述载荷测量单元（26）分别设置在所述横梁（24）的两端，所述横梁（24）通过所述载荷测量单元（26）与上样品连接。

Description

微摩擦力测量装置

技术领域

本发明涉及一种微摩擦力测量装置，尤其涉及一种精确测量微小摩擦力的微摩擦力测量装置。

背景技术

世界的能源约1/3-1/2通过摩擦磨损以热的形式消耗掉，减小摩擦成为节约能源的一个重要方向。工程中一般将摩擦系数小于0.01时的摩擦状态称为“超滑”状态，探究“超滑”现象的机理有重要意义。实验发现，氮化硅、二氧化硅等陶瓷材料在某些水溶液中摩擦系数可以低到0.003，呈现出超滑现象。

传统商用通用摩擦力试验机一般采用二维力测量传感器同时测量接触摩擦中的载荷与摩擦力。

然而，超滑现象具有两个特点：摩擦力数值很小；载荷摩擦力比大约300:1。这两个特点决定了超滑状态下摩擦力的测量值超出了传统商用通用摩擦试验机的精度范围。

故，采用传统商用通用摩擦力试验机测量超滑等现象下的微摩擦力时会出现以下问题：首先，其摩擦力传感器精度难以达到超滑状态下的摩擦力测量实验所要求的精度。其次，二维力测量传感器存在轴间耦合现象(通常≥1％)，其对于超滑状态下摩擦力测量准确性的影响大于常规实验状态。另外，在摩擦力与载荷相差很大时，如果摩擦力传感器及加载等元件存在装配偏角，载荷会在摩擦力测量方向产生分量，影响超滑状态下摩擦力测量结果的准确性。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术摩擦试验机存在的上述技术问题，提供一种微摩擦力测量精度高，不存在载荷与摩擦力相互耦合现象的微摩擦力测量装置。

本发明提供的一种微摩擦力测量装置，其包括：机架(10)、相邻安装在所述机架10上的上样品承载单元(20)和下样品承载单元(40)，所述上样品承载单元(20)包括：轴承(23)、横梁(24)、摩擦力测量单元(25)及载荷测量单元(26)，所述横梁(24)横跨设置在所述轴承(23)上端，所述摩擦力测量单元(25)与所述载荷测量单元(26)分别设置在所述横梁(24)的两端，所述横梁(24)通过所述载荷测量单元(26)与上样品连接，所述下样品承载单元(40)包括旋转台(41)及旋转台支架(42)，所述旋转台支架(42)垂直安装在所述机架(10)上，所述旋转台支架(42)支撑所述旋转台(41)，所述旋转台(41)与所述载荷测量单元(26)相对设置。

该摩擦力测量单元(25)包括摩擦力测量传感器(252)，其为小量程高精度应变式力测量传感器。

所述摩擦力测量传感器(252)其中一侧与一伸杆(251)连接，并通过该伸杆(251)与所述横梁(24)的一端连接。所述轴承(23)轴套上套设一个支撑环(28)，所述支撑环(28)上固定一个传感器支架(253)，将摩擦力测量传感器(252)固定在所述传感器支架(253)。

所述轴承(23)为空气轴承。

与现有技术相比较，本发明的微摩擦力测量装置具有以下有益效果：

第一、使用载荷测量传感器和摩擦力测量传感器两种传感器，摩擦力测量传感器可以使用小量程高精度传感器，对于载荷摩擦力之比很大的超滑状态的微摩擦力测量精度得到显著提高。

第二、采用横梁将载荷与摩擦力测量点置于横梁支撑点的两侧，从而可以避免因加载而产生的应力对摩擦力测量的影响，即减小载荷与摩擦力的耦合作用。

第三、摩擦力传感器采用高精度小量程摩擦力传感器，精确测量摩擦力大小。

第四、摩擦力传感器采用拉压力传感器，两端固定可以实现正反转，通过计算平均值以消除角度偏差对测量结果的影响。

第五、采用空气轴承，消除系统摩擦力影响。

附图说明

图1是本发明一实施例的微摩擦力测量装置的结构示意图。

图2是图1所示的微摩擦力测量装置的俯视图。

图3是图2中III区域的放大示意图。

主要元件符号说明

机架             10

台面             11

上样品承载单元   20

垂直位移调节机构 21

水平位移调节机构 22

轴承             23

横梁             24

摩擦力测量单元   25

载荷测量单元     26

支撑环           28

弹性缓冲装置     261

载荷测量传感器   262

伸杆             251

摩擦力测量传感器 252

传感器支架       253

上样品           30

下样品承载单元   40

旋转台           41

旋转台支架       42

旋转电机         43

下样品           50

伺服电机         60

微摩擦力测量装置 100

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明具体实施例提供的微摩擦力测量装置。

请参照图1，本发明实施例提供一种微摩擦力测量装置100，是用来对两个样品微摩擦力进行测量，该微摩擦力测量装置100包括机架10、安装在所述机架10上的上样品承载单元20和下样品承载单元40。所述上样品承载单元20和下样品承载单元40用来将上样品和下样品接触并在水平方向产生相对位移以及相对旋转，使两个样品之间产生微摩擦，进而通过测量单元测试其微摩擦力。

所述机架10包括一台面11，优选的，所述台面11为一平面结构。

如图1所示，所述上样品承载单元20包括垂直位移调节机构21、水平位移调节机构22、轴承23、横梁24、摩擦力测量单元25及载荷测量单元26。所述垂直位移调节机构21垂直安装在所述机架10的台面11上，该垂直位移调节机构21采用安装在台面下的伺服电机60带动丝杠导轨上下移动。所述水平位移调节机构22安装在所述垂直位移调节机构21的远离所述机架10的一端，优选的所述水平位移调节机构22安装在所述垂直位移调节机构21的远离所述机架10的一端的顶部中间。所述轴承23安装在所述水平位移调节机构22上。所述横梁24横跨设置在所述轴承23的转轴(图未示)上，该横梁24中间与所述轴承23上端通过紧配合连接。该横梁24通过所述轴承23相对所述水平位移调节机构22可旋转。所述摩擦力测量单元25固定在所述横梁24一端，所述载荷测量单元26固定在所述横梁24的另一端，所述横梁24通过所述载荷测量单元26与上样品30连接。

所述下样品承载单元40包括旋转台41、旋转台支架42及旋转电机43。所述旋转台支架42垂直安装在所述机架10的所述台面11上，且与所述上样品承载单元20的所述垂直位移调节机构21相邻设置。所述旋转台41通过旋转台支架42固定于所述机架10上，用于承载下样品50。所述旋转电机43安装在所述台面11下，该旋转电机43可带动承载有下样品的旋转台41转动。

请参阅图2及图3，所述摩擦力测量单元25位于上样品承载单元20的远离下样品承载单元40的一侧，该摩擦力测量单元25包括伸杆251、摩擦力测量传感器252和传感器支架253。所述伸杆251及所述传感器支架253位于所述摩擦力测量传感器252相对的两侧，所述摩擦力测量传感器252的一侧通过所述伸杆251与所述横梁24的一端连接，另一侧与所述传感器支架253连接。所述传感器支架253用于固定所述摩擦力测量传感器252，使所述摩擦力测量传感器252固定不动。所述伸杆251与所述摩擦力测量传感器252通过一螺钉连接，所述螺钉通过所述伸杆251直接伸入所述摩擦力测量传感器252内部，所述螺钉伸入所述摩擦力测量传感器252内部的端部与所述摩擦力测量传感器252内部的弹性件连接，并且所述螺钉相对所述摩擦力测量传感器252的壳体可相对移动。所述上样品30与下样品50之间产生摩擦时，该摩擦力使得所述横梁24以所述轴承23的轴心为转轴转动。当所述横梁24产生正转时连接于所述横梁24的所述伸杆251向所述摩擦力测量传感器252提供压/拉的作用力，所述摩擦力测量传感器252记忆该作用力，进而计算摩擦力。当所述横梁24产生反转时连接于所述横梁24的所述伸杆251向所述摩擦力测量传感器252提供拉/压的作用力，所述摩擦力测量传感器252记忆该作用力，进而计算摩擦力。为了克服上样品30与下样品50有可能存在的偏角问题，测试时通过旋转台的正反转得到的数据取平均值精确计算得到微摩擦力测量值。所述传感器支架253通过一支撑环28固定于所述轴承23的轴套(图未示)上，具体的，所述轴承23的轴套上套设所述支撑环28，在所述支撑环28上固定所述传感器支架253。进而所述摩擦力测量传感器252通过所述传感器支架253与支撑环28固定在所述轴承23的轴套上，使所述摩擦力测量传感器252固定不动。

所述摩擦力测量传感器252可为拉压两向的小量程高精度应变式力测量传感器，进而可实现拉压两个方向的摩擦力的精确测量。所述摩擦力测量传感器252的量程为0.49N～1.96N，优选的为0.98N，所述摩擦力测量传感器252的精度为0.01％～0.1％，可选择的也可以为0.05％。

所述载荷测量单元26位于上样品承载单元20的靠近下样品承载单元40的一侧，所述载荷测量单元26包括弹性缓冲装置261和载荷测量传感器262。所述弹性缓冲装置261和所述载荷测量传感器262相互连接。所述载荷测量传感器262直接与所述横梁24的靠近下样品承载单元40的一侧连接。所述载荷测量传感器262的长轴方向与所述横梁24的长轴方向平行设置。所述载荷测量传感器262可为具有平行四边形结构的小量程力测量传感器。所述弹性缓冲装置261包括双弹簧片的弹性缓冲装置。所述弹性缓冲装置261的一端连接于所述上样品30，另一端连接于所述载荷测量传感器262。

所述轴承23为能量损耗较低的轴承结构，可实现无摩擦转动，消除系统摩擦力的轴承结构，优选的为空气轴承。所述横梁24为一横杆结构，其通过轴承23实现可旋转性。所述横梁24的中间部位与所述轴承23的远离所述水平位移调节机构22的端部紧密配合连接。摩擦力测量单元25测量得到的摩擦力与两个样品之间的实际摩擦力之间的关系由摩擦力测量点到轴承23轴线的水平距离与上样品30和下样品50的接触点到轴承23轴线的水平距离比决定，即实际摩擦力与上样品30和下样品50的接触点到轴承23轴线的水平距离之乘积等于摩擦力测量单元25测量得到的摩擦力与摩擦力测量点到轴承23轴线的水平距离之乘积(力矩平衡原理)。为了直观，本实施例中摩擦力测量点到轴承23轴线的水平距离与上样品30和下样品50的接触点到轴承23轴线的水平距离相等，即摩擦力测量单元测量得到的摩擦力与两个样品之间的实际摩擦力相等。其中，所述摩擦力测量点是指摩擦力测量传感器252上的测量点。

作为可选择结构，摩擦力测量点到轴承23轴线的水平距离与上样品30和下样品50的接触点到轴承23轴线的水平距离比可为1：1～1：3。具体的摩擦力测量点到轴承23轴线的水平距离与上样品30和下样品50的接触点到轴承23轴线的水平距离比可为1：2。此时，摩擦力测量单元25测量得到的摩擦力与实际摩擦力比为2：1。相当于将实际摩擦力放大二倍反应在摩擦力测量单元25测量点上。如此可以更精确的测量微摩擦力。

本实施例提供的微摩擦力测量装置100具有以下有以效果：第一，使用载荷测量传感器和摩擦力测量传感器两种传感器，摩擦力测量传感器可以使用小量程高精度传感器，对于载荷摩擦力之比很大的超滑状态的微摩擦力测量精度得到显著提高；第二，采用横梁将载荷与摩擦力测量点置于横梁支撑点的两侧，从而可以避免因加载而产生的应力对摩擦力测量的影响。第三，采用空气轴承消除系统摩擦力影响。

本发明微摩擦力测量装置100工作时：所述伺服电机60旋转，带动所述垂直位移调节机构21上下移，通过所述载荷测量传感器262反馈的值进行位移调节实现加载。所述水平位移调节机构22可以调整上样品30、下样品50接触点的位置。由一旋转电机43带动固定有下样品50的旋转台41转动，表面的不平带来的载荷变化通过双弹簧片弹性缓冲装置261吸收；在摩擦力带动下，上样品30、横梁24会绕轴承23的轴线无摩擦微转动，这种微转动会使固定于横梁24、伸杆251右端的摩擦力测量传感器252两端分别受拉压力，从而测出摩擦力大小。

可以理解的，上述实施例中的垂直位移调节机构21、水平位移调节机构22的上下相对位置可以调换；还可以理解的，上述实施例中的垂直位移调节机构21、水平位移调节机构22也可以设置在下样品承载单元中，依然可以实现上下样品的相对位置的调节。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种微摩擦力测量装置，其包括：机架(10)；相邻安装在所述机架10上的上样品承载单元(20)和下样品承载单元(40)，其特征在于，所述上样品承载单元(20)包括：轴承(23)、横梁(24)、摩擦力测量单元(25)及载荷测量单元(26)，所述横梁(24)横跨设置在所述轴承(23)上端，所述摩擦力测量单元(25)与所述载荷测量单元(26)分别设置在所述横梁(24)的两端，所述横梁(24)通过所述载荷测量单元(26)与上样品连接，所述下样品承载单元(40)包括旋转台(41)及旋转台支架(42)，所述旋转台支架(42)垂直安装在所述机架(10)上，所述旋转台支架(42)支撑所述旋转台(41)，所述旋转台(41)与所述载荷测量单元(26)相对设置。

2.根据权利要求1所述的微摩擦力测量装置，其特征在于，该摩擦力测量单元(25)包括摩擦力测量传感器(252)，其为应变式力测量传感器。

3.根据权利要求1所述的微摩擦力测量装置，其特征在于，进一步包括垂直位移调节机构(21)及水平位移调节机构(22)用于使上样品和下样品相对纵向或水平位移。

4.根据权利要求3所述的微摩擦力测量装置，其特征在于，所述机架(10)包括一台面(11)，所述垂直位移调节机构(21)垂直安装在所述机架(10)的台面(11)上，所述水平位移调节机构(22)安装在所述垂直位移调节机构(21)的远离所述机架(10)的一端，所述轴承(23)安装在所述水平位移调节机构(22)上。

5.根据权利要求4项所述的微摩擦力测量装置，其特征在于，所述旋转台支架(42)垂直安装在所述机架(10)的台面(11)上，且与所述上样品承载单元(20)的所述垂直位移调节机构(21)相邻设置。

6.根据权利要求1所述的微摩擦力测量装置，其特征在于，所述轴承(23)为空气轴承。

7.根据权利要求1所述的微摩擦力测量装置，其特征在于，所述摩擦力测量单元(25)的测量点到轴承(23)轴线的水平距离与上样品(30)和下样品(50)的接触点到轴承(23)轴线的水平距离比为1：1～1：3。

8.根据权利要求2所述的微摩擦力测量装置，其特征在于，所述摩擦力测量传感器(252)包括相对的两侧，其中一侧与一伸杆(251)连接，并通过该伸杆(251)与所述横梁(24)的一端连接，所述轴承(23)轴套上套设一个支撑环(28)，所述支撑环(28)上固定一个传感器支架(253)，将摩擦力测量传感器(252)另一侧固定在所述传感器支架(253)。

9.根据权利要求2所述的微摩擦力测量装置，其特征在于，所述摩擦力测量传感器(252)的量程为0.49N～1.96N、精度为0.01％～0.1％的拉压两向的应变式力测量传感器。

10.根据权利要求9所述的微摩擦力测量装置，其特征在于，所述载荷测量单元(26)包括相互连接在一起的弹性缓冲装置(261)和载荷测量传感器(262)，所述载荷测量传感器(262)与所述横梁(24)连接。