CN103063530A - 微动摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微动磨损摩擦试验机，其采用两对称设置的电动式激振器作为摩擦副之间形成微动摩擦的激励源，且本发明通过加载装置为摩擦副施加正压力，通过力传感器采集该正压力信号，并设置计算机数据处理装置与采集到的正压力信号形成闭环反馈控制，保持加载装置所施加载荷恒定。另外，本发明采用计算机数据处理装置记录、分析由力传感器所采集的正压力信号、微动摩擦力信号以及位移传感器所采集的各电动式激振器的位移信号，以自动地输出形成摩擦副的试样A、试样B的磨损性能。由此可知，本发明具有激振幅度可调，振动方式可变，操作方便、运动和加载精度高、再现工程使用工况等特点，实验数据重复性好，可作为评价材料的微动摩擦磨损性能。

Description

微动摩擦磨损试验机

技术领域

本发明涉及一种电动激振式微动摩擦磨损试验机，具体涉及材料的微动摩擦、磨损测试技术领域。

背景技术

微动摩擦发生在两接触表面之间有极小振幅运动的情况下。微动摩擦不仅可以导致接触表面间的摩擦磨损，而且会加速裂纹的产生和扩展，最终使得构件的疲劳寿命大大降低。目前，工业领域中因微动摩擦而造成的损伤相当普遍。因此，深入开展微动摩擦学的研究，对预防和控制工业微动损伤有重要的指导意义，且具有广阔的工程应用前景。在微动摩擦磨损研究领域中，研究的对象很多，因此存在着许多形式不一的微动摩擦磨损试验设备，目前国际上尚无统一标准的试验台。在获得微动位移幅度和交变应力动力源方面，目前的微动摩擦磨损试验机大体可分为机械式、电磁式（电动式）、电液伺服式三类。如中国专利CN200982947Y公开的多功能微动摩擦磨损试验机为机械式微动摩擦磨损试验机，它的实现方式较简易，其振幅或激振较稳定，适用于一定程度的材料性能评价。中国专利CN102435518A公开的一种高频微动磨损测试装置，是一种电动式微动摩擦磨损试验机，采用电动振动台提供测试微动磨损所需的微幅振动，其最大优点是频带宽，试验设备体积较小，适用于振幅不高，激振力较小的情况；中国专利CN201689023U公开的一种小位移往复式滚动摩擦磨损试验机，是一种在液压式摩擦磨损试验机的基础上改进成的微动摩擦磨损试验机，其振幅或激振力、频率适中，精度高，易控制，但液压系统易漏油，设备体积较大，维修不便。

此外，国外专利DE19921760，公开的是由德国的Optimol公司研制的SRV微动摩擦磨损试验机，它由两个电动马达驱动，在测试样品的正下方放置两个压电式传感器，直接测量原始摩擦力信号，它有极广的实验温度范围（-35℃—1000℃）,重复性及一致性高。该试验机虽然性能较为优越，但数据处理方式固化，不能依特定情况进行优化，且价格非常贵，限制了它的广泛应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种微动磨损摩擦试验机，其采用高性能激振器作为微动激励源，具有激振幅度可调，振动方式可变，操作方便、运动和加载精度高、再现工程使用工况等特点，实验数据重复性好，可作为评价材料的微动摩擦磨损性能。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种微动摩擦磨损试验机，包括底座、摩擦副、用于对摩擦副施加正压力的加载装置、用于促使摩擦副之间形成微动摩擦的微振幅激振装置，所述摩擦副、加载装置、微振幅激振装置分别安装于底座；还包括计算机数据处理装置；所述微振幅激振装置包括两个电动式激振器以及分别用于测量其中一个电动式激振器振幅的位移传感器，所述的两个电动式激振器的激振头相对布置；所述摩擦副包括试样A、用于夹持试样A的第一夹具、试样B、用于夹持试样B的第二夹具，试样A和试样B的接触面在微振幅激振装置的作用下，产在微动摩擦；所述摩擦副配置有用于测量试样A和试样B之间所存在微动摩擦力以及正压力的三维力传感器；所述计算机数据处理装置通过数据传输装置接收到三维力传感器反馈的正压力信号、微动摩擦力信号以及位移传感器反馈的位移信号，且计算机数据处理装置根据正压力信号自动控制加载装置的运作，根据微动摩擦力信号评价试样A、试样B在相应正压力信号、位移信号下的磨损性能。

所述加载装置为伺服电动缸；所述第一夹具的上端通过加载杆与伺服电动缸的动力输出端固定，且第一夹具的两侧均通过连杆分别与所述的两个电动式激振器的激振头连接，而第二夹具则安置在底座上。

所述试样A呈圆柱状、球状或者块状设置，而试样B则呈平板设置。

所述加载杆分体设置为上加载杆分体和下加载杆分体；上加载杆分体与伺服电动缸的动力输出端固定，而下加载杆分体则与第一夹具的上端固定，且上加载杆分体和下加载杆分体之间通过防止伺服电动缸水平运动的连接头连接；连接头包括安置腔以及容纳于安置腔内的凸台，安置腔设置于上加载杆分体的端部，而凸台则设置于下加载杆分体的端部，且凸台端面安装支架，该支架支撑两个以上平行设置的滚柱，滚柱的轴向与电动式激振器水平运动的方向相垂直。

所述电动式激振器的激振头与连杆相扣接，且连杆端面与激振头之间安装有防震组件；所述防震组件置于激振头沿轴线所开设的安置孔内，包括弹性连接件以及滚珠，弹性连接件的一端与电动式激振器的激振头相扣接，另一端则通过滚珠与连杆端面相触，且连杆与滚珠相触的部位设置为弧形槽。

所述第一夹具设置有与试样A相适配的夹持部，试样A通过楔形块紧固于第一夹具的夹持部，楔形块通过螺纹紧固件与第一夹具固紧。

所述第一夹具包括中部夹具块以及分设于中部夹具块两侧的两夹具外板，每一夹具外板均通过螺纹紧固件与中部夹具块固定。

所述三维力传感器通过垫块安装在底座上方，而第二夹具则与三维力传感器一体设置，且试样B通过紧固件固定安装在第二夹具上。

所述摩擦副配置有加热装置，该加热装置通过隔热板安装在三维力传感器上方，包括电加热管、热电偶和温控仪，所述温控仪根据热电偶所反馈的温度值自动控制电加热管的工况。

所述摩擦副配置有润滑油添加装置，该润滑油添加装置的润滑油输送管道的输出端与试样A、试样B之间的接触面接通。

根据以上的技术方案，相应于现有技术，本发明具有以下的优点：

1、本发明采用两对称设置的电动式激振器作为摩擦副之间形成微动摩擦的激励源，电动式激振器的激励信号由PCI接口的任意波形发生卡产生，可设置信号的波形、频率、幅值等参数，信号通过功率放大器传送给电动式激振器，通过调节信号的幅值、频率、波形等参数可以实现电动式激振器的激振力和位移的可控制，因此，电动式激振器具有激振幅度可调，振动方式可变，操作方便、运动和加载精度高、再现工程使用工况等特点，故而本发明在作为评价材料的微动摩擦磨损性能方面具有显著优点；本发明通过加载装置为摩擦副施加正压力，通过力传感器采集该正压力信号，并设置计算机数据处理装置与采集到的正压力信号形成闭环反馈控制，保持加载装置所施加载荷恒定。另外，本发明采用计算机数据处理装置记录、分析由力传感器所采集的正压力信号、微动摩擦力信号以及位移传感器所采集的各电动式激振器的位移信号，以自动地输出形成摩擦副的试样A、试样B的磨损性能。

2、本发明将加载杆分体设置，并在两分体加载杆之间设置防止伺服电动缸水平运动的连接头，该连接头可以将电动式激振器施加的水平运动吸收，因此，加载装置只能对摩擦副施加正压力，实现试验机的平稳运动。

3、本发明所述激振头与第一夹具之间的连接为弹性连接，因此，有效地避免运动过程的冲击和震动，以及两个激振器振幅不一致的问题；另外，滚珠与连杆的弧形槽配合起来起到水平方向定向作用，同时可允许试样A磨损后上摩擦副的下移。

4、本发明对摩擦副配置加热装置，可以实现高温环境下材料的摩擦实验；为了避免温度对传感器精度的影响，在加热系统和传感器间放置陶瓷隔热板。

5、本发明对摩擦副配置润滑装置，可实现有润滑状态的摩擦实验，以及测试润滑油特性的实验。

6、本发明将第一夹具分体设置，因此，便于试样A的拆装，且通过更换夹具可以实现多种摩擦副接触形式的试验，例如：点接触、线接触、面接触等。

附图说明

图1为本发明所述微动摩擦磨损试验机结构总体图（主视图）；

图2是图1中I部分的放大结构示意图；

图3是图2中II部分（夹具水平连杆与激振头）的局部放大图；

图4是夹具水平连杆立体结构示意图（弧形槽如标注所示）；

图5是图2中III部分（加载杆）局部放大图；

图6是上摩擦副组件的结构示意图；

图7是下摩擦副组件的结构示意图；

图8是试验机控制原理图；

图1至7中：伺服电动缸1；试验箱2；电动式激振器3；底座4；接头5；加载杆6；上摩擦副组件7；连杆8；弧形槽81；下摩擦副组件9；加热装置10；陶瓷隔热板11；三维力传感器12；垫块13；位移传感器15；弹簧16；滚珠17；上加载杆分体19；滚柱20；支架21；下加载杆分体22；内六角螺钉23；第一夹具外板24；中部夹具块25；第二夹具外板26；楔形块27；试样A28；试样B29；第二夹具30；十字螺钉31；润滑油添加装置32。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1至8所示，本发明所述微动摩擦磨损试验机，为立式结构，包括底座、摩擦副、用于对摩擦副施加正压力的加载装置、用于促使摩擦副之间形成微动摩擦的微振幅激振装置、计算机数据处理装置、润滑油添加装置、加热装置，其中：

所述摩擦副，如图1、图6、图7所示，包括上摩擦副组件7、下摩擦副组件9，所述摩擦副配置有用于测量试样A和试样B之间所存在微动摩擦力以及正压力的三维力传感器；上摩擦副组件7，如图6所示，包括试样A以及用于夹持试样A的第一夹具；第一夹具设置有与试样A相适配的夹持部，试样A通过楔形块紧固于第一夹具的夹持部，楔形块通过螺纹紧固件与第一夹具固紧，附图中，该螺纹紧固件为内六角螺钉23；为便于试样A的拆装，本发明将第一夹具设置成三体分离式，包括中部夹具块以及分设于中部夹具块两侧的两夹具外板，每一夹具外板均通过螺栓组件与中部夹具块固定；下摩擦副组件9，如图7所示，包括试样B、用于夹持试样B的第二夹具，试样B为方形块，通过十字螺钉固定安装在第二夹具上，且第二夹具与三维力传感器一体化设置，三维力传感器通过垫块安装在底座上方。

所述加载装置，为具有较高的控制性和控制精度的伺服电动缸1，以提高试验机的精度；所述伺服电动缸1的动力输出端依次通过接头5、加载杆6与第一夹具固定；其中，为了防止电动缸有水平方向的运动，把加载杆设计成上下两部分，如图5所示，加载杆分体设置为上加载杆分体和下加载杆分体；上加载杆分体与伺服电动缸的动力输出端固定，而下加载杆分体则与第一夹具的上端固定，且上加载杆分体和下加载杆分体之间通过防止伺服电动缸水平运动的连接头连接；连接头包括安置腔以及容纳于安置腔内的凸台，安置腔设置于上加载杆分体的端部，而凸台则设置于下加载杆分体的端部，且凸台端面安装支架，该支架支撑两个以上平行设置的滚柱，滚柱的轴向与电动式激振器水平运动的方向相垂直所述安置腔与凸台端面相离的端面开设缺口，该缺口的内径小于凸台的外圆直径，同时凸台厚度、滚柱直径之和略小于安置腔在伺服电动缸垂直运动方向上的进深。由此可知，滚柱能够吸收微振幅激振装置对第一夹具施加的水平运动，支架的支撑使滚柱的运动平稳，从而可实现试验机的平稳运动。

所述微振幅激振装置，包括两个电动式激振器以及分别用于测量相应电动式激振器振幅的位移传感器，位移传感器为电涡流传感器，所述的两个电动式激振器的激振头相对布置，附图中，所述的两个电动式激振器在水平方向相对于第一夹具对称放置，且每一个电动式激振器的激振头均通过连杆与第一夹具的侧部连接；所述电动式激振器的激励信号由PCI接口的任意波形发生卡产生，可设置信号的波形、频率、幅值等参数，激励信号通过功率放大器传送给激振器，调节激励信号的幅值、频率、波形等参数可以实现激振器的激振力和位移的可控制。如图3所示，本发明中，为避免运动过程的冲击和震动，电动式激振器的激振头与第一夹具之间的连接方式为弹性连接，即在连杆端面与激振头之间安装有防震组件；所述防震组件置于激振头沿轴线所开设的安置孔内，包括弹性连接件以及滚珠，该弹性连接件为弹簧，弹性连接件的一端与电动式激振器的激振头相扣接，另一端则通过滚珠与连杆端面相触，且连杆与滚珠相触的部位设置为弧形槽。因此，本发明采用弹簧实现缓冲的作用，此外，滚珠与连杆的弧形槽配合起来起到水平方向定向作用，同时可允许试样A磨损后上摩擦副的下移。

所述计算机数据处理装置，如图8所示，通过数据传输装置接收到三维力传感器反馈的正压力信号、微动摩擦力信号以及位移传感器反馈的位移信号，且计算机数据处理装置根据正压力信号自动控制加载装置的运作，根据微动摩擦力，摩擦磨损情况评价试样A、试样B在相应正压力、位移以及振动情况下的磨损性能。具体地说，由多路USB数据采集装置采集到的正压力，传送给计算机系统，计算机系统根据各传感器采集的数据信息控制伺服电动缸的驱动电压，调节电动缸的输出力，从而实现无级调整加载载荷，令压力的调整范围更为宽泛，使摩擦磨损试验测量摩擦磨损行为的样品材料种类更多，适用性大大提高，可有效地对摩擦副不同材质和工艺的摩擦磨损性能进行评定。

另外，所述摩擦副配置有加热装置，使得本发明能够实现高温环境下材料的摩擦实验，该加热装置通过隔热板安装在三维力传感器上方，用于对下摩擦副组件进行加热，包括电加热管、热电偶和温控仪，所述温控仪根据热电偶所反馈的温度值自动控制电加热管的温度。

所述摩擦副配置有润滑油添加装置，使得本发明能够实现有润滑状态的摩擦实验，以及测试润滑油特性的实验，该润滑油添加装置的润滑油输送管道的输出端与试样A、试样B之间的接触面接通。

为实现多种摩擦副接触形式的试验，例如：点接触、线接触、面接触等，本发明所述试样A呈圆柱状、球状或者块状设置，而试样B则呈平板设置。

本试验机可实现的技术指标

1、法向载荷：1-1000N，通过调节伺服电动缸的驱动电压，调节摩擦副间的正压力；

2、运动频率：1-500Hz，通过调节激振器驱动电压的频率，调节摩擦副间相对运动的频率；

3、位移幅值：0.2-4mm，通过调节激振器的驱动电压值，调节摩擦副间的相对位移；

4、温度：室温-600℃，通过温控仪调节实验温度；

5、有无润滑条件，以及不同种润滑油润滑条件下的摩擦磨损试验。

本发明所述微动摩擦磨损试验机的工作过程如下：

通过调节伺服电动缸的伺服控制器来改变载荷的大小，根据实验要求设置好载荷的大小，通过加载杆进行加载，并通过采集到的正压力的信号反馈调节载荷，保持正压力恒定。激振器的激励信号通过PCI接口的任意波形发生卡产生，按实验要求设置波形、频率、幅值等参数，信号通过功率放大器放大后传输给激振器，两台激振器一推一拉协调运动，实现第一夹具带动试样A在下试样表面进行微小的往复直线运动。正压力和摩擦力由第二夹具底部的三维力传感器测量获得，并将输出信号传送给多路USB数据采集装置，再传输给计算机进行分析和处理。此外本试验机还可以在高温环境下进行摩擦实验，下摩擦副的加热系统有电加热管、热电偶、温控仪等组成，三者组成闭环反馈控制，保持加热温度的恒定，待温度达到设定值后按上述过程进行实验，为了防止高温对力传感器的影响，在第二夹具和三维力传感器之间设置陶瓷隔热板。实验中产生的正压力和摩擦由安装在第二夹具底部的三维力传感器转换为电信号，然后通过放大器放大，多路USB数据采集装置进行采集，最后由计算机进行数据处理。此外，本发明还有加润滑油系统，实现有润滑和无润滑的摩擦实验。试样A可以设计成圆柱状、球状或块状，以实现点接触、线接触、面接触不同摩擦副的接触形式的摩擦实验，只要改变相应的第一夹具即可。综上所述，本发明是一种多功能的微动摩擦磨损试验机。

Claims (10)

1.一种微动摩擦磨损试验机，包括底座、摩擦副、用于对摩擦副施加正压力的加载装置、用于促使摩擦副之间形成微动摩擦的微振幅激振装置，所述摩擦副、加载装置、微振幅激振装置分别安装于底座；其特征在于：还包括计算机数据处理装置；所述微振幅激振装置包括两个电动式激振器以及用于测量其中一个电动式激振器振幅的位移传感器，所述的两个电动式激振器的激振头相对布置；所述摩擦副包括试样A、用于夹持试样A的第一夹具、试样B、用于夹持试样B的第二夹具，试样A和试样B的接触面在微振幅激振装置的作用下，产生微动摩擦；所述摩擦副配置有用于测量试样A和试样B之间所产生微动摩擦力以及正压力的三维力传感器；所述计算机数据处理装置通过数据传输装置接收到三维力传感器反馈的正压力信号、微动摩擦力信号以及位移传感器反馈的位移信号，且计算机数据处理装置根据正压力信号自动控制加载装置的运作，根据微动摩擦力信号评价试样A、试样B在相应正压力信号、位移信号下的磨损性能。

2.根据权利要求1所述微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述加载装置为伺服电动缸；所述第一夹具的上端通过加载杆与伺服电动缸的动力输出端固定，且第一夹具的两侧均通过连杆分别与所述的两个电动式激振器的激振头连接，而第二夹具则安置在底座上。

3.根据权利要求2所述微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述试样A呈圆柱状、球状或块状设置，而试样B则呈平板设置。

4.根据权利要求2所述微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述加载杆分体设置为上加载杆分体和下加载杆分体；上加载杆分体与伺服电动缸的动力输出端固定，而下加载杆分体则与第一夹具的上端固定，且上加载杆分体和下加载杆分体之间通过防止伺服电动缸水平运动的连接头连接；连接头包括安置腔以及容纳于安置腔内的凸台，安置腔设置于上加载杆分体的端部，而凸台则设置于下加载杆分体的端部，且凸台端面安装支架，该支架支撑两个以上平行设置的滚柱，滚柱的轴向与电动式激振器水平运动的方向相垂直。

5.根据权利要求4所述微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述电动式激振器的激振头与连杆相扣接，且连杆端面与激振头之间安装有防震组件；所述防震组件置于激振头沿轴线所开设的安置孔内，包括弹性连接件以及滚珠，弹性连接件的一端与电动式激振器的激振头相扣接，另一端则通过滚珠与连杆端面相触，且连杆与滚珠相触的部位设置为弧形槽。

6.根据权利要求1所述微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述第一夹具设置有与试样A相适配的夹持部，试样A通过楔形块紧固于第一夹具的夹持部，楔形块通过螺纹紧固件与第一夹具固紧。

7.根据权利要求6所述微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述第一夹具包括中部夹具块以及分设于中部夹具块两侧的两夹具外板，每一夹具外板均通过螺纹紧固件与中部夹具块固定。

8.根据权利要求2所述微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述三维力传感器通过垫块安装在底座上方，而第二夹具则与三维力传感器一体设置，且试样B通过紧固件固定安装在第二夹具上。

9.根据权利要求1所述微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述摩擦副配置有加热装置，该加热装置通过隔热板安装在三维力传感器上方，包括电加热管、热电偶和温控仪，所述温控仪根据热电偶所反馈的温度值自动控制电加热管的温度。

10.根据权利要求1所述微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述摩擦副配置有润滑油添加装置，该润滑油添加装置的润滑油输送管道的输出端与试样A、试样B之间的接触面接通。

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