CN103245582A - 一种速度智能调控的环块摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，包括传动部分、环-块摩擦副、加载装置、加热装置和样品台；传动部分包括主轴，主轴上安装有摩擦环，加载装置上方的样品台上安装有块状试样，摩擦环与块状试样相对设置，构成一对环-块摩擦副，并在摩擦环和块状试样所在的料筒盖板上设有加热装置。本发明不仅能够模拟实际工况，实现对各种信号的精确采集，而且采用智能优化算法能够实现速度的智能调控。

Description

一种速度智能调控的环块摩擦磨损试验机

技术领域

 本发明属于磨损试验装置领域，具体地说，是涉及一种速度智能调控的环块摩擦磨损试验机。

背景技术

摩擦磨损是材料的三种主要失效形式之一，它所造成的经济损失十分巨大。全世界大约有1/3～1/2的一次性能源均消耗在摩擦磨损上。机械设备中零部件的摩擦磨损性能是由材料、工作状态、接触方式和环境条件等因素决定的。结合实际工况、选用适当的摩擦磨损试验机进行磨损试验，分析其失效机理，优选摩擦材料是必不可少的。为此，各种形式的摩擦磨损试验设备应运而生。

机械零部件中的摩擦配副，如内燃机中的活塞与缸套、潜油螺杆泵中的橡胶定子与金属转子、减速器中的齿轮副等，在工作周期内长期运行，其摩擦磨损润滑问题往往直接关系到整个机械设备的使用寿命，且这类机械设备可控参数较少，一般只有运行速度是最主要、甚至是唯一可调的参数。在运行过程中，人们总希望利用以前的运行工况来预知后续的工况，通过适当地调控运行速度来获得后期的最佳使用寿命和工作效率。因此，人们采用系统工程的方法进行探索，将工况参数作为输入量，机械设备的功能或者材料的磨损作为输出量，把磨损过程看作一个“黑箱”问题来处理。目前人们采用灰色理论、小波分形、混沌理论、人工神经网络等非线性映射方法解决这些长工作周期零部件的磨损问题，已取得了非常好的效果。

但是，上述研究只是在软件范围内进行，无法真实的反映长工作周期关键部件的磨损问题，而且目前尚未有模拟实际工况，并将智能控制软件与摩擦磨损试验机的硬件结合，实现速度智能调控的摩擦磨损试验机。

发明内容

发明目的

本发提供一种速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，其目的在于解决现有技术中存在的在试验过程中速度无法智能调控以及无法模拟长工作周期内关键零部件的摩擦磨损的问题。

技术方案

一种速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，其特征在于：该试验机包括传动部分、环-块摩擦副、加载装置、加热装置和样品台；传动部分包括主轴，主轴上安装有摩擦环，加载装置上方的样品台上安装有块状试样，摩擦环与块状试样相对设置，构成一对环-块摩擦副，加热装置设在摩擦环和块状试样所在的料筒的盖板上。

传动部分还包括交流伺服电机、传动轴和联轴器，主轴与传动轴通过联轴器连接；交流伺服电机安装在试验机的基础座上，其电机轴与传动轴同样通过联轴器连接，交流伺服电机由交流伺服驱动器驱动。

主轴、传动轴与交流伺服电机的电机轴回转中心保持同一，转矩传感器安装在传动轴上。

加载装置包括弹簧、上盖板、下盖板、加载丝杆、步进电机和压力传感器；步进电机连接加载丝杆，加载丝杆外套设有弹簧，弹簧下端连接能够随着加载丝杆的转动而上下移动的下盖板，弹簧上端连接上盖板；上盖板上方设有压力传感器，压力传感器通过其上方的顶杆与样品台相连接。

加热装置设置在料筒的盖板上，料筒中设有温度传感器；加热装置采用间接电阻加热方式，包括发热元件和被加热物体两部分。

测控系统通过计算机连接交流伺服电机驱动器。

优点及效果

本发明是一种速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，具有以下优点：

试验机的主要技术指标如下：

（1）调速范围：主轴转速可以在0~1500                                               

之间实现无级变速；

（2）加载范围：最大加载重量为1000N；

（3）温度范围：最大加热温度为150℃；

（4）信号采集：压力传感器、扭矩传感器、位移传感器和温度传感器实现对各种信号的精确采集，通过下位机传送给上位机处理，载荷、摩擦力矩、摩擦系数、磨损量和温度等参数实时显示在用户界面并保存；

（5）人工神经网络模型：能够实现神经网络模型的建模和预测，并调用神经网络模型进行速度控制。数据处理模块中的速度调控模型不局限于人工神经网络模型，也可以采用其它智能优化算法建立模型。

附图说明

图1是本发明的试验机设计原理框图；

图2是本发明的试验机组成系统框图；

图3是本发明的试验机总体结构示意图；

图4是本发明的试验机控制系统硬件实现流程图；

图5是本发明的试验机数据采集和处理过程示意图。

附图标记说明：

1．加载装置；2．位移传感器；3．压力传感器；4．块状试样；5．摩擦环；6．温度传感器；7．转矩传感器；8．交流伺服电机；9．交流伺服驱动器；10．计算机；11．测控系统；12．步进电机；13．下盖板；14．加载丝杆；15．弹簧；16．上盖板；17．顶杆；18．样品台；19．加热装置；20．料筒；21．主轴箱；22．主轴；23．联轴器；24．传动轴；25．电机轴。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明是一种速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，如图1、图2和图3中所示，其特征在于：该试验机包括传动部分、环-块摩擦副、加载装置1、加热装置19和样品台18；传动部分包括主轴22，主轴22上安装有摩擦环5，加载装置1上方的样品台18上安装有块状试样4，摩擦环5与块状试样4相对设置，构成一对环-块摩擦副，加热装置19设在摩擦环5和块状试样4的所在的料筒20盖板上。由温度传感器6、压力传感器3、转矩传感器7和位移传感器2将采集的信号传递给测控系统11进行转换并经数据处理后，反馈给交流伺服驱动器9，进而驱动交流伺服电机8，实现速度的实时调控。

传动部分还包括交流伺服电机8、传动轴24和联轴器23，主轴22与传动轴24通过联轴器23连接；交流伺服电机8安装在试验机的基础座上，其电机轴25与传动轴24同样通过联轴器23连接，交流伺服电机8由交流伺服驱动器9驱动控制，为传动部分提供动力。

主轴22、传动轴24与交流伺服电机8的电机轴25回转中心保持同一，扭矩传感器7安装在传动轴24上。

加载装置1包括弹簧15、上盖板16、下盖板13、加载丝杆14、步进电机12和压力传感器3；步进电机12连接加载丝杆14，加载丝杆14外套设有弹簧15，弹簧15下端连接能够随着加载丝杆14的转动而上下移动的下盖板13，弹簧15上端连接上盖板16；步进电机12旋转带动加载丝杆14转动，则下盖板13随着加载丝杆14的转动而上下移动，使弹簧15进行拉伸和压缩，改变载荷的大小，进而实现对块状试样4的加载和卸载；上盖板16上方设有压力传感器3，压力传感器3通过其上方的顶杆17与样品台18相连接，所施加的载荷经压力传感器3测量后，将数据传递给测控系统，可以在试验过程中不断调整步进电机12的转动，使载荷保持在一定范围内。

加热装置19设置在料筒20的盖板上（加热装置与料筒的盖板为一体化设计，这样可以有效节约空间），料筒20中设有温度传感器6；加热装置19采用间接电阻加热方式，包括发热元件和被加热物体两部分，发热元件能够嵌入到被加热物体中，构成料筒的盖板。

盖板用螺丝紧固安装在料筒上，这样料筒可以形成一个密封的腔室，里面可以采用不同介质来进行摩擦磨损实验研究。

测控系统11通过计算机10连接交流伺服电机驱动器9。

位移传感器2设置在样品台18下面，安装在加载装置的支承杆上，与顶杆17相连接，是一种拉线式位移传感器，可以用来测量块状试样的磨损量的大小，精度可达1

。

速度智能调控的环块摩擦磨损试验机测控系统中的数据采集模块将传感器采集的信号，通过RJ45网络通讯传递给数据处理模块；数据处理模块中的人工神经网络模型根据采样数据的变化，实时调节速度。

速度智能调控的环块摩擦磨损试验机数据处理模块中的速度调控模型不局限于人工神经网络模型，也可以采用其它智能优化算法建立模型。

加载装置采用弹簧机构加载，通过步进电机旋转带动加载丝杆的旋转，弹簧进行拉伸和压缩以改变载荷的大小。在试验过程中，通过微调步进电机，载荷保持在一定范围内。

本发明这种速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，摩擦环与块状试样构成的摩擦副可进行的试验包括： 

（1）干摩擦下摩擦环与块状试样的摩擦磨损试验；

（2）液体介质下摩擦环与块状试样的摩擦磨损试验；

（3）不同温度液体介质下摩擦环与块状试样的摩擦磨损试验。

本发明的工作原理和工作过程，对照试验机的设计原理框图（图1）和组成系统框图（图2），说明如下：交流伺服电机带动传动轴，传动轴上安装摩擦环旋转，块状试样安装在样品台上。摩擦副以设定的相对运动速度和载荷进行连续的摩擦磨损试验。测控系统由测温、测力、测速、测位移传感器组成。信号经数据采集模块传递给数据处理模块，由人工神经网络模型计算后预测后续速度，进而控制交流伺服电机。整台试验机采取智能调控技术与计算机数据采集、记录和处理技术相结合，并设计有过载保护装置。

交流伺服电机由交流伺服驱动器控制，为传动部分提供动力；主轴与传动轴通过联轴器连接，传动轴与电机轴之间也通过联轴器连接在一起，摩擦环安装在主轴上，随着电机轴的旋转从而带动摩擦环旋转，形成环-块摩擦副。在试验台上安装有可拆卸的料筒。

图4为本发明的试验机控制系统硬件实现流程图，通过控制系统软件对由温度传感器、压力传感器、转矩传感器和位移传感器采集的数据进行处理，得到神经网络模型的预测值，将其反馈给交流伺服电机进行调速，以实现速度的实时调控。

图5为本发明的试验机数据采集和处理过程示意图，具体的过程如下：首先，由Delphi编写的上位机程序上传封包至ARM主控（Cortex M3 处理芯片）；然后，将压力传感器、转矩传感器、位移传感器和温度传感器的等采样信号转换成数字信号，并保存到Delphi程序所上传的封包内；最后由Delphi程序将封包下载到程序中，并进行处理后得到稳定的采集信号数据。

本发明从模拟实际工况进行实验的思想出发，集成利用人工神经网络技术和快速响应技术，通过测控系统中的数据采集和处理模块，实现速度的实时智能调控，可测量在一定相对运动速度、环境、温度和载荷条件下，摩擦副的多个摩擦学参数——摩擦系数、磨损量、剪切力、液体介质温度、磨损产物等形态，有效解决了某些关键部件在长工作周期下的摩擦摩擦磨损问题。

Claims (6)

1.一种速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，其特征在于：该试验机包括传动部分、环-块摩擦副、加载装置（1）、加热装置（19）和样品台（18）；传动部分包括主轴（22），主轴（22）上安装有摩擦环（5），加载装置（1）上方的样品台（18）上安装有块状试样（4），摩擦环（5）与块状试样（4）相对设置，构成一对环-块摩擦副，加热装置（19）设在摩擦环（5）和块状试样（4）所在的料筒（20）的盖板上。

2.根据权利要求1所述的速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，其特征在于：传动部分还包括交流伺服电机（8）、传动轴（24）和联轴器（23），主轴（22）与传动轴（24）通过联轴器（23）连接；交流伺服电机（8）安装在试验机的基础座上，其电机轴（25）与传动轴（24）同样通过联轴器（23）连接，交流伺服电机（8）由交流伺服驱动器（9）驱动。

3.根据权利要求1所述的速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，其特征在于：主轴（22）、传动轴（24）与交流伺服电机（8）的电机轴（25）回转中心保持同一，转矩传感器（7）安装在传动轴（24）上。

4.根据权利要求1所述的速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，其特征在于：加载装置（1）包括弹簧（15）、上盖板（16）、下盖板（13）、加载丝杆（14）、步进电机（12）和压力传感器（3）；步进电机（12）连接加载丝杆（14），加载丝杆（14）外套设有弹簧（15），弹簧（15）下端连接能够随着加载丝杆（14）的转动而上下移动的下盖板（13），弹簧（15）上端连接上盖板（16）；上盖板（16）上方设有压力传感器（3），压力传感器（3）通过其上方的顶杆（17）与样品台（18）相连接。

5.根据权利要求1所述的速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，其特征在于：加热装置（19）设置在料筒（20）的盖板上，料筒（20）中设有温度传感器（6）；加热装置（19）采用间接电阻加热方式，包括发热元件和被加热物体两部分。

6.根据权利要求1所述的速度智能调控的环块摩擦磨损试验机，其特征在于：测控系统（11）通过计算机（10）连接交流伺服电机驱动器（9）。

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