CN103308407A - 一种往复式微动摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种往复式微动摩擦磨损试验机，属于一种微动摩擦及磨损试验装置，所述试验机包括底板以及置于底板上的支架、驱动装置、加载装置、定位夹紧装置与信号调理与数据采集装置，所述支架至少由纵向固定在底板上的两个侧板构成，所述两个侧板之间至少安装有下滑轨座与顶缸座；通过采用激振器作为动力源，设备体积小，有较大驱动力，振幅、频率变动范围广，信号由信号发生卡提供，有多种驱动信号，频率、振幅调节方便，易于被计算机程序控制。同时用于固定试验的夹具系统的结构简单、夹持可靠、安装方便，且通过更换夹具可以实现多种摩擦副接触形式的试验。所设计的试验机精度高、操作方便，为微动磨损的研究提供了一种可靠的实验仪器。

Description

一种往复式微动摩擦磨损试验机

 

技术领域

本发明涉及一种微动摩擦及磨损试验装置，更具体的说，本发明主要涉及一种往复式微动摩擦磨损试验机。

 

背景技术

微动磨损发生在有极小振幅运动的配合的机械零件中一种损伤方式，由于运动的幅度非常小，不易被察觉，其破坏具有隐蔽性，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。微动磨损根据不同的相对运动方向可分为四种模式：1）切向微动；2）径向微动：3）滚动微动；4）扭向微动。其中，切向微动是研究最普遍的微动方式，后三者在工业中虽然经常出现，但研究报道的却极少。

中国专利CN202522494U公开的“切向微动摩擦磨损试验装置”和中国专利CN201689023U公开的“一种小位移往复式滚动摩擦磨损试验机”都是采用液压伺服系统作为微动的驱动源，这种驱动方式驱动力大，振幅和频率变化范围广，精度高，易控制，但其技术复杂，设备体积大，成本高，维修不方便。

中国专利CN2348377Y公开的“钢丝表面微动摩擦学性能试验装置”是一种采用杠杆和偏心机构组成的机械式微动驱动系统，它可以有较大振幅，负载范围较宽，但频率通常较低且不易实现自动化控制，并且这是一种专门用来研究钢丝的微动摩擦磨损试验机，试验范围具有局限性。

目前，绝大多数试验机的摩擦副都是先固定，后加载，这样可能导致摩擦副间的载荷不均匀，不能正确反映摩擦副间的摩擦特征。中国专利CN201555762U公开的 “一种滑动摩擦试验自适应夹头”通过球缺结构固定试样，使摩擦副表面保持完全接触，结构简单成本低，但是，专利只是公开了一种自适应夹头，没有涉及试验机的结构，另外，这种机构只适用于面-面接触的摩擦副，使用上有局限性。因此有必要基于现有技术中的微动摩擦及磨损试验装备的结构以及试验方式做进一步的改进和研究。

 

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述不足，提供一种往复式微动摩擦磨损试验机，以期望解决现有技术中结构复杂、体积大、使用存在局限性，且无法实现自动化控制等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明所提供的一种往复式微动摩擦磨损试验机，所述试验机包括底板以及置于底板上的支架、驱动装置、加载装置、定位夹紧装置、信号调理与数据采集装置，所述支架至少由纵向固定在底板上的两个侧板构成，所述两个侧板之间至少安装有下滑轨座与顶缸座；所述驱动装置中至少包括动力源部件、滑台与直线导轨，所述动力源部件与滑台动力连接，滑台与直线导轨上的滑块相连接，直线导轨固定在下滑轨座上，用于在动力源部件的作用下，使滑台在直线导轨上做直线往复运动；所述加载装置中至少包括安装在顶缸座上的电动缸，所述电动缸的输出轴与连接螺母的一端相连，所述连接螺母的另一端与力传感器上联板相连，所述连接螺母的下端还设有第一钢珠，所述第一钢珠穿过力传感器上联板并与力传感器定位板相接触，且力传感器定位板还与力传感器相连，所述力传感器上联板还通过升降装置安装在侧板上；所述定位夹紧装置中包括上试样夹具系统与下式样夹具系统，所述上试样夹具系统安装在力传感器的下方，所述下式样夹具系统安装在滑台的上部，用于分别固定上试样与下试样；所述信号调理与数据采集装置中包括中控装置以及接入力传感器与位移传感器的数据采集卡，所述数据采集卡还接入中控装置，用于由中控装置通过控制程序按照预设值控制动力源部件的动力输出量，进而由多通道数据采集卡通过力传感器以及底板上的位移传感器采集相应数据，提供给中控装置作为控制动力源部件以及电动缸运转的依据。

作为优选，进一步的技术方案是：所述动力源部件为激振器，所述激振器安装在底板上，并通过连接螺杆与滑台相连接。

更进一步的技术方案是：所述力传感器为二维力传感器，且力传感器定位板与第一钢珠的接触面上设有与其相配合的球面凹陷。

更进一步的技术方案是：所述升降装置为分别安装在两个侧板上的侧直线导轨以及其上部的导轨滑块，所述力传感器上联板分别通过侧滑轨连接板与两个侧板上的导轨滑块相连接。

更进一步的技术方案是：所述上式样夹具系统与力传感器均固定在力传感器定位板上，力传感器定位板吊挂在力传感器上联板上；所述力传感器定位板的两侧设有对称的两个圆柱孔，孔内放置第二钢珠，定位夹紧板通过定位转销螺钉与力传感器上联板相连，定位夹紧板的中部设置有阶梯孔，套有小弹簧的锁紧顶销安装在阶梯孔内，锁紧顶销的端面有与第二钢珠相配合的球面凹陷；定位夹紧板的另一端有可以容纳螺母的槽；所述上式样夹具系统中还包括定位夹紧螺杆，定位夹紧螺杆的两端分别有一段正牙和反牙螺柱；所述正牙螺母与反牙螺母安装在定位夹紧螺杆上，且正牙螺母与反牙螺母之间还安装有一大弹簧；所述上试样夹具系统固定于二维力传感器的底部。

更进一步的技术方案是：所述的中控装置为计算机；所述电动缸为伺服电动缸，所述计算机根据力传感器反馈的正压力值、摩擦力值与预设值进行比较，根据比较结果判断是否控制伺服电动缸向上试样夹具系统提供相应的加载压力。

与现有技术相比，本发明的期望达到的有益效果如下：

1）采用激振器作为动力源，设备体积小，有较大驱动力，振幅、频率变动范围广，信号由信号发生卡提供，有多种驱动信号（正弦，三角，长方形），频率、振幅调节方便，易于被计算机程序控制。电涡流位移传感器测得位移信号反馈调节激振器的振动幅度，振幅稳定；

2）本发明利用伺服电动缸加载，加载精度和控制精度高，通过大钢球与球窝配合的方式加载，使正压力的中心与上试样夹具系统的几何中心重合，保证加载的稳定性。上试样夹具系统采用先加载后定位夹紧的方法，使摩擦副保持全面接触，保证载荷的均匀性。

3）本发明电动缸施加给摩擦副间的载荷与数据采集装置接收到二维力传感器反馈的正压力信号组成一个闭环的反馈系统，保持加载载荷的恒定，在摩擦副相互运动过程中，加载方向会有微小的位移变化，这一变化的位移量用来表征材料的磨损量。

4）本发明所述的夹具系统，结构简单、夹持可靠、安装方便，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。

5）本发明的试验机可以同时在线检测频率、振幅、正压力、摩擦力、磨损量等参数，试验机的运行由计算机自动控制，选用的设备的运动精度和控制精度都非常高，保证了试验机的精度，为微动磨损的研究提供了一种可靠的实验仪器。

 

附图说明

图1为用于说明本发明一个实施例的结构示意图；

图2为图1的A向示意图；

图3为用于说明本发明一个实施例中的加载系统结构示意图；

图4为用于说明本发明一个实施例中的定位夹紧装置结构示意图；

图5为用于说明本发明另一个实施例中的控制原理框图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

参考图1及图2所示，本发明的一个实施例是一种往复式微动摩擦磨损试验机，所述试验机包括底板2以及置于底板2上的支架、驱动装置、加载装置、定位夹紧装置、信号调理与数据采集装置，所述支架至少由纵向固定在底板2上的两个侧板4构成，所述两个侧板4之间至少安装有下滑轨座5与顶缸座13；

所述驱动装置中至少包括动力源部件、滑台17与直线导轨16，所述动力源部件与滑台17动力连接，滑台17与直线导轨16上的滑块相连接，直线导轨16固定在下滑轨座5上，用于在动力源部件的作用下，使滑台17在直线导轨16上做直线往复运动；

所述加载装置中至少包括安装在顶缸座13上的电动缸12，所述电动缸12的输出轴与连接螺母24的一端相连，所述连接螺母24的另一端与力传感器上联板9相连，所述连接螺母24的下端还设有第一钢珠35，所述第一钢珠35穿过力传感器上联板9并与力传感器定位板32相接触，且力传感器定位板32还与力传感器6相连，所述力传感器上联板9还通过升降装置安装在侧板4上；

所述定位夹紧装置中包括上试样夹具系统与下式样夹具系统，所述上试样夹具系统安装在力传感器6的下方，所述下式样夹具系统安装在滑台17的上部，用于分别固定上试样与下试样；

参考图5所示，所述信号调理与数据采集装置中包括中控装置以及接入力传感器与位移传感器的数据采集卡，所述数据采集卡还接入中控装置，用于由中控装置通过控制程序按照预设值控制动力源部件的动力输出量，进而由多通道数据采集卡通过力传感器以及底板2上的位移传感器采集相应数据，提供给中控装置作为控制动力源部件以及电动缸12运转的依据。

再参考图1所示，在本发明用于解决技术问题的一个或多个实施例中，所述的往复式微动摩擦磨损试验机由设置在底板2上的由支架、驱动装置、加载装置、定位夹紧装置、信号调理与数据采集装置等构成。支架采用框架式结构，底板2连接地脚螺栓1放置在工作台上，两块侧板4通过侧板连接条3固定在底板2上，下滑轨座5和顶缸座13分别固定在两侧板4间。驱动装置由激振器27、激振器连接螺杆26、滑台17、下直线导轨16构成。

参考图2所示，在本发明的另一实施例中，上述激振器27固定在底板上2，通过连接螺杆26与滑台17相连，滑台17与直线导轨16上的滑块连接，下试样夹具系统固定在滑台17上，直线导轨固定在下滑轨连接座5上。激振器27推动连接螺杆26，使与滑台17相连的下试验夹具系统在直线导轨上16做往复直线运动。

结合图3所示，在根据本发明的另一实施例，上述的加载装置中，伺服电动缸12固定在顶缸座13上，电动缸12的轴与连接螺母24的一端相连，连接螺母24的另一端与力传感器上联板9相连，连接螺母24下端放置第一钢珠35，第一钢珠35与带有球窝的力传感器定位板32接触，二维力传感器6与力传感器定位板32相连，力传感器上联板9通过侧滑轨连接板11与固定在侧板4上的侧直线导轨的滑块14相连，构成了升降装置，保证加载运动的平稳性。

参考图4所示，在本发明的另一实施例中，所述定位夹紧装置中的上试样夹具系统和二维力传感器6都是固定在力传感器定位板32上，力传感器定位板32通过吊挂螺钉15吊挂在力传感器上联板9上，力传感器定位板32的两侧有对称的两个圆柱孔，孔内放置小钢球33，定位夹紧板8通过定位转销螺钉7与力传感器上联板9相连，定位夹紧板8的中部设置有阶梯孔，套有小弹簧35的锁紧顶销34安装在阶梯孔内，锁紧顶销34的端面有与小钢球33配合的球窝；定位夹紧板8的另一端有可以容纳螺母的槽；定位夹紧螺杆的两端分别有一段正牙和反牙螺柱；正牙螺母31、反牙螺母21安装在定位夹紧螺杆22上，再在两螺母间安装一大弹簧20；然后，将这个整体安装在定位夹紧板8的槽中；当定位夹紧螺杆22旋紧的时候，夹紧力通过螺母传递给定位夹紧板8，夹紧板8再传递给锁紧顶销34，力通过小钢球33将力传感器定位板32定位、夹紧，也即是对整个上试样夹具系统进行了定位、夹紧。上试样夹具系统固定于二维力传感器6的底部，上试样A呈圆柱状、球状或块状；所述的下试样夹具系统固定于滑台17的上部，下试样呈平板状。

参考图5所示，上述提到的信号调理与数据采集装置包括计算机、数据采集卡、信号发生卡、运动控制卡、控制程序、力传感器、位移传感器。根据实验要求设定加载的载荷，伺服电动缸推动加载装置沿侧直线导轨向下运动，当上、下试样接触后，数据采集装置采集到二维力传感器检测出的正压力信号，二者形成闭环反馈控制，到达设定值后，伺服电动缸停止运动，保持加载力不变。加载完成后，旋紧定位夹紧螺杆，上试样夹具系统被定位、夹紧；根据实验要求设定激振器控制信号的波形、频率，信号经功率放大器放大后驱动激振器运动，激振器往复振动的幅值，由固定在底板上的位移传感器测得的信号反馈调节波形输入信号，到达设定值后，信号保持不便；实验中，二维力传感器测量正压力和摩擦力，水平位移幅度由位移传感器测量；实验过程中，由于摩擦副间的磨损，加载方向会有微小的位移变化，这一位移量由伺服电机脉冲变化量换算得到，这个量用来表征试样的磨损量。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (7)

1.一种往复式微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述试验机包括底板（2）以及置于底板（2）上的支架、驱动装置、加载装置、定位夹紧装置、信号调理与数据采集装置，所述支架至少由纵向固定在底板（2）上的两个侧板（4）构成，所述两个侧板（4）之间至少安装有下滑轨座（5）与顶缸座（13）；

所述驱动装置中至少包括动力源部件、滑台（17）与直线导轨（16），所述动力源部件与滑台（17）动力连接，滑台（17）与直线导轨（16）上的滑块相连接，直线导轨（16）固定在下滑轨座（5）上，用于在动力源部件的作用下，使滑台（17）在直线导轨（16）上做直线往复运动；

所述加载装置中至少包括安装在顶缸座（13）上的电动缸（12），所述电动缸（12）的输出轴与连接螺母（24）的一端相连，所述连接螺母（24）的另一端与力传感器上联板（9）相连，所述连接螺母（24）的下端还设有第一钢珠（35），所述第一钢珠（35）穿过力传感器上联板（9）并与力传感器定位板（32）相接触，且力传感器定位板（32）还与力传感器（6）相连，所述力传感器上联板（9）还通过升降装置安装在侧板（4）上；

所述定位夹紧装置中包括上试样夹具系统与下式样夹具系统，所述上试样夹具系统安装在力传感器（6）的下方，所述下式样夹具系统安装在滑台（17）的上部，用于分别固定上试样与下试样；

所述信号调理与数据采集装置中包括中控装置以及接入力传感器与位移传感器的数据采集卡，所述数据采集卡还接入中控装置，用于由中控装置通过控制程序按照预设值控制动力源部件的动力输出量，进而由多通道数据采集卡通过力传感器以及底板（2）上的位移传感器采集相应数据，提供给中控装置作为控制动力源部件以及电动缸（12）运转的依据。

2.根据权利要求1所述的往复式微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述动力源部件为激振器，所述激振器安装在底板（2）上，并通过连接螺杆与滑台（17）相连接。

3.根据权利要求1所述的往复式微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述力传感器为二维力传感器，且力传感器定位板（32）与第一钢珠（35）的接触面上设有与其相配合的球面凹陷。

4.根据权利要求1或3所述的往复式微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述升降装置为分别安装在两个侧板（4）上的侧直线导轨以及其上部的导轨滑块，所述力传感器上联板（9）分别通过侧滑轨连接板与两个侧板（4）上的导轨滑块相连接。

5.根据权利要求1所述的往复式微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述上式样夹具系统与力传感器均固定在力传感器定位板（32）上，力传感器定位板（32）吊挂在力传感器上联板（9）上；所述力传感器定位板（32）的两侧设有对称的两个圆柱孔，孔内放置第二钢珠，定位夹紧板通过定位转销螺钉与力传感器上联板（9）相连，定位夹紧板的中部设置有阶梯孔，套有小弹簧的锁紧顶销安装在阶梯孔内，锁紧顶销的端面有与第二钢珠相配合的球面凹陷；定位夹紧板的另一端有可以容纳螺母的槽；所述上式样夹具系统中还包括定位夹紧螺杆，定位夹紧螺杆的两端分别有一段正牙和反牙螺柱；所述正牙螺母与反牙螺母安装在定位夹紧螺杆上，且正牙螺母与反牙螺母之间还安装有一大弹簧；所述上试样夹具系统固定于二维力传感器的底部。

6.根据权利要求1所述的往复式微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的中控装置为计算机；所述电动缸（12）为伺服电动缸，所述计算机根据力传感器反馈的正压力值、摩擦力值与预设值进行比较，根据比较结果判断是否控制伺服电动缸向上试样夹具系统提供相应的加载压力。

7.根据权利要求1所述的往复式微动摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的底板（2）下方还设有在底部在同一水平线上的地脚螺栓。

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