CN103760101A - 正面冲击摩擦测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正面冲击摩擦测试装置及测试方法，正面冲击摩擦测试装置包括气压泵(01)、气动冲击装置(02)、入射杆(03)、支座(04)、加速度传感器(05)、速度传感器(06)、第一应变计(07)、第二应变计(08)、第一试样(09)、第二试样(10)、透射杆(11)、皮带轮(12)、减震器(13)、皮带(14)、变频电机(15)、计算机(16)以及信号采集装置(17)；气动冲击装置(02)、入射杆(03)、第一试样(09)、第二试样(10)、透射杆(11)同轴设置。通过信号采集装置采集加速度传感器、速度传感器和第一应变计(1)、第二应变计(2)产生的信号，最后由计算机处理得到摩擦因数、冲击力、冲击扭矩、冲击速度、冲击加速度。

Description

正面冲击摩擦测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种测量正面冲击摩擦特性的装置及方法，具体涉及一种可直接测量材料正面冲击过程中冲击力、冲击扭矩、冲击速度、冲击加速度和摩擦因数的装置及方法。

背景技术

冲击摩擦是两个个固体表面动态撞击所造成的表面摩擦。在各类机械中，许多零部件都承受着不同程度的冲击摩擦，如煤矿领域球磨机工作过程中，钢球和滚筒、物料之间都存在着动态的冲击摩擦。针对材料正面撞击过程中冲击摩擦特性的测试装置尚未发现，给正面冲击摩擦测试带来很大的不便。

因此，开发一种方便操作、能够直接测定材料表面正面撞击过程中冲击摩擦特性的装置，为更好的评价材料正面冲击摩擦特性提供实验方法。

发明内容

本发明为解决现有测量装置不能直接测量材料正面冲击过程中冲击力、冲击扭矩、冲击速度、冲击加速度和摩擦因数，进而提出一种可直接测量材料正面冲击摩擦特性的装置及方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种正面冲击摩擦测试装置，包括气压泵(01)、气动冲击装置(02)、入射杆(03)、支座(04)、加速度传感器(05)、速度传感器(06)、第一应变计(07)、第二应变计(08)、第一试样(09)、第二试样(10)、透射杆(11)、皮带轮(12)、减震器(13)、皮带(14)、变频电机(15)、计算机(16)以及信号采集装置(17)；气动冲击装置(02)、入射杆(03)、第一试样(09)、第二试样(10)、透射杆(11)同轴设置；通过调节气动冲击装置(02)的冲击强度，给入射杆(03)不同强度的加载；入射杆(03)上从左到右依次附有带磁性的加速度传感器(05)、速度传感器(06)、第一应变计(07)、第二应变计(08)；加速度传感器(05)、速度传感器(06)分别用来测量第一试样(09)正面冲击的加速度、速度；第一应变计(07)用来测量试样正面冲击摩擦过程的正向应变，第二应变计(08)用来测量试样正面冲击摩擦过程中的切应变；第一应变计(07)靠近入射杆(03)的左侧，第二应变计(08)靠近入射杆(03)的右侧，用来提高测量结果的准确度；入射杆(03)和透射杆(11)的末端通过型面连接分别连接需要测试的摩擦试样，两个试样接头组成正面冲击摩擦副；透射杆(11)由变频电机(15)驱动，通过传送带传递给透射杆(11)角速度；入射杆(03)和支座(04)通过滑动轴承连接使得其有轴向和圆周方向两个自由度，透射杆(11)和支座(04)通过滚动轴承连接使得其只有圆周方向一个自由度；透射杆(11)转动的角速度可以通过调节变频电机(15)的转速来调节。

所述的正面冲击摩擦测试装置，入射杆(03)和透射杆(11)的末端可以通过型面连接来连接包括圆形、圆环形在内的多种形状的试样组成不同形式的正面冲击摩擦副。

所述的正面冲击摩擦测试装置，入射杆(03)和透射杆(11)相邻的末端圆柱面上拧有四个螺钉阻止第一试样(09)、第二试样(10)的轴向松动。

所述的正面冲击摩擦测试装置，第一试样(09)与第二试样(10)之间存在间隙，以便模拟正面冲击过程。

所述的正面冲击摩擦测试装置，第一试样(09)、第二试样(10)表面还可以涂抹一些润滑材料来模拟湿摩擦的工况。

所述的正面冲击摩擦测试装置，入射杆(03)上面吸附有带磁性的加速度传感器(05)、速度传感器(06)可以测量第一试样(09)正面冲击的加速度、速度；

所述的正面冲击摩擦测试装置，透射杆(11)右端和减震器(13)之间的设有1mm到3mm间隙。

根据牛顿第三定律(作用力与反作用力的关系)，在同一界面上入射杆(03)与试样(09)所受力大小相等方向相反。若第一试样(09)在实验过程中没有发生损坏，则可以认为入射杆(03)所受扭矩等于第一试样(09)所受扭矩，入射杆(03)所受压力等于第一试样(09)所受压力。第一试样(09)所受摩擦力等于切应力，利用库伦摩擦理论，第一试样(09)所受切应力与压应力的比值即为界面的摩擦因数。

本发明所述的正面冲击摩擦测试方法的具体步骤如下：

步骤一、实验前要对试样冲击摩擦副表面做一定的抛光预处理，使其表面粗糙度达到Ra＝0.07μm，以便判定正面冲击过程中是否产生相对滑动，是否存在动摩擦。

步骤二、安装试样(09)、试样(10)，启动变频电机(15)，透射杆(11)转动，气动冲击装置(02)冲击入射杆(03)，信号采集装置(17)记录实验过程中加速度传感器(05)、速度传感器(06)、应变计1(07)和应变计2(08)的变化。应变计1(07)测得正应变ε，应变计2(08)测得切应变γ。

步骤三、冲击速度、冲击加速度由速度传感器、加速度传感器直接测得。冲击力、冲击扭矩和摩擦因数通过正应变ε、切应变γ公式推导得到；计算机(16)采集正面冲击过程中所得数据，根据理论推导拟合正面冲击过程中冲击力、冲击扭矩、冲击速度、冲击加速度和摩擦因数的变化曲线。

本发明的有益效果是：本发明可以实现材料之间正面冲击摩擦测量；本发明中所使用的试样的形状可以更换、组合，能够实现不同类型的材料之间正面冲击摩擦特性的测定。

附图说明

图1是本发明正面冲击摩擦测试装置的结构示意图。

图2是图1中入射杆03和透射杆11末端与试样连接的细节图。

图3是第一试样09、第二试样10的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

请参阅图1与图2，一种正面冲击摩擦测试装置包括气压泵01、气动冲击装置02、入射杆03、支座04、加速度传感器05、速度传感器06、第一应变计07、第二应变计08、第一试样09、第二试样10、透射杆11、皮带轮12、减震器13、皮带14、变频电机15、计算机16以及信号采集装置17等。第一试样09和第二试样10之间存在适当的间隙，以便模拟正面冲击过程。气动冲击装置02、入射杆03、第一试样09、第二试样10、透射杆11同轴设置。其中入射杆03和透射杆11相邻的末端外形尺寸完全相同。其末端圆形截面开有正方形的孔槽，且四周均匀分布四个螺纹孔，配合四个螺栓18，以便卡紧固定试样，阻止正面冲击过程中第一试样09、第二试样10的轴向松动。第一试样09、第二试样10的形状如图3所示(第一试样09截面为圆环形，r₁、r₂分别表示圆环形的小径、大径)，可以根据试样的接头形状模拟不同形式的正面冲击摩擦副。

通过调节气动冲击装置02的冲击强度，给入射杆03不同强度的加载，通过第一应变计07测出入射杆03压力强度，定量模拟分析实验材料不同强度的正面冲击摩擦；调节变频电机15的转速，来调节不同的初始相对速度，模拟不同的实际工况。减震器(13)可以减小冲击过程中透射杆(11)的震荡以及对轴承的冲击。

请参阅图1，入射杆03和透射杆11分别由两个支座04均匀分布支撑，以增加实验过程中压杆的稳定性，减小实验结果的误差。

冲击速度、冲击加速度通过速度传感器、加速度传感器直接测得，冲击力、冲击扭矩通过正应变ε、切应变γ由以下理论推导得到：

入射杆正应力：σ＝Eε(其中E表示入射杆弹性模量)

入射杆表面切应力：τ＝Gγ(其中G表示入射杆的切变模量)

冲击力：F＝σA(其中A＝πR²，R表示入射杆半径)

冲击扭矩：

(其中

I_R表示入射杆横截面对圆心的极惯性矩)

摩擦因数通过正应变ε、切应变γ由以下理论公式推导得到：

试样冲击截面正应力：

(其中S_a表示试样冲击截面面积)

试样冲击截面平均切应力： ${\mathrm{\τ}}_a={\∫}_{r_1}^{r_2}2\mathrm{\πr}{\mathrm{\τ}}_r\mathrm{dr}/{\∫}_{r_1}^{r_2}2\mathrm{\πrdr}$ (其中 ${\mathrm{\τ}}_r=\frac{\mathrm{Tr}}{I_a},$ $I_a=\frac{\mathrm{\π}(r_2^4-r_1^4)}{2},$ τ_r表示冲击截面上距圆心为r的任意点的切应力，I_a表示试样冲击横截面对圆心的极惯性矩)

试样所受平均切应力等于摩擦力，摩擦因数：

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：包括气压泵(01)、气动冲击装置(02)、入射杆(03)、支座(04)、加速度传感器(05)、速度传感器(06)、第一应变计(07)、第二应变计(08)、第一试样(09)、第二试样(10)、透射杆(11)、皮带轮(12)、减震器(13)、皮带(14)、变频电机(15)、计算机(16)以及信号采集装置(17)；气动冲击装置(02)、入射杆(03)、第一试样(09)、第二试样(10)、透射杆(11)同轴设置；通过调节气动冲击装置(02)的冲击强度，给入射杆(03)不同强度的加载；入射杆(03)上从左到右依次附有带磁性的加速度传感器(05)、速度传感器(06)、第一应变计(07)、第二应变计(08)；加速度传感器(05)、速度传感器(06)分别用来测量第一试样(09)正面冲击的加速度、速度；第一应变计(07)用来测量试样正面冲击摩擦过程的正向应变，第二应变计(08)用来测量试样正面冲击摩擦过程中的切应变；第一应变计(07)靠近入射杆(03)的左侧，第二应变计(08)靠近入射杆(03)的右侧，用来提高测量结果的准确度；入射杆(03)和透射杆(11)的末端通过型面连接分别连接需要测试的摩擦试样，两个试样接头组成正面冲击摩擦副；透射杆(11)由变频电机(15)驱动，通过传送带传递给透射杆(11)角速度；入射杆(03)和支座(04)通过滑动轴承连接使得其有轴向和圆周方向两个自由度，透射杆(11)和支座(04)通过滚动轴承连接使得其只有圆周方向一个自由度；透射杆(11)转动的角速度可以通过调节变频电机(15)的转速来调节。 

2.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：入射杆(03)和透射杆(11)的末端可以通过型面连接来连接包括圆形、圆环形在内的多种形状的试样组成不同形式的正面冲击摩擦副。 

3.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：入射杆(03)和透射杆(11)相邻的末端圆柱面上拧有四个螺钉阻止第一试样(09)、第二试样(10)的轴向松动。 

4.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：第一试样(09)与第 二试样(10)之间存在间隙，以便模拟正面冲击过程。 

5.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：第一试样(09)、第二试样(10)表面还可以涂抹一些润滑材料来模拟湿摩擦的工况。 

6.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：入射杆(03)上面吸附有带磁性的加速度传感器(05)、速度传感器(06)可以测量第一试样(09)正面冲击的加速度、速度。 

7.如权利要求1所述的正面冲击摩擦测试装置，其特征在于：透射杆(11)右端和减震器(13)之间的设有1mm到3mm间隙。 

8.一种应用权利要求1-7任一所述正面冲击摩擦测试装置的正面冲击摩擦测试方法，包括以下步骤：以圆环形冲击表面为例说明，r₁、r₂分别表示圆环形的小径、大径； 

1)实验前要对试样摩擦副表面做一定的抛光预处理，使其表面粗糙度达到Ra＝0.07μm，以便判定正面冲击过程中是否产生相对滑动，是否存在动摩擦； 

2)安装第一试样(09)和第二试样(10)，启动变频电机(15)，气动冲击装置(02)冲击入射杆(03)，信号采集装置记录实验过程中加速度传感器(05)、速度传感器(06)、第一应变计(07)和第二应变计(08)的变化；第一应变计(07)测得正应变ε，第二应变计(08)测得切应变γ； 

3)冲击速度、加速度由速度传感器、加速度传感器直接测得；冲击力、冲击扭矩和摩擦因数通过正应变ε、切应变γ公式推导得到；计算机(16)采集正面冲击过程中所得数据，根据理论推导拟合出正面冲击过程中冲击力、冲击扭矩、冲击速度、加速度和摩擦因数的变化曲线； 

入射杆正应力：σ＝Eε，其中E表示入射杆弹性模量； 

入射杆表面切应力：τ＝Gγ，其中G表示入射杆的切变模量； 

冲击力：F＝σA，其中A＝πR²，R表示入射杆半径； 

冲击扭矩：其中I_R表示入射杆横截面对圆心的极惯性矩； 

摩擦因数通过正应变ε、切应变γ由以下理论公式推导得到： 

试样冲击截面正应力：

其中S_a表示试样冲击截面面积； 

试样冲击截面平均切应力：

其中

τ_r表示冲击截面上距圆心为r的任意点的切应力，I_a表示试样冲击横截面对圆心的极惯性矩； 

试样所受平均切应力等于摩擦力，摩擦因数：

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