CN103868812B - 一种变载荷滚动摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明一种变载荷滚动摩擦磨损试验机属于机械类摩擦磨损试验装置，涉及一种双电机控制的变载荷滚动摩擦磨损试验机，能够实时改变载荷大小、控制滚滑比以及控制温度的滚动摩擦磨损实验机。试验机采用双电机同时驱动传动组件的驱动方式，试验机由机架、左右两个电机、传动组件、润滑温控组件、变载荷加载组件以及扭矩检测组件组成。在变载荷加载组件中，气压发生装置通过管子和压力控制阀连接，压力控制阀通过管子与气压缸连接，气压缸通过螺栓竖直方向安装在电机底板上，活塞杆安装在气压缸的上方，上下微调。试验机结构简单，测量精确，功能完整，能同时实现滑移率、润滑、温度以及负荷都可控的滚动摩擦磨损试验机。

Description

一种变载荷滚动摩擦磨损试验机

技术领域

本发明属于机械类摩擦磨损试验装置，涉及一种双电机控制的变载荷滚动摩擦磨损试验机，能够实时改变载荷大小、控制滚滑比以及控制温度的滚动摩擦磨损实验机。

背景技术

在齿轮、轴承等工作过程中，其齿面之间以及滚珠与滚道之间都是既存在滚动又存在滑动，因此其间的摩擦也包括滚动摩擦和滑动摩擦。在进行齿面失效形式机理性研究时，齿面的接触运动实质上也可以看做弧面之间的接触，因此只要在实验模拟过程中，充分的考虑接触压力、温度、润滑、表面特性以及滑滚比率，就可以利用圆柱滚子之间的滑滚接触运动来模拟齿面之间的啮合情况。

目前研究滑动摩擦的试验机较多，而研究滚动摩擦和滚滑混合摩擦的试验机还比较少。比如，在已经公开的专利申请号为CN200720039048.9、专利名称为：一种滚动摩擦磨损试验机的专利文献中，其由三个不同方位的步进电机，扭矩传感器，二维移动平台，测力传感器，滚动负荷模块和计算机控制模块构成；一台电机带动主动摩擦环试样，另外两台电机分别于控制被动摩擦环试样的前后和左右移动，通过电机带动平台的移动、测力传感器来进行载荷的施加，载荷的大小通过测力传感器来确定，这种摩擦机结构简单，测量精确，能够实现滑移率和牵引负荷连续可控；但是此类试验机的设计初衷并不是针对齿轮以及轴承等法向力较大的实验，因此并不能充分的模拟类似齿轮啮合、轴承滚动的具体工况。采用电机驱动平台的移动进行加载，加载范围较小，无法实现较大载荷的加载，加载响应速度也不是很高；并且最为主要的问题是由于加载外力在摩擦环的一侧，极易造成由于轴的变形导致摩擦环偏载接触不均匀，可能会影响实验结果的精确程度；缺乏润滑温度控制系统，不能在不同温度和不同润滑条件下进行摩擦环滚动摩擦实验。

发明内容

本发明为克服现有滚动摩擦试验机的缺陷，发明一种变载荷滚动摩擦磨损试验机，试验机采用双电机同时驱动传动组件的驱动方式，并通过气动控制的变载荷加载组件可以快速的改变两摩擦环之间的负荷大小；通过扭矩传感器可以方便的计算出为摩擦环之间摩擦力的大小、摩擦系数的大小；通过润滑温控组件可以方便的控制润滑油的温度，设置润滑工况。本变载荷摩擦磨损试验机可以在特在载荷、转速、滑移率、温度、润滑条件下对不同尺寸的摩擦环进行摩擦磨损实验，分析材料的疲劳磨损机理。试验机结构简单，测量精确，功能完整，能同时实现滑移率、润滑、温度以及负荷都可控的滚动摩擦磨损试验机。

本发明采用的技术方案是一种变载荷滚动摩擦磨损试验机，试验机采用双电机同时驱动传动组件的驱动方式，试验机由机架、左、右两个电机、传动组件、润滑温控组件、变载荷加载组件以及扭矩检测组件组成；机架的电机底板30和传动组件底板19上下焊接在一起；左、右电机1、15通过螺栓固定在电机底板30上。

在传动组件中，右带轮副13的一个带轮通过键与右电机15连接，另一个带轮通过键与右带轮轴12连接，两带轮之间通过右同步齿形带14连接。右带轮轴12通过右双轴承座18支撑，右双轴承座18通过螺栓固定在传动组件底板19上，右带轮轴12通过右联轴器11与扭矩传感器20的右侧连接，扭矩传感器20左侧通过中联轴器21和固定负载轴9连接，固定负载轴9通过中双轴承座10支撑，中双轴承座10通过螺栓固定在传动组件底板19上，固定负载轴9末端通过螺纹安装有主动摩擦环试样8，并通过锁紧螺母7锁紧；被动摩擦环试样22通过螺纹固定在移动负载轴24上，并与主动摩擦环试样8相对，移动负载轴24通过左联轴器25与左带轮轴27连接，左带轮轴27通过左双轴承座26支撑，左双轴承座26通过螺栓固定在传动组件底板19上，左带轮轴27左端通过键与左带轮副29的一个带轮连接，另一个带轮通过键与左电机1连接，两带轮之间通过左同步齿形带28连接。

在润滑温控组件中，主动摩擦环试样8和被动摩擦环试样22底部浸浴在润滑浴槽23的润滑油液中，润滑浴槽23底部通过油管与滤油器5连接，滤油器5通过储油箱3与齿轮泵4连接，储油箱3中安装有温度控制装置2，齿轮泵4连接润滑油管6，润滑油管6末端置于润滑浴槽23上方。

在变载荷加载组件中，气压发生装置43通过管子和气压控制阀42连接，气压控制阀42通过管子与气压缸35连接，气压缸35通过螺栓竖直方向安装在电机底板30上，活塞杆34安装在气压缸35的上方，可以上下微调，活塞杆34的上端顶着连接臂33，连接臂33左端通过上螺栓32、下螺栓36和左加载臂31、右加载臂41连成一体；左加载臂31和右加载臂41右上方均开有轴承孔，左加载臂31和右加载臂41通过左轴承37、右轴承40安装于移动负载轴24上，并且左加载臂31和右加载臂41端部开有螺栓孔，通过支点螺栓38和加载支座39连接，加载支座39通过螺栓固定在传动组件底板19上。

在扭矩检测组件中，扭矩传感器20通过连接线与数据采集装置17连接，数据采集装置17将采集的数据通过连接线与计算机16连接。

摩擦试验机中的左、右电机采用速度可控的变频电机；电机底板30上用于固定和调节左、右电机横向位置的螺栓孔横向为长方形；润滑浴槽23采用有机透明玻璃材质。

本发明的有益效果是：采用双变频电机的驱动形式，通过改变电机的横向位置，可以改变对滚摩擦环之间的中心距；通过设定电机转速，可以实现任意滑移率下的两摩擦环滚动摩擦磨损实验；本实验机不仅可以用于齿轮啮合表面失效的机理性研究，轴承等滚动体接触面之间即存在滚动又存在滑动的接触面之间的接触机理分析。也可以用于塑料制品及橡胶制品或者其他的复合材料的滚滑动摩擦磨损实验，可以对实验中的摩擦力、摩擦系数、磨损量进行测定，也可以记录温度——时间曲线，对于点蚀等失效形式也可以进行研究，同时也可以对不同种类的润滑油、润滑脂的长时抗磨损性能进行评定。

附图说明

图1为试验机整体正视图，图2为试验机整体俯视图，图3为试验机的变载荷加载组件正视图，图4为试验机的变载荷加载组件俯视图。其中：1—左电机，2—温度控制装置，3—储油箱，4—齿轮泵，5—滤油器，6—润滑油管，7—锁紧螺母，8—主动摩擦环试样，9—固定负载轴，10—中双轴承座，11—右联轴器，12—右带轮轴，13—右带轮副，14—右同步齿形带，15—右电机，16—计算机，17—数据采集装置，18—右双轴承座，19—传动组件底板，20—扭矩传感器，21—中联轴器，22—被动摩擦环试样，23—润滑浴槽，24—移动负载轴，25—左联轴器，26—左双轴承座，27—左带轮轴，28—左同步齿形带，29—左带轮副，30—电机底板，31—左加载臂，32—上螺栓，33—连接臂，34—活塞杆，35—气压缸，36—下螺栓，37—左轴承，38—支点螺栓，39—加载支座，40—右轴承，41—右加载臂，42—气压控制阀，43—气压发生装置。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。如图1和图2所示，试验机采用双电机同时驱动传动组件的驱动方式，形成了两条动力传递线路：右电机15通过右带轮副13、右带轮轴12、右联轴器11、扭矩传感器20、中联轴器21和固定负载轴9连接，主动摩擦环试样8通过螺纹和锁紧螺母7固定在固定负载轴9末端；左电机1通过左带轮副29、左带轮轴27、左联轴器25和移动负载轴24连接，被动摩擦环试样22通过螺纹固定在移动负载轴24。右电机15和左电机1通过螺栓固定在电机底板30上，并且电机底板30上固定电机的螺栓孔横向为长方形的，电机的位置可以横向调节，如此便可以调节对滚摩擦环的中心间距大小，也就可以改变摩擦环的曲率半径，适用于不同曲率半径的对滚摩擦环；左同步齿形带28和右同步齿形带14保证了传动的精确平稳；分别设定右电机15和左电机1的转速，其末端的主动摩擦环8和被动摩擦环22分别获得不同的转速，也就能得到不同的滑移率，由此，通过改变摩擦环的直径和电机的转速可以获得不同的摩擦环速度和滑移率。

针对现有摩擦环载荷加载方式加载范围小以及响应速率低的不足，本摩擦试验机采用了气动控制和杠杆相结合的变载荷加载方式，如图3和图4所示，气压发生装置43产生压缩空气，通过气压控制阀42控制气压缸35中气压的大小，便可以控制活塞杆34顶端对连接臂33的支撑压力；并且连接臂33左端通过上螺栓32、下螺栓36和左加载臂31、右加载臂41连成一体，它们之间完全固定，不存在有相对位移，连接臂33和左加载臂31、右加载臂41所组成的整体只能绕着支点螺栓38转动。因此，当活塞杆34顶端对连接臂33的支撑压力增加时，以图3正视图的方向看，连接臂会绕支点螺栓38逆时针方向转动，也就会带动移动负载轴24向里面偏移微量的位移，促使被动摩擦环试样22和主动摩擦环试样8之间的接触压力增加。以此可知，由于采用了气动控制的加力方式，响应快速准确，并且在实验中，通过气压控制阀42控制气压缸35气体压力的大小，也就改变了加载力的大小；并且力的传递是通过左加载臂31、右加载臂41传递给被动摩擦环试样22，左加载臂31和右加载臂41左右对称布置在被动摩擦环试样22的两侧，因此不会出现偏载的情况，力的加载准确迅速。左加载臂31、右加载臂41、连接臂33和支点螺栓38组成了一个杠杆机构，还具有放大的功能，因此可以采用较小的气动力，便可以获得较大的接触负载，节能省电，并且从上可知，对滚摩擦环之间的负载大小是通过气压缸35中气体压力来控制的，并不受活塞杆34的位置的影响，因此，当对滚摩擦环发生摩擦磨损后，其之间的接触力并不会发生改变，其还具有自动补偿的功能。

本摩擦磨损试验机的润滑温控组件可以控制实验过程中润滑油的温度，如图2所示，图示的润滑温控组件采用的是液态的润滑油，储油箱3中安装有温度控制装置2，温度控制装置2由温度测量部分和温度调节部分组成，采用电控的方式，控制精度较高，可以在较大的范围内调节润滑油的温度；并且储油箱3的材料也是保温材料，可以使润滑油的温度波动较小；齿轮泵4的排量为10-30ml/r，齿轮泵4将储油箱中的润滑油带到对滚摩擦环上，对其进行润滑，润滑油落到润滑浴槽23后，通过滤油器5和储油箱3连接，滤油器5对润滑油过滤处理，保证了油液的循环利用，也节约了成本。

其扭矩检测组件中扭矩传感器20和数据采集装置17将采集的各种工况下的扭矩信息直接传给计算机16，通过计算机16可以方便的实时检测记录实验过程中的扭矩的变化，通过计算机软件也很容易换算出摩擦力、摩擦系数的大小，也可以记录温度——时间曲线等，观察研究试件的疲劳寿命、失效机理、判断试件是否失效等。

实验时，按照试验要求，将不同曲率半径的主动摩擦环试样8和被动摩擦环试样22分别安装于固定负载轴9和移动负载轴24上，端部采用螺母锁紧。为消除边缘的影响，主动摩擦环试样8的宽度应略微大于被动摩擦环试样22的宽度；主动摩擦试样8和被动摩擦试样22底端都浸于润滑浴槽23内的油液中，由于润滑浴槽23采用有机透明玻璃材质，所以可以实时的观测实验工况，。

然后按照试验的要求，设定润滑油的温度，通过温度控制装置2来观察油温，直到润滑油温度达到所设定的温度并保持稳定，接下来通过变载荷加载组件设定对滚摩擦环之间的压力，变载荷加载部分是具有一定的放大作用，应事先将所需的压力换算为气缸内气体的压力，通过调节气压控制阀42来调节气缸的压力，待压力恒定时，分别按照转速和滑移率设定左电机1和右电机15的转速，便可实现特定滑移率、特定载荷、特定润滑、特定温度下的滚动摩擦磨损实验；如需在实验过程中改变滑移率的大小，只需要改变左电机1和右电机15的转速即可；如需改变载荷的大小，可以通过调节压力控制阀42控制气压缸35的压力；如需改变润滑油的温度，只需设定温度控制装置2的温度，便可改变润滑油温度的高低；由此可知，通过上述的方法，本变载荷摩擦磨损试验机可实现各种不同曲率半径的不同材料在各种载荷、转速、温度和润滑条件下滚动接触摩擦磨损实验，分析不同材料的抗疲劳和抗黏着性能，实验过程中便可以对摩擦力、摩擦系数等参数通过扭矩传感器20以及计算机16进行测定以及记录温度——时间曲线，待试验结束后，可以对磨损量以及表面抗摩擦磨损性能进行更深一步观测，记录温度——时间曲线，对于点蚀等失效形式也可以进行研究；当然利用同一个对滚摩擦环试样也可以通过采用不同种类的润滑油，对不同种类的润滑油、润滑脂的长时抗磨损性能进行评定。

因此，本摩擦磨损试验机的特点是可以很方便的设定对滚摩擦环的接触载荷、滚滑比、润滑温度等参数的大小，并能够实时改变，模拟不同材料在不同润滑工况下的摩擦磨损性能。

Claims (2)

1.一种变载荷滚动摩擦磨损试验机，其特征是，试验机采用双电机同时驱动传动组件的驱动方式，试验机由机架、左右两个电机、传动组件、润滑温控组件、变载荷加载组件以及扭矩检测组件组成；机架的电机底板（30）和传动组件底板（19）上下焊接在一起；左、右电机（1、15）通过螺栓固定在电机底板（30）上；

在传动组件中，右带轮副（13）中的一个带轮通过键与右电机（15）连接，另一个带轮通过键与右带轮轴（12）连接，两带轮之间通过右同步齿形带（14）连接；右带轮轴（12）通过右双轴承座（18）支撑，右双轴承座（18）通过螺栓固定在传动组件底板（19）上，右带轮轴（12）通过右联轴器（11）与扭矩传感器（20）的右侧连接，扭矩传感器（20）左侧通过中联轴器（21）和固定负载轴（9）连接，固定负载轴（9）通过中双轴承座（10）支撑，中双轴承座（10）通过螺栓固定在传动组件底板（19）上，固定负载轴（9）末端通过螺纹安装有主动摩擦环试样（8），并通过锁紧螺母（7）锁紧；被动摩擦环试样（22）通过螺纹固定在移动负载轴（24）上，并与主动摩擦环试样（8）相对，移动负载轴（24）通过左联轴器（25）与左带轮轴（27）连接，左带轮轴（27）通过左双轴承座（26）支撑，左双轴承座（26）通过螺栓固定在传动组件底板（19）上，左带轮轴（27）左端通过键与左带轮副（29）的一个带轮连接，另一个带轮通过键与左电机（1）连接，两带轮之间通过左同步齿形带（28）连接；

在润滑温控组件中，主动摩擦环试样（8）和被动摩擦环试样（22）底部浸浴在润滑浴槽（23）的润滑油液中，润滑浴槽（23）底部通过油管与滤油器（5）连接，滤油器（5）通过储油箱（3）与齿轮泵（4）连接，储油箱（3）中安装有温度控制装置（2），齿轮泵（4）连接润滑油管（6），润滑油管（6）末端置于润滑浴槽（23）上方；

在变载荷加载组件中，气压发生装置（43）通过管子和压力控制阀（42）连接，压力控制阀（42）通过管子与气压缸（35）连接，气压缸（35）通过螺栓竖直方向安装在电机底板（30）上，活塞杆（34）安装在气压缸（35）的上方，上下微调，活塞杆（34）的上端顶着连接臂（33），连接臂（33）左端通过上螺栓（32）、下螺栓（36）和左加载臂（31）、右加载臂（41）连成一体；左加载臂（31）和右加载臂（41）右上方均开有轴承孔，左加载臂（31）和右加载臂（41）通过左轴承（37）、右轴承（40）安装于移动负载轴（24）上，并且左加载臂（31）和右加载臂（41）端部开有螺栓孔，通过支点螺栓（38）和加载支座（39）连接，加载支座（39）通过螺栓固定在传动组件底板（19）上；

在扭矩检测组件中，扭矩传感器（20）通过连接线与数据采集装置（17）连接，数据采集装置（17）将采集的数据通过连接线与计算机（16）连接。

2.如权利要求1所述的变载荷滚动摩擦磨损试验机，其特征在于：摩擦试验机中的左、右电机采用速度可控的变频电机；电机底板（30）上用于固定和调节左、右电机横向位置的螺栓孔横向为长方形；润滑浴槽（23）采用有机透明玻璃材质。