CN104237041B

CN104237041B - 湿度可控的摩擦磨损试验机

Info

Publication number: CN104237041B
Application number: CN201410509027.3A
Authority: CN
Inventors: 唐玮; 张建凯; 朱华; 孙国栋; 时晓露; 张少刚; 葛世荣
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2014-09-28
Filing date: 2014-09-28
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2034-09-28
Also published as: CN104237041A

Abstract

一种湿度可控的摩擦磨损试验机。该试验机有一个工作台仓，主轴电机固定在工作台仓的下层内部，主轴电机连接下夹具，下夹具和工作台仓连接处安装有推力球轴承；下试样安装在下夹具上，下夹具和下试样外围罩装有环境箱，环境箱底部带有内嵌凸台，顶部带有圆孔，环境箱内侧底部安装有STH11数字式温湿度传感器，顶部安装有通气弹簧按钮开关；上试样固定于上夹具上，上夹具与三轴力传感器相连，三轴力传感器与垫块通过螺栓相连接；伺服电机连接锥齿轮对，丝杠轴与工作台仓连接处安装有丝杠轴承，丝杠螺母连接加载套筒，加载套筒的外围有立柱梁。使用该湿度可控的摩擦磨损试验机不仅可以智能控制实验的湿度，而且稳定性好，可以减少材料摩擦磨损的损耗。

Description

湿度可控的摩擦磨损试验机

技术领域

本发明涉及一种摩擦磨损测试仪器，尤其是针对实验中在高湿度复杂条件下智能控制的一种湿度可控的摩擦磨损试验机。

背景技术

目前，公知的材料摩擦磨损现象是普遍存在的，据估计世界工业能源的 1/3 是被摩擦磨损损耗掉的，尤其是在极干燥或极湿润的环境下更易发生摩擦磨损现象，因此，摩擦磨损的研究在诸多领域都有着重要的意义，而摩擦磨损现象、理论、影响因素以及减磨耐磨材料的开发研究离不开摩擦磨损试验机，当前，各类的摩擦磨损试验机虽然很多但是缺少可以智能控制实验湿度的摩擦磨损试验机，特别是低湿实验环境的控制，另外也有通过调节实验室大环境的湿度来控制实验湿度，但是湿度过大的实验环境会对摩擦磨损试验机的工作稳定性产生影响，而且达到其要求的湿度耗时长，稳定性较差。

发明内容

为了克服现有摩擦磨损试验机的不足，本发明提供了一种湿度可控的摩擦磨损试验机，该湿度可控的摩擦磨损试验机不仅可以智能控制实验的湿度，而且稳定性好，可以减少材料摩擦磨损的损耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该湿度可控的摩擦磨损试验机包括工作台仓、主轴电机、电机安装梁、主轴电机联轴器、推力球轴承、下夹具、下试样、通气弹簧按钮开关、锥齿轮对、锥齿轮轴、伺服电机联轴器、伺服电机、丝杠轴承、丝杠轴、丝杠螺母、防旋滚轮、立柱梁、加载套筒、垫块、三轴力传感器、上夹具、上试样、环境箱和 STH11 数字式温湿度传感器。

该湿度可控的摩擦磨损试验机有一个封闭的工作台仓，工作台仓分为上、中、下三层，主轴电机通过电机安装梁固定在工作台仓的下层内部，主轴电机通过主轴电机联轴器连接下夹具，下夹具和工作台仓连接处安装有推力球轴承；下试样安装在下夹具上，通过下夹具的中间凸台对下试样进行中心定位，通过固定在下夹具上的销来防止下试样相对于下夹具旋转；下夹具和下试样外围罩装有环境箱，环境箱底部带有内嵌凸台，用于插入工作台仓的带有密封橡胶条的凹槽中，顶部带有与上夹具配合的圆孔，圆孔内有密封橡胶垫圈，环境箱通过凹凸面密封的方式实现良好的密封效果，环境箱采用透明的亚克力板材料制成，使得实验中能方便地观察环境箱内摩擦副的情况；环境箱内侧底部安装有 STH11 数字式温湿度传感器，顶部安装有通气弹簧按钮开关；调节环境箱内湿度时，需打开通气弹簧按钮开关，使环境箱与外界连通，实现对环境箱的换气，从而改变湿度，当湿度调节到预设值，加湿系统和干燥系统都停止工作时，关闭通气弹簧按钮开关；上试样通过螺栓固定于上夹具上，上夹具通过螺栓与三轴力传感器相连，三轴力传感器与垫块通过螺栓相连接；在工作台仓的最上层设有加载装置，在加载装置中，伺服电机横向通过伺服电机联轴器、锥齿轮轴连接锥齿轮对，将水平轴转动变为竖直轴的转动；锥齿轮竖直轴为丝杠轴，丝杠轴与工作台仓连接处安装有丝杠轴承，采用的是推力球轴承，丝杠轴的旋转运动能转变成丝杠螺母的上下平动，丝杠螺母通过沉头螺栓连接加载套筒，加载套筒一侧有一条形槽口，为了防止加载过程中丝杠螺母和加载套筒的转动，在加载套筒的外围设有立柱梁，在立柱梁的一侧焊接有防旋滚轮，当加载套筒上下移动时，防旋滚轮沿着加载套筒的条形槽上下滑动，防止加载套筒旋转而影响加载，加载套筒与垫块连接，实现加载，加载的法向力由三轴力传感器测出，通过变送器后送至处理器，并根据设定的载荷值控制伺服电机的工作；下夹具和上夹具的部分置于环境箱内，加湿系统主要由橡胶输气导管和超声波加湿器组成，单片机系统控制超声波加湿器的工作，将湿润空气通过橡胶输气导管通入环境箱中；干燥系统主要由橡胶输气导管、 U 型干燥管和微型电动隔膜泵组成，微型电动隔膜泵用于空气的排出，其排气圆孔与橡胶输气导管相连，橡胶输气导管另一端连接 U 型干燥管， U 型干燥管中放置分子筛干燥剂，干燥过程采用多级干燥的方法，即通过多个 U 型管串联 的方式得到更加干燥的气体；单片机系统控制微型电动隔膜泵的工作，将干燥后的空气通过橡胶输气导管通入环境箱中。

环境箱湿度控制系统总体电路，它是以 AT89C52 单片机模块为核心，包括温湿度检测电路、电机驱动电路、功能按键电路、 LCD 液晶显示电路、电源电路、晶振电路以及复位电路。

温湿度检测电路采用 SHT11 数字式温湿度传感器作为温湿度测试元件， SHT11 的引脚 2 为 DATA 端，接单片机的引脚 14 ；引脚 3 为 CLK 端，接单片机的引脚 15 ，该电路实现了环境箱温湿度的检测。

电机驱动电路采用 L298N 模块，该模块设有 15 个引脚，其中引脚 5 、 7 、 10 、 12 分别接单片机的引脚 1 、 2 、 3 、 4 ，用来输入控制电平，控制电机的正反转；引脚 6 、 11 为控制使能端，分别接单片机的引脚 13 、 12 ，控制电机的停转；引脚 13 、 14 和引脚 2 、 3 之间分别接两个电动机 M1 、 M2 ，该电路用于控制加湿系统和干燥系统电机的工作。

功能按键电路采用 4 × 3 的矩阵键盘，引脚 1 、 2 、 3 、 4 为行线引脚，分别接单片机的引脚 39 、 38 、 37 、 36 ；引脚 5 、 6 、 7 为列线引脚 ，分别接单片机的引脚 35 、 34 、 33 ，在行线和列线的每个交叉点上设置 1 个按键，可以通过该电路的键盘输入预先需要设定的相对湿度范围。

液晶显示电路采用 LCD1602 ，该模块设有 16 个引脚，其中引脚 1 接地，引脚 2 接 5V 电源，引脚 4 、 5 、 6 分别接单片机的引脚 8 、 7 、 6 ；引脚 7 ～ 14 分别接单片机引脚 21 ～ 28 ，该电路能够显示当前温湿度值以及预设的目标相对湿度范围。

电源电路将 220V 交流电经过变压器降压，再经过桥式整流电路进行整流，而后接滤波电容进行滤波，输出脉动的直流电，再由三端稳压芯片 7812 进行稳压，输出 12V 直流电压，最后在 7812 输出级加 7805 稳压电路输出 5V 电压 , 接到单片机的引脚 40 ，该电路把外部接入的 220V 市电转化为系统中各个模块所需的电压。

晶振电路采用 12M 晶振，引脚 XTAL1 、 XTAL2 分别接单片机引脚 18 、 19 ，用来给单片机提供工作信号脉冲。

复位电路接单片机引脚 9 ，当单片机发出错误指令、执行错误操作时，使单片机复位，程序重新开始运行。

本发明的有益效果是：使用该湿度可控的摩擦磨损试验机不仅可以智能控制实验的湿度，而且稳定性好，可以减少材料摩擦磨损的损耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图 1 是本发明的剖面示意图。

图 2 是本发明的电路原理图。

图中 1. 工作台仓， 2. 主轴电机， 3. 电机安装梁， 4. 主轴电机联轴器， 5. 推力球轴承， 6. 下夹具， 7. 下试样， 8. 通气弹簧按钮开关， 9. 锥齿轮对， 10. 锥齿轮轴， 11. 伺服电机联轴器， 12. 伺服电机， 13. 丝杠轴承， 14. 丝杠轴， 15. 丝杠螺母， 16. 防旋滚轮， 17. 立柱梁， 18. 加载套筒， 19. 垫块， 20. 三轴力传感器， 21. 上夹具， 22. 上试样， 23. 环境箱， 24. STH11 数字式温湿度传感器。

具体实施方式

在图中，该湿度可控的摩擦磨损试验机包括工作台仓 1 、主轴电机 2 、电机安装梁 3 、主轴电机联轴器 4 、推力球轴承 5 、下夹具 6 、下试样 7 、通气弹簧按钮开关 8 、锥齿轮对 9 、锥齿轮轴 10 、伺服电机联轴器 11 、伺服电机 12 、丝杠轴承 13 、丝杠轴 14 、丝杠螺母 15 、防旋滚轮 16 、立柱梁 17 、加载套筒 18 、垫块 19 、三轴力传感器 20 、上夹具 21 、上试样 22 、环境箱 23 和 STH11 数字式温湿度传感器 24 。

在图 1 中，该湿度可控的摩擦磨损试验机有一个封闭的工作台仓 1 ，工作台仓 1 分为上、中、下三层，主轴电机 2 通过电机安装梁 3 固定在工作台仓 1 的下层内部，主轴电机 2 通过主轴电机联轴器 4 连接下夹具 6 ，下夹具 6 和工作台仓 1 连接处安装有推力球轴承 5 ；下试样 7 安装在下夹具 6 上，通过下夹具 6 的中间凸台对下试样 7 进行中心定位，通过固定在下夹具 6 上的销来防止下试样 7 相对于下夹具 6 旋转；下夹具 6 和下试样 7 外围罩装有环境箱 23 ，环境箱 23 底部带有内嵌凸台，用于插入工作台仓 1 的带有密封橡胶条的凹槽中，顶部带有与上夹具 21 配合的圆孔，圆孔内有密封橡胶垫圈，环境箱 23 通过凹凸面密封的方式实现良好的密封效果，环境箱 23 采用透明的亚克力板材料制成，使得实验中能方便地观察环境箱 23 内摩擦副的情况；环境箱 23 内侧底部安装有 STH11 数字式温湿度传感器 24 ，顶部安装有通气弹簧按钮开关 8 ；调节环境箱 23 内湿度时，需打开通气弹簧按钮开关 8 ，使环境箱 23 与外界连通，实现对环境箱 23 的换气，从而改变湿度，当湿度调节到预设值，加湿系统和干燥系统都停止工作时，关闭通气弹簧按钮开关 8 ；上试样 22 通过螺栓固定于上夹具 21 上，上夹具 21 通过螺栓与三轴力传感器 20 相连，三轴力传感器 20 与垫块 19 通过螺栓相连接；在工作台仓 1 的最上层设有加载装置，在加载装置中，伺服电机 12 横向通过伺服电机联轴器 11 、锥齿轮轴 10 连接锥齿轮对 9 ，将水平轴转动变为竖直轴的转动；锥齿轮竖直轴为丝杠轴 14 ，丝杠轴 14 与工作台仓 1 连接处安装有丝杠轴承 13 ，采用的是推力球轴承 5 ，丝杠轴 14 的旋转运动能转变成丝杠螺母 15 的上下平动，丝杠螺母 15 通过沉头螺栓连接加载套筒 18 ，加载套筒 18 一侧有一条形槽口，为了防止加载过程中丝杠螺母 15 和加载套筒 18 的转动，在加载套筒 18 的外围设有立柱梁 17 ，在立柱梁 17 的一侧焊接有防旋滚轮 16 ，当加载套筒 18 上下移动时，防旋滚轮 16 沿着加载套筒 18 的条形槽上下滑动，防止加载套筒 18 旋转而影响加载，加载套筒 18 与垫块 19 连接，实现加载，加载的法向力由三轴力传感器 20 测出，通过变送器后送至处理器，并根据设定的载荷值控制伺服电机 12 的工作；下夹具 6 和上夹具 21 的部分置于环境箱 23 内，加湿系统主要由橡胶输气导管和超声波加湿器组成，单片机系统控制超声波加湿器的工作，将湿润空气通过橡胶输气导管通入环境箱 23 中；干燥系统主要由橡胶输气导管、 U 型干燥管和微型电动隔膜泵组成，微型电动隔膜泵用于空气的排出，其排气圆孔与橡胶输气导管相连，橡胶输气导管另一端连接 U 型干燥管， U 型干燥管中放置分子筛干燥剂，干燥过程采用多级干燥的方法，即通过多个 U 型管串联 的方式得到更加干燥的气体；单片机系统控制微型电动隔膜泵的工作，将干燥后的空气通过橡胶输气导管通入环境箱 23 中。

图 2 为环境箱 23 湿度控制系统总体电路原理图，它以 AT89C52 单片机模块为核心，包括温湿度检测电路、电机驱动电路、功能按键电路、 LCD 液晶显示电路、电源电路、晶振电路以及复位电路。

温湿度检测电路采用 SHT11 数字式温湿度传感器作为温湿度测试元件， SHT11 的引脚 2 为 DATA 端，接单片机的引脚 14 ；引脚 3 为 CLK 端，接单片机的引脚 15 ，该电路实现了环境箱 23 温湿度的检测。

复位电路接单片机引脚 9 ，当单片机发出错误指令、执行错误操作时，使单片机复位，程序重新开始运行。

Claims

1.湿度可控的摩擦磨损试验机，包括工作台仓（1）、主轴电机（2）、电机安装梁（3）、主轴电机联轴器（4）、推力球轴承（5）、下夹具（6）、下试样（7）、通气弹簧按钮开关（8）、锥齿轮对（9）、锥齿轮轴（10）、伺服电机联轴器（11）、伺服电机（12）、丝杠轴承（13）、丝杠轴（14）、丝杠螺母（15）、防旋滚轮（16）、立柱梁（17）、加载套筒（18）、垫块（19）、三轴力传感器（20）、上夹具（21）、上试样（22）、环境箱（23）和 STH11数字式温湿度传感器（24）；其特征是：该湿度可控的摩擦磨损试验机有一个封闭的工作台仓（1），工作台仓（1）分为上、中、下三层，主轴电机（2）通过电机安装梁（3）固定在工作台仓（1）的下层内部，主轴电机（2）通过主轴电机联轴器（4）连接下夹具（6），下夹具（6）和工作台仓（1）连接处安装有推力球轴承（5）；下试样（7）安装在下夹具（6）上，通过下夹具（6）的中间凸台对下试样（7）进行中心定位，通过固定在下夹具（6）上的销来防止下试样（7）相对于下夹具（6）旋转；下夹具（6）和下试样（7）外围罩装有环境箱（23），环境箱（23）底部带有内嵌凸台，用于插入工作台仓（1）的带有密封橡胶条的凹槽中，顶部带有与上夹具（21）配合的圆孔，圆孔内有密封橡胶垫圈，环境箱（23）通过凹凸面密封的方式实现良好的密封效果，环境箱（23）采用透明的亚克力板材料制成，使得实验中能方便地观察环境箱（23）内摩擦副的情况；环境箱（23）内侧底部安装有STH11数字式温湿度传感器（24），顶部安装有通气弹簧按钮开关（8）；调节环境箱（23）内湿度时，需打开通气弹簧按钮开关（8），使环境箱（23）与外界连通，实现对环境箱（23）的换气，从而改变湿度，当湿度调节到预设值，加湿系统和干燥系统都停止工作时，关闭通气弹簧按钮开关（8）；上试样（22）通过螺栓固定于上夹具（21）上，上夹具（21）通过螺栓与三轴力传感器（20）相连，三轴力传感器（20）与垫块（19）通过螺栓相连接；在工作台仓（1）的最上层设有加载装置，在加载装置中，伺服电机（12）横向通过伺服电机联轴器（11）、锥齿轮轴（10）连接锥齿轮对（9），将水平轴转动变为竖直轴的转动；锥齿轮竖直轴为丝杠轴（14），丝杠轴（14）与工作台仓（1）连接处安装有丝杠轴承（13），采用的是推力球轴承（5），丝杠轴（14）的旋转运动能转变成丝杠螺母（15）的上下平动，丝杠螺母（15）通过沉头螺栓连接加载套筒（18），加载套筒（18）一侧有一条形槽口，为了防止加载过程中丝杠螺母（15）和加载套筒（18）的转动，在加载套筒（18）的外围设有立柱梁（17），在立柱梁（17）的一侧焊接有防旋滚轮（16），当加载套筒（18）上下移动时，防旋滚轮（16）沿着加载套筒（18）的条形槽上下滑动，防止加载套筒（18）旋转而影响加载，加载套筒（18）与垫块（19）连接，实现加载，加载的法向力由三轴力传感器（20）测出，通过变送器后送至处理器，并根据设定的载荷值控制伺服电机（12）的工作；下夹具（6）和上夹具（21）的部分置于环境箱（23）内，加湿系统主要由橡胶输气导管和超声波加湿器组成，单片机系统控制超声波加湿器的工作，将湿润空气通过橡胶输气导管通入环境箱（23）中；干燥系统主要由橡胶输气导管、U型干燥管和微型电动隔膜泵组成，微型电动隔膜泵用于空气的排出，其排气圆孔与橡胶输气导管相连，橡胶输气导管另一端连接U型干燥管，U型干燥管中放置分子筛干燥剂，干燥过程采用多级干燥的方法，即通过多个U型管串联的方式得到更加干燥的气体；单片机系统控制微型电动隔膜泵的工作，将干燥后的空气通过橡胶输气导管通入环境箱（23）中。

2.根据权利要求1所述的湿度可控的摩擦磨损试验机，其电路结构特征是：环境箱（23）湿度控制系统的总体电路是以AT89C52单片机模块为核心，包括温湿度检测电路、电机驱动电路、功能按键电路、LCD液晶显示电路、电源电路、晶振电路以及复位电路；温湿度检测电路采用SHT11数字式温湿度传感器作为温湿度测试元件， SHT11的引脚2为DATA端，接单片机的引脚14；引脚3为CLK端，接单片机的引脚15，该电路实现了环境箱（23）温湿度的检测；电机驱动电路采用L298N模块，该模块设有15个引脚，其中引脚5、7、10、12分别接单片机的引脚1、2、3、4，用来输入控制电平，控制电机的正反转；引脚6、11为控制使能端，分别接单片机的引脚13、12，控制电机的停转；引脚13、14和引脚2、3之间分别接两个电动机M1、M2，该电路用于控制加湿系统和干燥系统电机的工作；功能按键电路采用4×3的矩阵键盘，引脚1、2、3、4为行线引脚，分别接单片机的引脚39、38、37、36；引脚5、6、7为列线引脚，分别接单片机的引脚35、34、33，在行线和列线的每个交叉点上设置1个按键，可以通过该电路的键盘输入预先需要设定的相对湿度范围；LCD液晶显示电路采用LCD1602，该模块设有16个引脚，其中引脚1接地，引脚2接5V电源，引脚4、5、6分别接单片机的引脚8、7、6；引脚7～14分别接单片机引脚21～28，该电路能够显示当前温湿度值以及预设的目标相对湿度范围；电源电路将220V交流电经过变压器降压，再经过桥式整流电路进行整流，而后接滤波电容进行滤波，输出脉动的直流电，再由三端稳压芯片7812进行稳压，输出12V直流电压，最后在7812输出级加7805稳压电路输出5V电压,接到单片机的引脚40，该电路把外部接入的220V市电转化为系统中各个模块所需的电压；晶振电路采用12M晶振，引脚XTAL1、XTAL2分别接单片机引脚18、19，用来给单片机提供工作信号脉冲；复位电路接单片机引脚9，当单片机发出错误指令、执行错误操作时，使单片机复位，程序重新开始运行。