CN104913870A - 摩擦力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种摩擦力测量装置，主要包括驱动电机支撑架、外部支撑平台、驱动电机、十字旋转架、转矩测量仪、外部环形电磁铁、密封腔固定架、密封腔、内部支撑平台支柱、内部支撑平台、盘状摩擦材料试样、内部环形电磁铁、电磁加热器、空心定位螺杆、温度传感器、压强测量仪、入口限压安全阀和出口限压安全阀。本发明将摩擦副放置于密封腔体内部，通过温度传感器、压强传感器的反馈调节电磁加热的温控系统，从而获得不同介质条件、不同温度和压力的环境，能够测量常温常压、常温高压、高温常压和高温高压等各种工况下的摩擦力。

Description

摩擦力测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及测试装置，特别涉及一种摩擦力测量装置及测量方法。

技术背景

太空、深海、矿井等各种恶劣环境中，各种设备的工况并不再是简单的常温常压。不管是在高压深海环境中挖掘石油、航天器冲破高温大气层以及高温高压核电水堆的密封等各种苛刻的工况下，摩擦力都发挥着至关重要的作用。

实际工况中，有时需要减小摩擦力以提高设备寿命，有时又需要增大摩擦力，如利用摩擦力进行密封等。然而现有技术设备并不能实现在这些特殊工况下实时测量摩擦力，即使能够实现实时测量也需要花费不菲的人力物力资源，并且对测量技术有着严格的要求。若对高温高压的特殊环境加以模拟，那测量特殊工况下的摩擦力将会极大地降低技术要求以及资源成本，并且能够通过技术手段提供测量精度。

经过对现有技术文献的检索发现，目前针对测量摩擦力提出了不同的技术方案。如中国专利CN00108908.0公开了一种能够自动连续记录速度和摩擦系数的动摩擦系数测量装置，其结构包含带有测量摩擦力功能的盘形橡胶原件，该盘形件被驱动件驱动，当盘形橡胶原件与被测表面接触后产生摩擦力，由于摩擦力的作用使得盘形橡胶件转动速度降低，并且致使盘形橡胶件和驱动盘之间产生扭转，利用动力计测量盘形橡胶件和驱动盘之间的扭矩。利用这种装置可以得到连续速度下的摩擦力，但是该装置也仅仅局限于测量类似于轮胎表面与公路路面接触工况下的摩擦力，难以应用到高温、高压的工况下；

再如中国专利CN201210314985.6公开了一种法向压力可调的平板滑动摩擦测量装置。该装置包含正压力可调的平板夹持机构以及平板定位台。当对被夹持平板施加一定正压力后利用伺服压力机拉动平板，通过调节正压力使得平板匀速运动，并且测得此时的正压力与拉力即可以得到相应的摩擦系数。该装置可以实现不同平板材料、不同平板厚度以及不同正压力条件下的摩擦力测量，但是该种测量难度较大，不便操作；

又如中国专利CN200820060066.X公开了一种基于力学原理的摩擦测量装置。该装置包含电机驱动的摩擦轮、管道夹具及弹簧。材料式样通过弹簧作用后与摩擦轮接触。待摩擦轮匀速转动时测得正压力以及转矩便可以求得动摩擦系数。该装置测量简单，且使用效率高，但是该装置对摩擦轮子的机械加工精度以及装配精度要求较高，若摩擦轮子出现偏心转动会使得正压力波动，影响测量精度，且容易破坏试验材料。

中国专利CN201310449208.7公开了一种能够测量在高速工况下摩擦润滑性能的装置。该装置通过位移调节系统使盘和球接触，通过加载系统使盘和球产生相对运动。通过拉压传感器测量所述盘和所述球之间的摩擦力。该装备可以在高速运行条件下测量装备摩擦副之间的摩擦力，但是该装置操作复杂，易出现球、盘接触区摩擦力方向不一致，影响测量精度。

发明内容

本发明的目的，就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种新的摩擦力测量装置及测量方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：一种摩擦力测量装置，其包括：

驱动电机支撑架；

外部支撑平台，连接在驱动电机支撑架上方；

驱动电机，安装在驱动电机支撑架内，其驱动轴穿过外部支撑平台向上伸出；

十字旋转架，安装在驱动电机的驱动轴上，其顶部设有开口向内的环形沟槽；

转矩测量仪，安装在驱动电机的驱动轴上；

外部环形电磁铁，嵌装在十字旋转架顶部的环形沟槽内；

密封腔固定架，安装在外部支撑平台上，是由两立柱和一横梁组成的框架；

密封腔，吊装在密封腔固定架的横梁下方；

内部支撑平台支柱，设置在密封腔内的下部；

内部支撑平台，架设在内部支撑平台支柱上并与密封腔内壁活动相连；

盘状摩擦材料试样，设置在内部支撑平台的上端面；

内部环形电磁铁，对称设置在内部支撑平台的上下端面，上端面的内部环形电磁铁布置在盘状摩擦材料试样的周围；

电磁加热器，设置在密封腔内的底部；

空心定位螺杆，安装在密封腔的上部腔体上并上下贯通，空心定位螺杆内从上到下顺序设有密封顶盖、压力传感器和柱状摩擦材料试样，柱状摩擦材料试样的下端与盘状摩擦材料试样的上端面抵触相连；

温度传感器，安装在密封腔的上部腔体上；

压强测量仪，安装在盘状摩擦材料试样上；

入口限压安全阀，安装在密封腔的上部腔体上；

出口限压安全阀，安装在密封腔的下部腔体上。

所述密封腔包括上半腔体和下半腔体，上半腔体和下半腔体之间通过紧固螺栓连接，并且在连接面上设有两道环形密封圈。

所述密封腔内的底部固定有滚珠轴承，所述内部支撑平台支柱的下端安装在该滚珠轴承上。

所述内部支撑平台的外缘设有环槽，所述密封腔内壁设有对应的环槽，双方环槽组合成截面呈圆形的环形滑道，滑道内嵌装有多个滚珠，内部支撑平台通过滚珠与密封腔内壁活动相连。

所述空心定位螺杆上部设有内螺纹，内螺纹下方设有锥形台阶，锥形台阶下方为光滑直管段；所述密封顶盖通过上述内螺纹与空心定位螺杆螺纹连接；所述柱状摩擦材料试样上部设有锥形体，柱状摩擦材料试样通过该锥形体定位在所述锥形台阶上。

所述驱动电机配有可更换的减速器，通过更换减速器可改变内部支撑平台的旋转速度。

基于上述摩擦力测量装置的摩擦力测量方法，包括以下步骤：

7.1、安装摩擦材料试样，将盘状摩擦材料试样安装在内部支撑平台的上端面；将柱状摩擦材料试样放置在空心定位螺杆内，将压力传感器放置在柱状摩擦材料试样上，盖上密封顶盖；通过调节空心定位螺杆使柱状摩擦材料试样与盘状摩擦材料试样接触，再通过调节密封顶盖获得实验工况设定的正压力；

7.2、模拟实验工况，通过开启或关闭电磁加热器调节密封腔内的温度，并通过温度传感器反馈的温度数据控制电磁加热器的使用状态；通过调节入口限压安全阀和出口限压安全阀的压强阈值调节密封腔内的压强，通过入口限压安全阀向密封腔内输入高压气体并通过压强测量仪反馈的压强数据控制其输入；

7.3、产生摩擦力，开启外部环形电磁铁与内部环形电磁铁，开启驱动电机，十字旋转架及外部环形电磁铁在驱动电机的带动下转动，内部支撑平台在磁场力的作用下转动，使得柱状摩擦材料试样与盘状摩擦材料试样之间产生摩擦力；

7.4、测量摩擦力，开启转矩测量仪，待测得转矩数值稳定时读取驱动电机输出的转矩以及由压力传感器反馈的正压力，根据设计的柱状摩擦材料试样到转动中心的距离参数测得相应工况下的摩擦力。

所述实验工况包括常温常压、常温高压、高温常压和高温高压。

与现有的摩擦测量装置相比，本发明具有以下优点：

1)将摩擦副放置于密封腔体内部，通过温度传感器、压强传感器的反馈调节电磁加热的温控系统，从而获得不同介质条件、不同温度和压力的环境。因此该摩擦测量装置能够测得在高温高压特殊工况下的摩擦力。

2)柱状摩擦材料试样与盘状摩擦材料试样均可拆卸，摩擦副材料更换方便，从而可以方便测得各种摩擦材料试样间的摩擦力。

3)内、外部结构间通过磁力驱动，且内部支撑平台与密封腔体内壁通过滚珠支撑导向。此外，柱状摩擦材料试样位于定位螺杆内，提高了柱状摩擦材料试样的刚度，使得摩擦副之间的运动平稳，因此测量精度高，稳定性好。

4)利用整个系统受力平衡，即电机输出转矩与摩擦材料试样间的摩擦力产生的转矩相等，因此只需测量驱动电机输出转矩即可简便算出摩擦材料试样间的摩擦力。测量原理简单，测量方法简便且易于操作。

附图说明

图1为摩擦力测量装置的整体外观图；

图2为摩擦力测量装置内部结构剖视图的正等侧视图；

图3为摩擦力测量装置的压力调节系统的正面剖视图；

图4为摩擦力测量装置内部结构剖视图的前视图；

图5为摩擦力测量装置内部结构的正等侧视图；

图6为摩擦力测量装置密封结构以及滚珠局部视图。

具体实施方法

参见图1至图6，本发明的摩擦力测量装置，包括驱动电机支撑架1，连接在驱动电机支撑架上方的外部支撑平台2，安装在驱动电机支撑架内的驱动电机3，驱动电机3的驱动轴穿过外部支撑平台2向上伸出；安装在驱动电机驱动轴上的十字旋转架4，其顶部设有开口向内的环形沟槽；安装在驱动电机驱动轴上的转矩测量仪5，嵌装在十字旋转架顶部的环形沟槽内的外部环形电磁铁6，安装在外部支撑平台上的密封腔固定架7，密封腔固定架7是由两立柱和一横梁组成的框架；吊装(通过多个固定螺栓81连接固定)在密封腔固定架的横梁下方的密封腔8，设置在密封腔内的下部的内部支撑平台支柱9，架设在内部支撑平台支柱上的内部支撑平台10，内部支撑平台10与密封腔内壁活动相连；设置在内部支撑平台的上端面的盘状摩擦材料试样11，对称设置在内部支撑平台的上下端面的内部环形电磁铁12，其中上端面的内部环形电磁铁布置在盘状摩擦材料试样的周围；设置在密封腔内的底部的电磁加热器13，安装在密封腔的上部腔体上并上下贯通的空心定位螺杆14，空心定位螺杆14内从上到下顺序设有密封顶盖15、压力传感器16和柱状摩擦材料试样17，柱状摩擦材料试样17的下端与盘状摩擦材料试样11的上端面抵触相连；安装在密封腔的上部腔体上的温度传感器18，安装在盘状摩擦材料试样上的压强测量仪19，安装在密封腔的上部腔体上的入口限压安全阀20，以及安装在密封腔的下部腔体上的出口限压安全阀21。

本发明中的密封腔包括上半腔体和下半腔体，上半腔体和下半腔体之间通过紧固螺栓22连接，并且在连接面上设有两道环形密封圈23。

本发明中的密封腔内的底部固定有滚珠轴承24，内部支撑平台支柱的下端安装在该滚珠轴承上。

本发明中的内部支撑平台的外缘设有环槽，密封腔内壁设有对应的环槽，双方环槽组合成截面呈圆形的环形滑道，滑道内嵌装有多个滚珠25，内部支撑平台通过滚珠与密封腔内壁活动相连。

本发明中的空心定位螺杆14上部设有内螺纹，内螺纹下方设有锥形台阶，锥形台阶下方为光滑直管段；密封顶盖通过上述内螺纹与空心定位螺杆螺纹连接；柱状摩擦材料试样上部设有锥形体，柱状摩擦材料试样通过该锥形体定位在所述锥形台阶上。

本发明中的驱动电机配有可更换的减速器，通过更换减速器可改变内部支撑平台的旋转速度。

基于上述摩擦力测量装置的摩擦力测量方法，包括以下步骤：

1、安装摩擦材料试样，将盘状摩擦材料试样安装在内部支撑平台的上端面；将柱状摩擦材料试样放置在空心定位螺杆内，将压力传感器放置在柱状摩擦材料试样上，盖上密封顶盖；通过调节空心定位螺杆使柱状摩擦材料试样与盘状摩擦材料试样接触，再通过调节密封顶盖获得实验工况设定的正压力；

2、模拟实验工况，通过开启或关闭电磁加热器调节密封腔内的温度，并通过温度传感器反馈的温度数据控制电磁加热器的使用状态；通过调节入口限压安全阀和出口限压安全阀的压强阈值调节密封腔内的压强，通过入口限压安全阀向密封腔内输入高压气体并通过压强测量仪反馈的压强数据控制其输入；

述实验工况包括常温常压、常温高压、高温常压和高温高压。具体实施方法分述如下：

2.1 常温常压

关闭电磁加热器并打开入口限压安全阀与出口限压安全阀。

2.2 常温高压

关闭电磁加热器，选择与实验工况压强对应的入口限压安全阀与出口限压安全阀，安全阀的压强阈值应该略大于实验工况压强。利用气体增压设备通过安全阀向密封腔内部输入高压气体，同时观测由压强测量仪反馈的内部压强数据，当内部压强达到实验工况设定压强时则停止输送高压气体，关闭入口限压安全阀与出口限压安全阀。

2.3 高温常压

关闭出口限压安全阀，通过入口限压安全阀向密封腔内部加入适量液体介质，液体介质根据具体实验工况而定。保持入口限压安全阀开启，开启电磁加热器，同时观测由温度传感器反馈的密封腔内部温度。当密封腔内部温度达到实验工况设定温度时，调整电磁加热器的温控系统为保温状态。

2.4 高温高压

关闭出口限压安全阀，通过入口限压安全阀向密封腔内加入适量液体介质，液体介质根据具体实验工况而定。关闭入口限压安全阀后开启电磁加热器，同时观测由温度传感器和压强测量仪反馈的密封腔体内部温度以及压强。当密封腔体内部温度以及压强达到实验工况要求时，调整电磁加热器的温控系统为保温状态。

3、产生摩擦力，开启外部环形电磁铁与内部环形电磁铁，开启驱动电机，十字旋转架及外部环形电磁铁在驱动电机的带动下转动，内部支撑平台在磁场力的作用下转动，使得柱状摩擦材料试样与盘状摩擦材料试样之间产生摩擦力；

4、测量摩擦力，开启转矩测量仪，待测得转矩数值稳定时读取驱动电机输出的转矩以及由压力传感器反馈的正压力，根据设计的柱状摩擦材料试样到转动中心的距离参数测得相应工况下的摩擦力。

最后关闭驱动电机，关闭所有传感器开关。若是高温工况应等到腔体内部温度冷却至室温再清理密封腔，若是高压工况应打开限压安全阀释放腔体内部气压后再清理密封腔。

Claims (8)

1.一种摩擦力测量装置，其特征在于，包括：

驱动电机支撑架；

外部支撑平台，连接在驱动电机支撑架上方；

驱动电机，安装在驱动电机支撑架内，其驱动轴穿过外部支撑平台向上伸出；

十字旋转架，安装在驱动电机的驱动轴上，其顶部设有开口向内的环形沟槽；

转矩测量仪，安装在驱动电机的驱动轴上；

外部环形电磁铁，嵌装在十字旋转架顶部的环形沟槽内；

密封腔固定架，安装在外部支撑平台上，是由两立柱和一横梁组成的框架；

密封腔，吊装在密封腔固定架的横梁下方；

内部支撑平台支柱，设置在密封腔内的下部；

内部支撑平台，架设在内部支撑平台支柱上并与密封腔内壁活动相连；

盘状摩擦材料试样，设置在内部支撑平台的上端面；

内部环形电磁铁，对称设置在内部支撑平台的上下端面，上端面的内部环形电磁铁布置在盘状摩擦材料试样的周围；

电磁加热器，设置在密封腔内的底部；

空心定位螺杆，安装在密封腔的上部腔体上并上下贯通，空心定位螺杆内从上到下顺序设有密封顶盖、压力传感器和柱状摩擦材料试样，柱状摩擦材料试样的下端与盘状摩擦材料试样的上端面抵触相连；

温度传感器，安装在密封腔的上部腔体上；

压强测量仪，安装在盘状摩擦材料试样上；

入口限压安全阀，安装在密封腔的上部腔体上；

出口限压安全阀，安装在密封腔的下部腔体上。

2.根据权利要求1所述的摩擦力测量装置，其特征在于：所述密封腔包括上半腔体和下半腔体，上半腔体和下半腔体之间通过紧固螺栓连接，并且在连接面上设有两道环形密封圈。

3.根据权利要求1所述摩擦力测量装置，其特征在于，所述密封腔内的底部固定有滚珠轴承，所述内部支撑平台支柱的下端安装在该滚珠轴承上。

4.根据权利要求1所述的摩擦力测量装置，其特征在于：所述内部支撑平台的外缘设有环槽，所述密封腔内壁设有对应的环槽，双方环槽组合成截面呈圆形的环形滑道，滑道内嵌装有多个滚珠，内部支撑平台通过滚珠与密封腔内壁活动相连。

5.根据权利要求1所述的摩擦力测量装置，其特征在于：所述空心定位螺杆上部设有内螺纹，内螺纹下方设有锥形台阶，锥形台阶下方为光滑直管段；所述密封顶盖通过上述内螺纹与空心定位螺杆螺纹连接；所述柱状摩擦材料试样上部设有锥形体，柱状摩擦材料试样通过该锥形体定位在所述锥形台阶上。

6.根据权利要求1所述的摩擦力测量装置，其特征在于：所述驱动电机配有可更换的减速器，通过更换减速器可改变内部支撑平台的旋转速度。

7.基于权利要求1所述摩擦力测量装置的摩擦力测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

7.1、安装摩擦材料试样，将盘状摩擦材料试样安装在内部支撑平台的上端面；将柱状摩擦材料试样放置在空心定位螺杆内，将压力传感器放置在柱状摩擦材料试样上，盖上密封顶盖；通过调节空心定位螺杆使柱状摩擦材料试样与盘状摩擦材料试样接触，再通过调节密封顶盖获得实验工况设定的正压力；

7.2、模拟实验工况，通过开启或关闭电磁加热器调节密封腔内的温度，并通过温度传感器反馈的温度数据控制电磁加热器的使用状态；通过调节入口限压安全阀和出口限压安全阀的压强阈值调节密封腔内的压强，通过入口限压安全阀向密封腔内输入高压气体并通过压强测量仪反馈的压强数据控制其输入；

7.3、产生摩擦力，开启外部环形电磁铁与内部环形电磁铁，开启驱动电机，十字旋转架及外部环形电磁铁在驱动电机的带动下转动，内部支撑平台在磁场力的作用下转动，使得柱状摩擦材料试样与盘状摩擦材料试样之间产生摩擦力；

7.4、测量摩擦力，开启转矩测量仪，待测得转矩数值稳定时读取驱动电机输出的转矩以及由压力传感器反馈的正压力，根据设计的柱状摩擦材料试样到转动中心的距离参数测得相应工况下的摩擦力。

8.根据权利要求7所述的摩擦力测量方法，其特征在于：所述实验工况包括常温常压、常温高压、高温常压和高温高压。