CN105004665A - 一种摩擦测试试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摩擦测试试验台，由机架，隔振器、动力系统测试系统、控制及数据处理系统及辅助系统等组成。辅助系统由同步带张紧机构，喷淋系统，温度检测系统等组成。机架支撑所有器件。伺服电机经齿轮箱输出两转速相同、方向相反的旋转运动，同步带动第一、二试样轴作同速、反向旋转运动。砝码的重力通过定滑轮和加力杠杆对第一试样轴进行水平加载，第一试样轴在重力加载下压紧试样块、第二试样轴，形成两个相同的摩擦力，试样块在两个摩擦力的作用下振动。通过检测力传感器的力变化求得试样块的位移变化，根据力传感器测得的力计算试样材料的摩擦系数和摩擦振动特征。本发明能排除测试系统自身振动产生的干扰，测试准确，结构紧凑，操作简单。

Description

一种摩擦测试试验台

技术领域

本发明涉及一种摩擦测试试验台。

背景技术

摩擦振动广泛的存在各类摩擦制动器中，摩擦引起的振动和噪声严重影响交通工具的安全性、舒适性及环保性。潜艇、舰船所使用的滑动轴承引起的摩擦振动和噪声，严重影响了舰艇的声隐身性能，使舰艇在战场上的作战性能和生存能力大为缩减。

针对摩擦引起的振动与噪声的削弱和消除，其难点在于如何有效地提取摩擦振动信号的特征参数。而通过试验测试是获得摩擦振动信号特征参数的直接、有效方法，为进一步的减振降噪工作奠定基础。

然而，现有的摩擦测试试验台在测试摩擦振动和摩擦系数时，将测试系统间接测量的数据作为材料本身的振动数据特征。由于测试系统本身参与了振动，使得测试系统测得的数据并不能真实反映材料本身的摩擦特性。

因此，如何消除测试系统对测试结果的干扰，成为准确测量材料的摩擦系数和摩擦振动特征的关键技术。目前，国内还没有相关产品。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种能排除测试系统自身振动对测量结果的干扰，测试准确，结构紧凑，操作简单，自动化程度高的摩擦测试试验台。

本发明目的的实现方式为，一种摩擦测试试验台，同步带张紧机构的手动轮通过轴承与张紧同步轮连接，手动轮另一端所装花键轴与齿轮和卡锁活动端连接，卡锁固定端通过螺钉和张紧滑块固定在一起；相互啮合的齿轮和齿条配合形成齿轮齿条副，齿条通过螺钉固定在机架上；挡板与张紧滑块、卡锁固定端形成平面副；试样轴快换机构的第一试样轴内表面和芯轴外表面的锥角相同，装在芯轴上的螺母压紧第一试样轴；

喷淋系统的泵通过管路接喷头，喷头在第一试样轴和第二试样轴上方，第 一、二试样轴下方有收集槽，装在机架上的收集槽与液槽连接；

加载系统的砝码和砝码托盘通过绳索、定滑轮与加力杠杆连接，加力杠杆通过螺栓轴与机架连接；加力杠杆下端的U型槽通过销钉和滑块连接，滑块与第一试样轴通过滚动轴承连接，滑块通过直线轴承与机架连接，第二试样轴通过滚动轴承与机架连接；

隔振器通过螺栓与机架连接，伺服电机和齿轮箱安装在隔振器上，所述伺服电机与齿轮箱通过联轴器连接，齿轮箱通过同步带和同步轮与第一试样轴和第二试样轴连接；

试样块与力传感器连接，力传感器通过连接块与手柄连接；试样块两边分别与第一试样轴和第二试样轴接触；温度检测系统的温度传感器装在机架内。

本发明的伺服电机通过齿轮箱输出两个转速相同、方向相反的旋转运动，并通过同步带和同步轮，带动第一试样轴和第二试样轴作同速、反向的旋转运动。砝码的重力通过定滑轮和加力杠杆对第一试样轴进行水平加载。第一试样轴在砝码重力的加载下压紧试样块和第二试样轴，形成两个相同的摩擦力。试样块在两个摩擦力的作用下振动。通过检测力传感器的力变化求得试样块的位移变化，根据力传感器测得的力的数据计算试样材料的摩擦系数和摩擦振动特征。

本发明与现有技术相比，具备以下的技术优点：

1、能排除测试系统自身振动对测量结果的干扰，准确地测得材料的摩擦系数和摩擦振动特性；

2、可用于测试不同的材料在不同速度下的摩擦系数和摩擦振动特性，试验条件可以分为干摩擦和润滑摩擦，可以满足对摩擦测试的多种工况的需求；

3、结构紧凑，操作简单，自动化程度较高。

附图说明

图1是本发明摩擦测试试验台的结构示意图，

图2是本发明摩擦测试试验台的动力系统、加载系统和测试系统的结构示意图，

图3是图2所示本发明摩擦测试试验台的动力系统、加载系统和测试系统的A部分的放大图，

图4、图5、图6是图2所示本发明摩擦测试试验台的动力系统、加载系 统和测试系统的B部分的放大图，

图7是本发明摩擦测试试验台的试样轴快换机构的剖视图，

图8是本发明摩擦测试试验台的喷淋系统的结构示意图，

图9是本发明摩擦测试试验台求解摩擦力的示意图，

图10是本发明摩擦测试试验台求解试样的摩擦系数和摩擦振动的示意图。

具体实施方式

本发明由机架4，隔振器23、动力系统、加载系统、测试系统、控制及数据处理系统及辅助系统组成。辅助系统主要由同步带张紧机构3，试样轴快换机构，喷淋系统，润滑系统，温度检测系统组成。机架4支撑起摩擦测试试验台的所有器件。测试系统将传感器和试样作为一个整体，直接测量试样的运动信息；控制及数据处理系统根据测试系统的动力学方程求解摩擦力的特征，进而求解试样的摩擦系数和摩擦振动特性。

下面参照附图详述本发明。

参照图1、图2和图3，伺服电机1通过联轴器与齿轮箱2连接，齿轮箱2通过同步带9和同步轮21与第一试样轴15和第二试样轴19连接。伺服电机1通过齿轮箱2输出两个转速相同、方向相反的旋转运动，并通过同步带9和同步轮21，带动第一试样轴和第二试样轴作同速、反向的旋转运动。手动轮7和张紧同步轮8用于张紧同步带9。

齿轮箱2采用传动比为1：1的斜齿轮传动，以减小输出转速的波动。

参照图2和图3，加载系统的砝码5和砝码托盘6通过绳索12、定滑轮13与加力杠杆10连接，加力杠杆10通过螺栓轴11与机架4连接。加力杠杆下端的U型槽通过销钉和滑块22连接，滑块22与第一试样轴15通过滚动轴承20连接，滑块22通过直线轴承14与机架4连接，可以水平移动。第二试样轴19通过滚动轴承20与机架4连接，只能做旋转运动。

绳索12采用高强度和韧性的尼龙绳；加力杠杆10的力臂比1:1，以保证第一试样轴15和第二试样轴19所受的加载力等于砝码5的重力。第一试样轴15和第二试样轴19的轴线位于同一水平面内，第一试样轴15和第二试样轴19的半径相同。

试样块18两边分别与第一试样轴15和第二试样轴19接触。砝码5的重力通过定滑轮13和加力杠杆10对第一试样轴15进行水平加载，第一试样轴15在砝码5重力的加载下压紧试样块18，同时试样块18压紧第二试样轴19，并且两个接触面的压力相同。试样块18与第一试样轴15和第二试样轴19形成两个相同的摩擦力。试样块18在两个摩擦力的作用下振动，通过力传感器16测得的振动信号求解摩擦力的特征。

参照图2、图4、图5、图6和图7，同步带张紧机构3的手动轮7通过轴承与张紧同步轮8连接，在手动轮7和张紧同步轮8之间装有压缩弹簧，手动轮7另一端所装花键轴与齿轮24和卡锁活动端29连接，卡锁固定端28通过螺钉和张紧滑块26固定在一起，相互啮合的齿轮24和齿条25配合形成齿轮齿条副，齿条25通过螺钉固定在机架4上。所述的花键轴和卡锁活动端29过盈配合，而花键轴与齿轮24和所述轴承是间隙配合，使得手动轮7和卡锁活动端29相对于张紧滑块26可以前后移动；挡板27与张紧滑块26、卡锁固定端28形成平面副，限制张紧滑块26只能左右移动，控制同步带9的张紧和放松；推下手动轮7卡锁活动端29和卡锁固定端28分离，手动轮7可以带动齿轮24左右旋转，向右旋转，同步带9张紧；向左旋转，同步带9放松；放开手动轮7，手动轮7和卡锁活动端29在压缩弹簧的作用下向前运动，同时卡锁活动端29和卡锁固定端28相互啮合，将张紧同步轮8的位置锁死。

参照图5，试样轴快换机构的第一试样轴15内表面和芯轴31外表面的锥角相同，所述的锥角小于2倍的摩擦角，使得第一试样轴15和芯轴31之间依靠摩擦力配合在一起，装在芯轴31上的螺母32压紧第一试样轴。

参照图2，齿轮箱2和伺服电机1装在隔振器23上，所述的齿轮箱2和伺服电机1通过联轴器连接，隔振器23用于减少齿轮箱2和伺服电机1振动对试验台的影响；齿轮箱2通过同步带9和同步轮8与第一试样轴15和第二试样轴19连接。

参照图3，试样块18与力传感器16连接，力传感器16通过连接块30与手柄17连接。试样块18两边分别与第一试样轴15和第二试样轴19接触。力传感器16在满足精度要求的前提条件下，刚度应当足够大，保证试样块18不被摩擦力拉走，以至使试样块18与第一试样轴15和第二试样轴19之间形成的 摩擦副破坏。

力传感器的刚度为K，通过检测力传感器16的力量变化由式 求得试样块的位移变化X(t)。手柄17前段部分为凸轮结构，当手柄17处于竖直位置时，试样块18、力传感器16、连接块30和手柄17可以在机架4的U型槽内左右移动；当手柄17处于水平位置时，试样块18、力传感器16连接块30和手柄17的位置将被锁死。

参照图6，喷淋系统的泵35通过管路34接喷头33，喷头33在第一试样轴15和第二试样轴19上方，第一、二试样轴下方有收集槽，装在机架上的收集槽与液槽36形成连接。液槽36中盛有摩擦介质水或油，由泵35经由管路34、喷头33，均匀地喷洒在第一试样轴15和第二试样轴19上，再第一、二试样轴下方的收集槽回流到液槽36形成循环。

第一试样轴15、第二试样轴19与试样块18摩擦时会造成周围环境温度的升高，当处于非正常工作状态下，温度会过高，温度检测系统会发出警报，防止设备损坏，故本发明必须设置温度检测系统。温度检测系统由装在机架4内部的，由常用的温度传感器组成，用于检测本发明摩擦测试试验台的工作温度。

本发明的控制及数据处理系统由通常采用的工控机、人机交互系统、数据采集处理系统、伺服电机驱动器以及其他辅助部分组成。控制伺服电机1的转速，根据力传感器16测得力的数据计算试样材料的摩擦系数和摩擦振动特征。测试的运动微分方程为

$M\stackrel{\·\·}{X}{\left(t\right)}^2+c\stackrel{\·}{X}\left(t\right)+KX\left(t\right)=2F\left(t\right)$

式中：M为试样块的质量，

c为测试系统的阻尼，

K为力传感器的刚度，

F(t)为试样块18与第一试样轴15和第二试样轴19之间的摩擦力，

X(t)为试样块18的位移,

和分别为试样块18的速度和加速度。

试样块18在一定的速度下：

v＝Rω₀

式中：R为试样轴半径，

w₀为试样轴转速，

v为试样块18与第一试样轴15和第二试样轴19接触点的相对速度。

摩擦力F(t)的求解过程如图9所示。

求得摩擦力F(t)由直流分量和交流分量组成，再根据摩擦力F(t)来求解材料的摩擦特性。求解试样的摩擦系数和摩擦振动的过程如图10所示。

其中：为摩擦力F(t)的直流分量，

为摩擦力F(t)的交流分量，

N为试样块18与第一试样轴15和第二试样轴19两个接触面的压力，

f(v)为材料的摩擦系数随速度v的变化，

fv(v)为材料的摩擦振动随速度v的变化。

Claims (7)

1.一种摩擦测试试验台，其特征在于：同步带张紧机构的手动轮通过轴承与张紧同步轮连接，手动轮另一端所装花键轴与齿轮和卡锁活动端连接，卡锁固定端通过螺钉和张紧滑块固定在一起；相互啮合的齿轮和齿条配合形成齿轮齿条副，齿条通过螺钉固定在机架上；挡板与张紧滑块、卡锁固定端形成平面副；试样轴快换机构的第一试样轴内表面和芯轴外表面的锥角相同，装在芯轴上的螺母压紧第一试样轴；

喷淋系统的泵通过管路接喷头，喷头在第一试样轴和第二试样轴上方，第一、二试样轴下方有收集槽，装在机架上的收集槽与液槽连接；

加载系统的砝码和砝码托盘通过绳索、定滑轮与加力杠杆连接，加力杠杆通过螺栓轴与机架连接；加力杠杆下端的U型槽通过销钉和滑块连接，滑块与第一试样轴通过滚动轴承连接，滑块通过直线轴承与机架连接，第二试样轴通过滚动轴承与机架连接；

隔振器通过螺栓与机架连接，伺服电机和齿轮箱安装在隔振器上，所述伺服电机与齿轮箱通过联轴器连接，齿轮箱通过同步带和同步轮与第一试样轴和第二试样轴连接；

试样块与力传感器连接，力传感器通过连接块与手柄连接；试样块两边分别与第一试样轴和第二试样轴接触；温度检测系统的温度传感器装在机架内。

2.根据权利要求1所述的摩擦测试试验台，其特征在于伺服电机(1)通过齿轮箱(2)输出两个转速相同、方向相反的旋转运动，并通过同步带(9)和同步轮(21)，带动第一试样轴和第二试样轴作同速、反向的旋转运动。

3.根据权利要求1所述的摩擦测试试验台，其特征在于齿轮箱(2)采用传动比为1：1的斜齿轮。

4.根据权利要求1所述的摩擦测试试验台，其特征在于第一试样轴(15)的内表面和芯轴(31)的外表面的锥角小于2倍的摩擦角。

5.根据权利要求1所述的摩擦测试试验台，其特征在于加力杠杆(10)的力臂比1:1。

6.根据权利要求1所述的摩擦测试试验台，其特征在于第一试样轴(15)和第二试样轴(19)的轴线位于同一水平面内，第一试样轴和第二试样轴的半径相同。

7.根据权利要求1所述的摩擦测试试验台，其特征在于手柄(17)前段部分为凸轮结构。