CN105606527A - 一种适用于测量工程部件静摩擦系数的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于测量工程部件静摩擦系数的试验方法，该试验方法尤其是针对部件之间接触区域较小情况的静摩擦系数的测量，其从静摩擦力的基础定义出发来设计试验方法，以恒定的力加载速率牵引试样，直至试样由“存在相对运动趋势”发展为“发生相对滑动”，可以有效地采集和记录“F_t—t关系曲线”，从而得到最大静摩擦力，进而获知部件的静摩擦系数。利用该种方法获得的静摩擦系数来进行部件结构稳定性设计和评估是保守的，其更具有安全性，在工程上具有应用价值。该试验方法简单，结果可靠，可广泛地应用于各种复杂工况下两部件之间静摩擦系数的测量。

Description

一种适用于测量工程部件静摩擦系数的试验方法

技术领域

本发明涉及一种适用于测量工程部件静摩擦系数的试验方法。

背景技术

摩擦性能是材料的基本性质之一，某种材料的摩擦性能可以通过材料的静、动摩擦系数来表征，其中，静摩擦系数定义为静摩擦力与法向力之比(静摩擦力是两接触表面在相对移动开始时的最大阻力)。在实际工程设计和评估中，摩擦系数是部件结构稳定性计算的关键参数之一，尤其是静摩擦系数，是判断部件从稳定到失稳的关键参数，需要通过试验获得。现有技术中，测量静摩擦系数的通用试验原理如下：将试样1水平置于试样2表面上，假设试样1和试样2之间接触面是理想的，即接触面的物理状态是理想均匀的，并且接触面积足够大。试样1在正压力F_n和牵引力F_t作用下在试样2表面上运动。试样1的力平衡图见附图1，牵引力F_t—时间t、相对速度v—时间t、摩擦力F_f—时间t的关系曲线见附图2。

由图1可知，支持力F_n’与试样1重力G₁与正压力F_n的和力平衡，牵引力F_t与摩擦力f平衡。由图2可知，当施加的牵引力F_t从0线性增加到F_t,max，试样1和试样2之间的相对速度近似为0，物体仍处于静止状态，此时的摩擦状态为“静摩擦”；一旦牵引力超过F_t,max，相对速度在很短的时间内快速增加，从近似为0快速增加到一个稳定的滑动速度；若试样1加速所需要的力超过了原来施加的牵引力，则达到稳定的滑动速度后，牵引力将降到一常数值F_t,d_yn，此时的摩擦状态为“动摩擦”。静摩擦系数定义为静摩擦力与法向力之比，此时，静摩擦力f_s是两接触表面在相对移动开始时的最大阻力F_t,max：

${\mathrm{\μ}}_s=\frac{f_s}{F_n^{\′}}--\left(1\right)$

然而，上述试验方法是处于理想状态，在实际测量中，样品的表面状态并非理想均匀的，样品之间的接触区并非足够大。因此，理想状态的曲线在实际测量中并不会出现，最大静摩擦力往往与摩擦副接触面上局部区域凸出表面的受切向力被剪切导致局部滑移有关，而非整个摩擦副系统克服的最大运动阻力。

目前，ASTM等国际通用行业标准中仅对一些非常简单的摩擦副种类、接触形式、环境条件的组合情况规范了试验方法，而对于实际工程中存在的较为复杂的摩擦副种类、接触形式、环境条件的组合情况没有规范相应的试验方法。因此，目前无论是设计阶段还是运行评估阶段，摩擦副之间静摩擦系数的取值通常仅参考机械手册中的类似情况，而机械手册中的参考值往往与工程实际部件的摩擦副种类、接触形式、环境条件等情况不符，这样会出现设计或评估安全系数过大或过小的现象，对于工业生产的经济性、安全性是不利的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种适用于测量工程部件、尤其是针对部件之间接触区域较小情况下的静摩擦系数试验方法，以使得测量获取的静摩擦系数对工程设计或评估提供可靠依据。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于测量工程部件静摩擦系数的试验方法，所述试验方法包括如下步骤：

(1)将第一试样固定至拉伸试验机的拉伸轴上，以使得所述拉伸轴能够施加所述第一试样沿竖直方向的牵引力F_t；将第二试样固定至所述拉伸试验机上，并使得所述第一试样与第二试样之间的接触面位于所述拉伸轴的中心面内；

(2)保持所述第一试样所受牵引力为零的同时，施加所述第一试样与第二试样以沿水平方向的恒定的压紧力F_n；

(3)通过所述拉伸轴施加所述第一试样竖直向上的牵引力F_t，并使得所述牵引力F_t以恒定的载荷增加速率逐渐增大，记录牵引力F_t—时间t的关系曲线，同时监测所述第一试样的位移；待所述第一试样相对所述第二试样有明显的位移后，停止向所述第一试样加载牵引力F_t；

(4)根据牵引力F_t—时间t的关系曲线，获知第一试样与第二试样之间刚开始产生滑移时对应的牵引力，记录为F_t,max，并计算第一试样与第二试样的静摩擦系数μ_s的数值，其中：μ_s＝F_t,max/F_n。

优选地，所述拉伸轴通过所述拉伸试验机的作动器施加所述第一试样以牵引力F_t，所述作动器与所述拉伸轴之间设有力传感器以监测所述第一试样所受的牵引力F_t。

进一步地，F_t,max的数值介于所述力传感器的20％至80％量程范围内。

作为一种具体的实施方式，根据所述第一试样与第二试样之间预估的静摩擦系数来选择所述力传感器，再根据预实验来确定所述力传感器。

优选地，所述第一试样的下端固定地设有位移传感器以监测所述第一试样在试验过程中的位移量，当所述位移传感器检测到所述第一试样有位移产生后，所述拉伸轴停止对所述第一试样施加牵引力F_t。

优选地，所述步骤(2)中，压紧力F_n为所述第一试样与第二试样在实际工况下所受到的压紧力。

优选地，所述试验方法还包括步骤(5)：重复步骤(3)与(4)至少三次，取这至少三次获取的静摩擦系数μ_s的平均值作为静摩擦系数值。

优选地，所述第一试样为板材，所述第二试样为管材，所述第一试样通过上夹具固定在所述拉伸轴上，所述第二试样通过下夹具固定在所述拉伸试验机的机座上，所述拉伸试验机上还设有夹紧所述第一试样与第二试样以施加水平方向压紧力F_n的夹紧装置。

进一步地，所述夹紧装置至少包括用于压紧在所述第一试样上的压紧件，所述压紧件与所述第二试样分别位于所述第一试样的相异侧，所述压紧件滚动地抵触在所述第一试样上。

作为一种具体的实施方式，所述压紧件为滚动轴承。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的试验方法，适用于测量工程部件的静摩擦系数，尤其是针对部件之间接触区域较小情况的静摩擦系数。该试验方法从静摩擦力的基础定义出发来设计试验方法，以恒定的力加载速率牵引试样，直至试样由“存在相对运动趋势”发展为“发生相对滑动”，可以有效地采集和记录“F_t—t关系曲线”，从而得到最大静摩擦力，进而获知部件的静摩擦系数。利用该种方法获得的静摩擦系数来进行部件结构稳定性设计和评估是保守的，其更具有安全性，在工程上具有应用价值。该试验方法简单，结果可靠，可广泛地应用于各种复杂工况下两部件之间静摩擦系数的测量。

附图说明

附图1为现有技术中平面-平面接触时静摩擦系数测量示意图；

附图2为现有技术中摩擦系数测量过程中牵引力F_t、相对速度v、摩擦力f与时间t之间的关系曲线图；

附图3为本申请一实施例中静摩擦系数测量用试验装置示意图；

附图4为本申请中两试样之间产生相对滑移后的示意图；

附图5为本申请中试验装置的工作原理示意图；

附图6为本申请中记录的牵引力F_t—时间t的关系曲线；

其中：1、第一试样；2、第二试样；3、拉伸轴；4、作动器；41、加载器；5、力传感器；6、位移传感器；7、上夹具；8、下夹具；9、压紧件(滚动轴承)；10、拉伸试验机。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

参见图3至图5所示，本实施例中以工程应用中最常见的平板与管材线接触静摩擦系数测量为例来说明本申请中静摩擦系数的测量方法与测量原理，其中平板为第一试样1，管材为第二试样2，该静摩擦力的测量试验在常规的拉伸试验机上进行。

参见图3至图5所示，在试验之前需要先安装试样及试验装置。首先，制备第一试样1与第二试样2，在将两者清洗后，将第一试样1的平板固定至拉伸试验机10的拉伸轴3上，以使得拉伸轴3能够施加第一试样1沿竖直方向的牵引力F_t；将第二试样2固定至拉伸试验机10上，并使得第一试样1与第二试样2之间相接触，且第一试样1与第二试样2之间的接触面应位于拉伸轴3的中心面内，从而保证牵引力F_t与摩擦力f相平衡。

在本实施例中，第一试样1通过上夹具7固定至拉伸轴3上，第二试样2通过下夹具8固定在拉伸试验机10的机座上。拉伸轴3通过拉伸试验机10上的作动器4带动而施加第一试样1以竖直方向的牵引力F_t。在拉伸轴3与作动器4之间设置有力传感器5，以监测第一试样1所受到的牵引力F_t。在第一试样1的下端还固定地设有位移传感器6，从而检测第一试样1在试验过程中的位移量。

在拉伸试验机10上还设有用于夹紧第一试样1与第二试样2从而施加其水平方向压紧力F_n的夹紧装置，该夹紧装置至少包括用于压紧在第一试样1上的压紧件9，该压紧件9与第二试样2分别位于第一试样1的相异侧，压紧件9滚动地抵触在第一试样1上，此处该压紧件9选用的为滚动轴承。这样，当第一试样1与第二试样2在试验过程中发生相对位移时，压紧件9与第一试样1之间为滚动摩擦，两者之间的摩擦力可忽略不计，从而不会对试验结果造成影响。

在试验开始时，拉伸试验机10的作动器4先不工作，使得第一试样1受到的牵引力F_t为零，同时根据第一试样1与第二试样2在实际工况下所受到的压紧力，向第一试样1与第二试样2加载沿水平方向的恒定的压紧力F_n，此时第一试样1与第二试样2的受力状况如图3所示。接着，加载器41驱使作动器4工作并通过拉伸轴3施加第一试样1竖直向上的牵引力F_t，并使得该牵引力F_t以恒定的载荷增加速率逐渐增大，记录牵引力F_t—时间t的关系曲线，通过位移传感器6监测第一试样1的位移，此时第一试样1与第二试样2的受力状况如图5所示。当位移传感器6监测到第一试样1有位移产生后，作动器4停止工作而停止向第一试样1加载牵引力F_t。获取的牵引力F_t—时间t的关系曲线如图6所示，根据该关系曲线图我们可以看到，在牵引力F_t首次下降前的最大值F_t,max即为最大静摩擦力f_s。其测量原理如下：

在上述牵引力F_t加载的过程中，初始时第一试样1与第二试样2之间未发生相对滑动时，即第一试样1相对第二试样2的位移近似为0的阶段，该阶段对应的是F_t—t关系曲线上的上线性段，此时摩擦状态为静摩擦，牵引力F_t与摩擦力f平衡。

当以恒定的牵引力增加速率拉动第一试样1，即施加在第一试样1上的牵引力F_t从0开始线性增加，直至牵引力F_t达到F_t,max后，牵引力F_t快速下降，此时第一试样1克服了其与第二试样2之间的最大静摩擦力而突然加速，由“存在相对运动趋势”发展为“发生相对滑动”，该阶段对应F_t—t的关系曲线上F_t快速下降并连续波动阶段。此阶段由于第一试样1突然加速，使得拉伸试验机10上安装在拉伸轴3一端的力传感器5的测量值快速下降并连续波动。其中，F_t力值快速下降并连续波动与第一试样1连续多次克服局部最大静摩擦力相关。

由于静摩擦系数定义为最大静摩擦力与法向力之比，其中，最大静摩擦力f_s定义为两接触表面内局部位移开始时的最大阻力，在F_t—t的关系曲线上为牵引力F_t首次下降前的最大值，即最大静摩擦力取值f_s与F_t,max相等。此时可计算静摩擦系数μ_s，其中：μ_s＝f_s/F_n＝F_t,max/F_n。

为提高测量精度，同一试验条件下上述试验应重复三次以上，将测量的结构取平均值来作为最终结果。在这里，保持水平方向压紧力F_n不变的前提下，重新启动作动器4来对第一试样1施加重新牵引力F_t从而重新进行试验，并重新计算静摩擦系数μ_s。如此重复至少三次，根据这至少三次的试验结果取平均值来作为测量获得的第一试样1与第二试样2之间的静摩擦系数μ_s。

在上述试验过程中，力传感器5与位移传感器6的精度等级选用0.5级，其中，力传感器5的测量范围，应保证最大静摩擦力值介于20％至80％力传感器5的量程范围内，也就是应使得在F_t,max的数值介于所述力传感器的20％至80％量程范围内。选用之前可根据第一试样1与第二试样2的材料属性来预估静摩擦系数，从而预估需要选用的力传感器，再根据预实验来确定所需要的力传感器，以保证试验的精度。

作动器4对第一试样1加载牵引力F_t的过程中，应根据预估的最大静摩擦力来选择合适的加载频率，该加载频率应不超过最大静摩擦力的1/50(N/s)，并合理地设置数据采集频率，形成F_t—t关系曲线。

本发明主要针对工程部件，尤其是针对部件之间接触区域较小情况的静摩擦系数试验方法，从静摩擦力的基础定义出发来设计试验方法，以恒定的力加载速率牵引试样，直至试样由“存在相对运动趋势”发展为“发生相对滑动”，可以有效地采集和记录“F_t—t关系曲线”，进而得到最大静摩擦力，而测得的静摩擦力是部件之间产生局部相对对应的最大静摩擦力，进而获知部件的静摩擦系数。利用该种方法获得的静摩擦系数来进行部件结构稳定性设计和评估是保守的，其更具有安全性，在工程上具有应用价值。此外，本发明的试验方法采用单轴拉伸试验机，通过合理的夹持方式和施力方式，即可按照本申请的试验方法来测量两试样之间的静摩擦系数，该方法简单，结果可靠，可广泛地应用于各种复杂工况下两部件之间静摩擦系数的测量。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于测量工程部件静摩擦系数的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括如下步骤：

（1）将第一试样固定至拉伸试验机的拉伸轴上，以使得所述拉伸轴能够施加所述第一试样沿竖直方向的牵引力F_t；将第二试样固定至所述拉伸试验机上，并使得所述第一试样与第二试样之间的接触面位于所述拉伸轴的中心面内；

（2）保持所述第一试样所受牵引力为零的同时，施加所述第一试样与第二试样以沿水平方向的恒定的压紧力F_n；

（3）通过所述拉伸轴施加所述第一试样竖直向上的牵引力F_t，并使得所述牵引力F_t以恒定的载荷增加速率逐渐增大，记录牵引力F_t—时间t的关系曲线，同时监测所述第一试样的位移；待所述第一试样相对所述第二试样有明显的位移后，停止向所述第一试样加载牵引力F_t；

（4）根据牵引力F_t—时间t的关系曲线，获知第一试样与第二试样之间刚开始产生滑移时对应的牵引力，记录为F_t,max，并计算第一试样与第二试样的静摩擦系数μ_s的数值，其中：μ_s=F_t,max/F_n。

2.根据权利要求1的试验方法，其特征在于：所述拉伸轴通过所述拉伸试验机的作动器施加所述第一试样以牵引力F_t，所述作动器与所述拉伸轴之间设有力传感器以监测所述第一试样所受的牵引力F_t。

3.根据权利要求2的试验方法，其特征在于：F_t,max的数值介于所述力传感器的20%至80%量程范围内。

4.根据权利要求3的试验方法，其特征在于：根据所述第一试样与第二试样之间预估的静摩擦系数来选择所述力传感器，再根据预实验来确定所述力传感器。

5.根据权利要求1的试验方法，其特征在于：所述第一试样的下端固定地设有位移传感器以监测所述第一试样在试验过程中的位移量，当所述位移传感器检测到所述第一试样有位移产生后，所述拉伸轴停止对所述第一试样施加牵引力F_t。

6.根据权利要求1的试验方法，其特征在于：所述步骤（2）中，压紧力F_n为所述第一试样与第二试样在实际工况下所受到的压紧力。

7.根据权利要求1的试验方法，其特征在于：所述试验方法还包括步骤（5）：重复步骤（3）与（4）至少三次，取这至少三次获取的静摩擦系数μ_s的平均值作为静摩擦系数值。

8.根据权利要求1至7任一所述的试验方法，其特征在于：所述第一试样为板材，所述第二试样为管材，所述第一试样通过上夹具固定在所述拉伸轴上，所述第二试样通过下夹具固定在所述拉伸试验机的机座上，所述拉伸试验机上还设有夹紧所述第一试样与第二试样以施加水平方向压紧力F_n的夹紧装置。

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于：所述夹紧装置至少包括用于压紧在所述第一试样上的压紧件，所述压紧件与所述第二试样分别位于所述第一试样的相异侧，所述压紧件滚动地抵触在所述第一试样上。

10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于：所述压紧件为滚动轴承。