CN106404662B - 驱动刚度可控的粘滑试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动刚度可控的粘滑试验装置，驱动刚度可控的粘滑试验装置包括：支撑底板；十字交叉轴承组件，十字交叉轴承组件的下端与支撑底板相连且向上延伸；平衡杠杆，位于支撑底板的上方并与十字交叉轴承组件相连，平衡杠杆绕十字交叉轴承组件可旋转且平衡杠杆绕十字交叉轴承组件上下可摆动；测量单元，可拆卸地连接在平衡杠杆的右端；样品台组件，设在支撑底板上并与测量单元相对；驱动组件，设在支撑底板上用于驱动平衡杠杆绕十字交叉轴承组件旋转。根据本发明的驱动刚度可控的粘滑试验装置，可根据需要选择安装不同的测量单元，由于不同的测量单元具有不同的刚度，从而能够满足不同条件下的粘滑试验需求。

Description

驱动刚度可控的粘滑试验装置

技术领域

本发明涉及摩擦学技术领域，特别是涉及一种驱动刚度可控的粘滑试验装置。

背景技术

随着摩擦学研究的不断发展，对摩擦学基本问题的研究也逐渐深入。粘滑(stick-slip)作为组成摩擦过程的基本单元，对理解界面摩擦行为十分重要。当一个物体以很低的速度在另外一个表面滑动的时候，摩擦过程就会变得不连续，运动就呈现出粘着-滑动交替出现的规律，称之为粘滑。看似平稳的摩擦过程往往包含了成千上万个微小的粘滑单元，虽然这些微小单元我们无法直观地看到，但是粘滑却广泛存在于我们的日常生活中，比如机械部件运动时发出噪声，拉小提琴以及地震发生时岩石的断裂。因此，深入研究粘滑运动过程对人们的生产生活具有重要的意义。

但是，粘滑是一个复杂的行为。在不同的驱动刚度和驱动速度的条件下，相同摩擦界面以及相同介质也会表现出完全不同的粘滑行为。大量商用的摩擦磨损试验机不断地出现以满足各种不同的研究需求。然而，几乎所有商用摩擦磨损试验机都是通过降低加载方向的刚度来保证法向载荷的稳定，在驱动方向上的刚度很大，无法实现可控的大尺度的粘滑。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种驱动刚度可控的粘滑试验装置，所述粘滑试验装置能够实现可控的大尺度的粘滑。

根据本发明实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置，包括：支撑底板；十字交叉轴承组件，所述十字交叉轴承组件的下端与所述支撑底板相连且向上延伸；平衡杠杆，所述平衡杠杆位于所述支撑底板的上方并与所述十字交叉轴承组件相连，所述平衡杠杆绕所述十字交叉轴承组件可旋转且所述平衡杠杆绕所述十字交叉轴承组件上下可摆动；测量单元，所述测量单元可拆卸地连接在所述平衡杠杆的右端；样品台组件，所述样品台组件设在所述支撑底板上并与所述测量单元相对；驱动组件，所述驱动组件设在所述支撑底板上用于驱动所述平衡杠杆绕所述十字交叉轴承组件旋转。

根据本发明实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置，通过将测量单元可拆卸地连接在平衡杠杆的右端。使得可以根据实际需要选择安装不同的测量单元，由于不同的测量单元具有不同的刚度，从而能够满足不同条件下的粘滑试验需求。

另外，根据本发明上述实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置还具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述十字交叉轴承组件包括：主承力桅杆，所述主承力桅杆沿上下方向延伸且下端与所述支撑底板固定连接，所述平衡杠杆绕所述主承力桅杆可旋转；方向轴承，所述方向轴承套设在所述主承力桅杆的外周且相对位置固定；限位卡环，所述限位卡环与所述主承力桅杆卡接且位于所述方向轴承的下方。

进一步地，所述十字交叉轴承组件还包括：俯仰轴支架，所述俯仰轴支架连接在所述方向轴承的下端，所述俯仰轴支架包括底板与沿所述底板向上延伸的前侧板和后侧板，所述俯仰轴支架的前侧板和后侧板上均形成有定位卡孔；俯仰轴，所述俯仰轴沿垂直于所述主承力桅杆的方向延伸，所述俯仰轴包括与所述定位卡孔一一对应的两段，所述俯仰轴与所述定位卡孔卡接，所述平衡杠杆绕所述俯仰轴可旋转；其中，所述底板的上端面与所述方向轴承的下端面抵接且下端面与所述限位卡环贴合，所述方向轴承的内圈与所述主承力桅杆通过顶丝固定，且外圈连接所述俯仰轴支架。

根据本发明的一些实施例，所述驱动组件设在所述平衡杠杆的后侧，所述驱动组件包括：固定板，所述固定板设在所述支撑底板的上面；推进位移台，所述推进位移台与所述固定板相连且前端连接有球头顶杆，所述推进位移台内设有丝杠，所述球头顶杆的一端与所述丝杠相连且另一端连接所述平衡杠杆；电机，所述电机与所述推进位移台相连用于驱动所述推进位移台前后移动。

进一步地，所述驱动组件还包括：复位弹簧，所述复位弹簧位于所述推进位移台的一侧，所述复位弹簧的一端固定在所述支撑底板上且另一端与所述平衡杠杆相连，所述复位弹簧用于提供所述平衡杠杆复位所需要的力。

根据本发明的一些实施例，所述测量单元包括：固定端，所述固定端连接在所述平衡杠杆的右端；移动端，所述移动端与所述固定端间隔开，且所述移动端设在所述固定端的右端；双悬臂梁，所述双悬臂梁的左端与所述固定端相连且右端连接所述移动端；样品端参考杆，所述样品端参考杆的左端与所述固定端相连且右端支撑在所述移动端上，所述样品端参考杆的左端具有位移测量点；位移传感器，所述位移传感器设在所述固定端上并与所述位移测量点相对，所述位移传感器用于检测所述移动端相对于所述固定端的变形。

进一步地，所述双悬臂梁为弹簧钢片或青铜片。

根据本发明的一些实施例，所述样品台组件包括：固定块，所述固定块与所述支撑底板相连，所述固定块的上表面形成有横向弧形槽；横向角度调节位移台，所述横向角度调节位移台设在所述固定块的上面且所述横向角度调节位移台上形成有向下凸出的横向凸起，所述横向凸起配合在所述横向弧形槽内，所述横向角度调节位移台上形成有纵向弧形槽；纵向角度调节位移台，所述纵向角度调节位移台设在所述横向角度调节位移台的上面，且所述纵向角度调节位移台上形成有向下凸出的纵向凸起，所述纵向凸起配合在所述纵向弧形槽内，所述纵向角度调节位移台上形成有用于固定下试样的固定面。

根据本发明的一些实施例，所述平衡杠杆上设有配重砝码和游码组件，所述配重砝码设在所述平衡杠杆的左端，所述游码组件设在所述平衡杠杆的后侧，所述游码组件包括游码支架和连接在所述游码支架上的游码，所述游码相对所述游码支架可活动。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置的三维结构示意图。

图2是图1中十字交叉轴承组件的局部放大图。

图3是图1中测量单元的局部放大图。

图4是图1中样品台组件的局部放大图。

图5a至图5f是根据本发明实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置几种适用摩擦副的示意图。

图6是根据本发明实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置的典型粘滑试验数据曲线，其中包含三个典型的粘滑过程，上升的实线代表粘，下降的虚线代表滑。

附图标记：

驱动刚度可控的粘滑试验装置100，

支撑底板1，

十字交叉轴承组件2，主承力桅杆21，方向轴承22，限位卡环23，俯仰轴支架24，底板241，前侧板242，后侧板243，俯仰轴25，

平衡杠杆3，配重砝码31，游码组件32，游码支架321，游码322，

测量单元4，固定端41，移动端42，双悬臂梁43，样品端参考杆44，位移测量点441，位移传感器45，固定螺栓46，

样品台组件5，固定块51，横向角度调节位移台52，纵向角度调节位移台53,固定面54，

驱动组件6，固定板61，推进位移台62，球头顶杆621，电机63，复位弹簧64，

上试样28，下试样29，上平板30，滚动球31，下平板32。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

针对粘滑试验的要求，亟需开发一种驱动刚度可控的粘滑试验装置。本发明提供一种驱动刚度可控的粘滑试验装置，属于界面的摩擦粘滑行为测试技术领域。

下面结合图1至图6详细描述根据本发明实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置100。

参照图1，根据本发明实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置100，包括：支撑底板1、十字交叉轴承组件2、平衡杠杆3、测量单元4、样品台组件5以及驱动组件6。

具体而言，十字交叉轴承组件2的下端(参照图1中十字交叉轴承组件2的下端)与支撑底板1相连，而且十字交叉轴承组件2向上延伸。这样可以实现十字交叉轴承组件2与支撑底板1之间的可靠连接。

平衡杠杆3位于支撑底板1的上方，并且平衡杠杆3与十字交叉轴承组件2相连，平衡杠杆3不仅可以绕十字交叉轴承组件2旋转，而且平衡杠杆3还可以绕十字交叉轴承组件2上下摆动。如此，有利于实现力的平衡加载。

例如，平衡杠杆3绕十字交叉轴承组件2沿上下方向延伸的轴可旋转，此时，平衡杠杆3可以绕十字交叉轴承组件2在前后方向上旋转；平衡杠杆3绕十字交叉轴承组件2沿前后方向延伸的轴可旋转，此时，平衡杠杆3可以绕十字交叉轴承组件2在上下方向上摆动。

测量单元4可拆卸地连接在平衡杠杆3的右端。这样便于实现测量单元4的安装和拆卸，且可根据实际需要选择安装不同的测量单元4，从而完成不同条件下的粘滑试验。这里，需要说明的是，不同的测量单元4可以具有不同的刚度，从而能够满足不同条件下的粘滑试验需求。

样品台组件5设在支撑底板1上，并且样品台组件5与测量单元4相对，使得通过样品台组件5与测量单元4的配合可以确保粘滑试验的进一步进行。

驱动组件6设在支撑底板1上，驱动组件6可以用于驱动平衡杠杆3绕十字交叉轴承组件2旋转。这样，在驱动组件6的作用下可以更好地进行粘滑试验。

其中，通过平衡杠杆3可以对样品台组件5加载一定的加载力，且可保证加载力的稳定，通过驱动组件6可以驱动平衡杠杆3绕十字交叉轴承组件2旋转，这样可以使得测量单元4相对于样品台组件5运动，从而确保粘滑试验的顺利进行。

根据本发明实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置100，通过将测量单元4可拆卸地连接在平衡杠杆3的右端。使得可以根据实际需要选择安装不同的测量单元4，由于不同的测量单元4具有不同的刚度，从而能够满足不同条件下的粘滑试验需求。

参照图2并结合图1，根据本发明的一些具体实施例，十字交叉轴承组件2包括：主承力桅杆21、方向轴承22以及限位卡环23。

具体地，主承力桅杆21沿上下方向(参照图1中所示的上下方向)延伸，且主承力桅杆21的下端与支撑底板1固定连接，这样可以确保主承力桅杆21与支撑底板1之间的连接可靠性。平衡杠杆3绕主承力桅杆21可旋转，也就是说，平衡杠杆3可以围绕主承力桅杆21作旋转运动。由此，可以为进一步实现在驱动方向上测量单元4相对于样品台组件5的运动提供有利条件。

方向轴承22套设在主承力桅杆21的外周，且方向轴承22与主承力桅杆21的相对位置固定。又因限位卡环23与主承力桅杆21卡接，而且限位卡环23位于方向轴承22的下方。这样通过限位卡环23可以防止方向轴承22向下滑落，从而实现方向轴承22在主承力桅杆21上的可靠安装。

进一步地，如图2所示，十字交叉轴承组件2还包括：俯仰轴支架24和俯仰轴25。其中，俯仰轴支架24连接在方向轴承22的下端，俯仰轴支架24包括底板241、前侧板242和后侧板243，前侧板242和后侧板243可以沿底板241向上延伸，俯仰轴支架24的前侧板242和后侧板243上均形成有定位卡孔，也就是说，俯仰轴支架24的前侧板242上均形成有定位卡孔，俯仰轴支架24的后侧板243上也形成有定位卡孔。俯仰轴25沿垂直于主承力桅杆21的方向延伸(例如，俯仰轴25可以沿图2中所示的前后方向延伸)，俯仰轴25包括两段，两段俯仰轴25与所述定位卡孔一一对应，俯仰轴25与所述定位卡孔卡接，这样可以实现俯仰轴25在俯仰轴支架24上的可靠安装，平衡杠杆3绕俯仰轴25可旋转。这样使得平衡杠杆3绕俯仰轴25的上下摆动能够更好地实现。

其中，结合图2，底板241的上端面与方向轴承22的下端面抵接，而且底板241的下端面与限位卡环23贴合，这样通过底板241以及限位卡环23可以更好地对方向轴承22进行限位，从而保证方向轴承22的安装可靠性。方向轴承22的内圈与主承力桅杆21通过紧固件例如顶丝固定，且方向轴承22的外圈连接俯仰轴支架24。由此，可以更好地实现方向轴承22在主承力桅杆21上的可靠限位。

其中，顶丝是用来固定的，大多是轴孔，用顶丝顶住轴，使它不能来回移动。顶丝就是螺丝的紧固原理,多数用在轴和套之间防止轴和套在使用过程中轴对套发生位置变化的紧固件，可以用来防止轴和轴套间的相对运动，还有些场合顶丝用来拆卸方便，比如说两个零件配合紧密，可依靠顶丝来分离开。

如图1所示，根据本发明的一些具体实施例，驱动组件6设在平衡杠杆3的后侧，驱动组件6包括：固定板61、推进位移台62以及电机63。

具体地，固定板61设在支撑底板1的上面，推进位移台62与固定板61相连，而且推进位移台62的前端连接有球头顶杆621，推进位移台62内设有丝杠(图中未示出)，球头顶杆621的一端(例如，图1中球头顶杆621的后端)与所述丝杠相连，而且球头顶杆621的另一端(例如，图1中球头顶杆621的前端)连接平衡杠杆3。电机63与推进位移台62相连，电机63用于驱动推进位移台62前后移动。由此，通过电机63的旋转可以带动所述丝杠旋转，通过球头顶杆621可以将所述丝杠的旋转运动转换为球头顶杆621的直线运动，从而进一步通过球头顶杆621推动平衡杠杆3在水平面上绕十字交叉轴承组件2(例如主承力桅杆21)旋转，进而能够对测量单元4在驱动方向上加载力。

进一步地，结合图1，驱动组件6还包括：复位弹簧64，复位弹簧64位于推进位移台62的一侧(例如，图1中推进位移台62的左侧或右侧)，复位弹簧62的一端(例如，图1中复位弹簧62的后端)固定在支撑底板1上，而且复位弹簧62的另一端(例如，图1中复位弹簧62的前端)与平衡杠杆3相连，复位弹簧62用于提供平衡杠杆3复位所需要的力。由此，通过复位弹簧64可以使平衡杠杆3复位。

其中，当电机63驱动所述丝杠旋转带动球头顶杆621向前运动时，球头顶杆621可以推动平衡杠杆3在水平面上绕主承力桅杆21旋转，从而可以对测量单元4在驱动方向上加载力。当平衡杠杆3向前运动预定距离后，电机63驱动所述丝杠旋转以带球头顶杆621向后运动，此时，由于复位弹簧64的存在，能够更好地对平衡杠杆3进行复位，从而提高粘滑试验装置100的使用性能。

参照图3并结合图1，根据本发明的一些具体实施例，测量单元4包括：固定端41、移动端42、双悬臂梁43、样品端参考杆44以及位移传感器45。

具体而言，固定端41连接在平衡杠杆3的右端(参照图1中所示的平衡杠杆3的右端)。移动端42与固定端41间隔开，而且移动端42设在固定端41的右端。双悬臂梁43的左端与固定端41相连，并且双悬臂梁43的右端连接移动端42。也就是说，双悬臂梁43连接在固定端41与移动端42之间。样品端参考杆44的左端与固定端41相连，而且样品端参考杆44的右端支撑在移动端42上，样品端参考杆44的右端可以随着移动端42的移动而移动，样品端参考杆44的左端具有位移测量点441。位移传感器45设在固定端41上，并且位移传感器45与位移测量点441相对(例如前后相对等)，这样使得通过位移传感器45可以检测移动端42相对于固定端41的变形，由于力与变形存在一定的对应关系，使得通过检测移动端42相对于固定端41的变形能够进一步检测摩擦力。

其中，位移传感器45可以与计算机相连，这样可以通过位移传感器45将检测到的数据传递到计算机，利用程序控制将变形再转化成力进行输出。

进一步地，结合图3和图1，双悬臂梁43为弹簧钢片或青铜片。这样使得双悬臂梁43具有优良的综合性能，从而更好地进行粘滑试验。

这里，可以理解的是，测量单元4在原理上利用了双悬臂梁43变形测力的原理，但提高了加载刚度，降低了驱动刚度，使得样品或试样可以在驱动方向上实现大尺度的粘滑，同时测量单元4快速可更换，实现了稳定可控的大尺度粘滑的测试。

加载刚度指的是双悬臂梁43在加载方向上的刚度，这里指的是双悬臂梁43沿上下方向上的刚度，双悬臂梁43为片状，使得双悬臂梁43的加载刚度提高，驱动刚度指的是双悬臂梁43在驱动方向上的刚度，这里指的是双悬臂梁43在前后方向上的刚度，双悬臂梁43为片状，双悬臂梁43在前后方向上的厚度较薄，降低了驱动刚度。

其中，弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。双悬臂梁43优良的综合性能包括例如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。

参照图4并结合图1，根据本发明的一些具体实施例，样品台组件5包括：固定块51、横向角度调节位移台52和纵向角度调节位移台53。

具体而言，固定块51与支撑底板1相连，固定块51的上表面形成有横向弧形槽。横向角度调节位移台52设在固定块51的上面，而且横向角度调节位移台52上形成有向下凸出的横向凸起，所述横向凸起适于配合在所述横向弧形槽内，并且所述横向凸起在所述横向弧形槽内可滑动，从而实现对样品(或试样)横向角度的调节。其中，横向角度调节位移台52上形成有纵向弧形槽，纵向角度调节位移台53设在横向角度调节位移台52的上面，而且纵向角度调节位移台53上形成有向下凸出的纵向凸起，所述纵向凸起适于配合在所述纵向弧形槽内，所述纵向凸起在所述纵向弧形槽内可滑动，纵向角度调节位移台53上形成有用于固定下试样的固定面54。这样通过横向角度调节位移台52和纵向角度调节位移台53的配合可以实现对下试样的位置(例如横向角度和纵向角度)的调节，从而更好地进行粘滑试验。

参照图1，根据本发明的一些具体实施例，平衡杠杆3上设有配重砝码31和游码组件32，配重砝码31设在平衡杠杆3的左端(参照图1中平衡杠杆3的左端)，配重砝码31的具体重量可以按需选择，游码组件32设在平衡杠杆3的一侧例如后侧等，游码组件32可以包括游码支架321和连接在游码支架321上的游码322，游码322相对游码支架321可活动。由此，通过配重砝码31可以实现对加载力的粗调，通过游码组件32可以实现对加载力的精调，从而更好地保证加载力的稳定。

当然，本发明不限于此，在本发明的其他实施例中，配重砝码31也可以设在平衡杠杆3的右端，游码组件32也可以设在平衡杠杆3的前侧等。

参照图5a至图5f，图5a至图5f是根据本发明实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置适用摩擦副的示意图，其中，图5a至图5e是滑动摩擦副，图5f是滚动摩擦副。根据本发明的一些具体实施例，粘滑试验装置100可以适于滑动摩擦，滑动摩擦副可以包括平面与平面接触、斜面与斜面接触、平面与斜面接触、球面与平面接触以及球面与斜面接触等。所述滑动摩擦副可以根据实际需要适应性选择。

当然，本发明不限于此，结合图5f，根据本发明的一些具体实施例，粘滑试验装置100也可以适于滚动摩擦，滚动摩擦副包括上平板30、设在上平板30下的滚动球31例如钢球以及用于支撑滚动球31的下平板32。

下面结合附图详细描述根据本发明实施例的粘滑试验装置100的使用方法，包括：步骤S1：将下试样(即粘滑试验下试样)安装在所述样品台组件上，将上试样(即粘滑试验上试样)固定在所述测量单元的移动端的下表面上，所述上试样可以通过粘接或者固定连接的方式安装在所述测量单元的下表面上，这样可以保证粘滑试验的测量准确度。步骤S2：将待测介质放置在所述上试样与所述下试样之间，调节所述平衡杠杆在上下方向上的高度以使所述上试样与所述下试样接触。这样可以为粘滑试验提供有利条件。步骤S3：调节配重砝码实现对加载力的粗调，调节游码支架上的游码对加载力进行精调。如此可以保证稳定的加载力。步骤S4：开启位移传感器，并启动驱动组件推动平衡杠杆向前运动。步骤S5：平衡杠杆向前运动预定距离后，驱动组件向后运动，复位弹簧带动平衡杠杆向后复位，实现上试样在下试样表面恒定载荷的往复运动。步骤S6：计算机实时记录测量单元移动端的变形，并换算成实时的摩擦力记录下来。

本发明的目的是开发一种驱动刚度可控的粘滑试验装置100，采用平衡杠杆3提供稳定的而又具有自由度的加载，通过可快速更换的不同刚度的测量单元4例如双悬臂梁来驱动所述上试样，位移传感器45测量双悬臂梁43的变形，从而实现了对材料的粘滑行为完整可控的研究。

本发明提出的驱动刚度可控的粘滑试验装置100，包括平衡加载系统(包括十字交叉轴承组件2和平衡杠杆3)、驱动组件6、测量单元4(包括可更换双悬臂梁驱动系统和位移测量系统)和样品台组件5。所述的平衡加载系统，包括一根主承力桅杆21，一套双自由度交叉轴承系统，所述双自由度交叉轴承系统固定在主承力桅杆21上，所述双自由度交叉轴承系统的位置在上下方向上可调整，一个平衡杠杆3安装在所述交叉轴承系统上，同时平衡杠杆3上还安装有配重砝码31和游码组件32(包括游码支架321和游码322)；所述的可更换的双悬臂梁驱动系统安装在平衡杠杆3的末端(例如，图1中平衡杠杆3的右端)，测量单元4作为一个完整的单元可快速更换，不同的测量单元4上设有不同刚度的双悬臂梁，这样可以实现驱动刚度的可控；所述的位移测量系统安装在测量单元4之上，同时包含相关的传感器；所述的样品台组件，包含两个角度可调整的角位移台(即前述的横向角度调节位移台52和纵向角度调节位移台53)，两个角位移台堆叠在一起实现对试样在两个方向上的角度的调整。

本发明的工作原理及过程：本发明通过专门设计的平衡加载系统，利用的平衡杠杆3的自平衡能力使载荷稳定，利用天平的称量原理实现了载荷的稳定可控；设计在平衡杠杆3旁边的往复驱动系统(即前述的驱动组件6)实现了对平衡杠杆3的往复驱动；测量单元4在原理上利用了双悬臂梁43变形测力的原理，但提高了加载刚度，降低了驱动刚度，使得样品可以在驱动方向上实现大尺度的粘滑，同时测量单元快速可更换，实现了稳定可控的大尺度粘滑的测试。

本发明的有益效果：驱动刚度可控：现有的摩擦磨损设备中，几乎均为低加载刚度，高驱动刚度。本次试验机的设计突破传统思维，提高加载刚度，降低驱动刚度，实现了一个对摩擦力的高精度测量。恒定载荷：当提高了界面加载刚度之后，界面的载荷往往变得不稳定，本试验装置经过特别设计，实现了在不同界面角度、形状等条件下法向载荷的稳定。大尺度粘滑测量：由于传统试验机的驱动刚度大，通常在传统摩擦磨损试验机上不能产生大尺度粘滑现象。而本试验机驱动刚度小而且可变，使得试验机能够对对摩擦过程中的微单元——粘滑进行放大，在试验机上实现了大尺度的粘滑。多功能：试验机不仅能够实现粘滑的测量。同时也能够胜任普通连续滑动摩擦磨损试验的相关试验。同时测量悬臂梁的刚度可调，量程可调，能够满足不同试验任务的需要。

下面结合附图描述根据本发明驱动刚度可控的粘滑试验装置100的一个具体实施例。

本发明的驱动刚度可控的粘滑试验装置100，其结构如图1所示，包含十字交叉轴承组件2、平衡杠杆3、驱动组件6、测量单元4等部件。主承力桅杆21垂直安装在支撑底板1的一侧，担负起整个装置的重量。十字交叉轴承组件2安装在主承力桅杆21上，由限位卡环23抱紧主承力桅杆21，并可以根据需要上下调整高度。如图2所示，方向轴承22的内圈通过顶丝定位在主承力桅杆21上，方向轴承22的内圈下端由限位卡环23顶住，以提供足够的承载力；俯仰轴支架24安装在方向轴承22上，俯仰轴25通过夹紧的方式安装在俯仰轴支架24上，方向轴承22、俯仰轴支架24和限位卡环23构成了交叉轴承系统，含有方向和俯仰两个旋转轴，使得平衡杠杆3不仅可以绕沿上下方向延伸的主承力桅杆21旋转，还可绕沿前后方向延伸的俯仰轴25旋转以实现平衡杠杆3的摆动。平衡杠杆3通过轴承安装在十字交叉轴承组件2上，平衡杠杆3和十字交叉轴承组件2构成了一个两自由度系统，使得平衡杠杆3不仅可以俯仰运动(即平衡杠杆3绕沿前后方向延伸的俯仰轴25上下摆动)，而且可以围绕主承力桅杆21作旋转运动。平衡杠杆3的一端安装有配重砝码31，且配重砝码31可调整，来保证平衡杠杆3的平衡。平衡杠杆3的前侧安装有游码322和游码支架321，游码322可以在具有刻度的游码支架321上运动，调整平衡杠杆3末端(例如右端)的加载力。平衡杠杆3的一侧(例如后侧)安装有驱动组件6，在驱动组件6上固定了一个球头顶杆621，球头顶杆621能够自由地推动平衡杠杆3向前运动，驱动组件6的一侧(例如左侧或右侧)安装有复位弹簧64，复位弹簧64的一端(例如前端)安装在平衡杠杆3上，复位弹簧64的另一端(例如后端)固定在支撑底板1上能够使得在驱动组件6退回的时候将平衡杠杆3拉回，即将平衡杠杆3复位，驱动组件6构成了平衡杠杆3的驱动系统，实现了平衡杠杆3的往复运动。可更换的测量单元4安装在平衡杠杆3的一侧。在测量单元4的下方设有一个样品台组件5，样品台组件5能够安装样品且可调节样品的角度。

如图3所示，测量单元4的左侧是测量单元4的固定端41，测量单元4的固定端41用固定螺栓46固定在平衡杠杆3上，并可以快速更换。连接测量单元4的固定端41和测量单元4的移动端42(即样品端)的是弹簧钢材料制作的双悬臂梁43，双悬臂梁43的刚度可以按照各种试验需求来设计。测量单元4的移动端42安装有一根样品端参考杆44，通过样品端参考杆44可以将移动端42的位移(或变形)传递到固定端41，通过位移传感器45和位移测量点441将位移数据测出。

如图4所示，样品台组件5由用于固定下试样的固定面54、横向角度调节位移台52和纵向角度调节位移台53堆叠而成，构成两个方向的角度调整，以满足试验需要。

工作时，下试样29安装在样品台组件5上，上试样28安装在测量单元4的移动端42上，将待测介质(如润滑脂等)放置在上试样28与下试样29之间，通过调节配重砝码31实现对加载力的粗调，通过调节游码支架321上的游码322对加载力进行精调。开启位移传感器45，并启动用于驱动平衡杠杆3往复运动的驱动组件6，驱动组件6推动平衡杠杆3向前运动，平衡杠杆3向前运动一定的距离后，驱动组件6向后运动，复位弹簧64带动平衡杠杆3向后运动，实现上试样28在下试样29表面恒定载荷的往复运动。计算机实时记录测量单元4移动端42的变形，并换算成实时的摩擦力记录下来。

图5a至图5f所示为驱动刚度可控的粘滑试验装置100的典型摩擦副类型，含有平面与平面接触，斜面与斜面接触，平面与斜面接触，球面与平面接触，球面与斜面接触等等。通过专门设计的加载系统，使得粘滑试验装置100能够在各种条件下(特别是斜面条件下)保持恒定的加载和可控的驱动刚度。同时，本试验装置100还能够进行一些滚动摩擦的测量，例如滚动摩擦上平板30、钢球31以及下平板32构成了一个滚动摩擦副。

图6是根据本发明实施例的驱动刚度可控的粘滑试验装置的典型粘滑试验数据曲线，其中包含三个典型的粘滑过程，上升的实线代表粘，下降的虚线代表滑；t代表时间，s代表秒，f代表摩擦力，N为力的单位牛顿。

本发明涉及界面的摩擦粘滑行为测试技术领域，公开了一种驱动刚度可控的粘滑试验装置100。它包括十字交叉轴承组件2、平衡杠杆3(包括加载机构)驱动组件6及测量组件4；平衡杠杆3通过十字交叉轴承组件2固定在主承力桅杆21上，具有两个方向的运动自由度；通过调整所述加载机构中的配重砝码31和游码322来调节加载力并保持加载力的恒定，平衡杠杆3侧面的驱动组件6可以实现平衡杠杆3的往复运动；测量单元4安装在平衡杠杆3的一端并可以快速更换，测量单元4的固定端41和移动端42通过双悬臂梁43连接在一起，位移测量系统安装在测量单元4的固定端41上测量移动端42的相对位移。

本发明公开一种驱动刚度可控的粘滑试验装置100，该试验装置包括十字交叉轴承组件2、平衡杠杆3、驱动组件6和测量单元4等；所述的十字交叉轴承组件2安装在一个主承力桅杆21上，由夹紧装置(例如限位卡环23)固定，可上下调节，具备两个垂直交叉的旋转轴，可以进行两个自由度的旋转；所述的平衡杠杆3安装在十字交叉轴承组件2上，由配重砝码31和游码322来调节平衡杠杆3的平衡加载；所述的驱动组件6包括推进位移台62、电机63以及复位弹簧64等；所述的测量单元4包括固定端41、双悬臂梁43和移动端42，移动端42的变形由一根样品端参考杆44传递回固定端41，测量系统包括位移传感器45。所述的样品台组件5位于测量单元4的移动端42的下部，具备两个方向的角度调节能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种驱动刚度可控的粘滑试验装置，其特征在于，包括：

支撑底板；

十字交叉轴承组件，所述十字交叉轴承组件的下端与所述支撑底板相连且向上延伸；

平衡杠杆，所述平衡杠杆位于所述支撑底板的上方并与所述十字交叉轴承组件相连，所述平衡杠杆绕所述十字交叉轴承组件可旋转且所述平衡杠杆绕所述十字交叉轴承组件上下可摆动；

测量单元，所述测量单元可拆卸地连接在所述平衡杠杆的右端；

样品台组件，所述样品台组件设在所述支撑底板上并与所述测量单元相对；

驱动组件，所述驱动组件设在所述支撑底板上用于驱动所述平衡杠杆绕所述十字交叉轴承组件旋转；

所述测量单元包括：

固定端，所述固定端连接在所述平衡杠杆的右端；

移动端，所述移动端与所述固定端间隔开，且所述移动端设在所述固定端的右端；

双悬臂梁，所述双悬臂梁的左端与所述固定端相连且右端连接所述移动端；

样品端参考杆，所述样品端参考杆的左端与所述固定端相连且右端支撑在所述移动端上，所述样品端参考杆的左端具有位移测量点；

位移传感器，所述位移传感器设在所述固定端上并与所述位移测量点相对，所述位移传感器用于检测所述移动端相对于所述固定端的变形；

其中，所述双悬臂梁为片状以提高所述双悬臂梁的加载刚度，且所述双悬臂梁在前后方向上的厚度较薄以降低驱动刚度。

2.根据权利要求1所述的驱动刚度可控的粘滑试验装置，其特征在于，所述十字交叉轴承组件包括：

主承力桅杆，所述主承力桅杆沿上下方向延伸且下端与所述支撑底板固定连接，所述平衡杠杆绕所述主承力桅杆可旋转；

方向轴承，所述方向轴承套设在所述主承力桅杆的外周且相对位置固定；

限位卡环，所述限位卡环与所述主承力桅杆卡接且位于所述方向轴承的下方。

3.根据权利要求2所述的驱动刚度可控的粘滑试验装置，其特征在于，所述十字交叉轴承组件还包括：

俯仰轴支架，所述俯仰轴支架连接在所述方向轴承的下端，所述俯仰轴支架包括底板与沿所述底板向上延伸的前侧板和后侧板，所述俯仰轴支架的前侧板和后侧板上均形成有定位卡孔；

俯仰轴，所述俯仰轴沿垂直于所述主承力桅杆的方向延伸，所述俯仰轴包括与所述定位卡孔一一对应的两段，所述俯仰轴与所述定位卡孔卡接，所述平衡杠杆绕所述俯仰轴可旋转；

其中，所述底板的上端面与所述方向轴承的下端面抵接且下端面与所述限位卡环贴合，所述方向轴承的内圈与所述主承力桅杆通过顶丝固定，且外圈连接所述俯仰轴支架。

4.根据权利要求1所述的驱动刚度可控的粘滑试验装置，其特征在于，所述驱动组件设在所述平衡杠杆的后侧，所述驱动组件包括：

固定板，所述固定板设在所述支撑底板的上面；

推进位移台，所述推进位移台与所述固定板相连且前端连接有球头顶杆，所述推进位移台内设有丝杠，所述球头顶杆的一端与所述丝杠相连且另一端连接所述平衡杠杆；

电机，所述电机与所述推进位移台相连用于驱动所述推进位移台前后移动。

5.根据权利要求4所述的驱动刚度可控的粘滑试验装置，其特征在于，所述驱动组件还包括：

复位弹簧，所述复位弹簧位于所述推进位移台的一侧，所述复位弹簧的一端固定在所述支撑底板上且另一端与所述平衡杠杆相连，所述复位弹簧用于提供所述平衡杠杆复位所需要的力。

6.根据权利要求1所述的驱动刚度可控的粘滑试验装置，其特征在于，所述双悬臂梁为弹簧钢片或青铜片。

7.根据权利要求1所述的驱动刚度可控的粘滑试验装置，其特征在于，所述样品台组件包括：

固定块，所述固定块与所述支撑底板相连，所述固定块的上表面形成有横向弧形槽；

横向角度调节位移台，所述横向角度调节位移台设在所述固定块的上面且所述横向角度调节位移台上形成有向下凸出的横向凸起，所述横向凸起配合在所述横向弧形槽内，所述横向角度调节位移台上形成有纵向弧形槽；

纵向角度调节位移台，所述纵向角度调节位移台设在所述横向角度调节位移台的上面，且所述纵向角度调节位移台上形成有向下凸出的纵向凸起，所述纵向凸起配合在所述纵向弧形槽内，所述纵向角度调节位移台上形成有用于固定下试样的固定面。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的驱动刚度可控的粘滑试验装置，其特征在于，所述平衡杠杆上设有配重砝码和游码组件，所述配重砝码设在所述平衡杠杆的左端，所述游码组件设在所述平衡杠杆的后侧，所述游码组件包括游码支架和连接在所述游码支架上的游码，所述游码相对所述游码支架可活动。