CN106895957A - 一种用于微凹槽滑动减阻piv实验中圆盘式实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微凹槽滑动减阻PIV实验中圆盘式实验装置，该装置可以装夹不同微结构表面的摩擦试件进行摩擦实验，实现用PIV仪器检测其内部流场特性的要求，以实验方式对摩擦、润滑理论的进行验证。该装置由运动机构、调节机构和装夹机构三部分组成，通过单片机控制步进电机带动摩擦盘转动，完成对摩擦试件表面的摩擦，同时该装置的夹具可满足XYZ三个不同方向的移动，进而实现对摩擦试件位置的调整，弹簧压紧片可以实现对不同规格试件的装夹，该装置可以有效探究摩擦、润滑和磨损机理，改善航空航天、精密仪器、汽车制造、大型机加工等行业的加工精度，具有较高的科研应用价值。本发明属于实验流体力学研究领域。

Description

一种用于微凹槽滑动减阻PIV实验中圆盘式实验装置
技术领域
本发明涉及一种旋转圆盘式的可用于验证摩擦减阻PIV实验观测的实验装置。本发明属于实验流体力学研究领域。
背景技术
摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的基础理论和实践的边缘学科，据统计，世界上使用的能源大约有1/3-1/2消耗于摩擦。因此研究摩擦表面间的摩擦学行为，无论在理论研究方面，还是在工程实际应用方面，都具有十分重要的意义。
基于表面仿生减阻技术，在接触摩擦面上增加相应微沟槽结构，使其改变润滑流场的相关特性达到减阻效果，微结构摩擦减阻研究是当今摩擦学热点之一，它具有结构设计简单、加工制造方便、减阻效果明显和应用场所广等特点，可以有效改善航空航天、精密仪器、汽车制造、大型机加工等行业的加工精度。由于摩擦发生在间隙很小的接触面间，且接触面在不停的运动，很难用实验方式探究其内部摩擦特性，国内外研究多集中计算机数值分析等层面上，在摩擦实验方面进展较慢，严重阻碍了摩擦润滑理论的发展，但由于近年先进仪器的发展，特别是PIV(粒子图像测速系统)的应用，为实验探究摩擦减阻提供可能，但是缺少与之配套的摩擦实验装置，因此，发明一种用于PIV实验中的摩擦实验装置，具有重要科研价值。
发明内容
本发明主要针对以上问题，提供了一种用于PIV仪器中测试摩擦润滑的实验装置，该装置能够装夹不同表面微结构的摩擦试件进行摩擦实验，以实验方式对摩擦、润滑理论的进行验证，使用范围广，具有较高的科研应用价值。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为一种用于微凹槽滑动减阻PIV实验中圆盘式实验装置，该实验装置包括运动机构、调节机构和装夹机构三部分，所述运动机构由步进电机(2)、摩擦圆盘(3)、驱动器、控制器和电源五部分组成，控制器与驱动器连接，驱动器与步进电机(2)连接，电源与控制器连接；调节机构由机架(1)、电机支座(4)和固定支座(11)三部分组成；装夹机构由压紧片(7)、移动横梁(10)、左右移动滑槽(13)三部分组成。
运动机构由步进电机(2)驱动，步进电机(2)采用螺钉连接安装在电机支座(4)上，步进电机(2)的输出轴上安装一个转换接头(6)，转换接头(6)通过螺栓与摩擦圆盘(3)连接，步进电机(2)在单片机和驱动器的控制下，实现速度大小和转动方向的调节，进而实现摩擦圆盘(3)转动速度和转动方向的调节。
调节机构用于摩擦试件(15)和摩擦圆盘(3)之间位置和间隙的调节，分别实现在X方向、Y方向、Z方向位置和间隙的调节，具体方向坐标如图1-5所示。在X方向上，摩擦试件(15)卡在移动横梁(10)底部的左右移动滑槽(13)内，摩擦试件(15)能够在左右移动滑槽(13)内进行左右移动，当摩擦试件(15)移动到合适位置时，调节移动横梁上的压紧片(7)并压紧摩擦试件(15)即可；在Y方向上，通过电机支架紧固螺栓(5)实现步进电机支座上的腰型孔和机架上的腰型孔(14)的固定，调节时将电机支座紧固螺栓(5)松开，前后移动电机支座(4)带动整个摩擦圆盘(3)实现与摩擦试件(15)间隙距离的调节，达到合适间隙后，拧紧电机支座紧固螺栓(5)，实现电机支架(4)和机架(1)的固定；在Z方向上，通过调节移动横梁紧固螺栓(12)的松紧，实现整个移动横梁(10)在机架(1)两侧的上下移动滑槽(8)内进行上下滑动，进而带动摩擦试件(15)的上下移动，调节到实验的位置时，拧紧移动横梁紧固螺栓(12)，将移动横梁(10)固定在两侧的机架(1)上，完成相对摩擦圆盘(3)竖直方向的调节。
装夹机构用于安装和固定摩擦试件(15)，摩擦试件(15)为带有微结构的透明材质的PDMS(聚二甲基硅氧烷，一种硅胶材质)，摩擦试件键合在载玻片上，装夹时，将摩擦试件的载玻片卡在移动横梁(10)上的左右移动滑槽(13)内，然后用固定在移动横梁(10)上的压紧片(7)压紧即可。
本发明可实现在滑动摩擦状态下监测摩擦间隙中的内部流场特性，该实验装置真实的模拟运动壁面和静止试件间的摩擦情况，完成用PIV仪器对间隙流场的观察，还满足对接触间隙、相对运动速度、接触压力等因素进行调节，有效的提高了实验精度，增加了实验方案的灵活性，满足对不同摩擦调节下的实验。
所述装置为圆盘式摩擦方式，将摩擦试件固定，钢制圆盘在电动机带动下做回转运动，摩擦试件和圆盘接触实现摩擦，其中圆盘转速、转向可调。
采用不同结构形式的移动滑槽实现X、Y、Z三方向的移动，满足灵活调整摩擦试件位置的要求。
运动机构的控制系统采用430单片机、驱动器及42型步进电机实现对转动圆盘速度0-200r/s速度调节和转向的调节。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本本发明要求保护的范围。
附图说明
图1是本发明整体的轴测图。
图2是本发明的后视图。
图3是本发明左视图。
图4是本发明俯视图。
图5是本发明局部示意图。
图中：1.机架 2.步进电机 3.摩擦圆盘 4.电机支座 5.电机支架紧固螺钉 6.连接头 7.压紧片 8.上下移动滑槽 9.上下移动滑槽紧固螺栓 10.移动横梁 11.固定支座12.移动横梁紧固螺栓 13.左右移动滑槽 14.机架上的腰型孔 15.摩擦试件。
具体实施方式
在上述技术方案基础上，运动机构由42型步进电机驱动，电机轴通过转换接头(6)连接在一个直径200mm的不锈钢圆盘，步进电机在430单片机和驱动器的控制下转动，可以实现0-2m/s速度范围的调速转动，同时可以实现钢制圆盘的正反转；调节机构主要是为了实现夹具在X、Y、Z三方向的移动，满足装夹试件不同位置的调整，在X方向，通过电机支座(4)和机架滑槽形成移动副，通过紧固螺钉(5)进行紧固定位，实现X方向间距的调节，即完成摩擦试件和摩擦圆盘间隙的调节，进而控制摩擦压紧力；Y方向通过移动横梁(11)在两侧机架滑槽(8)内上下移动实现，并由贯穿移动横梁的螺栓(12)固定在机架上；Z方向移动主要由摩擦试件在移动横梁的滑槽内移动，由于Z方向受力不大，每次装夹试件后用压紧片(7)将试件紧固在移动横梁(10)上即可；装夹机构主要由移动横梁(10)和压紧片(7)两部分组成，移动横梁(10)可以在两侧机架的滑槽(8)内进行上下滑动，移动横梁的表面装夹摩擦试件的沟槽，工作时将试件放入移动横梁的沟槽内，然后用夹具压紧片紧固即可。
本发明可实现在滑动摩擦状态下监测摩擦间隙中的内部流场特性，该实验装置可以真实的模拟运动壁面和静止试件间的摩擦情况，完成用PIV仪器对间隙流场的观察，还满足对接触间隙、相对运动速度、接触压力等因素进行调节，有效的提高了实验精度，增加了实验方案的灵活性，满足对不同摩擦调节下的实验。
1、加工要求
a)由于该发明需要安装在PIV试验台上，底座尺寸应于试验台凸台相配套，对尺寸精度要求高，同时机架整体为一体结构，其上有许多滑槽和定位孔，机体结构紧凑且精度要求高，为了满足以上加工要求，机架制作采用3D打印加工，成型方式为熔丝堆积，材料为PLA。机体整体厚度均为5mm。
b)转动圆盘为不锈钢304材质，必须采用激光切割或者线切割方式保证其圆度，同时厚度为1m、2m、3m三种规格，为保证施加压紧力是保证变形量。

Claims (4)

1.一种用于微凹槽滑动减阻PIV实验中圆盘式实验装置，其特征在于：该实验装置包括运动机构、调节机构和装夹机构三部分，所述运动机构由步进电机(2)、摩擦圆盘(3)、驱动器、控制器和电源五部分组成，控制器与驱动器连接，驱动器与步进电机(2)连接，电源与控制器连接；调节机构由机架(1)、电机支座(4)和固定支座(11)三部分组成；装夹机构由压紧片(7)、移动横梁(10)、左右移动滑槽(13)三部分组成；
运动机构由步进电机(2)驱动，步进电机(2)采用螺钉连接安装在电机支座(4)上，步进电机(2)的输出轴上安装一个转换接头(6)，转换接头(6)通过螺栓与摩擦圆盘(3)连接，步进电机(2)在单片机和驱动器的控制下，实现速度大小和转动方向的调节，进而实现摩擦圆盘(3)转动速度和转动方向的调节；
调节机构用于摩擦试件(15)和摩擦圆盘(3)之间位置和间隙的调节，分别实现在X方向、Y方向、Z方向位置和间隙的调节，在X方向上，摩擦试件(15)卡在移动横梁(10)底部的左右移动滑槽(13)内，摩擦试件(15)能够在左右移动滑槽(13)内进行左右移动，当摩擦试件(15)移动到合适位置时，调节移动横梁上的压紧片(7)并压紧摩擦试件(15)即可；在Y方向上，通过电机支架紧固螺栓(5)实现步进电机支座上的腰型孔和机架上的腰型孔(14)的固定，调节时将电机支座紧固螺栓(5)松开，前后移动电机支座(4)带动整个摩擦圆盘(3)实现与摩擦试件(15)间隙距离的调节，达到合适间隙后，拧紧电机支座紧固螺栓(5)，实现电机支架(4)和机架(1)的固定；在Z方向上，通过调节移动横梁紧固螺栓(12)的松紧，实现整个移动横梁(10)在机架(1)两侧的上下移动滑槽(8)内进行上下滑动，进而带动摩擦试件(15)的上下移动，调节到实验的位置时，拧紧移动横梁紧固螺栓(12)，将移动横梁(10)固定在两侧的机架(1)上，完成相对摩擦圆盘(3)竖直方向的调节；
装夹机构用于安装和固定摩擦试件(15)，摩擦试件(15)为带有微结构的透明材质的PDMS，摩擦试件键合在载玻片上，装夹时，将摩擦试件的载玻片卡在移动横梁(10)上的左右移动滑槽(13)内，然后用固定在移动横梁(10)上的压紧片(7)压紧即可。
2.根据权利要求1所述的一种用于微凹槽滑动减阻PIV实验中圆盘式实验装置，其特征在于：该实验装置真实的模拟运动壁面和静止试件间的摩擦情况，完成用PIV仪器对间隙流场的观察，还满足对接触间隙、相对运动速度、接触压力因素进行调节，满足对不同摩擦调节下的实验。
3.根据权利要求1所述的一种用于微凹槽滑动减阻PIV实验中圆盘式实验装置，其特征在于：装置为圆盘式摩擦方式，将摩擦试件固定，钢制圆盘在电动机带动下做回转运动，摩擦试件和圆盘接触实现摩擦，其中圆盘转速、转向可调；
采用不同结构形式的移动滑槽实现X、Y、Z三方向的移动，满足灵活调整摩擦试件位置的要求。
4.根据权利要求1所述的一种用于微凹槽滑动减阻PIV实验中圆盘式实验装置，其特征在于：运动机构的控制系统采用430单片机、驱动器及42型步进电机实现对转动圆盘速度0-200r/s速度调节和转向的调节。
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