CN107063908B - 一种可调控水平方向磁场的磁环境摩擦学试验装置 - Google Patents

Abstract

一种可调控水平方向磁场的磁环境摩擦学试验装置，上加载机构为：垂向丝杆固联在垂向电机轴上，垂向滑块旋接在垂向丝杆上、并经左、右垂向导轨导向，水平丝杆固联在水平电机轴上，水平滑块旋接在水平丝杆上，水平滑块下方顺次固定二维应变式力传感器和上夹具；下传动机构为：电机轴上小齿轮经齿带传动大齿轮，工作平台经多根立柱支撑固定在底座上方，大齿轮的轴从工作平台的中心圆孔向上穿出，下夹具固定在大齿轮的轴上端；施加磁场机构为：磁场底座固定在工作平台上，用作盛装左、右永磁铁或左、右通电线圈的左、右水平滑盒与磁场底座顶部的滑槽配合。本装置能提供持续稳定且可调控的磁场，可任意调节磁性部件沿水平方向的距离。

Description

一种可调控水平方向磁场的磁环境摩擦学试验装置

技术领域

本发明涉及一种可调控水平方向磁场的磁环境摩擦学试验装置。

背景技术

随着工业技术的发展，磁场由于其独特的磁性功能不断吸引着人们的关注，并被广泛地应用于许多机械产品的摩擦部件(如球磨机磁性衬板、电动机电刷、磁化切削刀具、新型制动系统的电磁磨屑清洁装置)中。但同时，磁场对这些摩擦部件造成何种影响尚未得到明确的结论，包括磁场是否会对摩擦副的材料产生作用，使其表现出不同的磁属性，进而影响其性能；抑或磁场是否会对摩擦副在摩擦磨损过程中发生的现象(氧化、磨屑剥落等)产生作用，使得摩擦部件的效能发生变化等等。因此，模拟工业生产中各种相关的磁环境工况，全面系统地进行磁环境下摩擦副的摩擦学试验，寻找并探究磁环境对特定摩擦部件的摩擦学特性的影响因素和机理，对这类摩擦部件的设计和工业生产提供理论依据和指导原则是具有重要意义的。

当前，国内外对磁环境下摩擦部件的摩擦学试验装置分为以下两类：一类试验装置仅对摩擦副试样进行了预磁化的操作，但并没有提供持续的磁场环境；另一类试验装置将通电线圈与摩擦试样(如销-盘摩擦试验中的销)连接，提供了持续的磁场，但无法更换不同形状的摩擦副和磁场环境。而且，这两类装置中摩擦副均无法与提供磁环境的磁性部件分开，导致摩擦过程中由摩擦界面产生的振动可能会作用于磁性部件，从而使得磁环境不稳定。因此，研制一台能够根据工业中的真实磁环境工况提供持续稳定且可调控的磁场，同时可灵活更换不同对磨材料及形状，且摩擦副与提供磁环境的磁性部件分开的试验装置是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的问题而提供一种可调控水平方向磁场的磁环境摩擦学试验装置，旨在能够方便地调整水平方向磁场，并可灵活更换不同对磨材料及形状，且摩擦副与提供磁环境的磁性部件分开。

本发明的目的是这样实现的：一种可调控水平方向磁场的磁环境摩擦学试验装置，包括，用作固定安装上摩擦试样的上夹具，用作安装固定下摩擦试样的下夹具，上加载机构为：垂向电机安装在机座顶板底面上，垂向电机轴与垂向丝杆固定联接，滑块横梁固定在机座侧立板上，左垂向导轨、右垂向导轨固定在滑块横梁底面上，且左、右垂向导轨活动插入垂向滑块上的两个导槽中，垂向滑块中部与垂向丝杆螺旋连接，水平丝杆活动地架设在垂向滑块的两侧立板上、并与水平电机(水平电机安装在垂向滑块右侧立板外侧)轴固定联接，水平滑块活动地旋接在水平丝杆上，水平滑块下方顺次固定二维应变式力传感器以及所述上夹具；下传动机构为：传动电机以及工作平台底座均安装在机座底板上，传动电机轴上安装的小齿轮经齿带与安装在工作平台底座上的大齿轮传动联接，工作平台底座固定在机座底板上，工作平台经多根立柱支撑固定在工作平台底座上方，大齿轮的轴从下向上活动地从工作平台的中心圆孔穿出，所述下夹具固定在大齿轮的轴上端。

施加磁场机构为：磁场底座经螺栓与四个L型连接件相固定，四个L型连接件经螺栓固定在工作平台上，左水平滑盒、右水平滑盒分别与磁场底座顶部的滑槽配合，左磁铁和右磁铁分别装在左水平滑盒和右水平滑盒中，或者，左通电线圈和右通电线圈分别装在左水平滑盒和右水平滑盒中。

所述二维应变式力传感器与上夹具之间设置有减振装置：刚性框架固定在二维应变式力传感器下面，刚性块位于刚性框架内、并与上夹具(位于刚性块下方)相固联，四个弹簧片设置在刚性块与刚性框架之间。

该装置能够模拟工业生产中各类磁环境下的摩擦接触工况，研究不同法向力、不同速度、不同磁场大小等相关参数下摩擦力、摩擦系数、磨损形貌等的变化规律，从而研究磁环境对摩擦副摩擦学特性的影响。并且可以为工业生产中的磁环境下摩擦部件的创新设计提供验证手段，从而加速研制和调试的周期。

本发明的工作过程和原理是：

在试验开始前，根据试验所需的摩擦半径控制水平电机调整水平滑块使得上摩擦试样与下摩擦试样水平方向的相对位置保持固定；然后控制垂向电机带动垂向滑块向下移动使得下摩擦试样与上试样摩擦试样进行接触并加载；二维应变式力传感器测量摩擦副的法向载荷和摩擦力并记录在控制电脑中，控制电脑根据预设的法向载荷控制垂向电机的运转保持摩擦副法向载荷的动态稳定；当载荷达到要求之后，控制电脑控制传动电机通过齿带带动下摩擦试样旋转开始摩擦试验。

L型连接件用于连接施加磁场机构与不随电机转动的工作平台。把L型连接件有单孔的一侧通过螺栓螺母与工作平台上已有的通孔连接，把L型连接件有双孔的一侧通过螺栓螺母与磁场底座上预留的通孔连接。

当需要磁铁提供磁场时，将左磁铁和右磁铁提前装入左水平滑盒和右水平滑盒并从磁场底座顶部滑槽两边向中间滑入，当达到所需的距离时用螺栓固定其位置，磁铁的南北极方向根据实际要求进行调整；当需要通电线圈提供磁场时，将左通电线圈和右通电线圈提前装入左水平滑盒和右水平滑盒并从磁场底座顶部滑槽两边向中间滑入，当达到所需的距离时用螺栓固定其位置，两个线圈分别通过导线与控制板连接，通过控制板对磁场的方向和大小进行调整。

在试验过程中，安装在上加载机构中水平滑块下方的二维应变式力传感器测量摩擦副的法向载荷和摩擦力，试验后对样品进行磨损形貌观察。所有采集到的信号均传送给信号采集分析系统进行分析处理。

试验结束后，被磁场吸引的磨屑会吸附在水平滑盒的外表面，而磁铁或者通电线圈放置在水平滑盒内，水平滑盒起到了隔离磨屑与磁性部件的作用，可方便直接地清理外表面的磨屑且保证磁性部件的干净整洁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、试验装置采用不受磁场影响的材料以保证磁场不会影响除摩擦副之外的其他部件。

二、试验装置所能提供的载荷、磁场和电机转速大小范围可以满足磁环境下摩擦部件各种实际工况。

三、可根据试验要求改变摩擦半径、接触载荷、对磨类型(球-盘、销-盘等)、磁场，并依据试验中采集的法向力、摩擦力、磨损形貌、磨屑情况等信息对摩擦磨损进行分析，以探究不同工况下，磁场对摩擦部件影响的因素和规律性。

四、试验装置可采用磁铁或者内置铁芯的通电线圈提供稳定磁场，且由于模块化的设计，磁环境装置不与摩擦副直接接触，减小了摩擦副产生的摩擦振动对提供磁环境的磁性部件的影响，保证了所提供的磁环境的稳定性。

五、所提供的通电线圈可以通过控制芯片调节电流以达到实现磁场强度的无级调节，还可以结合算法提供脉冲磁场、正弦交变磁场等一系列动态磁场以根据实际情况满足相关的研究试验。

六、所提供的磁环境模块可灵活调节磁性部件与摩擦副水平方向的距离，以实现磁场水平方向的调控，且设计的磁场装置可以隔离会被磁场吸引的磨屑与磁性部件，以保证磁性部件的干净整洁。

附图说明

图1是本发明所述的可调控水平方向磁场的磁环境摩擦学试验装置的整体装配图；

图1A1是图1所述的试验装置中“A”部的具体装配图；

图1B是本发明所述的试验装置的磁场施加模块的装配图；

图1B1是图1B所述的试验装置中“B”部分的左视图；

图中：1A-机座顶板，1B-机座底板，2-施加磁场机构，2A-左磁铁，2B-右磁铁，2C-左水平滑盒，2D-右水平滑盒，2E-磁场底座，2F-左通电线圈，2G-右通电线圈，2H-控制板(即控制电路)，3-下传动机构，3A-下摩擦试样，3B-下夹具，3C-L型连接件，3D-传动电机，3E-小齿轮，3F-电机底座，3G-齿带，3H-工作平台(圆形板件)，3I-大齿轮，3J-工作平台底座，3K-立柱，4-上加载机构，4A-垂向电机，4B-滑块横梁，4C-垂向丝杆，4D-左垂向导轨，4E-右垂向导轨，4F-垂向滑块，4G-水平滑块，4H-水平丝杆，4I-水平电机，5-二维应变式力传感器，6-减振装置，6A-刚性框架，6B-刚性块，6C-弹簧片(或采用压缩螺旋弹簧)，7-上夹具，8-上摩擦试样。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式是上加载机构4通过滑块横梁4B与机座侧立板(机座由顶板、底板和连接二者间的侧立板组成)用螺栓连接固定为一体，下传动机构3通过螺栓连接固定在机座底板1B上，施加磁场机构2通过L型连接件3C与工作平台3H用螺栓连接固定在一起。

图1示出，本发明的一种具体实施方式是所述的上加载机构4具体组成为：滑块横梁4B固定在机座侧立板上，垂向电机4A安装在机座顶板1A底面上、位于滑块横梁4B上方，垂向电机4A的轴与垂向丝杆4C连接，左垂向导轨4D与右垂向导轨4E固定在滑块横梁4B的下方与垂向滑块4F后部的导槽配合(左、右垂向导轨活动插入垂向滑块的两个导槽中)，垂向滑块4F中部内螺纹与垂向丝杆4C配合；水平电机4I安装在垂向滑块4F的右部，水平电机4I的轴与水平丝杆4H连接，水平丝杆4H活动地架设在垂向滑块4F(由水平板和左、右侧立板组成)的左、右侧立板上，水平滑块4G的内螺纹与安装在垂向滑块4F内部的水平丝杆4H进行配合；二维应变式力传感器5通过螺栓安装在水平滑块4G下方，四片弹簧片6C将刚性框架6A与刚性块6B进行连接形成的减振装置6(二维应变式力传感器5与上夹具7之间设置有减振装置6：刚性框架6A固定在二维应变式力传感器5下面，刚性块6B位于刚性框架6A内、并与上夹具7相固联，四个弹簧片6C设置在刚性块6B与刚性框架6A之间)通过螺栓安装在二维应变式力传感器5下方，上摩擦试样8被上夹具7加持并通过螺栓固定在刚性块6B下方。

图1及图1A1示出，本发明的一种具体实施方式是所述的下传动机构3具体组成为：传动电机3D以及工作平台底座3J均安装在机座底板1B上，传动电机3D轴上安装的小齿轮3E经齿带3G与安装在工作平台底座3J上的大齿轮3I传动联接，工作平台底座3J固定在机座底板1B上，工作平台3H经多根立柱3K支撑固定在工作平台底座3J上方，大齿轮3I的轴从下向上活动地从工作平台3H的中心圆孔穿出，所述下夹具3B固定在大齿轮3I的轴上端(大齿轮转动时，工作平台保持静止)；下摩擦试样3A粘贴在下夹具3B上，传动电机3D转动带动小齿轮3E转动，再通过齿带3G带动大齿轮3I转动，并最终带动下摩擦试样3A转动；四个L型连接件3C通过螺栓与螺母固定在工作平台3H上。

图1B及图1B1示出，本发明的一种具体实施方式是所述的施加磁场机构2具体组成为：磁场底座2E经螺栓与四个L型连接件3C相固定，四个L型连接件经螺栓固定在工作平台3H上，左水平滑盒2C、右水平滑盒2D分别与磁场底座2E顶部的滑槽配合，左磁铁2A和右磁铁2B分别装在左水平滑盒2C和右水平滑盒2D中，或者，左通电线圈2F和右通电线圈2G分别装在左水平滑盒2C和右水平滑盒2D中。

当需要采用磁铁提供磁场时，左磁铁2A与右磁铁2B分别装在左水平滑盒2C与右水平滑盒2D中，左水平滑盒2C与右水平滑盒2D与磁场底座2E顶部的滑槽相配合，使得左水平滑盒2C与右水平滑盒2D可以水平滑动，并用螺栓固定位置，磁铁的南北极方向根据实际要求进行调整；当需要采用通电线圈提供磁场时，左通电线圈2F与右通电线圈2G分别代替左磁铁2A和右磁铁2B装在左水平滑盒2C与右水平滑盒2D中，通过导线连接到控制板2H，通过控制板2H对磁场的方向和大小进行调整。

Claims (2)

1.一种可调控水平方向磁场的磁环境摩擦学试验装置，包括，用作固定安装上摩擦试样(8)的上夹具(7)，用作固定安装下摩擦试样(3A)的下夹具(3B)，其特征是，上加载机构(4)为：垂向电机(4A)安装在机座顶板(1A)底面上，垂向电机(4A)轴与垂向丝杆(4C)固定联接，滑块横梁(4B)固定在机座侧立板上，左垂向导轨(4D)、右垂向导轨(4E)固定在滑块横梁(4B)底面上，且左、右垂向导轨活动插入垂向滑块(4F)上的两个导槽中，垂向滑块(4F)中部与垂向丝杆(4C)螺旋连接，水平丝杆(4H)活动地架设在垂向滑块(4F)上、并与水平电机(4I)轴固定联接，水平滑块(4G)活动地旋接在水平丝杆(4H)上，水平滑块(4G)下方顺次固定二维应变式力传感器(5)以及所述上夹具(7)；下传动机构(3)为：传动电机(3D)以及工作平台底座(3J)均安装在机座底板(1B)上，传动电机(3D)轴上安装的小齿轮(3E)经齿带(3G)与安装在工作平台底座(3J)上的大齿轮(3I)传动联接，工作平台底座(3J)固定在机座底板(1B)上，工作平台(3H)经多根立柱(3K)支撑固定在工作平台底座(3J)上方，大齿轮的轴从下向上活动地从工作平台(3H)的中心圆孔穿出，所述下夹具(3B)固定在大齿轮(3I)的轴上端；施加磁场机构(2)为：磁场底座(2E)经螺栓与四个L型连接件(3C)相固定，四个L型连接件经螺栓固定在工作平台(3H)上，左水平滑盒(2C)、右水平滑盒(2D)分别与磁场底座(2E)顶部的滑槽配合，左磁铁(2A)和右磁铁(2B)分别装在左水平滑盒(2C)和右水平滑盒(2D)中，或者，左通电线圈(2F)和右通电线圈(2G)分别装在左水平滑盒(2C)和右水平滑盒(2D)中。

2.根据权利要求1所述的一种可调控水平方向磁场的磁环境摩擦学试验装置，其特征是，所述二维应变式力传感器(5)与上夹具(7)之间设置有减振装置(6)：刚性框架(6A)固定在二维应变式力传感器(5)下面，刚性块(6B)位于刚性框架(6A)内、并与上夹具(7)相固联，四个弹簧片(6C)设置在刚性块(6B)与刚性框架(6A)之间。