CN107271306B

CN107271306B - 一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置及测试方法

Info

Publication number: CN107271306B
Application number: CN201710627326.0A
Authority: CN
Inventors: 余家欣
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-12-03
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: CN107271306A

Abstract

本发明提供了一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置及测试方法，该方案包括有机架、直线导轨平台、样品台、拉伸基座、工件夹持机构、反向观测机构和摩擦副‑球夹具。该方案将应力场引入工件的摩擦磨损实验中，并经过力学仿真和实验模拟验证了该装置的可实施性和可靠性，其对研究材料在特殊拉压应力工况下的磨损失效问题具有重要意义。同时，装置中的反向观测机构可以对透明材料磨损进行实时在线观测，以准确掌握材料磨损破坏的动态过程。此外，该装置能获得准确的实验材料形变参数，以此为基础定量计算材料磨损体积。在摩擦磨损测试中，本装置及测试方法能为分析和揭示应力场对材料磨损与损伤衍化的相关定量关系提供强有力的理论和实验支撑。

Description

一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及的是材料的摩擦磨损试验领域，尤其是一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置及测试方法。

背景技术

通过摩擦磨损试验机来评价材料的耐磨性能以及判断其损伤行为是摩擦学研究的基本手段。大量研究表明，材料磨损过程中外界环境的改变将直接影响到其损伤行为。外界环境涵盖了包括温度，湿度，气氛，电场，磁场，应力场在内的众多外界因素。传统的摩擦磨损试验机通常并不考虑环境因素对材料磨损的影响，如果需要对外界环境进行主动控制，则需要在试验机上附加额外装置来实现。例如通过附加环境气氛腔来实现湿度和气氛的可控，通过外部电/磁场装置来实现摩擦磨损中的电/磁场环境可控，等等。

应力场作为一种独特的外界环境，在材料的摩擦磨损研究中往往被忽略。之前大量的试验和研究发现，材料在绝对值相同的拉应力或压应力作用下，会发生绝对值不同的拉应变和压应变，即材料具有拉压不同模量的非线性特性。还有研究表明残余拉应力对硬度影响明显，而残余压应力对硬度影响较小，还会引起压痕深度、接触面积的变化。对于金属材料，无论是压缩还是拉伸，在一定条件下，都将导致金属腐蚀速度的加速，但不同形变阶段金属力学化学活性存在一定的差别，并且疲劳寿命随应力水平的减小而增大，从不同应力水平的变异性来看，随应力水平的减小变异系数随之增大，说明应力水平越小疲劳寿命的离散性越大。

以上结论说明，外部应力对材料的物理特性有明显的影响，但却没有提到对材料摩擦磨损性能影响。目前，绝大多数摩擦磨损试验机在设计上仅考虑被测样品在无外应力下的磨损状况，并无在磨损实验过程中对被测样品施加外应力的相关附加装置。然而，在实际生活和工程应用中，许多材料的摩擦磨损都是发生在外应力存在的条件下。例如，目前很多风景区出现的“玻璃栈道”，大块的玻璃通过紧固件安装在刚性支撑结构上，并通过螺纹和螺栓施加外应力予以固定。当人在玻璃栈道上行走时，鞋和玻璃的磨损将发生在玻璃处于受拉应力的状态下；滑索的缆绳受拉力作用，当游客乘坐滑索下滑时，索套与钢缆之间剧烈摩擦，要保证使用者安全，应考虑拉力与摩擦力共同作用；轮胎充气后由于张力作用而绷紧，在汽车行驶过程中，轮胎极易磨损，为了清楚的了解轮胎寿命，必须考虑张力对轮胎磨损的影响。由于拉应力的存在，材料在发生磨损时的裂纹萌生与扩展规律将可能和无应力状态下产生巨大差异。当对其材料的磨损性能进行研究时，如果不考虑外应力的作用，实验所获得的磨损结果并不能反映材料在真实使用过程中的磨损状态，这将可能导致高估了材料的使用寿命，甚至造成灾难性的事故。因此，开发用于摩擦磨损试验机，且可对被测样品施加外应力的实验装置，对于研究外压应力条件下的材料摩擦学特性具有重大意义。

磨损试验结束后,对试验样品上磨痕的观察是评价材料损伤性能的基本手段。当前，对材料磨损后的损伤分析，通常是对测试后的样品表面来进行形貌表征。但是这种分析方法的缺点在于不能实时动态观测磨损区域状态的变化，例如，不能实时观测和判断样品在试验过程中的磨损类型、表面破坏的方式及其转变过程等。针对透明的脆性材料而言，材料磨损过程中通常伴随着裂纹的生成，如果仅仅在磨损后对磨损形貌进行观察，并不能准确的掌握材料在磨损中裂纹萌生的时刻以及大小，从而对材料损伤机理的掌握相当有限。而目前现有的磨损试验机基本无法解决此类问题。因此，研发一种既能在摩擦磨损过程中给被测样品提供定量的拉压应力，又能在摩擦磨损测试中实时在线观测材料动态破坏过程的实验装置，可以很好的用于研究一些透明材料在特殊拉压应力工况下的磨损失效问题，为分析和揭示应力场和材料磨损与衍化的相关定量关系提供强有力的实验支撑。

发明内容

本发明的目的，是针对现有技术所存在的不足，来提供一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置及测试方法，该方案将应力场引入摩擦磨损实验中，并经过力学仿真和实际实验验证，本方案可以很好的研究材料在特殊拉压应力工况下的磨损失效问题。同时，采用反向观察机构可以对透明材料的形变进行图像记录，获得准确的实验材料形变参数，能够较为方便的对磨损试验全过程进行记录。在摩擦磨损测试中，本装置及测试方法为分析和揭示应力场和材料磨损与衍化的相关定量关系，提供强有力的理论和实验支撑。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置，其特征是：包括有机架、直线导轨平台、样品台、拉伸基座、工件夹持机构、反向观测机构和摩擦副球夹具；直线导轨平台设置在机架上；样品台固定在直线导轨平台上；拉伸基座固定在样品台上；拉伸基座中部镂空；工件夹持机构设置在拉伸基座内；反向观测机构设置在位于拉伸基座下方的样品台内；摩擦副球夹具固定在拉伸机构上方的机架上；直线导轨机构能够在机架上滑动。

作为本方案的优选：摩擦副球夹具下方固定有压头。

作为本方案的优选：反向观测机构包括有摄像机构、固定件、旋转装夹机构和位置调解机构；位置调节机构通过固定件与直线导轨平台固定连接；旋转装夹机构固定在位置调节机构上；摄像机构固定在旋转装夹机构上；摄像机构位于拉伸基座下方且图像采集端朝向拉伸基座。

作为本方案的优选：工件夹持机构包括有滑块、弹簧、套筒和螺杆；滑块设置在拉伸基座内；螺杆穿过拉伸基座的侧壁后与套筒连接；弹簧两端分别与套筒和滑块连接；螺杆在旋转时能够驱动套筒径向移动。

作为本方案的优选：所述拉伸基座内部侧壁上设置有滑槽；所述滑块能够沿滑槽滑动；所述拉伸基座和滑块内设置有相对应的样品槽。

作为本方案的优选：位置调节机构能够在X、Y、Z三个方向上对旋转装夹机构的位置进行调整。

作为本方案的优选：直线导轨平台上固定有丝杠传动机构；丝杠传动机构能够驱动直线导轨平台在机架上往复运动。

一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试方法，包括有以下步骤：

a、将待测材料用热熔高黏胶粘在拉伸基座和滑块的样品槽内；

b、调节反向观测装置的位置，使摄像机构处于试验材料正下方，能够拍摄到实验材料的表面；

c、通过旋转调节螺杆，改变弹簧的伸长量，对实验材料施加拉/压力，使材料表面产生拉/压应力；

d、设置实验参数，包括：压头施加的载荷、摩擦运动速度和时间等；

e、试验机控制摩擦副球夹具向下运动，使压头与待测工件接触；丝杠传动机构带动直线导轨平台做直线往复运动，使实验材料与压头进行相对摩擦运动；

f、通过反向观测装置观测并记录实验过程中压头与实验材料的接触及摩擦情况，获得实际接触半径，并由此计算出实时接触应力，从而判断工件的形变形式为弹性变形、塑性变形或脆性断裂；

g、通过摄像机构观察到压头与工件的实际接触半径和划痕宽度计算得出工件材料的磨损体积。

作为本方案的优选：步骤f中，由摄像机构能够观测到压头与工件的实际接触半径a，并由此能够计算出实际接触面积式中R为压头的半径，h_c为压入深度；

进而计算出实时接触应力式中F_n为施加的载荷；通过P_m和材料屈服应力进行比较，式中E_a为活化能，v_a ^*为活化体积，k为玻尔兹曼常数，T为温度，ε为应变率，ε₀为参考应变率；当P_m＜σ_yield时，材料的形变形式为弹性变形，当P_m＞σ_yield时，材料的形变形式为塑性变形。

作为本方案的优选：步骤g中，通过摄像机构观察到的实际接触半径a和划痕宽度L可以计算工件材料的磨损体积

用于研究工件材料的去除情况。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，该方案中拉伸基座和反向观察机构可以安装在任何往复式摩擦磨损试验机的平台上；其中通过锁紧螺钉可以方便地将试验样品固定在拉伸基座和滑块上的样品槽内，然后通过旋转螺杆来控制套筒的位置，从而拉伸或压缩弹簧来定量地施加一定的拉/压应力于试验样品上，由于采用螺杆和螺纹孔加工精度较高，因此施加的拉/压力较精确和稳定；同时，拉伸基座上有刻度，由套筒的位置刻度可以实时监测施加在样品上的载荷。整套拉压装置与镂空样品台配合使用，装在试验机的导轨平台上。由于采用旋转螺杆的方式加载，实验操作过程非常简便，本发明可以实现样品在拉/压应力下的摩擦磨损测试，得到不同应力下材料的去除规律，以及材料的摩擦磨损性能随拉/压应力的磨损机理，结构简单，精确度高。

反向观测装置主要是与拉伸装置配合使用，可观察透明试件在磨损试验过程中形貌的动态变化。首先，为了保证装置的稳定性，通过固定件将反向观测装置固定连接到磨损试验机上；其次，由于试验过程中，不同试验条件下磨损区域的位置在不断的发生变化，需要对工业相机镜头的拍摄位置进行调节，因此本发明中采用了三坐标位置调节结构，可以随意调节工业相机镜头的位置，从而轻松准确的调整好相机拍摄位置，实时观察记录透明试件的形貌的动态变化。通过反向观测装置，我们可以观察到在不同周期下各种工况的磨损试验的磨损情况，能够较清楚的观察到磨损区域及周围磨屑的动态变化情况，从而准确判断试验的暂停和终止时间，更好的判断出透明材料的损伤规律和磨损机理，同时也能够减少磨损试验机无关的运行时间，提高实验效率，延长磨损试验机的使用寿命。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为反向观测机构的结构示意图。

图3为本发明的整体剖视图。

图4为本发明实施阶段的压头与工件的结构示意图。

图中，1为力传感器，2为拉伸基座，3为摄像机构，4为样品台，5为直线导轨平台，6为丝杠传动机构，7为螺杆，8为套筒，9为弹簧，10为滑块，11为固定件，12为位置调节机构，13为旋转装夹机构，14为压头，15为工件，16为样品槽。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

通过附图能够看出，本方案包括有机架、直线导轨平台、样品台、拉伸基座、工件夹持机构、反向观测机构和摩擦副球夹具；直线导轨平台设置在机架上；样品台固定在直线导轨平台上；拉伸基座固定在样品台上；拉伸基座中部镂空；工件夹持机构设置在拉伸基座内；反向观测机构设置在位于拉伸基座下方的样品台内；摩擦副球夹具固定在拉伸机构上方的机架上；直线导轨机构能够在机架上滑动。

摩擦副球夹具下方固定有压头。

反向观测机构包括有摄像机构、固定件、旋转装夹机构和位置调解机构；位置调节机构通过固定件与直线导轨平台固定连接；旋转装夹机构固定在位置调节机构上；摄像机构固定在旋转装夹机构上；摄像机构位于拉伸基座下方且图像采集端朝向拉伸基座。

工件夹持机构包括有滑块、弹簧、套筒和螺杆；滑块设置在拉伸基座内；螺杆穿过拉伸基座的侧壁后与套筒连接；弹簧两端分别与套筒和滑块连接；螺杆在旋转时能够驱动套筒径向移动。

所述拉伸基座内部侧壁上设置有滑槽；所述滑块能够沿滑槽滑动；所述拉伸基座和滑块内设置有相对应的样品槽。

位置调节机构能够在X、Y、Z三个方向上对旋转装夹机构的位置进行调整。

直线导轨平台上固定有丝杠传动机构；丝杠传动机构能够驱动直线导轨平台在机架上往复运动。

采用上述装置的材料磨损测试方法，包括有以下步骤：

e、试验机控制摩擦副球夹具向下运动，压头与待测工件接触；丝杠传动机构带动直线导轨平台做直线往复运动，使实验材料与压头进行相对摩擦运动；

步骤e中，由摄像机构能够观测到压头与工件的实际接触半径a，并由此能够计算出实际接触面积式中R为压头的半径，h_c为压入深度；

步骤f中，通过摄像机构观察到的实际接触半径a和划痕宽度L可以计算工件材料的磨损体积

用于研究工件材料的去除情况。

另外，在进行拉/应力测试时，将工件固定在样品槽和滑块上，通过旋转螺杆对工件进行拉伸或压缩，对试验样品施加相应的拉/压应力；同时，拉伸基座上有刻度，由套筒的位置刻度可以实时监测施加在样品上的载荷。

反向观察机构安装在磨损试验机导轨平台的下方，与拉伸装置配合使用。反向观察机构包括固定件、摄像机构、旋转装夹机构、三坐标(XYZ)位置调节机构以及若干锁紧螺钉。其中，摄像机构包括有工业相机和内置光源，旋转装夹机构包括U型槽、盖板、旋转基座、旋转轴、轴承以及限位卡扣。首先固定件作为该装置的基准，通过螺钉固定连接在试验机下基座；工业相机装夹旋转装夹机构的U型槽内，通过螺钉和盖板施加预紧力来对其进行夹紧。U型槽通过旋转轴与旋转基座连接在一起，这时候可以实现镜头的旋转，而U型槽和旋转基座通过限位卡扣来限制两者之间的旋转，限位卡扣通过旋转基座上安装的弹簧将钢球一部分挤压在U型槽的圆形凹坑内实现限位功能。同时，可以通过三坐标位置调节机构上实现相机镜头在X、Y、Z三坐标轴上的微调，通过位置锁紧开关使工业相机镜头可以固定并保持在一个位置。在试验过程中，工业相机既可以清楚的观察到试验样品磨损区域及磨屑形貌的变化，相机与计算机相连接，可以实现全程实时记录、图像的存储以及回放功能。

采用上述装置和方法进行试验，使用磷酸盐玻璃为实验材料，压头上摩擦副材料为氧化铝陶瓷球，获得的施加外部拉力和未施加外部拉力的摩擦系数表格如下：

摩擦时间T t/s	无拉力条件下的摩擦系数μ	200N拉力下的摩擦系数μ
			0	0	0
1.9142	0.34572	0.37882
			2.9142	0.21890	0.46743
3.9142	0.27863	0.55486
			4.9142	0.30336	0.57765
5.9142	0.28852	0.58860
			6.9142	0.25575	0.59666
7.9142	0.23228	0.61557
			8.9142	0.23157	0.62013
9.9142	0.22955	0.63203
			10.9142	0.21639	0.61146
11.9142	0.20085	0.53529
			12.9142	0.21117	0.46484
13.9142	0.20107	0.42922

从表格中能够看出，在施加外部应力和未施加外部应力的环境下，同样的实验材料在相同测试条件下得到的摩擦系数具有明显的差异，因此能够确定材料本身受到的外部应力会对其摩擦系数造成明显的影响。由此可见，本方案提出的将应力场引入摩擦磨损实验中，可以很好的研究材料在特殊拉压应力工况下的磨损失效问题。在摩擦磨损测试中，本装置及测试方法为分析和揭示应力场和材料磨损与衍化的相关定量关系，提供强有力的理论和实验支撑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试方法，其特征是：

所述测试方法基于带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置，所述带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置包括有机架、直线导轨平台、样品台、拉伸基座、工件夹持机构、反向观测机构和摩擦副-球夹具；所述直线导轨平台安置在机架上；所述样品台固定在直线导轨平台上；所述拉伸基座固定在样品台上；所述拉伸基座中部镂空；所述工件夹持机构设置在拉伸基座内；所述反向观测机构设置在位于拉伸基座下方的样品台内；所述摩擦副球夹具固定在拉伸机构上方的机架上；所述直线导轨机构能够在机架上滑动；

所述摩擦副球夹具下方固定有压头；

所述反向观测机构包括有摄像机构、固定件、旋转装夹机构和位置调节机构；所述位置调节机构通过固定件与直线导轨平台固定连接；所述旋转装夹机构固定在位置调节机构上；所述摄像机构固定在旋转装夹机构上；所述摄像机构位于拉伸基座下方且图像采集端朝向拉伸基座；

所述工件夹持机构包括有滑块、弹簧、套筒和螺杆；所述滑块设置在拉伸基座内；所述螺杆穿过拉伸基座的侧壁后与套筒连接；所述弹簧两端分别与套筒和滑块连接；所述螺杆在旋转时能够驱动套筒径向移动；

所述直线导轨平台上固定有丝杠传动机构；所述丝杠传动机构能够驱动直线导轨平台在机架上往复运动；

所述测试方法包括有以下步骤：

d、设置实验参数，包括：压头施加的载荷、摩擦运动速度和磨损测试时间；

g、通过摄像机构观察到压头与工件的实际接触半径和划痕宽度计算得出工件材料的磨损体积；

所述步骤f中，由摄像机构能够观测到压头与工件的实际接触半径a，并由此能够计算出实际接触面积式中R为压头半径，h_c为压入深度；

进而计算出实时接触应力式中F_n为施加的载荷；通过P_m和材料屈服应力进行比较，式中E_a为活化能，v_a ^*为活化体积，k为玻尔兹曼常数，T为温度，ε为应变率，ε₀为参考应变率；当P_m＜σ_yield时，材料的形变形式为弹性变形，当P_m＞σ_yield时，材料的形变形式为塑性变形；

所述步骤g中，通过摄像机构观察到的实际接触半径a和划痕宽度L可以计算工件材料的磨损体积用于研究工件材料的去除情况。

2.根据权利要求1所述的一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试方法，其特征是：所述拉伸基座内部侧壁上设置有滑槽；所述滑块能够沿滑槽滑动；所述拉伸基座和滑块内设置有相对应的样品槽。

3.根据权利要求1所述的一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试方法，其特征是：所述位置调节机构能够在X、Y、Z三个方向上对旋转装夹机构的位置进行调整。