CN108333104B - 一种测试柔性材料表面摩擦力的测试装置及方法 - Google Patents

一种测试柔性材料表面摩擦力的测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种测试柔性材料表面摩擦力的测试装置及方法，属于材料性能测试技术领域；所要解决的技术问题是提供了操作方便、成本节约并且测试精度高的测试柔性材料表面摩擦力的测试装置及方法；解决该技术问题采用的技术方案为：本装置包括拉伸试验机、上圆柱棒、长方形槽、下圆柱棒、砝码和计算机，上圆柱棒和下圆柱棒的底面与长方形槽的的同一个内侧面固定相连，拉伸试验机的上部拉伸端通过第一拉力线与试件的上端相连，试件的上部与上圆柱棒的右侧环绕，试件的下部与下圆柱棒的左侧环绕，试件的下端通过第二拉力线与砝码或拉伸试验机的底部支座相连，拉伸试验机内的传感器与计算机相连；本发明可广泛应用于柔性材料表面的摩擦力测量领域。

Description

一种测试柔性材料表面摩擦力的测试装置及方法
技术领域
本发明一种测试柔性材料表面摩擦力的测试装置及方法，属于材料性能测试技术领域。
背景技术
柔性材料存在于生活中的工业、医疗、科研等各个方面，在应用中常常考虑到柔性材料表面的摩擦力的影响，但由于柔性材料的多样性、复杂性、柔软性、易变形性，其表面的摩擦力不容易测量，这将影响柔性材料在实际中的应用，同时，柔性材料表面摩擦力的测量精度也会影响实际应用的效果。因此，如何简便高精度的测量柔性材料表面的摩擦力，对柔性材料的实际应用具有极其重要的意义。
发明内容
本发明一种测试柔性材料表面摩擦力的测试装置及方法，克服了现有技术存在的不足，提供了操作方便、成本节约并且测试精度高的测试柔性材料表面摩擦力的测试装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种测试柔性材料表面摩擦力的测试装置，包括拉伸试验机、上圆柱棒、长方形槽、下圆柱棒、砝码和计算机，上圆柱棒和下圆柱棒的底面与长方形槽的同一个内侧面固定相连，拉伸试验机的上部拉伸端通过第一拉力线与试件的上端相连，试件的上部与上圆柱棒的右侧环绕，试件的下部与下圆柱棒的左侧环绕，试件的下端通过第二拉力线与砝码或拉伸试验机的底部支座相连，拉伸试验机内的传感器与计算机相连，计算机用于显示拉伸试验机的上部拉伸端上升的距离、时间和拉力大小变化的数据。
进一步，所述上圆柱棒和所述下圆柱棒同形，所述上圆柱棒和所述下圆柱棒为刚体。
进一步，所述试件采用柔性材料条带，柔性材料条带所用材料为橡胶轮胎、水凝胶、弹性绳、血管、皮肤和高分子聚合物的一种。
进一步，所述第一拉力线与竖直方向的夹角α的范围为15°到45°。
进一步，所述拉伸试验机的型号为Instron 3343，其应力测量精度为1微牛，位移测量精度为1微米。
进一步，所述上圆柱棒和所述下圆柱棒的所用材料为钢或骨。
一种测试柔性材料表面摩擦力的方法，基于上述所述的一种测试柔性材料表面摩擦力的测试装置完成，包括以下步骤：
S1.将上圆柱棒和下圆柱棒固定在长方体槽中，拉伸试验机的上部拉伸端通过第一拉力线与试件的上端相连，试件的上部与上圆柱棒的右侧环绕，试件的下部与下圆柱棒的左侧环绕，试件的下端通过第二拉力线悬挂砝码，拉伸试验机内的传感器与计算机相连，通过调节上圆柱棒的位置使得第一拉力线与竖直方向呈α角度；
S2.在与上圆柱棒圆心正右边缘点相接触的试件上标记为M点；
S3.在拉伸试验机以恒定速度v拉伸下，经过时间t后，计算机显示出拉伸试验机输出位移和拉力的关系曲线F1(x)，同时M点运动到M′点；
S4.测量砝码上升的高度h及上圆柱棒中心O到M′点的距离a；
S5.测量试件的弹性势能ET的变化量：将试件的下端固定在拉伸试验机的底部支座，试件的上端固定在拉伸试验机的上部拉伸端，初始时试件处于原长状态，在拉伸试验机作用下，使试件伸长u+s+c-h，式中，u为试件在砝码拉力作用下所产生的变形位移，s表示试件拉伸的直线的长度，c表示试件拉伸的弧线的长度，s+c为试件与两个圆柱棒相对滑动的距离，计算机显示出拉伸试验机输出位移和拉力的关系曲线F2(x)；
S6.将实验所测得数据v、t、s、h、
Figure GDA0002184992170000021
a代入下式计算得到摩擦力f：
Figure GDA0002184992170000022
上式中，
Figure GDA0002184992170000023
和
Figure GDA0002184992170000024
为拉伸试验机连接的计算机输出F-x图像的面积，分别表示弹性势能的变化量ET和拉力F做的功为WF，ms为试件的质量，mw为砝码的质量，s+c为上下两个圆柱棒与试件相对滑动的距离，利用下式计算：
Figure GDA0002184992170000031
上式中，R为上圆柱棒半径，H上下两个圆柱棒圆心之间的距离；
S7.重复上述步骤多次，求f的平均值
Figure GDA0002184992170000032
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明提供的测试装置结构简单，容易制造；本发明提供的测试方法操作简单、测量精度精度高，能够实际应用于工业、医疗、科研之中，不仅可以得到可靠的摩擦力数据，也能节约材料成本，能够推动柔性材料的广泛应用，促进经济的发展和社会的进步
附图说明
图1为本发明装置中试件下端悬挂砝码时的工作示意图。
图2为本发明装置中试件下端与拉伸试验机底部支座相连时的工作示意图。
图3为拉伸试验机输出的拉力F做的功WF的图像。
图4为拉伸试验机输出的弹性势能ET的图像。
图中,1-拉伸试验机的上部拉伸端，2-第一拉力线，3-上圆柱棒，4-长方形槽，5-试件，6-下圆柱棒，7-第二拉力线，8-砝码，9-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明一种测试柔性材料表面摩擦力的测试装置，包括拉伸试验机、上圆柱棒3、长方形槽4、下圆柱棒6、砝码8和计算机9，上圆柱棒3和下圆柱棒6的底面与长方形槽4的同一个内侧面固定相连，拉伸试验机的上部拉伸端1通过第一拉力线2与试件5的上端相连，试件5的上部与上圆柱棒3的右侧环绕，试件5的下部与下圆柱棒6的左侧环绕，试件5的下端通过第二拉力线7与砝码8或拉伸试验机的底部支座相连，拉伸试验机内的传感器与计算机9相连，计算机9用于显示拉伸试验机的上部拉伸端1上升的距离、时间和拉力大小变化的数据。上圆柱棒3和所述下圆柱棒6同形，上圆柱棒3和下圆柱棒6为刚体。
第一拉力线2与竖直方向的夹角α的范围为15°到45°。试件5采用柔性材料条带，柔性材料条带所用材料为橡胶轮胎、水凝胶、弹性绳、血管、皮肤和高分子聚合物的一种。上圆柱棒3和下圆柱棒6的所用材料为钢或骨等接近刚体的材料。上圆柱棒3和下圆柱棒3材料的选择因试件5的不同来选择，如当试件5为橡胶轮胎时，圆柱棒选择钢圈；当试件5为水凝胶时，圆柱棒选择骨。
拉伸试验机的型号为Instron 3343，配有5N和50N的力传感器，其应力测量精度为1微牛，位移测量精度为1微米。
本发明还提供一种测试柔性材料表面摩擦力的方法，基于上述的一种测试柔性材料表面摩擦力的测试装置完成，包括以下步骤：
S1.将上圆柱棒3和下圆柱棒6固定在长方体槽中，拉伸试验机的上部拉伸端1通过第一拉力线2与试件5的上端相连，试件5的上部与上圆柱棒3的右侧环绕，试件5的下部与下圆柱棒6的左侧环绕，试件5的下端通过第二拉力线7悬挂砝码8，拉伸试验机内的传感器与计算机9相连，通过调节上圆柱棒3的位置使得第一拉力线2与竖直方向呈α角度；
S2.在与上圆柱棒3圆心正右边缘点相接触的试件5上标记为M点；
S3.在拉伸试验机以恒定速度v拉伸下，经过时间t后，计算机9显示出拉伸试验机输出位移和拉力的关系曲线F1(x)，同时M点运动到M′点；
S4.测量砝码8上升的高度h及上圆柱棒3中心O到M′点的距离a；
S5.测量试件的弹性势能ET的变化量：将试件5的下端固定在拉伸试验机的底部支座，试件5的上端固定在拉伸试验机的上部拉伸端1，初始时试件5处于原长状态，在拉伸试验机作用下，使试件5伸长u+s+c-h，式中，u为试件5在砝码8拉力作用下所产生的变形位移，s表示试件拉伸的直线的长度，c表示试件拉伸的弧线的长度，s+c为试件5与两个圆柱棒相对滑动的距离，计算机9显示出拉伸试验机输出位移和拉力的关系曲线F2(x)；
S6.将实验所测得数据v、t、s、h、
Figure GDA0002184992170000041
a代入下式计算得到摩擦力f：
Figure GDA0002184992170000042
上式中，
Figure GDA0002184992170000051
为拉伸试验机连接的计算机9输出F-x图像的面积，分别表示弹性势能的变化量ET和拉力F做的功为WF，ms为试件5的质量，mw为砝码8的质量，s+c为上圆柱棒3和下圆柱棒6与试件5相对滑动的距离，利用下式计算：
Figure GDA0002184992170000052
上式中，R为上圆柱棒3半径，H上下两个圆柱棒3，6圆心之间的距离；
S7.重复上述步骤多次，求f的平均值
Figure GDA0002184992170000053
上述摩擦力f计算公式推导过程如下：
根据能量守恒，拉力F做的功为WF，试件摩擦阻力做的功为Ws，ET表示试件弹性势能的变化量，ES表示试件重力势能的变化量，EW为砝码的重力势能变化量，EA表示试件的动能，EK为砝码的动能，有下面的式子成立：
WF＝EW+ES+ET+WS+EA+EK (式1)
假设试件与上下圆柱棒滑动的距离为s+c，s表示试件拉伸的直线的长度，c表示试件拉伸的弧线的长度，f表示滑动摩擦力，则拉力F做的功WF由拉伸试验机输出图像面积得(如图3)：
Figure GDA0002184992170000054
EW＝mWgh (式3)
Figure GDA0002184992170000055
弹性势能ET可由拉伸试验机输出图像(如图4)的面积得：
Figure GDA0002184992170000056
WS＝f(s+c) (式6)
Figure GDA0002184992170000061
Figure GDA0002184992170000062
将式2到式8代入式1中得：
即：
Figure GDA0002184992170000063
由几何关系得：
Figure GDA0002184992170000064
Figure GDA0002184992170000065
Figure GDA0002184992170000066
即:
Figure GDA0002184992170000067
Figure GDA0002184992170000068
式中的积分通过Origin软件进行直接计算。
下面通过具体实施例来说明本发明的测试过程：
实施例1
(1)将由橡胶制成的试件包裹在由钢圈制成的圆柱棒上，通过调节上圆柱棒的位置使得第一拉力线与竖直方向呈45°角。砝码质量为2kg，试件质量0.5kg，圆柱棒半径为0.02m。并在测试试件上标记M点(上圆柱棒圆心正右边缘点)，然后启动拉伸试验机，设定速度v＝0.001m/s，时间为120s，记录砝码上升的高度，游标卡尺测量上圆柱棒中心点O到M′点的距离a。重复5次实验，每次实验速度增加0.0005m/s,记录数据如下表中：
表1：实施例1—橡胶与钢圈之间摩擦力的测试数据表格
Figure GDA0002184992170000071
(2)那么各自代入公式：
Figure GDA0002184992170000072
得：
Figure GDA0002184992170000073
其中
Figure GDA0002184992170000074
和
Figure GDA0002184992170000075
分别为计算机显示图像的面积(可以通过Origin软件进行计算)。
实施例2
(1)将由水凝胶制成的试件包裹在由骨制成的圆柱棒上，通过调节上固定棒的位置使得第一拉力线与竖直方向呈30°角。砝码质量为3kg，试件质量1kg，圆柱棒半径为0.03m。并在测试试件上标记M点(上圆柱棒圆心正右边缘点)，然后启动拉伸试验机，设定速度v＝0.002m/s，时间为90s，记录砝码上升的高度，测量圆柱棒中心点O到M′点的距离a。重复5次实验，每次实验速度增加0.0004m/s,记录数据如下表中：
表2：实施例2—水凝胶试件与骨之间摩擦力的测试数据表格
Figure GDA0002184992170000076
Figure GDA0002184992170000081
(2)那么各自代入公式：
Figure GDA0002184992170000082
得：
Figure GDA0002184992170000083
其中
Figure GDA0002184992170000084
和
Figure GDA0002184992170000085
分别为计算机显示图像的面积(通过Origin软件进行计算)。
实施例3
(1)将由弹性绳制成的试件包裹在由滑轮材料制成的圆柱棒上，通过调节上圆柱棒的位置使得第一拉力线与竖直方向呈15°角。砝码质量为1kg，试件质量0.2kg，圆柱棒半径为0.05m。并在测试试件上标记M点(上圆柱棒圆心正右边缘点)，然后启动拉伸试验机，设定速度v＝0.01m/s，时间为30s，记录砝码上升的高度，游标卡尺测量上圆柱棒中心点O到M′点的距离a。重复5次实验，每次实验速度增加0.01m/s,记录数据如下表中：
表1：实施例3—弹性绳与滑轮之间摩擦力的测试数据表格
Figure GDA0002184992170000086
Figure GDA0002184992170000091
(2)那么各自代入公式：
Figure GDA0002184992170000092
得：
Figure GDA0002184992170000093
其中
Figure GDA0002184992170000094
和
Figure GDA0002184992170000095
分别为计算机显示图像的面积(可以通过Origin软件进行计算)。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (6)

1.一种测试柔性材料表面摩擦力的方法，通过一测试柔性材料表面摩擦力的测试装置进行测试，该装置包括拉伸试验机、上圆柱棒(3)、长方形槽(4)、下圆柱棒(6)、砝码(8)和计算机(9)，上圆柱棒(3)和下圆柱棒(6)的底面与长方形槽(4)的同一个内侧面固定相连，拉伸试验机的上部拉伸端(1)通过第一拉力线(2)与试件(5)的上端相连，试件(5)的上部与上圆柱棒(3)的右侧环绕，试件(5)的下部与下圆柱棒(6)的左侧环绕，试件(5)的下端通过第二拉力线(7)与砝码(8)或拉伸试验机的底部支座相连，拉伸试验机内的传感器与计算机(9)相连，计算机(9)用于显示拉伸试验机的上部拉伸端(1)上升的距离、时间和拉力大小变化的数据；其特征在于，包括以下步骤：
S1.将上圆柱棒(3)和下圆柱棒(6)固定在长方体槽中，拉伸试验机的上部拉伸端(1)通过第一拉力线(2)与试件(5)的上端相连，试件(5)的上部与上圆柱棒(3)的右侧环绕，试件(5)的下部与下圆柱棒(6)的左侧环绕，试件(5)的下端通过第二拉力线(7)悬挂砝码(8)，拉伸试验机内的传感器与计算机(9)相连，通过调节上圆柱棒(3)的位置使得第一拉力线(2)与竖直方向呈α角度；
S2.在与上圆柱棒(3)圆心正右边缘点相接触的试件(5)上标记为M点；
S3.在拉伸试验机以恒定速度v拉伸下，经过时间t后，计算机(9)显示出拉伸试验机输出位移和拉力的关系曲线F1(x)，同时M点运动到M′点；
S4.测量砝码(8)上升的高度h及上圆柱棒(3)中心O到M′点的距离a；
S5.测量试件的弹性势能ET的变化量：将试件(5)的下端固定在拉伸试验机的底部支座，试件(5)的上端固定在拉伸试验机的上部拉伸端(1)，初始时试件(5)处于原长状态，在拉伸试验机作用下，使试件(5)伸长u+s+c-h，式中，u为试件(5)在砝码(8)拉力作用下所产生的变形位移，s表示试件拉伸的直线的长度，c表示试件拉伸的弧线的长度，s+c为试件(5)与两个圆柱棒相对滑动的距离，计算机(9)显示出拉伸试验机输出位移和拉力的关系曲线F2(x)；
S6.将实验所测得数据v、t、s、h、
Figure FDA0002361836110000011
a代入下式计算得到摩擦力f：
Figure FDA0002361836110000021
上式中，
Figure FDA0002361836110000022
和
Figure FDA0002361836110000023
为拉伸试验机连接的计算机(9)输出位移和拉力的关系曲线的图像面积，分别表示弹性势能ET的变化量和拉力F做的功为WF，ms为试件(5)的质量，mw为砝码(8)的质量，s+c为两个圆柱棒(3，6)与试件(5)相对滑动的距离，利用下式计算：
Figure FDA0002361836110000024
上式中，R为上圆柱棒(3)半径，H上下两个圆柱棒(3，6)圆心之间的距离；
S7.重复上述步骤多次，求f的平均值
Figure FDA0002361836110000025
2.根据权利要求1所述的一种测试柔性材料表面摩擦力的测试方法,其特征在于:所述上圆柱棒(3)和所述下圆柱棒(6)同形，所述上圆柱棒(3)和所述下圆柱棒(6)为刚体。
3.根据权利要求1所述的一种测试柔性材料表面摩擦力的测试方法,其特征在于:所述试件(5)采用柔性材料条带，柔性材料条带所用材料为橡胶轮胎、水凝胶、弹性绳、血管、皮肤的一种。
4.根据权利要求1所述的一种测试柔性材料表面摩擦力的测试方法,其特征在于:所述第一拉力线(2)与竖直方向的夹角α的范围为15°到45°。
5.根据权利要求1所述的一种测试柔性材料表面摩擦力的测试方法,其特征在于:所述拉伸试验机的型号为Instron 3343，其应力测量精度为1微牛，位移测量精度为1微米。
6.根据权利要求2所述的一种测试柔性材料表面摩擦力的测试方法,其特征在于:所述上圆柱棒(3)和所述下圆柱棒(6)的所用材料为钢或骨。
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