CN1085855C - 对金属/陶瓷摩擦副的摩擦系数进行主动控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机电技术领域。该方法为：将金属陶瓷摩擦副置于润滑剂中双磨擦剂的金属一侧作为阴极，在摩擦副附近的任意处设置一金属辅助正极，作为阳极；改变施加在阳极和阴极之间的直流电压来改变摩擦系数的大小；用力传感器在线检测摩擦力/力矩的大小、根据实测值与预定目标值之间的差异大小不断反馈调节外加电压的大小，就可实现摩擦的主动控制。本发明可广泛应用于摩擦驱动、摩擦制动装置中，提高其可靠性和可控制性。

Description

对金属/陶瓷摩擦副的摩擦系数进行主动控制的方法

本发明属于机电技术领域，特别涉及对由金属材料和陶瓷材料构成的摩擦副的摩擦性能进行在线和主动控制的技术。

摩擦是一种普遍存在于各种机械设备以及各种运动物体间的自然现象。由于摩擦使机械能转化为热能，引起大量能源的浪费，所以人们一直在不断寻求有效的方法来降低摩擦。另一方面，摩擦也会给人类带来不少益处，如汽车在路面上行走、火车的运行都是利用了车轮与路面或轨道间的摩擦，利用摩擦效应进行驱动或制动在机械设备中应用也十分广泛，在这些场合，为提高可靠性和效率，往往希望摩擦系数要足够大。另外，现代机械装置和设备对运转的平稳性要求愈来愈高，而摩擦状态的不稳定是造成机械装置运转不稳的一个主要因素，为此，需要采取一些技术措施来人为地干预或控制摩擦状态的变化。总之，工程实际中需要各种有效的减摩、增摩和控制摩擦变化的技术。

传统的控制摩擦技术主要是通过摩擦副材料的合理配伍和润滑实现的。随着人们对摩擦现象认识的不断深入，也出现了一些用表面涂层和改变表面形貌的方法改善摩擦特性的技术。这些方法的不足之处是只能通过摩擦副的设计、制造阶段的努力去试图达到摩擦副实际运行时的预期目标，但不能在摩擦副实际工作状态下实时和在线地改变摩擦系数的大小。为了更直接和方便地控制摩擦的大小及其变化，近年来国内外一些研究人员在探索利用电、磁场影响摩擦副的摩擦行为，如日本的山本好夫、国内的齐毓霖等人研究过外加电场对金属摩擦副干摩擦特性的影响；日本的木村好次等人研究了电场对液晶润滑剂边界润滑特性的影响；日本的村上辉夫等人研究了交流电场对生物润滑材料的减摩效应：美国的Tung等人报道了电场对极压添加剂成膜能力的影响。但上述研究工作所报道的摩擦系数的可控制范围均偏小，只有30％左右，而且并未实现真正意义上的摩擦主动控制，即通过外加电场的在线反馈调节使摩擦副的实际摩擦行为按照人们预先指定的模式来变化。

本发明的目的在于，为克服已有技术的不足之处，提出一种实现摩擦主动控制的方法，即利用在摩擦副材料之间施加直流电场的方法改变摩擦的大小。可广泛应用于摩擦驱动、摩擦制动装置中，提高这些装置的可靠性和可控制性。

本发明提出一种对金属/陶瓷摩擦副的摩擦系数进行主动控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将金属/陶瓷摩擦副置于润滑剂中，所说的润滑剂采用去离子水和硬

  脂酸锌配制成饱和的微乳液；

2)以摩擦副的金属一侧作为阴极，在摩擦副附近的任意处设置一金属

  辅助电极，作为阳极，保证辅助电极与阴极之间能够通过润滑剂联

  通并不发生直接接触；

3)当摩擦副处于边界润滑或混合润滑状态时，通过改变施加在阳极和

  阴极之间的直流电压来改变摩擦系数的大小；

4)用力传感器在线检测摩擦力的大小或用力矩传感器在线检测摩擦力

  矩的大小，根据实测值与预定目标值之间的差异大小不断反馈调节

  外加电压的大小，就可实现摩擦系数的主动控制。

本方法适用于由金属和陶瓷材料(或表面有陶瓷涂层的其它材料)构成的滑动摩擦副。用去离子水和硬脂酸锌配制成饱和的微乳液作为润滑材料11，以摩擦副的金属12一侧作为阴极(即接地极)，在摩擦副的另一侧13附近设置一金属辅助电极14，作为阳极，辅助电极可以安置于摩擦副附近的任意位置，可以集中放置也可以分布布置，只要保证它与阴极之间能够通过润滑液联通而不发生直接接触就可以，如图1所示。当摩擦副处于边界润滑或混合润滑状态时，通过改变施加在阳极和阴极之间的直流电压，就可以有效地改变摩擦系数的大小。以金属摩擦副作为阴极可以避免由于外加电压引起摩擦副的过度腐蚀。电压的大小可在1--50伏之间，特别是在10--20伏之间最为有效。外加电压所需的功率很小，一般在3--50毫瓦之内。

在进行摩擦的主动控制时，用力(或力矩)传感器在线检测摩擦力(或摩擦力矩)的大小，根据实测值与预定目标值之间的差异大小不断反馈调节外加电压的大小，就可实现摩擦的主动控制。

利用上述方法可以使某些金属材料和陶瓷材料构成的摩擦副的摩擦系数显著增大(达两倍以上)，对某些金属材料与陶瓷材料构成的摩擦副则可明显降低摩擦系数(近一半)。而且摩擦系数的变化是可逆的，即当施加电压时可使摩擦增大或减小，当去掉电压(电压降为零)后，摩擦系数又可恢复为电压变化前的大小。

附图简要说明：

图1为本发明方法示意图。

图2为发明实施例装置示意图。

图3为实施例1的摩擦系数-时间关系示意图。

图4为实施例2的摩擦系数-时间关系示意图。

图5为实施例3的摩擦系数-时间关系示意图。

图6为实施例4在电压通断情况下的摩擦系数-时间关系示意图。

图7为实施例5在电压通断情况下的摩擦系数-时间关系示意图。

图8为实施例6的摩擦副摩擦系数的主动控制示意图。

本发明所述方法用以下一些具体实施例加以详细说明。

实施例1对黄铜/氧化铝摩擦副的摩擦系数进行控制的具体步骤为：

本实施例装置如附图2所示。将黄铜加工成块状试样26固定在实验台的下部，氧化铝制成圆柱状作为上试样25，上试样通过一个卡具210、导套21及上支架22由一个往复运动的工作台带动作水平往复运动(运动方向垂直于纸面方向)。上试样上通过卡具210加有砝码211作为载荷。上试样的侧面沿圆周方向均匀布置四个小钢块作为辅助电极24，它们也固定在卡具上跟随上试样一起运动。取5克硬脂酸锌与500毫升去离子水混合制成微乳液，倒入实验台下部的槽内27作为润滑液23。工作台运动过程中作用在上下试样间的摩擦力由安装在工作台和上试样间的测力传感器测出，并实时采集到计算机进行数据处理。为消除上支架29和下支架28间的摩擦，采用滚动导轨22来支撑。

首先，在没有外加电压的条件下，测量上试样连续往复运动两个小时内的摩擦系数。载荷设定为670克(砝码重500克加上试样卡具自重170克)，工作台的运动速度为1.25mm/s，往复运动一个周期为1分钟。在实验过程中摩擦系数的变化如附图3所示。然后更换新的上下试样和润滑液，在辅助电极和下试样间施加20伏直流电压，重复以上实验，测得的摩擦系数的变化也显示于附图3。以上实验都经过至少5次重复实验，重复误差不超过5％。

实验结果表明：通过施加20伏的直流电压，可使摩擦系数由0.15提高到0.45左右，大约提高两倍。

实施例2对不锈钢/氧化铝摩擦副摩擦系数进行控制的具体步骤为：

本实施例装置和方法如上，只是将黄铜试样换成不锈钢试样。实验结果如附图4所示。电压的施加同样可使摩擦系数提高约0.25。

实施例3对钢/氧化铝摩擦副摩擦系数进行控制的具体步骤为：

将下试样换成45#钢，重复上述实验，结果如附图5所示。与以上实施例不同，在这种情况下，电压的施加使摩擦系数由原来的0.2降为约0.13，降低约40％。可见，施加电压并非只能提高摩擦，对于某些摩擦副，也可以降低摩擦。

实施例4对黄铜/氧化铝摩擦副摩擦系数进行控制的具体步骤为：

所有实验条件与实施例1相同，只是改变施加在辅助电极和下试样间电压的方式，即如附图6所示那样，在实验的前40分钟不加电压，然后施加40分钟电压，再去掉电压，测量摩擦系数的相应变化，摩擦系数随电压的变化的响应速度结果如附图6所示。结果发现，电压对摩擦系数的影响是可逆的，当去掉电压后摩擦系数可以很快降低到原来的水平，转化时间大约为1--2分钟。

上述一系列实验结果表明，本发明的方法可以在一定范围内主动在线控制金属/陶瓷摩擦副的摩擦系数。

实施例5对黄铜/氧化硅摩擦副摩擦系数摩擦系数进行控制的具体步骤为：

将氧化铝陶瓷材料换成石英玻璃(成分为二氧化硅)，其他实验条件与实施例4相同，所得结果如附图7。可见，对于不同的陶瓷材料，虽然摩擦系数的绝对值不同，但外加电压引起的摩擦系数的变化规律基本相同。

实施例6对黄铜/氧化铝摩擦副摩擦系数摩擦系数进行控制的具体步骤为：

除电压的施加方式外，实验条件与实施例1相同。在本实施例中，预先设定一摩擦系数值(0.3)，在实验开始时首先施加20伏直流电压，在后续的实验过程中外加电压的大小是根据摩擦系数的实测值与预设的目标值之间的差异的大小及时反馈调节的，即如果实测值低于目标值的5％，就增大外加电压，反之则减小外加电压，电压变化的幅度由一比例系数k的取值来定，在本实验中k设定为20。控制信号由采集摩擦力信号的计算机经比较运算后输出到一个程控直流电源，该电源将控制信号比例放大后输出所需的直流电压。这样就实现了摩擦系数的主动控制。其结果见附图8。

Claims (2)

1.一种对金属/陶瓷摩擦副的摩擦系数进行主动控制的方法，其特征在于包括以下步骤：1)将金属/陶瓷摩擦副置于润滑剂中，所说的润滑剂采用去离子水和硬

脂酸锌配制成饱和的微乳液；2)以摩擦副的金属一侧作为阴极，在摩擦副附近的任意处设置一金属

辅助电极，作为阳极，保证辅助电极与阴极之间能够通过润滑剂联

通并不发生直接接触；3)当摩擦副处于边界润滑或混合润滑状态时，通过改变施加在阳极和

阴极之间的直流电压来改变摩擦系数的大小；4)用力传感器在线检测摩擦力的大小或用力矩传感器在线检测摩擦力

矩的大小，根据实测值与预定目标值之间的差异大小不断反馈调节

外加电压的大小，就可实现摩擦系数的主动控制。

2.如权利要求1所述的对金属/陶瓷摩擦副的摩擦系数进行主动控制的方法，其特征在于所说的电压的大小在1--50伏之间，外加电压所需的功率在3--50毫瓦之内。

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