CN108896425B - 一种高速重载摩擦磨损测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速重载摩擦磨损测试装置及其测试方法，所述装置由双销‑盘式摩擦副、驱动及传动系统、数据采集分析及控制系统、液压加载系统以及机械支撑系统组成；双销‑盘式摩擦副中试样销通过试样销滑座同轴安装在试样盘两侧；液压加载系统中液压工作缸固定在试样销滑座总成上，工作推杆与试样销座固连，在工作推杆的推动下两侧的试样销向试样盘两端面施加大小相等且方向相反的压紧力；驱动及传动系统与试样盘中间轴传动连接；数据采集分析及控制系统由转矩的转速转矩传感器、滑动变阻器、油液压力传感器，以及控制器及显示记录装置组成。本发明通过采用双销‑盘式摩擦副形式，避免对试样盘造成偏载荷，能良好地进行重载荷摩擦磨损测试。

Description

一种高速重载摩擦磨损测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于材料摩擦磨损性能测试技术领域，具体涉及到一种高速重载摩擦磨损测试装置及其测试方法。

背景技术

模型磨损实验因为其成本较低，通用性好，样品易制作，试验周期较短等优点，成为开发新型摩擦材料，设计新型摩擦副等工作过程中必备的试验测试手段。在模型磨损实验中，通常采用不同的摩擦副形式，用以模拟不同的摩擦副工作状况，如纯滑动摩擦，纯滚动摩擦，滚-滑摩擦等等。常用的摩擦副形式有：销-盘式，环-块式，球-盘式，四球式等等。其中，又因为销盘式摩擦副结构简单，工作灵活，易于实现，应用最为广泛。

现有的基于销-盘摩擦副的测试技术方法中，应用最为广泛的是单销-盘式结构。具体实现方法为利用夹持在固定夹头中的单个试样销端面，对磨绕轴线旋转的试样盘的端面；或者利用夹持在旋转夹头中的单个试样销端面，对磨固定试样盘的端面，此时二者为面接触，摩擦形式为纯滑动摩擦，为了获得试样销与试样盘的相对转速，二者的轴线必须错开。该结构在中低载荷以及低滑动速度的工况下测试性能良好。但是由于试样销与试样盘的轴线错开布置，试样销对顶在试样盘的端面上，使得试样盘有倾覆倾向，其旋转轴承承受旋转的偏载径向力。因此在重载或者高速工况激励下，摩擦副容易出现剧烈振动，实验无法进行的情况。即使试验顺利进行，受力情况恶劣的旋转轴承的使用寿命也会大大缩短。

针对单销-盘式结构在高速重载试验工况下的缺陷，出现了基于三销-盘式摩擦副的测试装置。在该装置中，采用三个相同的试样销对磨同一个试样盘。并且这三个试样销以试样盘的轴线为中心均匀布置。在理想情况下，三个均布试样销对试样盘引起的倾覆力会相互抵消，使得旋转轴承仅受轴向力而不受旋转的径向力作用，为高速重载试验工况提供了可能性。但是该摩擦副对三个试样销长度，夹头与试样盘轴线二者的同轴度，试样盘平面度等加工精度要求极高，限制了在实际情况中的应用。

随着摩擦副的工作条件越来越复杂，并且逐步向高速化，重载化发展，原有的单销-盘式摩擦测试装置已经不能完全满足开发测试要求。摩擦学工作者对能够进行高速，重载的新型试验装置提出了需求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种高速重载摩擦磨损测试装置及其测试方法。本发明在良好进行中低载荷中低转速试验的同时，也同样适用于高速以及重载荷试验工况，此外，考虑到摩擦副复杂的工作环境，本发明还能够模拟在不同润滑环境下的摩擦副测试。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种高速重载摩擦磨损测试装置，由双销-盘式摩擦副1、驱动及传动系统2、数据采集分析及控制系统3、液压加载系统4以及机械支撑系统5组成；

所述双销-盘式摩擦副1中包括一个试样盘12和两个试样销16，所述试样销16通过试样销滑座总成上的试样销座15同轴安装在试样盘12两侧；

液压加载系统4由液压工作缸41、工作推杆42及液压工作回路组成，液压工作缸41固定在试样销滑座总成上，工作推杆42与其中一个试样销座15固连，在工作推杆42的推动下两侧的试样销16向试样盘12两端面施加大小相等且方向相反的压紧力；

所述驱动及传动系统2与试样盘中间轴11传动连接，驱动试样盘12旋转；

所述数据采集分析及控制系统3由监测试样盘中间轴11转速和转矩的转速转矩传感器31、与试样销座15连接的滑动变阻器32、检测液压工作回路油压的油液压力传感器33，以及与各监测或驱动控制元件信号连接的控制器及显示记录装置组成。

一种高速重载摩擦磨损测试装置，其中，所述双销-盘式摩擦副1由试样盘中间轴11、试样盘12、紧固螺母17、试样销滑座总成以及试样销16组成；

所述试样盘12与试样盘中间轴11锥面定位，并通过紧固螺母17固定；

所述试样销滑座总成由试样销滑座13、滑车14、试样销座15以及滑轨18组成；

所述试样销滑座13通过滑车14滑动连接在滑轨18上，在试样盘12一侧的试样销滑座13上固定一个试样销座15，所述液压工作缸41固定在试样盘12另一侧的试样销滑座13上，另一个试样销座15与液压工作缸41内的工作推杆42固连；所述试样销16固定在试样盘12两侧的试样销座15内，使得两试样销16的轴线重合，且两试样销16的轴线与试样盘12的轴线平行。

一种高速重载摩擦磨损测试装置，其中，所述液压工作回路由变量液压泵43、电磁调节溢流阀44、两位四通换向阀45、蓄能器46和油箱47通过管路连接组成；

变量液压泵43的进油口连接油箱47，出油口分别与电磁调节溢流阀44和两位四通换向阀45的进油口相连；

电磁调节溢流阀44的出油口和两位四通换向阀45的回油口分别连接油箱47；

两位四通换向阀45的控制侧两油口分别与液压工作缸41的有杆腔和无杆腔相连；

蓄能器46连接在两位四通换向阀45与液压工作缸41无杆腔相连的油路上。

一种高速重载摩擦磨损测试装置，其中，所述驱动及传动系统2由驱动电机26、带传动机构和带轮转轴22依次连接组成；

所述转速转矩传感器31一端通过挠性联轴器21与带轮转轴22相连，另一端通过挠性联轴器21与试样盘中间轴11相连，从而实现动力从驱动电机26向试样盘中间轴11传递。

一种高速重载摩擦磨损测试装置，其中，所述滑动变阻器32有两组，分别固定在连接工作推杆42的试样销座15上下两侧；

所述滑动变阻器32固定在试样销滑座总成上，并通过金属片与试样销座15相连；其中，金属片的一端固连在试样销座15上，另一端与滑动变阻器32的滑块固连，在试样销座15的带动下滑块沿滑动变阻器32的长度方向滑移，从而将试样销座15的位移变化量转为滑动变阻器32的阻值变化量。

一种高速重载摩擦磨损测试装置，其中，所述机械支撑系统5由轴承座51、试样盘支架52、底座53、滑座支架54、传感器支架55和传动轴支架组成；

试样盘中间轴11两端通过轴承座51安装在试样盘支架52上；

试样销滑座总成水平固定在滑座支架54上；

转速转矩传感器31通过传感器支架55支撑连接在驱动及传动系统2与试样盘中间轴11之间；

传动轴支架支撑安装驱动及传动系统2中的传动轴；

所述试样盘支架52、滑座支架54、传感器支架55以及传动轴支架均固定在底座53上。

一种高速重载摩擦磨损测试装置，还包括油盒61和导油罩62，所述油盒61安装在试样盘12的下方，且油盒61中所添加的润滑液的液面高于试样销16的最低处；

所述导油罩62沿试样销16的圆周方向自上而下地罩置在试样销16外侧，被试样销16的旋转离心力甩出的润滑液将沿着导油罩62导回至油盒61中。

一种高速重载摩擦磨损测试装置的测试方法，所述测试方法包括摩擦测试方法、磨损测试方法以及磨损后的补偿方法，所述摩擦测试方法具体如下：

液压加载系统4通过液压工作回路带动工作推杆42推动安装有试验销16的试验销座15向靠近试样盘12的方向运动，并通过试样销滑座总成带动试样盘12另一侧的试验销座15向靠近试样盘12的方向运动，两侧的试验销16向试样盘12的端面上施加同轴的压紧力，试样盘12在驱动及传动系统2的驱动下随试样盘中间轴11旋转，实现两侧的试验销16对磨试样盘12；

在两侧的试验销16对磨试样盘12的过程中，转速转矩传感器31测得试盘中间轴11的转矩即为两侧的试样销16对磨试样盘12的摩擦力矩，用摩擦力矩除以销-盘轴线间距，即可获得两侧的试样销16对磨试样盘12的摩擦力；

转速转矩传感器31测得的试盘中间轴11的转速即为试样盘12的转速，试样盘12的转速乘以销-盘轴线间距即可获得两侧试样销16对磨试样盘12的相对滑动速度；

油液压力传感器33测得液压工作油路内的油压值，将油压值与液压工作缸41的缸内横截面积相乘，即获得试样销16与试样盘12之间的压紧力；

将前述所得的两侧的试样销16对磨试样盘12的摩擦力除以二，即获得单侧的试样销16对磨试样盘12的摩擦力，单侧的试样销16对磨试样盘12的摩擦力除以前述所得的试样销16与试样盘12之间的压紧力，即可获得试样销16对磨试样盘12的实时摩擦因数。

所述磨损测试方法具体如下：

随着摩擦测试的进行，试样销16在试样盘12上不断磨损，随着磨损的发生，试样销16与试样盘12之间的接触压力随之降低，在液压加载系统4内部油压的作用下，工作推杆42推动试样销座15向靠近试样盘12的方向运动，同时带动滑动变阻器32的滑块在电阻丝上沿轴向滑动，将工作推杆42的轴向位移变化量转化为滑动变阻器32电阻值的变化量，通过读取滑动变阻器32阻值的变化量获得试样销座15内试样销16的磨损长度，试样销16的磨损长度乘以试样销16的横截面积即为试样销16的磨损体积。

所述磨损后的补偿方法具体如下：

随着测试的进行，试样销16在试样盘12上不断磨损，由于试样盘12两侧端面的粗糙度相同，并且两侧的试样销16对磨试样盘12的压紧力大小相同，因此两侧的试样销16的磨损情况相同，随着磨损的发生，试样销16与试样盘12之间的接触压力随之降低，工作推杆42在液压加载系统4内部油压的作用下会继续向外伸长以补偿试样销16的磨损量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述测试装置通过特有的双销-盘式摩擦副形式，两个同轴布置的试样销以对顶的形式夹紧试样盘，提供压紧作用力，使得两个单销-盘式摩擦副的压紧力互相抵消，避免对试样盘造成偏载荷，能够良好地进行重载荷摩擦磨损实验。

2、本发明所述测试装置所采用的双销-盘摩擦副结构，使得试样盘不受倾覆力矩，因此相比于传统销盘形式，本发明能够增加试样销与试样盘之间轴线间距，使得在同等的转速下，试样销与试样盘之间能够获得更大的相对滑动速度，特别适用于高速摩擦磨损实验。

3、本发明所述测试装置中，由于试样销滑座与试样销支座之间通过燕尾槽结构可滑动地连接，使得在进行高速摩擦磨损实验时，由试样盘端面平面度误差引起的系统振动激励会转变为试样销滑座的轴向运动，而不会引起整套装置的剧烈振动，使得本装置在高速摩擦实验过程中稳定性更佳。

4、本发明所述测试装置所采用的特殊双销-盘摩擦副结构，使得试样盘不受倾覆力矩，即使在高速重载荷工况下，旋转轴承所受的载荷仍然很小，相比传统销盘形式大大提高了测试装置的使用寿命及测试的稳定性。

附图说明

图1为本发明所述高速重载摩擦磨损测试装置的主视图；

图2为本发明所述高速重载摩擦磨损测试装置中，双销-盘式摩擦副的轴侧图；

图3为本发明所述高速重载摩擦磨损测试装置中，试样销滑座总成的轴侧图；

图4a为本发明所述高速重载摩擦磨损测试装置中，试样销未磨损时的工作状态图；

图4b为本发明所述高速重载摩擦磨损测试装置中，试样销磨损后的工作状态图；

图5为本发明所述高速重载摩擦磨损测试装置的液压加载系统的液压原理图；

图6为本发明所述高速重载摩擦磨损测试装置安装液体润滑摩擦测试配件后的结构示意图。

图中：

1-双销-盘式摩擦副，2-驱动及传动系统，3-数据采集分析及控制系统，4-液压加载系统， 5-机械支撑系统；

11-试样盘中间轴，12-试样盘， 13-试样销滑座， 14-滑车，15-试样销座， 16-试样销， 17-紧固螺母， 18-滑轨，19-紧定螺钉；

21-挠性联轴器， 22-带轮转轴， 23-组合大带轮， 24-组合小带轮，25-传动带，26-驱动电机；

31-转速转矩传感器，32-滑动变阻器， 33-油液压力传感器；

41-液压工作缸， 42-工作推杆， 43-变量液压泵， 44-电磁调节溢流阀，45-两位四通换向阀，46-蓄能器， 47-油箱；

51-轴承座， 52-试样盘支架， 53-底座， 54-滑座支架，55-传感器支架， 56-带轮轴支架；

61-油盒， 62-导油罩。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的技术方案及其工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

如图1和图5所示，本发明提供了一种高速重载摩擦磨损测试装置，由双销-盘式摩擦副1、驱动及传动系统2、数据采集分析及控制系统3、液压加载系统4以及机械支撑系统5组成。其中，机械支撑系统5是整个测试装置的支撑基础，为各个组成部件提供支撑；双销-盘式摩擦副1为测试装置的核心部件，通过面对的两个试样销15以及转动的试样盘12，形成两个单销-盘式摩擦副；驱动及传动系统2为双销-盘式摩擦副1的运行测试提供动力；数据采集分析及控制系统3作为测试装置的信号处理以及控制中心，在保持测试装置稳定工作的基础上，采集各部位传感器反馈的状态信号，并纪录、分析及处理数据；液压加载系统4通过产生特定压强的工作液压，为双销-盘式摩擦副1提供压紧力。

如图2所示，所述双销-盘式摩擦副1由试样盘中间轴11、试样盘12、紧固螺母17、试样销滑座总成以及试样销16组成，其中，所述试样销滑座总成由试样销滑座13、滑车14、试样销座15以及滑轨18组成。

所述试样盘中间轴11水平布置，其两端通过轴承座51可旋转地安装在支座52上；所述试样盘12为中间开有锥形孔的圆盘，根据特定测试要求，选用特定的材料制作，试样盘12的两端面为工作面，应根据特定测试要求加工为粗糙度相等的平面；所述试样盘12通过锥形孔与试样盘中间轴11中段的锥形轴配合定位，并通过紧固螺母17将试样盘12沿轴向固定在试样盘中间轴11上，以此保证二者的同心度以及试样盘12两端面与其旋转轴线的垂直度；所述试样盘中间轴11与试样盘12之间通过安装平键传递扭矩，以保证二者同步旋转。试样盘中间轴11与试样盘12装配完毕后，试样盘12的旋转轴线为水平方向。

如图3所示，所述试样销滑座总成中，试样销滑座13是由一个水平长板和一个垂直短板组成为“L”形结构，其中，试样销滑座13的水平长板背部沿水平方向固定安装有两个滑车14，所述滑车14滑动连接在滑轨18上，所述滑轨18水平固定安装在滑座支座54上，试样销滑座13随滑车14沿滑轨18自由滑动。

如图3所示，所述双销-盘式摩擦副1上设置有两个试样销座15，分别对应安装有一个试样销16。其中，一个试样销座15水平固定在试样销滑座13的垂直短板上，试样销座15的一端设置有圆柱形沉孔，圆柱形的试样销16安装在该圆柱形沉孔内，销座15的侧面还开有螺纹通孔，通过从侧面安装螺钉19将试样销16固定在试样销座15内，在试样销座15的另一端外圆周面上攻有外螺纹，试样销滑座13的垂直短板上开有与之相匹配的螺纹孔，所述试样销座15通过螺纹连接固定在试样销滑座13的垂直短板上；另一个试样销座15安装在液压工作缸41的工作推杆42上，所述液压工作缸41是液压加载系统4的执行部件；所述液压工作缸41通过螺栓固定安装在试样销滑座13的水平长板正面，所述液压工作缸41呈水平方向设置，所述试样销座15的一端通过螺栓水平固定连接在液压工作缸41的工作推杆42外端面上，试样销座15的另一端设置有圆柱形沉孔，圆柱形的试样销16安装在该圆柱形沉孔内，销座15的侧面还开有螺纹通孔，通过从侧面安装螺钉19将试样销16固定在试样销座15内。所述试样销16均采用圆柱形，并根据特定测试需求，由相应材料制得，其外端面为工作面。

如图2所示，所述试样销滑座总成通过滑座支架54布置在试样盘12的侧面，两个安装试样销16的试样销座15相向设置在试样盘12两侧，且两个安装试样销16的试样销座15的轴线呈水平方向重合，并且安装试样销16的试样销座15轴线与试样盘12的旋转轴线平行，即试样销16垂直于试样盘12的端面安装。

根据测试所需的销盘滑动速度设置试样销16轴线与试样盘12轴线的间距，并且要求试样销16的共同轴线与试样盘12轴线间的间距，即销-盘轴线间距小于试样盘12的直径，这使得两个试样销16能够夹着试样盘12的两个端面对磨，从而形成两个单销-盘式摩擦副。此时，两个单销-盘式摩擦副的压紧力因大小相等方向相反而相互抵消。销-盘轴线间距应通过特定的测试滑动速度要求给定，使得能够通过设定试样盘12的转速以及销-盘轴线间距得到特定大小的滑动速度。

所述驱动及传动系统2为双销-盘式摩擦副1提供驱动力以带动试样盘12的旋转，使得试样盘12与试样销16能够以特定的速度相互滑磨。如图1所示，驱动及传动系统2由挠性联轴器21、带轮转轴22、组合大带轮23、组合小带轮24、传动带25以及驱动电机26组成。

所述驱动电机26通过螺栓紧固在底座53上，组合大带轮23通过平键与驱动电机26的输出轴相连，所述驱动电机26的工作转速受数据采集分析及控制系统3控制，根据测试需要设定能够在特定转速状态下稳定工作。

所述带轮转轴22通过轴承座51安装在带轮轴支架56上，组合小带轮24通过平键与带轮转轴22的一端相连，所述组合大带轮23与组合小带轮24之间通过传动带25传动连接。通过组合大带轮23与组合小带轮24之间的传动，起到增速的作用，使得试样盘12能够达到高转速的测试要求。此外，组合大带轮23与组合小带轮24之间组合使用不同尺寸的轮组传动能够提供一至多个传动比，根据测试要求以及驱动电机26的工作转速区间选用适宜的带轮组。

所述带轮转轴22的另一端与数据采集分析及控制系统3中的转速转矩传感器31的输入轴之间通过挠性联轴器21相连，所述转速转矩传感器31输出轴与试样中间轴11之间也通过挠性联轴器21相连，所述挠性联轴器21与带轮转轴22、转速转矩传感器31以及试样盘中间轴11之间均通过平键相连以传递转矩，此处采用挠性联轴器21作为轴间的连接结构是为了消除所连接的两个轴端的加工及安装误差，并且使二者能够可靠传递转矩。

在所述转矩转速传感器31与小带轮24之间设置带轮转轴22的目的是保护转矩转速传感器31，使所述转速转矩传感器31在测试过程中仅受其输入轴的转矩作用，以提高其测试精度，并延长使用寿命。

如图5所示，液压加载系统4通过产生特定压强的工作液压，为试样销16对磨试样盘12提供压紧力，其液压工作油路为典型的调压回路。所述液压加载系统4由液压工作缸41、工作推杆42、变量液压泵43、电磁调节溢流阀44、两位四通换向阀45、蓄能器46和油箱47组成。

所述变量液压泵43的油液输入端通过油管与油箱47相连，变量液压泵43的油液输出端分别与电磁调节溢流阀44的输入端和两位四通换向阀45一侧的油口相连，所述变量液压泵43的控制信号接收端与数据采集分析及控制系统3中的控制器信号连接，通过控制器控制变量液压泵43的输出压力，进而对液压工作油路泵入特定压力的工作油液。

所述电磁调节溢流阀44的输出端通过油管与油箱47连接；电磁调节溢流阀44控制信号接收端也与数据采集分析及控制系统3中的控制器信号连接，通过控制器控制电磁调节溢流阀44的溢流压力，在进行特定测试时，根据所需试样销16与试样盘12之间的压紧力设定溢流阀44的溢流压力，由此保证液压工作油路的工作压力。

所述两位四通电磁换向阀45的四个油口中，一侧的一个油口与变量液压泵43的油液输出端相连，一侧的另一个油口与油箱47相连，另一侧的一个油口与液压工作缸41的有杆腔相连，另一侧的另一个油口与液压工作缸41的无杆腔相连，所述两位四通电磁换向阀45的控制信号接收端也与数据采集分析及控制系统3中的控制器信号连接，通过控制器控制两位四通电磁换向阀45的工作位置，进而控制液压管路的联通方向，最终控制液压工作缸41内工作推杆42的推拉动作，工作推杆42根据设置的油压向外提供相应压力。

所述蓄能器46连接在液压工作缸41无杆腔与两位四通电磁换向阀45联通的管路上，用于消除液压工作油路中的油压脉动，稳定液压工作油路的工作压力，并吸收由振动引起的液压冲击，减少测试误差。

所述数据采集分析及控制系统3作为整个测试装置的信号处理以及控制中心，在保持装置稳定工作的同时，采集各监测位置处的传感器所反馈的状态信号，并纪录分析监测的数据。如图1、图3和图5所示，所述数据采集分析及控制系统3由转速转矩传感器31、滑动变阻器32、油液压力传感器33、控制器及显示记录装置(图中未显示)组成。

如图1所示，如前所述，转速转矩传感器31连接在试样盘中间轴11与带轮转轴22之间，以实时测取试样盘中间轴11的转速信号与转矩信号，转速转矩传感器31与控制器及显示记录装置信号连接，将测得的实时转速信号和转矩信号传送给控制器及显示记录装置。

如图3所示，所述滑动变阻器32有两组，均固定在试样销滑座13的水平长板正面，两组滑动变阻器32分别布置在试样销座15与液压工作缸41的工作推杆42相连位置的上下两侧，上下两侧的滑动变阻器32与中间的试样销座15之间分别通过一个金属片相连，具体地，金属片的下端与试样销座15的外侧表面沿水平方向固定连接，金属片的上端与滑动变阻器32的滑块固定连接，滑动变阻器32的滑块与滑动变阻器32的电阻丝点接触，并在外力的作用下沿滑动变阻器32的长度方向滑移，以实现滑动变阻器32的阻值变化。所述滑动变阻器32与显示记录装置电信号连接，以将测得的实时阻值信号传送给显示记录装置。

在试样销座15上下两侧分别安装一组滑动变阻器32的目的在于：取两组滑动变阻器32的平均值作为实时监测值，以抵消误差，提高测量的准确性。

如图5所示，油液压力传感器33安装在液压加载系统4的液压工作油路中，具体安装在液压工作缸41的无杆腔与两位四通换向阀45的连接管路上，以监测液压工作油路的实时油压信号，所述油液压力传感器33与控制器以及显示记录装置信号连接，以将测得的液压工作油路的实时油压信号传送给控制器以及显示记录装置。

如上所述，所述控制器接收转速转矩传感器31监测传来的实时转速及转矩信号以及油液压力传感器33监测传来的实时油压信号，进而对试样销16与试样盘12之间的压紧力及相对滑动速度进行闭环控制。控制器通过控制驱动电机26的转速得到设定的相对滑动速度，通过控制变量泵43和电磁溢流阀44调节工作油压，得到试样销16与试样盘12之间预设的压紧力。

如上所述，显示记录装置接收转速转矩传感器31监测传来的实时转速及转矩信号，油液压力传感器33监测传来的实时油压信号以及滑动变阻器32监测传来的实时阻值信号。根据前述方法对数据进行处理后，算得实时的摩擦因数及磨损率，并记录测试数据以供后续分析。

所述机械支撑系统5为前述各部件提供机械支承。如图1所示，所述机械支撑系统5由轴承座51、试样盘支架52、底座53、滑座支架54、传感器支架55和带轮轴支架56组成。

所述底座53作为整套测试装置的基座，其表面开设有横向贯通的T型槽供T型螺母穿过，用以紧固其上方装置各零部件。所述底座53与地面之间设置有胶垫用以隔振。

所述试样盘支架52顶部通过轴承座51与试样盘中间轴11两端可旋转地连接，试样盘支架52底部通过T型螺母紧固在底座53上，为试样销16提供支承。

所述试样销滑座支架54顶部部沿水平方向固定安装滑轨18，滑轨18与试样销滑座13通过滑车14滑动连接，使得试样销滑座13可滑动地安装在支架54上，支架54底部通过T型螺母紧固在底座53上，为试样销滑座总成提供支承。

所述传感器支架55顶部通过螺栓与转速转矩传感器31固定连接，传感器支架55底部通过T型螺母紧固在底座53上，为转速转矩传感器31提供支承。

所述带轮轴支架56顶部通过轴承座51与带轮轴22可旋转地连接，带轮轴支架56底部通过T型螺母紧固在底座53上，为带轮轴22提供支承。

此外，本发明所述高速重载摩擦磨损测试装置还包括一个油盒61和一个导油罩62，所述油盒61安装在试样销16的下方，且油盒61中所添加的润滑液的液面高于试样盘12的最低处；所述导油罩62沿试样销16的圆周方向自上而下地罩置在试样销16外侧，用于将被试样销16的旋转离心力甩出的润滑液导回至油盒61中。所述油盒61的底部以及导油罩62两端的底部均固定安装在底座53上。

基于上述高速重载摩擦磨损测试装置的具体组成结构及连接关系，本发明还提供了一种高速重载摩擦磨损测试装置的测试方法，具体过程如下：

S1：如图4a所示，启动液压加载系统4中的变量液压泵43，此时两位四通换向阀45工作在左位，使变量液压泵43与液压工作缸41的无杆腔相连，液压工作缸41的有杆腔与油箱47相连，在液压油的推动下，工作推杆42向外伸出，进而推动与工作推杆42端部固定连接的试样销座15向靠近试样盘12的方向运动，直至位于试样盘12两侧的试样销座15内的试样销16将同时压紧在试样盘12两侧端面上，此时，通过安装在液压工作油路上的油液压力传感器33测得油路内的油压值，将油压值与液压工作缸41的缸内横截面积相乘，即可获得试样销16与试样盘12之间的压紧力；

在本步骤中，一方面，在液压加载系统4向双销-盘式摩擦副1施加压力的过程中，由于试样销滑座13沿滑轨18方向能自由滑动，此时，固定在“L”形的试样销滑座13垂直短板上的试样销座15内的试样销16产生与试样盘12另一侧的试样销16大小相等且方向相反的反作用力。这就使得不管工作推杆42向外施以多大的载荷，试样盘12两侧的试样销16对试样盘12的压紧力总是大小相等且方向相反的，进而相互抵消，而不会对中间轴11及其轴承座51施以附加的径向力；

另一方面，试样盘12两端面的加工平面度波动，由液压工作油路中的蓄能器46吸收一部分的同时，还会转变为试样销滑座总成沿着滑轨方向的线性滑动，从而不会造成强烈振动，这使得模拟高速摩擦工况的测试过程更加稳定；

S2：启动驱动及传动系统2中的驱动电机26，依次通过组合大带轮23、传动带25、组合小带轮24、带轮转轴22和挠性联轴器21，最终带动试盘中间轴11旋转，此时通过与试盘中间轴11相连的转速转矩传感器31测得的转矩值即为两侧的试样销16对磨试样盘12的摩擦力矩，用摩擦力矩除以销-盘轴线间距，即可获得两侧试样销16对磨试样盘12的摩擦力；将两侧的试样销16对磨试样盘12的摩擦力除以二，即获得单侧的试样销16对磨试样盘12的摩擦力，单侧的试样销16对磨试样盘12的摩擦力除以步骤S1中所获得的试样销16与试样盘12之间的压紧力，即可获得试样销16对磨试样盘12的实时摩擦因数；

转速转矩传感器31测得的转速信号即为试样盘12的转速，试样盘12的转速乘以销-盘轴线间距即可获得两侧试样销16对磨试样盘12的相对滑动速度；通过控制器及显示记录装置接受的监测信号，调整销-盘轴线间距或控制驱动电机26的输出转速，进而获得所需的试样销16对磨试样盘12的摩擦力及相对滑动速度；

S3：如图4b所示，随着测试的进行，试样销16在试样盘12上不断磨损，由于试样盘12两侧端面的粗糙度相同，并且两侧的试样销16对试样盘12的压紧力大小相同，因此两侧的试样销16的磨损情况基本相同；随着磨损的发生，试样销16与试样盘12之间的接触压力随之降低，工作推杆42在液压加载系统4内部油压的作用下会继续向外伸长以补偿磨损量，此外，液压工作缸41的反作用力带动试样销滑座总成沿着滑轨18向与工作推杆42伸长方向的反方向运动，直至两个试样销16对试样盘12的压紧力重新取得平衡；

与此同时，工作推杆42沿轴向运动时，将带动滑动变阻器32的滑块在电阻丝上沿轴向滑动，进而将工作推杆42的轴向位移变化情况转化为滑动变阻器32电阻值的变化，实时反馈给控制器及显示记录装置，这使得两个试样销座15之间的间距能够通过滑动变阻器32的电阻值变化实时观测；根据标定数值，可通过阻值变化读取试样销座15内试样销16微小的磨损长度，磨损长度与试样销16的横截面积的乘积即为磨损体积；

S4：当测试完成后，通过数据采集分析及控制系统3中的控制器，向液压加载系统4中的两位四通换向阀45发送动作指令，控制两位四通换向阀45工作在右位，使变量液压泵43与液压工作缸41的有杆腔相连，液压工作缸41的无杆腔与油箱47相连，在液压油的推动下，工作推杆42向内缩回，进而带动与工作推杆42端部固定连接的试样销座15向远离试样盘12运动，直至位于试样盘12两侧的试样销座15内的试样销16离开试样盘12两侧端面。

Claims (8)

1.一种高速重载摩擦磨损测试装置，其特征在于：

由双销-盘式摩擦副(1)、驱动及传动系统(2)、数据采集分析及控制系统(3)、液压加载系统(4)以及机械支撑系统(5)组成；

所述双销-盘式摩擦副(1)中包括一个试样盘(12)和两个试样销(16)，所述试样销(16)通过试样销滑座总成上的试样销座(15)同轴安装在试样盘(12)两侧；

液压加载系统(4)由液压工作缸(41)、工作推杆(42)及液压工作回路组成，液压工作缸(41)固定在试样销滑座总成上，工作推杆(42)与其中一个试样销座(15)固连，在工作推杆(42)的推动下两侧的试样销(16)向试样盘(12)两端面施加大小相等且方向相反的压紧力；

所述驱动及传动系统(2)与试样盘中间轴(11)传动连接，驱动试样盘(12)旋转；

所述数据采集分析及控制系统(3)由监测试样盘中间轴(11)转速和转矩的转速转矩传感器(31)、与试样销座(15)连接的滑动变阻器(32)、检测液压工作回路油压的油液压力传感器(33)，以及与各监测或驱动控制元件信号连接的控制器及显示记录装置组成；

所述双销-盘式摩擦副(1)由试样盘中间轴(11)、试样盘(12)、紧固螺母(17)、试样销滑座总成以及试样销(16)组成；

所述试样盘(12)与试样盘中间轴(11)锥面定位，并通过紧固螺母(17)固定；

所述试样销滑座总成由试样销滑座(13)、滑车(14)、试样销座(15)以及滑轨(18)组成；

所述试样销滑座(13)通过滑车(14)滑动连接在滑轨(18)上，在试样盘(12)一侧的试样销滑座(13)上固定一个试样销座(15)，所述液压工作缸(41)固定在试样盘(12)另一侧的试样销滑座(13)上，另一个试样销座(15)与液压工作缸(41)内的工作推杆(42)固连；所述试样销(16)固定在试样盘(12)两侧的试样销座(15)内，使得两试样销(16)的轴线重合，且两试样销(16)的轴线与试样盘(12)的轴线平行；

所述液压工作回路由变量液压泵(43)、电磁调节溢流阀(44)、两位四通换向阀(45)、蓄能器(46)和油箱(47)通过管路连接组成；

变量液压泵(43)的进油口连接油箱(47)，出油口分别与电磁调节溢流阀(44)和两位四通换向阀(45)的进油口相连；

电磁调节溢流阀(44)的出油口和两位四通换向阀(45)的回油口分别连接油箱(47)；

两位四通换向阀(45)的控制侧两油口分别与液压工作缸(41)的有杆腔和无杆腔相连；

蓄能器(46)连接在两位四通换向阀(45)与液压工作缸(41)无杆腔相连的油路上。

2.如权利要求1所述一种高速重载摩擦磨损测试装置，其特征在于：

所述驱动及传动系统(2)由驱动电机(26)、带传动机构和带轮转轴(22)依次连接组成；

所述转速转矩传感器(31)一端通过挠性联轴器(21)与带轮转轴(22)相连，另一端通过挠性联轴器(21)与试样盘中间轴(11)相连，从而实现动力从驱动电机(26)向试样盘中间轴(11)传递。

3.如权利要求1所述一种高速重载摩擦磨损测试装置，其特征在于：

所述滑动变阻器(32)有两组，分别固定在连接工作推杆(42)的试样销座(15)上下两侧；

所述滑动变阻器(32)固定在试样销滑座总成上，并通过金属片与试样销座(15)相连；其中，金属片的一端固连在试样销座(15)上，另一端与滑动变阻器(32)的滑块固连，在试样销座(15)的带动下滑块沿滑动变阻器(32)的长度方向滑移，从而将试样销座(15)的位移变化量转为滑动变阻器(32)的阻值变化量。

4.如权利要求1所述一种高速重载摩擦磨损测试装置，其特征在于：

所述机械支撑系统(5)由轴承座(51)、试样盘支架(52)、底座(53)、滑座支架(54)、传感器支架(55)和传动轴支架组成；

试样盘中间轴(11)两端通过轴承座(51)安装在试样盘支架(52)上；

试样销滑座总成水平固定在滑座支架(54)上；

转速转矩传感器(31)通过传感器支架(55)支撑连接在驱动及传动系统(2)与试样盘中间轴(11)之间；

传动轴支架支撑安装驱动及传动系统(2)中的传动轴；

所述试样盘支架(52)、滑座支架(54)、传感器支架(55)以及传动轴支架均固定在底座(53)上。

5.如权利要求1所述一种高速重载摩擦磨损测试装置，其特征在于：

所述测试装置还包括油盒(61)和导油罩(62)，所述油盒(61)安装在试样盘(12)的下方，且油盒(61)中所添加的润滑液的液面高于试样销(16)的最低处；

所述导油罩(62)沿试样销(16)的圆周方向自上而下地罩置在试样销(16)外侧，被试样销(16)的旋转离心力甩出的润滑液将沿着导油罩(62)导回至油盒(61)中。

6.如权利要求1所述一种高速重载摩擦磨损测试装置的测试方法，其特征在于：

所述测试方法包括摩擦测试方法、磨损测试方法以及磨损后的补偿方法，所述摩擦测试方法具体如下：

液压加载系统(4)通过液压工作回路带动工作推杆(42)推动安装有试样销(16)的试验销座(15)向靠近试样盘(12)的方向运动，并通过试样销滑座总成带动试样盘(12)另一侧的试验销座(15)向靠近试样盘(12)的方向运动，两侧的试样销(16)向试样盘(12)的端面上施加同轴的压紧力，试样盘(12)在驱动及传动系统(2)的驱动下随试样盘中间轴(11)旋转，实现两侧的试样销(16)对磨试样盘(12)；

在两侧的试样销(16)对磨试样盘(12)的过程中，转速转矩传感器(31)测得试盘中间轴(11)的转矩即为两侧的试样销(16)对磨试样盘(12)的摩擦力矩，用摩擦力矩除以销-盘轴线间距，即可获得两侧的试样销(16)对磨试样盘(12)的摩擦力；

转速转矩传感器(31)测得的试盘中间轴(11)的转速即为试样盘(12)的转速，试样盘(12)的转速乘以销-盘轴线间距即可获得两侧试样销(16)对磨试样盘(12)的相对滑动速度；

油液压力传感器(33)测得液压工作油路内的油压值，将油压值与液压工作缸(41)的缸内横截面积相乘，即获得试样销(16)与试样盘(12)之间的压紧力；

将前述所得的两侧的试样销(16)对磨试样盘(12)的摩擦力除以二，即获得单侧的试样销(16)对磨试样盘(12)的摩擦力，单侧的试样销(16)对磨试样盘(12)的摩擦力除以前述所得的试样销(16)与试样盘(12)之间的压紧力，即可获得试样销(16)对磨试样盘(12)的实时摩擦因数。

7.如权利要求6所述一种高速重载摩擦磨损测试装置的测试方法，其特征在于：

所述磨损测试方法具体如下：

随着摩擦测试的进行，试样销(16)在试样盘(12)上不断磨损，随着磨损的发生，试样销(16)与试样盘(12)之间的接触压力随之降低，在液压加载系统(4)内部油压的作用下，工作推杆(42)推动试样销座(15)向靠近试样盘(12)的方向运动，同时带动滑动变阻器(32)的滑块在电阻丝上沿轴向滑动，将工作推杆(42)的轴向位移变化量转化为滑动变阻器(32)电阻值的变化量，通过读取滑动变阻器(32)阻值的变化量获得试样销座(15)内试样销(16)的磨损长度，试样销(16)的磨损长度乘以试样销(16)的横截面积即为试样销(16)的磨损体积。

8.如权利要求7所述一种高速重载摩擦磨损测试装置的测试方法，其特征在于：

所述磨损后的补偿方法具体如下：

随着测试的进行，试样销(16)在试样盘(12)上不断磨损，由于试样盘(12)两侧端面的粗糙度相同，并且两侧的试样销(16)对磨试样盘(12)的压紧力大小相同，因此两侧的试样销(16)的磨损情况相同，随着磨损的发生，试样销(16)与试样盘(12)之间的接触压力随之降低，工作推杆(42)在液压加载系统(4)内部油压的作用下会继续向外伸长以补偿试样销(16)的磨损量。