CN109612927A - 一种高分子材料摩擦系数水平测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高分子材料摩擦系数水平测量装置及测量方法，该装置包括支撑架、工作台、施压模块、导向模块和牵引模块；其中，工作台用于固定高分子材料；施压模块包括压力调节模块和可拆卸连接于压力调节模块下方的摩擦副，摩擦副在测量过程中与工作台上的高分子材料相抵接形成一摩擦面，压力调节模块调节摩擦副施压大小；导向模块包括X向滑动机构和Y向滑动机构，工作台连接X向滑动机构，施压模块连接Y向滑动机构；牵引模块具有一沿竖直方向运动的牵引机构，牵引机构通过转向组件牵引施压模块沿Y向水平运动。本发明通过压力调节模块调节材料所受正压力大小、通过牵引模块调节相对运动速度进行多次测量，有利于提高测量结果的准确性。

Description

一种高分子材料摩擦系数水平测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及物理实验装置技术领域，具体而言，涉及一种高分子材料摩擦系数水平测量装置及测量方法。

背景技术

高分子材料的摩擦性能是其非常重要的性能之一，以运动的性质来分，有滑动摩擦力、滚动摩擦力和静摩擦力，静摩擦力是指两相互接触(且相互挤压)的物体之间有相对滑动趋势时,物体之间产生的摩擦力，静摩擦系数是指最大静摩擦力的大小与接触面间的正压力的比值。目前摩擦系数的测量装置多样，但是普遍存在价格昂贵、无法设置不同的试验参数的问题。

发明内容

本发明提供了一种高分子材料摩擦系数水平测量装置及测量方法，旨在改善现有技术中的摩擦系数测量装置无法设置不同的试验参数的问题。

本发明是这样实现的：

一种高分子材料摩擦系数水平测量装置，包括支撑架、设置于所述支撑架上的工作台、施压模块、导向模块以及连接所述支撑架的牵引模块；所述工作台用于固定所述高分子材料；所述施压模块包括压力调节模块和可拆卸连接于所述压力调节模块下方的摩擦副，所述摩擦副在测量过程中与所述工作台上的高分子材料相抵接形成一摩擦面，所述压力调节模块调节所述摩擦副施压大小；所述导向模块包括能够使所述工作台沿X向进行水平滑动的X向滑动机构和够使所述施压模块沿Y向进行水平滑动的Y向滑动机构，所述工作台连接所述X向滑动机构，所述施压模块连接所述Y向滑动机构；所述牵引模块具有一沿竖直方向运动的牵引机构，所述牵引机构通过转向组件牵引所述施压模块沿Y向水平运动，带动所述摩擦副与所述工作台上的高分子材料产生相对运动。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述压力调节模块包括固定架和设置于所述固定架内的若干弹性件和锁紧件，所述固定架连接所述Y向滑动机构，所述弹性件对所述摩擦副施加弹性力，所述锁紧件控制所述弹性件的压缩量以调整所述弹性力的大小。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述摩擦副具有一与所述高分子材料接触的摩擦板和用于与所述压力调节模块连接的固定板，所述摩擦板与所述固定板连接处设置有倒角，所述摩擦板与所述工作台面积比为1:3～1:5。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述牵引模块为一力学拉伸机。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述转向组件为一设置于所述支撑架上的定滑轮，所述压力调节模块靠近所述定滑轮的一端设有一固定部，所述力学拉伸机的钢丝绳绕经所述定滑轮后连接于所述固定部，以牵引所述施压模块沿水平方向运动。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述工作台和所述摩擦副均由透明材料制成。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述工作台上还设有夹紧件，所述高分子材料通过所述夹紧件固定于所述工作台上。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述支撑架1上设有固定销，所述压力调节模块上还设有X向限位板和Y向限位板，所述X向限位板和Y向限位板上均设置有若干销孔，所述固定销与所述销孔相配合，对所述压力调节模块进行限位。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述X向滑动机构包括X向滑轨以及滑动连接于所述X向滑轨上的X向滑块，所述工作台固定连接于所述X向滑块，所述Y向滑动机构包括Y向滑轨以及滑动连接于所述Y向滑轨上的Y向滑块，所述压力调节模块固定连接于所述Y向滑块。

本发明还提供了一种高分子材料动摩擦系数的测量方法，应用前述的高分子材料摩擦系数竖直测量装置，包括以下步骤：

S1，将待测高分子材料固定于所述工作台上；

S2，将固定有高分子材料的所述工作台和所述施压模块分别沿X向滑动机构和Y向移动机构移入测试位点，所述测试位点位于所述Y向移动机构和所述X向移动机构的交叠位置；

S3，调整所述施压模块对高分子材料施加预设的正压力值N，固定所述工作台；

S4，所述牵引模块牵引所述施压模块沿Y向水平运动，带动所述摩擦副与所述工作台上的高分子材料产生相对运动，运动过程中保持所述摩擦面面积恒定；

S5，测量所述施压模块匀速运动过程中的牵引力大小F，进而计算得出预浸布的动摩擦系数如下式所示：

μk＝F/(N+mg)

其中，μk为动摩擦系数；m为施压模块质量，kg；g为重力加速度，m/s²；F为牵引力，N；N为正压力，N。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过上述设计得到的高分子材料摩擦系数水平测量装置及测量方法，使用时，通过所述压力调节模块可以自由调节一定范围内摩擦副与高分子材料接触面的正压力大小，使材料可以在不同的正压力下进行测量，通过改变牵引模块的牵引力可使材料在不同的相对运动速度下进行测量，多次测量有利于提高测量结果的准确性；

(2)本发明通过设置所述X向滑动机构，使所述工作台沿X向自由滑动，从而可以在所述工作台滑出测试位点后方便地对待测高分子材料进行更换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的高分子材料摩擦系数水平测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的高分子材料摩擦系数水平测量装置的俯视图；

图3是本发明实施例1提供的高分子材料摩擦系数水平测量装置的局部结构示意图(隐去牵引模块)；

图4是图3中A处的局部放大示意图；

图5是本发明实施例1中施压模块的剖面示意图；

图6是本发明实施例1中摩擦副的结构示意图。

图标：1-支撑架；11-定滑轮；12-固定销；2-工作台；21-夹紧件；3-施压模块；31-压力调节模块；311-固定架；312-弹性件；313-锁紧件；314-X向限位板；315-Y向限位板；316-销孔；317-固定部；32-摩擦副；321-摩擦板；322-固定板；323-倒角；4-导向模块；41-X向滑动机构；411-X向滑轨；412-X向滑块；42-Y向滑动机构；421-Y向滑轨；422-Y向滑块；5-牵引模块。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1，参照图1所示，本发明提供了一种高分子材料摩擦系数水平测量装置，包括支撑架1、设置于所述支撑架1上的工作台2、施压模块3、导向模块4以及连接所述支撑架1的牵引模块5。本装置利用施压模块3对所述工作台2上的高分子材料施加正压力，在牵引模块5的作用下使所述施压模块3与高分子材料表面发生相对运动，通过正压力大小和相对运动速度等参数，计算得出高分子材料摩擦系数的大小。

参考图2、3所示，所述工作台2用于固定所述高分子材料。所述施压模块3包括压力调节模块31和可拆卸连接于所述压力调节模块31下方的摩擦副32，所述摩擦副32在测量过程中与所述工作台2上的高分子材料相抵接形成一摩擦面，所述压力调节模块31调节所述摩擦副32施压大小。所述导向模块4包括能够使所述工作台2沿X向进行水平滑动的X向滑动机构41和够使所述施压模块3沿Y向进行水平滑动的Y向滑动机构42，所述工作台2连接所述X向滑动机构41，所述施压模块3连接所述Y向滑动机构42。所述牵引模块5具有一沿竖直方向运动的牵引机构，所述牵引机构通过转向组件牵引所述施压模块3沿Y向水平运动，带动所述摩擦副32与所述工作台2上的高分子材料产生相对运动。在测试过程中，所述施压模块3与所述工作台2上的高分子材料相对静止，在所述牵引模块5施压模块3沿Y向运动的过程中，所述施压模块3与所述高分子材料发生相对运动，进而获取所需实验参数。其中，所述Y向滑动机构42垂直于所述X向滑动机构41。

可选的，参考图3-5所示，所述转向组件为一设置于所述支撑架1上的定滑轮11，所述压力调节模块31靠近所述定滑轮11的一端设有一固定部317，所述力学拉伸机的钢丝绳绕经所述定滑轮11后连接于所述固定部317，以牵引所述施压模块3沿水平方向运动。可选的，通过设定力学拉伸机的拉伸速度，可使材料在不同运动速度下进行多次测量，有利于提高测量结果的准确性。

可选的，参考图1所示，所述工作台2上还设有夹紧件21，所述高分子材料通过所述夹紧件21固定于所述工作台2上。可选的，所述夹紧件21可以为型材框，所述高分子材料通过型材框的压杆夹紧于所述工作台2上，也可以是其他具有夹持功能的元件，本发明不做具体限定。

可选的，参考图3-5所示，所述压力调节模块31包括固定架311和设置于所述固定架311内的若干弹性件312和锁紧件313，所述固定架311连接所述Y向滑动机构42，所述弹性件312固定于所述固定架311，以对连接所述固定架311的所述摩擦副32施加弹性力，所述锁紧件313控制所述弹性件312的压缩量以调整所述弹性力的大小。可选的，在不偏离本发明技术思路的基础上，其他的压力调节装置如压力控制阀、压力控制器等也可以应用于本发明。

可选的，参考图3-5所示，在本实施例中，所述固定架311由若干型材杆搭建而成，所述型材杆包括若干X向杆、Y向杆和Z向杆，所述X向杆、Y向杆和Z向杆通过一连接件相互连接，形成具有框架结构的固定架311。所述若干弹性件312和锁紧件313固定于所述固定架311底部的X向杆和/或Y向杆，在所述固定架311中部预留出一观察窗。可选的，所述连接件可以是打孔攻牙配套的配件、角件和螺栓螺母连接、直角或角槽连接件等，本发明不做具体限定。

可选的，参考图3-5所示，所述弹性件312为压缩弹簧，所述压缩弹簧固定于所述固定架311，所述摩擦副32通过所述固定板322连接所述固定架311，所述锁紧件313包括穿设于所述压缩弹簧内的螺栓、垫片以及配合所述螺栓的锁紧螺母。所述垫片穿设于所述锁紧螺母与所述弹簧之间，通过旋动所述锁紧螺母可以改变所述弹簧的压缩量大小，从而对所述摩擦板321施加弹性力，所述弹性力可通过获取弹性件312的压缩量计算得出。可选的，本实施例中的锁紧螺母包括第一锁紧螺母和第二锁紧螺母，所述第一锁紧螺母用于与所述螺栓、垫片相配合以对所述压缩弹簧的压缩量进行调节。所述固定架311上设有与所述螺栓相配合的通孔，所述螺栓穿设于所述通孔并通过所述第二锁紧螺母固定于所述固定架311。

可选的，本实施例中的弹性件312为压缩弹簧，但是不限于此，其他可以改变施压大小的弹性件312，只要能达到本实施例的效果，均可应用于本发明。通过调整所述弹性力的大小，可以改变一定范围内所述高分子材料所受正压力大小，可使材料可以在不同的正压力下进行多次测量，有利于提高测量结果的准确性。

可选的，参考图6所示，所述摩擦副32具有一与所述高分子材料接触的摩擦板321和用于与所述压力调节模块31连接的固定板322，所述摩擦板321与所述固定板322连接处设置有倒角323，从而可以有效避免尖锐表面和材料产生刮擦阻力，减少对测量结果的精确性。所述摩擦板321与所述工作台2面积比为1:3～1:5，，从而可以方便地对所述摩擦副32进行更换，便于考察摩擦副32中摩擦面的不同形状和大小对摩擦系数测量结果的影响

可选的，参考图1、6所示，所述工作台2和所述摩擦副32均由透明材料制成。透明的结构有利于利用光学流变仪在所述固定架311的观察窗内观测材料在挤压和相对运动过程中发生的变化，探究在摩擦运动过程中的发热、磨损等现象对材料表面形貌变化的影响，以便于进行进一步的实验研究。

可选的，参考图1、6所示，所述透明材料为亚克力板。亚克力板成本低、透光性能好、耐冲击且易于清洁。可选的，其他透明材料如聚苯乙烯、聚碳酸脂等，只要能实现本发明的应用效果，均可应用于本发明。

可选的，参考图1所示，所述牵引模块5为一力学拉伸机。所述力学拉伸机为装置提供牵引力，从而驱动所述摩擦副32在所述牵引力下与高分子材料表面发生相对运动。可选的，所述力学拉伸机设有应力应变传感器，可以通过所述应力应变传感器获取所述支撑架1的牵引力大小。

可选的，参考图3-5所示，为了防止施压模块3在测试前出现晃动，需要对其进行限位。所述支撑架1上设有固定销12，所述压力调节模块31上还设有X向限位板314和Y向限位板315，所述X向限位板314和Y向限位板315上均设置有若干销孔316，所述固定销12与所述销孔316相配合，对所述压力调节模块31进行限位。未测试状态下，将固定销12的插销插入X向限位板314上的销孔316内，以限制所述施压模块3在X向的自由度，将固定销12的插销插入Y向限位板315上的销孔316内，以限制所述施压模块3在Y向的自由度。

可选的，参考图3-5所示，所述X向滑动机构41包括X向滑轨411以及滑动连接于所述X向滑轨411上的X向滑块412，所述工作台2固定连接于所述X向滑块412，所述Y向滑动机构42包括Y向滑轨421以及滑动连接于所述Y向滑轨421上的Y向滑块422，所述压力调节模块31固定连接于所述Y向滑块422。可选的，其他类型的导向模块4，如滚珠丝杆传动机构、齿轮齿条传动机构也可应用于本发明。

本发明还提出了一种高分子材料动摩擦系数的测量方法，应用前述的高分子材料摩擦系数竖直测量装置，包括以下步骤：

S1，将待测高分子材料固定于所述工作台2上。可选的，通过以夹紧件21对所述预浸布进行固定，所述夹紧件21可以是型材框，所述预浸布通过型材框的压杆夹紧于所述工作台2上，也可以是其他具有夹持功能的元件，本发明不做具体限定。

S2，将固定有高分子材料的所述工作台2和所述施压模块3分别沿X向滑动机构41和Y向滑动机构42移入测试位点，所述测试位点位于所述Y向滑动机构42和所述X向滑动机构41的交叠位置。将固定销12的插销插入X向限位板314和所述Y向限位板315上的销孔316内，以限制所述施压模块3在X向和Y向的自由度。

S3，调整所述施压模块3对高分子材料施加预设的正压力值N，固定所述工作台2。可选的，可以通过设定不同的正压力值进行多次测量，减小装置的测量误差，使测量结果更加准确。

S4，所述牵引模块5牵引所述施压模块3沿Y向水平运动，带动所述摩擦副32与所述工作台2上的高分子材料产生相对运动，运动过程中保持所述摩擦面面积恒定；

S5，测量所述施压模块3匀速运动过程中的牵引力大小F，进而计算得出预浸布的动摩擦系数如下式所示：

μk＝F/(N+mg)

其中，μk为动摩擦系数；m为施压模块质量，kg；g为重力加速度，m/s²；F为牵引力，N；N为正压力，N。可选的，通过所述弹性件312的压缩量获取正压力N、通过传感器获取牵引力F。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高分子材料摩擦系数水平测量装置，其特征在于，包括支撑架(1)、设置于所述支撑架(1)上的工作台(2)、施压模块(3)、导向模块(4)以及连接所述支撑架(1)的牵引模块(5)；其中，所述工作台(2)用于固定所述高分子材料；所述施压模块(3)包括压力调节模块(31)和可拆卸连接于所述压力调节模块(31)下方的摩擦副(32)，所述摩擦副(32)在测量过程中与所述工作台(2)上的高分子材料相抵接形成一摩擦面，所述压力调节模块(31)调节所述摩擦副(32)施压大小；所述导向模块(4)包括能够使所述工作台(2)沿X向进行水平滑动的X向滑动机构(41)和够使所述施压模块(3)沿Y向进行水平滑动的Y向滑动机构(42)，所述工作台(2)连接所述X向滑动机构(41)，所述施压模块(3)连接所述Y向滑动机构(42)；所述牵引模块(5)具有一沿竖直方向运动的牵引机构，所述牵引机构通过转向组件牵引所述施压模块(3)沿Y向水平运动，带动所述摩擦副(32)与所述工作台(2)上的高分子材料产生相对运动。

2.根据权利要求1所述的高分子材料摩擦系数水平测量装置，其特征在于，所述压力调节模块(31)包括固定架(311)和设置于所述固定架(311)内的若干弹性件(312)和锁紧件(313)，所述固定架(311)连接所述Y向滑动机构(42)，所述弹性件(312)对所述摩擦副(32)施加弹性力，所述锁紧件(313)控制所述弹性件(312)的压缩量以调整所述弹性力的大小。

3.根据权利要求1所述的高分子材料摩擦系数水平测量装置，其特征在于，所述摩擦副(32)具有一与所述高分子材料接触的摩擦板(321)和用于与所述压力调节模块(31)连接的固定板(322)，所述摩擦板(321)与所述固定板(322)连接处设置有倒角(323)，所述摩擦板(321)与所述工作台(2)面积比为1:3～1:5。

4.根据权利要求1所述的高分子材料摩擦系数水平测量装置，其特征在于，所述牵引模块(5)为一力学拉伸机。

5.根据权利要求4所述的高分子材料摩擦系数水平测量装置，其特征在于，所述转向组件为一设置于所述支撑架(1)上的定滑轮(11)，所述压力调节模块(31)靠近所述定滑轮(11)的一端设有一固定部(317)，所述力学拉伸机的钢丝绳绕经所述定滑轮(11)后连接于所述固定部(317)，以牵引所述施压模块(3)沿水平方向运动。

6.根据权利要求1所述的高分子材料摩擦系数水平测量装置，其特征在于，所述工作台(2)和所述摩擦副(32)均由透明材料制成。

7.根据权利要求1所述的高分子材料摩擦系数水平测量装置，其特征在于，所述工作台(2)上还设有夹紧件(21)，所述高分子材料通过所述夹紧件(21)固定于所述工作台(2)上。

8.根据权利要求1所述的高分子材料摩擦系数水平测量装置，其特征在于，所述支撑架(1)上设有固定销(12)，所述压力调节模块上还设有X向限位板(314)和Y向限位板(315)，所述X向限位板(314)和Y向限位板(315)上均设置有若干销孔(316)，所述固定销(12)与所述销孔(316)相配合，对所述压力调节模块(31)进行限位。

9.根据权利要求1所述的高分子材料摩擦系数水平测量装置，其特征在于，所述X向滑动机构(41)包括X向滑轨(411)以及滑动连接于所述X向滑轨(411)上的X向滑块(412)，所述工作台(2)固定连接于所述X向滑块(412)，所述Y向滑动机构(42)包括Y向滑轨(421)以及滑动连接于所述Y向滑轨(421)上的Y向滑块(422)，所述压力调节模块(31)固定连接于所述Y向滑块(422)。

10.一种高分子材料动摩擦系数的测量方法，其特征在于，应用如权利要求1-9任一项所述的高分子材料摩擦系数竖直测量装置，包括以下步骤：

S1，将待测高分子材料固定于所述工作台(2)上；

S2，将固定有高分子材料的所述工作台(2)和所述施压模块(3)分别沿X向滑动机构(41)和Y向移动机构(42)移入测试位点，所述测试位点位于所述Y向移动机构(42)和所述X向移动机构(41)的交叠位置；

S3，调整所述施压模块(3)对高分子材料施加预设的正压力值N，固定所述工作台(2)；

S4，所述牵引模块(5)牵引所述施压模块(3)沿Y向水平运动，带动所述摩擦副(32)与所述工作台(2)上的高分子材料产生相对运动，运动过程中保持所述摩擦面面积恒定；

S5，测量所述施压模块(3)匀速运动过程中的牵引力大小F，进而计算得出预浸布的动摩擦系数如下式所示：

μk＝F/(N+mg)

其中，μk为动摩擦系数；m为施压模块质量，kg；g为重力加速度，m/s²；F为牵引力，N；N为正压力，N。