CN109632629B - 基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置及检测方法 - Google Patents

基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置及检测方法，通过调整施加给磁敏橡胶的磁场强度，从而改变待测磁敏橡胶的表面粗糙度、硬度、弹性模量和表面铁磁颗粒聚集度等参数，实现对摩擦表面干燥、湿滑或附着油脂下的磁敏橡胶滚动摩擦状态的调控。用采集非铁磁性摩擦小球在不同磁场强度下在待测磁敏橡胶上运动情况的方式，计算出磁敏橡胶在不同磁场下的滚动摩擦系数，分析磁场对磁敏橡胶滚动摩擦系数的影响。激光位移传感器将信号传递给采集模块，并通过串口将数据传递给上位机，经上位机处理数据后将非铁磁性摩擦小球的运动初末速度、运动过程中所消耗的能量、待测磁敏橡胶的滚动摩擦系数等结果进行在线显示和评价。

Description

基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置及检测方法。
背景技术
滚动摩擦广泛存在于机械器件、装备及系统当中，例如车辆的牵引和制动依靠轮轨滚动接触过程中作用于接触面上的摩擦力得以实现。在降雨、降雪等天气情况或者接触面湿滑、附着油脂等情况下，滚动摩擦系数降低，容易出现车辆打滑，造成列车紧急制动次数增多和紧急制动距离延长，存在一定的安全风险。若能在此过程中控制滚动摩擦便可以有效降低安全风险。
磁敏橡胶一般是以橡胶(或硅树脂)为基体，填充微米级的铁磁颗粒，经过一定的固化工艺制备而成。磁敏橡胶在磁场下能瞬时(毫秒级)改变其弹性模量、力学、电学与磁学等性能。由于是固体状，从而避免了磁流变液易沉降和易磨损等问题。近年来，学者对磁敏橡胶的研究表明，磁敏橡胶内部的铁磁颗粒在磁场作用下会被磁化，易形成磁偶极子对，进而产生相互作用力，外在表现为阻尼和刚度在磁场下发生变化。国内外学者研究了磁材料，显微观察磁场作用下磁敏橡胶的微观结构，发现磁敏橡胶的铁磁颗粒在磁场作用下产生聚集，磁场导致磁敏橡胶的弹性模量、硬度和表面粗糙度等发生变化，离开磁场环境后可恢复至原样，进而导致磁敏橡胶的滑动摩擦系数发生可逆性变化。目前已有磁敏橡胶滑动摩擦的研究，但系统的评价磁敏橡胶的滚动摩擦还未见报道。
在湿滑、附着油脂等复杂表面接触条件下，对机械器件、装备及系统中的滚动摩擦影响很大(一般会降低其滚动摩擦系数，易导致打滑、损伤，存在一定的安全隐患)。但目前在复杂环境下对磁敏橡胶滚动摩擦的研究，尚未有系统的评价，因此很有必要系统地研究磁场对磁敏橡胶滚动摩擦系数的影响。由于滚动摩擦固有的复杂性，不同材料、不同表面粗糙度，两物体间的滚动摩擦系数不同。因此非常有必要设计一种可控磁场下对磁敏橡胶滚动摩擦系数的检测装置，以加深对磁敏橡胶滚动摩擦机理研究与应用的推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置及检测方法，利用装置能够对在不同磁场作用下磁敏橡胶的滚动摩擦系数的变化进行测量和分析，为磁敏橡胶摩擦可控的工程化应用提供技术支撑。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置，包括上支撑板，所述上支撑板上设有用于安装待测磁敏橡胶的磁敏橡胶托槽，所述托槽上的磁敏橡胶摩擦表面可设置为干燥、湿滑、附着油脂；所述待测磁敏橡胶的一端上方设有非铁磁性摩擦小球，所述上支撑板上设有用于为所述非铁磁性摩擦小球提供初速度的弹射装置和用于测量所述非铁磁性摩擦小球在待测磁敏橡胶上运动过程中的速度检测装置；所述磁敏橡胶托槽下方设有用于向所述待测磁敏橡胶施加磁场的磁场发生组件，所述磁场发生组件与上支撑板之间设有间距调节装置；通过间距调节装置调节磁场发生组件与待测磁敏橡胶之间的间距改变磁场强度，以调控待测磁敏橡胶的表面粗糙度、硬度、弹性模量和表面铁磁颗粒聚集度等参数，进而调控磁敏橡胶的滚动摩擦系数；所述速度检测装置通过采集模块将采集到的数据上传至上位机，所述上位机根据采集到的数据，计算得到不同场强作用下控磁敏橡胶的滚动摩擦系数，实现可控滚动摩擦系数检测。
进一步地，所述弹射装置包括固定在所述磁敏橡胶托槽的一端的底座，固定在所述底座上的连接杆，所述连接杆的一端连接有用于推动所述非铁磁性摩擦小球的推杆，另一端设有拉杆；所述连接杆上套设有弹簧，底座上设有一挡板，所述拉杆的尾部穿过所述挡板与所述拉杆连接，所述弹簧设置在推杆与挡板之间。
进一步地，所述上支撑板的下方设有一个下支撑板；所述间距调节装置设置在所述上支撑板与下支撑板之间；所述磁场发生组件包括固定在所述下支撑板上的磁铁托槽，所述磁铁托槽与所述磁敏橡胶托槽上下对齐。
进一步地，所述间距调节装置包括若干连接在所述上支撑板与下支撑板之间的可调间距螺柱。
进一步地，所述速度检测装置包括设置在所述上支撑板上的传感器轨道；所述传感器轨道设置在所述磁敏橡胶托槽的一侧且与所述磁敏橡胶托槽相互平行设置；所述传感器轨道上安装有至少两个激光位移传感器，所述激光位移传感器的测量点与非铁磁性摩擦小球的中心在同一水平面上。
进一步地，所述下支撑板的底部设有若干调平支撑螺栓。
此外，该申请还提供了一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测方法，该检测方法利用上述检测装置实现摩擦系数检测，具体包括以下步骤：
S1：利用所述弹射装置为所述非铁磁性摩擦小球提供一定的初速度，使其在磁敏橡胶上滚动，并利用激光位移传感器采集非铁磁性摩擦小球在待测磁敏橡胶上经过位移传感器时的速度；
S2：根据两个激光位移传感器采集到的速度计算得出待测磁敏橡胶的滚动摩擦系数；
S3：调节磁场发生组件向待测磁敏橡胶施加的磁场强度，以调控待测磁敏橡胶的表面粗糙度、硬度、弹性模量和表面铁磁颗粒聚集度参数，进而调控磁敏橡胶的滚动摩擦系数，再重复步骤S1和步骤S2计算在不同磁场强度作用下待测磁敏橡胶的滚动摩擦系数。
进一步地，步骤S1中所述的利用激光位移传感器采集非铁磁性摩擦小球在待测磁敏橡胶上经过位移传感器时的速度的具体方法包括：
S11：将所述激光位移传感器的测量点与非铁磁性摩擦小球的中心在同一水平面上，此时非铁磁性摩擦小球分别经过两个激光位移传感器时所产生的位移变化的距离均等于非铁磁性摩擦小球的直径D；
S12：根据非铁磁性摩擦小球的直径D分别除以非铁磁性摩擦小球经过邻近非铁磁性摩擦小球初始运动的一侧激光位移传感器时所需的时间t1,得到非铁磁性摩擦小球经过该激光位移传感器时的速度v1；
S13：根据非铁磁性摩擦小球的直径D分别除以远离非铁磁性摩擦小球经过邻近非铁磁性摩擦小球初始运动的一侧激光位移传感器时所需的时间t2,得到非铁磁性摩擦小球经过该激光位移传感器时的速度v2。
进一步地，步骤S2所述的根据两个激光位移传感器采集到的速度计算得出待测磁敏橡胶的滚动摩擦系数采用的具体公式为：
Figure BDA0001953687340000041
FL＝ΔE
Figure BDA0001953687340000042
其中，△E为非铁磁性摩擦小球在两个激光位移传感器之间滚动过程中所消耗的能量；L为两个激光位移传感器测量点之间的磁敏橡胶段的长度，F为滚动摩擦力，R为小球半径，N为小球重量，k为滚动摩擦系数。
进一步地，两个所述激光位移传感器的间距可调。
本发明的有益效果为：通过上述检测装置和检测方法可对向磁敏橡胶施加的磁场强度进行调控，从而实现调控待测磁敏橡胶的表面粗糙度、硬度、弹性模量和表面铁磁颗粒聚集度参数，进而实现对磁敏橡胶滚动摩擦系数的调控，通过采集非铁磁性摩擦小球在不同磁场强度作用下的待测磁敏橡胶上的运动情况即可计算出磁敏橡胶在不同场强作用下的滚动摩擦系数，以便于分析磁场对磁敏橡胶滚动摩擦系数的影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为待测磁敏橡胶制备模具。
其中：1、下支撑板；2、上支撑板；3、磁铁托槽；4、磁敏橡胶托槽；5、调平支撑螺栓；6、可调间距螺柱；7、待测磁敏橡胶；8、非铁磁性摩擦小球；9、底座；10、推杆；11、连接杆；12、拉杆；13、传感器轨道；14、激光位移传感器；15、材料制备模具上板；16、中间套筒；17、材料制备模具下板；18、螺孔；19、槽口。
具体实施方式
如图1所示的一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置，包括上支撑板2，所述上支撑板2上设有用于安装待测磁敏橡胶7的磁敏橡胶托槽4，所述待测磁敏橡胶7的一端上方设有非铁磁性摩擦小球8，所述上支撑板2上设有用于为所述非铁磁性摩擦小球8提供初速度的弹射装置和用于测量所述非铁磁性摩擦小球8在待测磁敏橡胶7上运动过程中的速度检测装置；所述磁敏橡胶托槽4下方设有用于向所述待测磁敏橡胶7施加磁场的磁场发生组件。通过间距调节装置调节磁场发生组件与待测磁敏橡胶之间的间距改变磁场强度，以调控待测磁敏橡胶的表面粗糙度、硬度、弹性模量和表面铁磁颗粒聚集度参数，进而调控磁敏橡胶的滚动摩擦系数。其中，非铁磁性摩擦小球可选用不导磁材质，包括金属、非金属、高分子等不导磁材质，这对于实际研发中有广泛的指导意义。
所述弹射装置包括固定在所述磁敏橡胶托槽4的一端的底座9，固定在所述底座9上的连接杆11，所述连接杆11的一端连接有用于推动所述非铁磁性摩擦小球8的推杆10，另一端设有拉杆12；所述连接杆11上套设有弹簧，底座9上设有一挡板，所述拉杆12的尾部穿过所述挡板与所述拉杆12连接，所述弹簧设置在推杆10与挡板之间。弹射装置通过拉开拉杆12使连接杆11上的弹簧压缩，释放拉杆12，弹簧弹开，将能量传递给推杆10，推杆10一端的非铁磁性摩擦小球8获得能量以一定的初速度在待测磁敏橡胶7上进行滚动。
所述上支撑板2的下方设有一个下支撑板1；所述上支撑板2与下支撑板1之间设有可调节两者之间间距的间距调节装置；所述磁场发生组件包括固定在所述下支撑板1上的磁铁托槽3，所述磁铁托槽3与所述磁敏橡胶托槽4上下对齐。下支撑板1用于支撑永磁铁，磁铁托槽3用于固定磁铁位置以确保对相应位置的待测磁敏橡胶7施加磁场。
所述间距调节装置包括若干连接在所述上支撑板2与下支撑板1之间的可调间距螺柱6。通过可调间距螺柱6可调节上支撑板2与下支撑板1之间的间距，进而实现永磁铁向待测磁敏橡胶7施加的磁场强度。
所述速度检测装置包括设置在所述上支撑板2上的传感器轨道13；所述传感器轨道13设置在所述磁敏橡胶托槽4的一侧且与所述磁敏橡胶托槽4相互平行设置；所述传感器轨道13上安装有至少两个激光位移传感器14，所述激光位移传感器14的测量点与非铁磁性摩擦小球8的中心在同一水平面上。激光位移传感器14将采集到的信号传递给信号采集模块，采集模块通过串口将数据传递给上位机，上位机利用LabVIEW虚拟仪器处理数据将非铁磁性摩擦小球8的运动初末速度、运动过程中所消耗的能量、待测磁敏橡胶7的滚动摩擦系数等结果予以显示。调整磁场大小之后再重复以上步骤进行实验。
所述下支撑板1的底部设有若干调平支撑螺栓5，实验过程可用调平支撑螺栓5将整个装置调至水平以确保实验过程中非铁磁性摩擦小球8在待测磁敏橡胶7材料上做直线运动。
此外，该申请还公开了一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测方法，该检测方法利用权利要求1至6所述的检测装置实现摩擦系数检测，具体包括以下步骤：
S1：利用所述弹射装置为所述非铁磁性摩擦小球8提供一定的初速度，该检测方法利用上述检测装置实现摩擦系数检测，具体包括以下步骤：
S1：利用所述弹射装置为所述非铁磁性摩擦小球提供一定的初速度，使其在磁敏橡胶上滚动，并利用激光位移传感器采集非铁磁性摩擦小球在待测磁敏橡胶上经过位移传感器时的速度；
S2：根据两个激光位移传感器采集到的速度计算得出待测磁敏橡胶的滚动摩擦系数；
S3：调节磁场发生组件向待测磁敏橡胶施加的磁场强度，以调控待测磁敏橡胶的表面粗糙度、硬度、弹性模量和表面铁磁颗粒聚集度参数，进而调控磁敏橡胶的滚动摩擦系数，再重复步骤S1和步骤S2计算在不同磁场强度作用下待测磁敏橡胶的滚动摩擦系数。
上述步骤S1中所述的利用激光位移传感器采集非铁磁性摩擦小球在待测磁敏橡胶上经过位移传感器时的速度的具体方法包括：
S11：将所述激光位移传感器的测量点与非铁磁性摩擦小球的中心在同一水平面上，此时非铁磁性摩擦小球分别经过两个激光位移传感器时所产生的位移变化的距离均等于非铁磁性摩擦小球的直径D，可简化术算；
S12：根据非铁磁性摩擦小球的直径D分别除以非铁磁性摩擦小球经过邻近非铁磁性摩擦小球初始运动的一侧激光位移传感器时所需的时间t1,得到非铁磁性摩擦小球经过该激光位移传感器时的速度v1；
S13：根据非铁磁性摩擦小球的直径D分别除以远离非铁磁性摩擦小球经过邻近非铁磁性摩擦小球初始运动的一侧激光位移传感器时所需的时间t2,得到非铁磁性摩擦小球经过该激光位移传感器时的速度v2。
上述步骤S2所述的根据两个激光位移传感器采集到的速度计算得出待测磁敏橡胶的滚动摩擦系数采用的具体公式为：
Figure BDA0001953687340000081
FL＝ΔE
Figure BDA0001953687340000082
其中，△E为非铁磁性摩擦小球在两个激光位移传感器之间滚动过程中所消耗的能量；L为两个激光位移传感器测量点之间的磁敏橡胶段的长度，F为滚动摩擦力，R为小球半径，N为小球重量，k为滚动摩擦系数。
此外两个所述激光位移传感器14的间距可调，为便于计算和提高计算准确性，可将所述激光位移传感器14分别安装在待测磁敏橡胶7的两端。
此外，制作磁敏橡胶时可采用特制模具如图2所示。使用M3螺丝4颗穿过螺孔18将材料制备模具下板17与中间套筒16固定，待材料制备完成后将其倒入模具中，最后用材料制备模具上板15密封并用螺母固定。材料固化完成后，利用槽口19将材料制备模具材料制备模具上板15和材料制备模具上板15与中间套筒16分离，取出制备完成的磁敏橡胶。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置，其特征在于，包括上支撑板，所述上支撑板上设有用于安装待测磁敏橡胶的磁敏橡胶托槽，所述待测磁敏橡胶的一端上方设有非铁磁性摩擦小球，所述上支撑板上设有用于为所述非铁磁性摩擦小球提供初速度的弹射装置和用于测量所述非铁磁性摩擦小球在待测磁敏橡胶上运动过程中位移的速度检测装置；所述磁敏橡胶托槽下方设有用于向所述待测磁敏橡胶施加磁场的磁场发生组件，所述磁场发生组与上支撑板之间设有间距调节装置；通过间距调节装置调节磁场发生组件与待测磁敏橡胶之间的间距改变磁场强度，以调控待测磁敏橡胶的表面粗糙度、硬度、弹性模量和表面铁磁颗粒聚集度，进而调控磁敏橡胶的滚动摩擦系数；所述速度检测装置通过采集模块将采集到的数据上传至上位机，所述上位机根据采集到的数据，计算得到不同场强作用下控磁敏橡胶的滚动摩擦系数，实现可控滚动摩擦系数检测。
2.根据权利要求1所述的基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置，其特征在于，所述弹射装置包括固定在所述磁敏橡胶托槽的一端的底座，固定在所述底座上的连接杆，所述连接杆的一端连接有用于推动所述非铁磁性摩擦小球的推杆，另一端设有拉杆；所述连接杆上套有弹簧，底座上设有一挡板，所述拉杆的尾部穿过所述挡板与所述拉杆连接，所述弹簧设置在推杆与挡板之间。
3.根据权利要求1所述的基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置，其特征在于，所述上支撑板的下方设有一个下支撑板；所述间距调节装置设置在所述上支撑板与下支撑板之间；所述磁场发生组件包括固定在所述下支撑板上的磁铁托槽，所述磁铁托槽与所述磁敏橡胶托槽上下对齐。
4.根据权利要求3所述的基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置，其特征在于，所述间距调节装置包括若干连接在所述上支撑板与下支撑板之间的可调间距螺柱。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置，其特征在于，所述速度检测装置包括设置在所述上支撑板上的传感器轨道；所述传感器轨道设置在所述磁敏橡胶托槽的一侧且与所述磁敏橡胶托槽相互平行设置；实验过程中还可在所述磁敏橡胶接触表面上施加润滑剂，模拟复杂滚动摩擦工况条件；所述传感器轨道上安装有至少两个激光位移传感器，所述激光位移传感器的测量点与非铁磁性摩擦小球的中心在同一水平面上。
6.根据权利要求3或4所述的基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测装置，其特征在于，所述下支撑板的底部设有若干调平支撑螺栓。
7.一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测方法，其特征在于，该检测方法利用权利要求5所述的检测装置实现摩擦系数检测，具体包括以下步骤：
S1：利用所述弹射装置为所述非铁磁性摩擦小球提供一定的初速度，使其在磁敏橡胶上滚动，并利用激光位移传感器采集非铁磁性摩擦小球在待测磁敏橡胶上经过位移传感器时的速度；
S2：根据两个激光位移传感器采集到的速度计算得出待测磁敏橡胶的滚动摩擦系数；
S3：调节磁场发生组件向待测磁敏橡胶施加的磁场强度，以调控待测磁敏橡胶的表面粗糙度、硬度、弹性模量和表面铁磁颗粒聚集度，进而调控磁敏橡胶的滚动摩擦系数，再重复步骤S1和步骤S2计算在不同磁场强度作用下待测磁敏橡胶的滚动摩擦系数。
8.根据权利要求7所述的一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测方法，其特征在于，步骤S1中所述的利用激光位移传感器采集非铁磁性摩擦小球在待测磁敏橡胶上经过位移传感器时的速度的具体方法包括：
S11：将所述激光位移传感器的测量点与非铁磁性摩擦小球的中心在同一水平面上，此时非铁磁性摩擦小球分别经过两个激光位移传感器时所产生的位移变化的距离均等于非铁磁性摩擦小球的直径D；
S12：根据非铁磁性摩擦小球的直径D分别除以非铁磁性摩擦小球经过邻近非铁磁性摩擦小球初始运动的一侧激光位移传感器时所需的时间t1,得到非铁磁性摩擦小球经过该激光位移传感器时的速度v1；
S13：根据非铁磁性摩擦小球的直径D分别除以远离非铁磁性摩擦小球经过邻近非铁磁性摩擦小球初始运动的一侧激光位移传感器时所需的时间t2,得到非铁磁性摩擦小球经过该激光位移传感器时的速度v2。
9.根据权利要求8所述的一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测方法，其特征在于，步骤S2所述的根据两个激光位移传感器采集到的速度计算得出待测磁敏橡胶的滚动摩擦系数采用的具体公式为：
Figure FDA0003105785500000031
FL＝ΔE
Figure FDA0003105785500000032
其中，△E为非铁磁性摩擦小球在两个激光位移传感器之间滚动过程中所消耗的能量；L为两个激光位移传感器测量点之间的磁敏橡胶段的长度，F为滚动摩擦力，R为小球半径，N为小球重量，k为滚动摩擦系数。
10.根据权利要求7或8所述的一种基于磁敏橡胶的可控滚动摩擦系数检测方法，其特征在于，两个所述激光位移传感器的间距可调。
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