CN109690282A - 用于测量橡胶磨损的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于在表示真实使用条件的多个不同的实验条件下测试不同材料的磨损和摩擦性质的一种装置和方法。通常,根据本发明的装置是基于在“开环”条件中使样品通过歇性接触与旋转盘按间相接触的,其中动态载荷被施加至样品以使接触发生。动态载荷的控制完全独立于该盘旋转。
Description
本申请要求于2016年9月14日提交的欧洲申请号EP 16306165.8的优先权,出于所有的目的该申请的全部内容通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及磨损和摩擦测试,并且尤其涉及一种用于在代表真实使用条件的多种不同的实验条件下的橡胶材料的摩擦和磨损测量的新的装置和方法。
背景技术
摩擦学是表面在相对运动中相互影响的学科。其包括摩擦和磨损的研究。使用摩擦计来测量当在不同条件下(包括随时间推移的压力和速度)测试时与摩擦和磨损相关的材料的性能。
本领域已知的是一种包含使用测试设备的技术,其中,使得以选择的速度移动(旋转或直线行进)的摩擦表面与不可移动的测试样品相接触,同时将连续受控的压力施加至摩擦表面上的测试样品。该测试方法在开始数据收集期之前需要相对长的试运转期。在数个小时或数天的标准时间间隔之后,从设备移除测试样品并且称重该测试样品以根据重量损失来确定在选择的压力和速度下磨损的速率。
可替代地,可以通过动态测量系统(例如在WO 01/61315和US 4966030中提出的那些)进行磨损测量,其中,借助于安装在放置样品的支撑部上的传感器来测量与样品的磨损相关的参数而不需要移除和称重样品。
在WO 01/61315中,力测量装置存在于设备中,该力测量装置测量样品在覆盖区域处的力,因此给出被测试的样品针对所选择表面的摩擦特征(例如,摩擦系数)的信号指示。
在US 4966030中,距离传感器附接至测试样品的支撑结构并且随着测试样品自身移动。距离传感器面向摩擦表面盘并且测量支撑结构与摩擦表面盘之间距离的变化。当进行测试时,压力被施加至测试样品并且摩擦表面盘以设定的速度旋转以随时间推移给出所期望的压力和速度。从测试的开始到测试的最后,支撑结构与测试样品之间的间隙指示在测试期间材料损失的量并且给出在特定条件下得到的磨损的量。
US2 002/0037681披露了一种用于执行并且控制抛光处理的设备,该设备包括带有衬垫的转板、支撑有待处理的物体(例如,半导体晶圆)并且相对于板执行径向移动旋转头、以及抛光处理控制系统,该抛光处理控制系统包括多个用于检测加工的终点的感测装置。感测装置可以是一组内置在旋转头的部件中的高频声发射传感器和/或与旋转头和板的多个不同的元件连接的力/转矩传感器。在第一种情况下,该设备测量与在物体与衬垫之间的界面中发生的变化相对应的高频声发射信号。在第二种情况下,检测有待处理的物体与衬垫之间的摩擦系数的变化以便确定抛光处理的终点。
在本领域中还已知的是一种使用包括可移动摩擦表面的装置的技术,该摩擦表面与支承样品的摩擦元件接触,其中,在测试期间在摩擦表面上的样品的载荷可以按照某一频率变化。
US 2013/0047699披露了一种装置,该装置包括可移动摩擦元件和压紧摩擦元件的摩擦副,以及用于使用第一力传感器来控制在摩擦副上的力的夹具。该装置用于测量高摩擦载荷对表面材料的磨损特征的影响。安装在支撑样品的固持器上的位移传感器测量由于摩擦元件上样品的磨损而产生的固持器的偏移。
Z.Manè等人,磨损,306(2013),149-169页,披露了一种旋转摩擦计,该旋转摩擦计被开发成用于在受控制的环境条件下重现在轮胎的加强材料与路面之间的界面处的磨耗磨损。路面与轮胎胎面之间的间歇性接触由与胶合在旋转盘上的加强橡胶材料的薄板摩擦的抛光的不锈钢球部表示。盘在滑过样品期间的转速、两次通过之间的时间以及转数是受控制的。放置在固持摩擦球部的轴上的激光器装置给出关于磨损表面形貌、摩擦图案的类型以及它们的尺寸的信息。摩擦计因此允许根据通过次数测量摩擦系数和重量损失的演变。然而,使用这种类型的摩擦计实施测试是耗时的。
用现有技术的摩擦计测试摩擦和磨损(包含样品与摩擦表面之间的连续或间歇性接触)需要长时间并且成为新的橡胶材料开发的障碍。测试持续时间经常在50至4000小时的范围内。通过从装置移除样品或通过放置在装置上的接近于样品的动态测量系统来获得磨损测量。
需要一种改进的装置以用于在就接触运动学、频率和温度而言接近真实使用条件、包括较低的严苛条件的实验室条件中,更快地测量在与不同材料和/或表面粗糙度的摩擦表面接触时的磨损和若干样品的摩擦性质。
还需要一种装置,该装置允许执行测试具有扩大范围的滑动速度并且在测试期间独立控制滑动速度和动态接触特征的变化。
进一步需要一种具有改进的原位磨损和摩擦参数的动态测量系统的装置。
发明内容
本发明提供一种装置和方法,以用于在表示真实使用条件的多个不同的实验条件下对不同材料的样品进行改进的、加速的并且定量的摩擦和磨损测量。
因此本发明的目的是提供一种装置和方法,以快速测试在与不同摩擦表面接触的多种不同材料的样品的摩擦和磨损性质。
该装置和方法尤其适用于在表示真实使用条件的多个不同的实验条件下测量一系列样品与不同摩擦表面接触时的摩擦和磨损性质。
更具体地,该装置和方法适用于测量弹性体样品(例如轮胎胎面)与不同摩擦表面之间的处于多个不同的滑动速度和载荷条件的摩擦系数。
通常,根据本发明的装置是基于在“开环”条件中使样品通过歇性接触与旋转盘按间相接触的,其中动态载荷被施加至样品以使接触发生。
在本说明书中,表述“开环”用于指代在测试期间的工作条件,其中,样品与旋转盘之间的接触区域没有磨耗废物,这是由于在测试期间从接触区域除去了磨损的碎屑。
装置被配置成用于简单并且快速改换任何性质和粗糙度的摩擦表面。
以完全独立的方式控制旋转盘的运动和样品的运动,这允许分别并且独立地改变滑动速度、动态载荷条件和样品与旋转盘的摩擦表面之间的接触时间。
独立地运动学控制滑动速度和样品与摩擦表面之间的接触时间允许评估磨损与不同材料的样品的粘弹性之间的关系。对现有技术的摩擦计来说该评估是不可能的,要么因为它们仅提供连续接触,要么因为现有技术的测试基于旋转的车轮或样品,其中滑动速度和接触的频率是通过样品相对于摩擦表面的转速确定的。
该旋转盘固定至由第一电机驱动的竖直轴。
摩擦表面可以可移除地支撑在旋转盘上或其可以表示旋转盘自身的表面。摩擦表面可以与不同材料和/或粗糙度的其他摩擦元件容易地互换,如可以针对在不同摩擦表面上和/或不同测试条件中测试特定样品所希望的那样。
第二独立电机提供了样品的水平位移。水平位移用于将样品在旋转盘上定位在与驱动旋转盘的竖直轴轴线相距给定距离(即在给定半径处)处。在测试期间水平位移可以实时变化,从而使得可以使用旋转盘上新的接触面积。这确保了在真实的“开环”条件下进行摩擦和/或磨损测试。
样品固定至提供用于竖直移动(大致垂直于摩擦表面)的可移动部分,并且允许通过对法向载荷的动态调节来与摩擦表面接触并且完全独立控制接触时间、接触的频率和滑动速度。由第三独立电机提供竖直移动。
用高分辨率相机原位实时测量样品形变和磨损。
相机定位与样品的竖直移动相独立,以允许精确测量样品的位置以及仪器的灵活性。
装置可以包封在温度受控制的外壳中,以模拟不同温度条件和环境条件(例如湿度比)。
在本发明的优选实施例中,处理器控制所有的操作、参数设置和数据采集。
附图说明
图1是根据本发明的装置的示意性侧视图。
图2是根据本发明的装置的多个不同部分的整体方案。
图3是动态致动器(14)的整体方案。
图4示出在样品A的磨损测试期间相继记录的一系列力-位移曲线。
图5示出了在力-位移曲线(从图4的曲线中获得的)中的偏移与贯穿磨损测试的重量损失之间的相互关系。
图6示出了如针对实例1中的样品A直接测得的样品厚度的改变和重量损失的光学测量的结果。
图7示出如根据实例1针对样品A和样品B所评估的磨损检测的结果。
具体实施方式
本发明的第一目的是一种用于测试材料的磨损和摩擦性质的装置,该装置包括:
-旋转盘(5),该旋转盘固定至由第一电机(16)驱动的竖直轴(6),
-摩擦表面(17),该摩擦表面提供在该旋转盘(5)上,
-样品固持器(10),该样品固持器用于与该摩擦表面(17)相接触地固持样品表面,
-器件,这些器件用于提供样品表面与该摩擦表面的间歇性接合并且用于测量在所述间歇性接合期间所施加的力,所述器件包括动态致动器(14)和与该样品固持器(10)连接的三轴测压元件(2),
-相机(4),该相机独立于该样品固持器的移动,以用于检测磨损,
其中
-该动态致动器(14)、该样品固持器和该三轴测压元件安装在驱动系统上,该驱动系统相对于该旋转盘提供水平和竖直位移,所述系统包括由第二电机(13)水平驱动的机械支撑件(8)和安装在所述机械支撑件(8)上以随其移动的竖直支撑件(1),该竖直支撑件由第三电机(12)竖直驱动,并且其中,第一电机(16)、第二电机(13)和第三电机(12)彼此独立地驱动。
现在详细参考图1至图3,本发明的装置包括固定至由第一电机(16)驱动的竖直轴(6)的旋转盘(5)。该旋转盘可以通过将其从轴上提出而简单地移除。
旋转盘沿由第一电机(16)驱动的轴(6)的独立运动提供了大范围的滑动速度。
优选的滑动速度与轮胎在使用中经历的滑动速度相当、并且其更优选地从0.001m/s至1m/s、典型地从0.005m/s至0.50m/s、优选地从0.01m/s至0.10m/s地变化。
齿轮减速箱安装在轴上以获得足够大的转矩,从而使得在样品的接触期间转速不受摩擦影响。
可以使用具有不同厚度和直径的旋转盘。旋转盘可以具有从1.0cm至5.0cm、典型地从1.0cm至4.0cm的厚度。旋转盘可以具有从15cm至50cm、典型地15cm至45cm、优选地从20cm至40cm的直径。
在优选的实施例中,使用具有1.0cm至3.0cm的厚度以及25cm至35cm的直径的旋转盘。通过具有2.0cm的厚度和30cm的直径的旋转盘已经获得了良好的结果。
可以使用具有任何性质和任何粗糙度的摩擦表面的旋转盘。摩擦表面(17)可以是各种不同表面中的任一种表面。优选地,摩擦表面由抛光的不锈钢、花岗岩、玻璃或砂纸制成。
摩擦表面可以具有不同纹理(例如粗糙的、光滑的、开槽的等)。可以根据所期望的测试条件或测试严格程度来调节摩擦表面纹理。
摩擦表面可以被可移除地支撑在旋转盘上或呈现旋转盘自身的表面。摩擦表面可以与不同材料和/或粗糙度的其他摩擦元件容易地互换,如可以针对在不同摩擦表面上和/或不同测试条件中测试特定样品所希望的那样。表面的互换可以通过置换支撑在旋转盘上的摩擦表面或通过将旋转盘从轴(6)提出并且以支承不同摩擦表面的旋转盘置换该旋转盘来置换整个旋转盘实现。
装置包括机械支撑件(8),该机械支撑件由第二电机(13)水平驱动。
该机械支撑件(8)具有安装在其上的竖直支撑件(1),该竖直支撑件与该机械支撑件一起移动并且还由第三电机(12)竖直驱动。竖直支撑件承载动态致动器(14)、三轴测压元件(2)以及附接至下端的样品固持器(10)。
竖直支撑件的运动被竖直导轨(21)约束成严格竖直。
静态样品水平位移和竖直位移的调节分别是通过第二电机(13)和第三电机(12)的移动来保证的。这确保了样品被固持在其抵靠旋转盘上所支撑的摩擦表面(17)的适当的位置。
调节样品的竖直位移来确定施加至样品的法向载荷(法向力FN)。
施加至样品的法向力可以在从1N至100N的范围内、优选地在10N至50N的范围内、更优选地从20N至40N。还更优选地,法向力是40N。
第二电机(13)提供了机械支撑件的水平位移,并且因此提供了样品的水平位移。水平位移用来将样品定位在与旋转盘的轴(6)的轴线相距给定距离处(即,在给定的半径处)。在测试期间,水平位移可以是实时变化的,因此提供了使样品与盘摩擦表面的未使用部分接触。这确保了在真实的“开环”条件下进行摩擦和/或磨损测试。
第一电机(16)、第二电机(13)和第三电机(12)相对于彼此独立地驱动。它们通过功率调节器和/或变换器提供电力。
动态致动器(14)控制样品到摩擦表面上的竖直动态位移,从而被配置成用于提供样品与支撑在旋转盘上的摩擦表面的间歇性接合,进而保证完全独立地控制接触时间、接触的频率和滑动速度。
优选的动态致动器(14)是大振幅致动器,其中振幅大约为1mm,这允许最高达100N的最大载荷、非常短的毫秒(ms)范围内的响应时间。优选地,动态致动器是压电致动器。
位于样品固持器的顶部的三轴测压元件(2)测量在三个轴线上施加在样品上的力,从而实时给出在摩擦表面上的样品的法向和切向载荷的值。三轴元件的时间分辨率大约为1kHz。
测压元件的输出连接至数据采集系统。
在优选的实施例中,垫片(20)放置在动态致动器(14)与样品固持器(10)之间。
样品固持器(10)可以具有任何合适的几何形状、优选的是圆柱形状。
温度测量装置(3)放置成与样品固持器接触以便在测试期间测量实际样品温度。
安装在竖直支撑件(1)上的校准装置(19)确保了将样品表面和摩擦表面安排成平行安排,或使得在它们之间形成固定的角度。优选地,校准装置由夹紧的球形夹具制成。
样品表面与摩擦表面之间的角度可以有利地包括在0°与±10°之间、典型地在0°与±5°之间。
用相机(4)通过对样品与摩擦表面之间的距离的实时绝对测量来原位测量样品形变。
相机以水平位置放置在装置上并且独立于样品的移动。其与样品保持恒定的距离。
相机可以是光学相机或数字相机。相机优选地是高分辨率数字光学相机。在优选的实施例中,相机安装在机械支撑件(8)上,用于与其一起移动。
相机允许贯穿整个测试将样品高分辨率可视化并且在每次接触期间动态实时记录样品形变。
在磨损测试期间以微米准确度实时测量经受磨损的样品的厚度。以固定的力水平测量的竖直位移的任何漂移与样品的厚度的变化相关,即,与在测试期间损失的物质量有关,该量可以于是用重量损失表示。因此,有利地的是该发明性装置允许原位确定样品的磨损,即重量损失,而不需要从装置移除样品并且确定其重量。可以贯穿整个性能测试监测样品的磨损。
在优选的实施例中,光源(9)放置在样品后面的背景中,在相机的前面,以产生用于光学可视化的高对比度。
光学相机还可以用来确定确切的竖直样品位置,并且调节样品接近盘表面的竖直位置。
装置可以包封在温度受控制的腔室中,以模拟不同温度和环境条件(例如湿度比),例如冬天和夏天条件,并且用于评估温度变化对样品的影响。
可以借助于合适的加热和/或冷却单元(7)来将装置周围的温度调节在包括在0℃与80℃之间的范围内、优选地包括在20℃与60℃之间的范围内。
在本发明的优选实施例中,该装置包括温度控制腔室(15),当不使用该装置时该温度控制腔室至少包封摩擦表面和样品固持器并且当使用该装置时该温度控制腔室包封样品固持器和样品的。在又一个优选的实施例中,温度控制腔室进一步包封加热和/或冷却单元(7)。
可以借助于把手打开腔室的顶部壁。这使得能够简单且快速的更换样品、旋转盘和摩擦表面。
装置包括合适的方式来清洁摩擦表面,即,从摩擦表面清除磨损碎屑。
在本发明的优选实施例中,处理器控制所有的操作、参数设置以及数据采集:静态样品水平和竖直位移;盘旋转;法向载荷的控制;信号触发;动态移位的控制;数据采集。
处理器进一步分析数据并且提供优选地为表格和/或曲线图的形式的结果读出。
本发明的第二目的是包括前述装置和材料样品(11)的组件。样品放置在样品固持器(10)中。样品(11)附接至样品固持器(10),从而使得样品有待测试的表面可用于与旋转盘(5)的摩擦表面(17)接触。
样品(11)可以具有适合于样品固持器的任何几何形状。优选地,样品是圆柱体、半球或片材形式。
样品(11)通过合适的器件可移除地附接至样品固持器。
优选地,样品的厚度从1mm至5mm,更优选地其大约为2mm。
在优选的实施例中,样品是圆柱形状的弹性体样品,该圆柱形状的弹性体样品所具有的直径处于包括在5mm与10mm之间的范围内并且厚度大约为2mm。
在另一个优选的实施例中,弹性体样品具有优选半径在5cm与10cm之间的半球形状。
在另一个优选的实施例中,样品是厚度2mm的弹性体片材。在该优选的实施例中,在圆柱体上调节该弹性体片材,该圆柱体具有与优选的半径在5cm与10cm之间的摩擦表面平行的轴线,所述圆柱体然后被可移除地附接至样品固持器。
在本说明书中,术语弹性体以IUPAC提供的含义使用,以指示“显示橡胶状弹性的聚合物”,即,在施加小的应力下容易发生形变并且存在大的可逆伸长的聚合物。弹性体(E)优选地存在至少一个玻璃化温度(Tg),其通过差分扫描量热法(DSC)测量的在-150℃与+300℃之间(例如在-150℃与+20℃之间)。
本发明的另一个目的在于提供一种通过使用前述装置来测试样品的磨损和摩擦性质的方法。
该方法包括以下步骤:准备样品(11);将样品附接至样品固持器(10);选择旋转盘(5)或有待支撑在旋转盘(5)上的摩擦表面(17);启动第一电机(16),以用于设置盘转速;启动第二电机(13)和第三电机(12)以设置样品(11)在摩擦表面(17)上的水平和竖直位置;启动动态致动器(14)以在样品上施加法向载荷(法向力)并且提供样品(11)与摩擦表面(17)的间歇性接合;并且记录三轴测压元件(2)和相机(4)的输出,以评估与样品的磨损和摩擦性质相关的参数。
方法包括在磨损测试期间通过以选定间隔在静态印压(通过临时地抑制盘旋转而没有滑动速度)中形成力-位移曲线来原位测量样品厚度,其中,通过三轴载荷传感器测量法向力变化并且用高分辨率相机测量位移。
该测试的持续时间包括在1小时与20小时之间、优选地在1小时与10小时之间、更优选地在2小时与5小时之间。
在优选的实施例中,本发明的方法进一步包括用另一个不同摩擦表面来更换摩擦表面的步骤,以预测样品相对于不同表面的特征。
优选地在样品表面与旋转盘上的摩擦表面之间不存在任何磨料浆料或润滑剂、或通常不存在任何液体时执行该方法。
在优选的实施例中,该方法包括将温度调节成包括在0℃与80℃之间的范围内、优选地在20℃与60℃之间的范围内。
在优选的实施例中,本发明提供一种用于预测胎面部件的轮胎磨损和摩擦性质的方法。
在样品与摩擦表面的表面的每次接触时采集相机的输出、三轴测压元件的输出和温度传感器的输出。特别地通过系统来测量和采集以下参数:
·样品厚度,
·在三个轴线上的样品位移,
·在三个轴线上的力,以及
·样品温度。
将输出连接至数据采集系统,以评估与样品的磨损和摩擦性质相关的若干参数:
-切向载荷随法向载荷实时变化:FT=f(FN);
-法向载荷和切向载荷与摩擦系数的时间演化:μ=f(t);
-在一次接触期间的位移、法向力和切向力。
在磨损测试期间以选定的间隔记录在静态印压(通过临时地抑制盘旋转而没有滑动速度)中的法向力-位移曲线:由三轴载荷传感器测量法向力变化并且用高分辨率相机测量位移。
然后评估贯穿测试的力-位移曲线的偏移,其直接与样品的厚度的变化有关,就是说,与物质的损失有关,这然后可以用重量损失表示。
磨损测量值被表示为每单位接触面积的每单位滑行长度的重量损失,计算为w=hAd/1000,其中,w是重量损失值(以mg计),h是平均竖直变化(样品的厚度变化,以μm计),A是接触表面面积(以mm2计)并且d是材料的密度(以g/cm3计)。
因此,有利地的是该发明性方法允许原位确定样品的磨损,即重量损失,而不需要从装置移除样品并且确定其重量。
每次接触的滑行长度被限定为滑动速度(通过盘的转速乘以样品与旋转盘的轴线之间的距离给出)乘以滑动接触持续时间。
接触面积优选地在10mm2与100mm2之间。
摩擦系数计算为切向载荷FT与法向载荷FN之比。
通过所提出的测试样品在与摩擦表面接触时的磨损和摩擦性质的方法所提供的优点尤其包括,短的测试持续时间并且可以在不同温度条件下评估磨损和摩擦性质。用于使得样品移位和使得盘旋转的电机的独立移动有利地允许分别并且独立地改变滑动速度、动态载荷条件以及样品与摩擦表面之间的接触时间。这允许容易地评估在不同严苛条件中的磨损。
此外,摩擦表面和样品的容易互换允许快速评估与不同摩擦表面接触的一系列样品的磨损和摩擦性质。
术语“独立”用于指代电机没有与其他电机机械连接,并且因此可以在不与其他电机的移动有任何关系的情况下驱动。
在此使用的术语“间歇性接合”指代样品与摩擦表面之间的接触并且该接触随时间以特定频率和接触的持续时间不连续地发生。
导致本发明的工作已经接受了来自在拨款协议n°314463下的欧盟第七框架计划([FP7/2007-2013])的资助。
如果通过援引方式并入本申请的任何专利、专利申请、以及公开物的披露内容与本申请的说明相冲突到了可能导致术语不清楚的程度,则本说明应该优先。
然而,以下实例说明本发明,但不限制其范围。
实例
实例1
在10.380公升哈克(Haake)状密炼机中制备两种橡胶成分(A和B)并且在150℃下硫化。下表I示出了以每100份弹性体(phr)以重量计的份数表示的样品A和B的成分。
表I
组合物 | A | B |
NR(1) | 100 | 100 |
二氧化硅(2) | - | 55 |
炭黑(3) | 50 | - |
偶联剂(4) | 4.4 | |
抗氧化剂(5) | 1.5 | 1.5 |
抗氧化剂(6) | 1 | 1 |
炭黑(7) | 3 | 3 |
ZnO | 3 | 3 |
硬脂酸 | 2.5 | 2.5 |
CBS(8) | 0.8 | 1.9 |
硫 | 1.5 | 1.5 |
加速剂(9) | 0.2 | 0.2 |
(1)天然橡胶SVR CV 60,可从Weber&Schaer获得;
(2)来自Solvay的、比表面BET为156m2/g并且CTAB为154m2/g反Silica1165MP;
(3)炭黑N121,从Orion可获得;
(4)bis[3-三乙氧基硅烷基丙基]四硫烷,可从Lehmann&Voss&Co以LUXOMAXX TESPT商购;
(5)N-(1,3-二甲基丁基)-N-苯基-聚芳基酰胺-苯二胺,可从Lanxess以Vulkanox4020/LG 6-PPD商购;
(6)2,2,4-三甲基1,2-d二氢化氮杂萘可作为Acétonanile TMQ从SMPC商购;
(7)炭黑N330,可从Orion获得;
(8)CBS N-环己基-2-苯并噻唑基-磺酰胺,可作为Rhénogran CBS-80从RheinChemie商购;
(9)TBzTD四苄基秋兰姆二硫化物,可作为Rhenogran TBzTD-70从RheinChemie商购。
从组合物A和B分别制备直径为10mm和18mm、厚度为2mm的圆柱形状的样品。
样品A和B存在相似的肖氏A硬度,如根据ISO标准美国试验材料学会(ASTM)D 2240计算的。3s后给出的值,对样品A来说是68并且对样品B来说是67。
样品A和B在本发明的装置中进行测试,如表II所设置的:
表II
使用了具有抛光的不锈钢的摩擦表面的旋转盘。
两次相继接触之间,通过将清洁织物应用于盘表面来对盘表面加以清洁,从而清除了接触区域中的磨损废物。另外,每500次接触,就使用橡皮来彻底清洁盘,并用丙酮冲洗样品的表面。
结果
记录了样品的厚度的变化并且在样品A和B的接触数为0、500、1000、1500、2000,2500、3000和3500时记录了在静态条件下(例如通过抑制盘旋转)的力-位移曲线。
在图4中报告了针对样品A记录的力-位移曲线。
每个曲线的相对偏移指示并且量化了样品厚度的变化。
然后将力-位移曲线的偏移与贯穿磨损测试的重量损失相关联。
在图5中,报告了力-位移曲线的偏移与直接测量的重量损失(Δ重量,mg)的相关性。
对于样品A来说,样品厚度的变化的光学测量的结果和与直接测量的重量损失的关系如图6所报告的。
如图7所示,可以辨别不同样品的磨损性能。
结果证明了本发明的磨损测量方法的可靠性,这使得重量损失的计算值反映了通过直接重量损失获得的值。
根据本发明的装置实现的优点在于能够快速且可靠的评估磨损和摩擦系数而无需直接且耗时的重量测量。
Claims (16)
1.一种用于测试材料的磨损和摩擦性质的装置,包括:
-旋转盘(5),该旋转盘固定至由第一电机(16)驱动的竖直轴(6),
-摩擦表面(17),该摩擦表面提供在该旋转盘(5)上,
-样品固持器(10),该样品固持器用于与该摩擦表面(17)相接触地固持样品表面,
-器件,这些器件用于提供样品表面与该摩擦表面的间歇性接合并且用于测量在所述间歇性接合期间所施加的力,所述器件包括动态致动器(14)和与该样品固持器(10)连接的三轴测压元件(2),
-相机(4),该相机独立于该样品固持器的移动,以用于检测磨损,
其中
-该动态致动器(14)、该样品固持器(10)和该三轴测压元件(2)安装在驱动系统上,该驱动系统相对于该旋转盘(5)提供水平和竖直位移,所述系统包括由第二电机(13)水平驱动的机械支撑件(8)和安装在所述机械支撑件(8)上以随其移动的竖直支撑件(1),该竖直支撑件由第三电机(12)竖直驱动,并且其中,第一电机(16)、第二电机(13)和第三电机(12)彼此独立地驱动。
2.根据权利要求1所述的装置,其中,该样品表面与该摩擦表面之间的角度包括在0°与±10°之间,优选地在0°与±5°之间,尤其是0°。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其中,该摩擦表面(17)选自于由抛光的不锈钢、花岗岩、玻璃和砂纸组成的组。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其中,该动态致动器(14)是压电致动器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其中,该相机(4)安装在该机械支撑件(8)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置,进一步包括加热和/或冷却单元(7),以用于将该装置周围的温度调节至包括在0℃与80℃之间的范围内,优选地包括在20℃与60℃之间的范围内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置,进一步包括温度控制腔室(15),该温度控制腔室至少将摩擦表面(17)、样品固持器(10)和加热和/或冷却单元(7)包封在内。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置,进一步包括温度测量装置(3),该温度测量装置被放置成与该样品固持器接触。
9.一种组件,该组件包括权利要求1至8中任一项所述的装置和附接至该样品固持器(10)的样品(11)。
10.根据权利要求9所述的组件,其中,该样品(11)呈圆柱、半球或片材形式。
11.一种使用权利要求1至8中任一项所述的装置来测试样品的磨损和摩擦性质的方法,所述方法包括以下步骤:准备样品(11);将样品(11)附接至样品固持器(10);选择该旋转盘(5)或有待支撑在该旋转盘(5)上的摩擦表面(17);启动第一电机(16),以用于设置盘转速;启动第二电机(13)和第三电机(12)来设置样品(11)在该摩擦表面(17)上的水平和竖直位置;启动动态致动器(14)以在样品(11)上施加法向载荷并且提供样品(11)与摩擦表面(17)的间歇性接合;并且记录该三轴测压元件(2)和相机(4)的输出,以评估与样品的磨损和摩擦性质相关的参数。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,该测试的持续时间包括在1小时与20小时之间、优选地在1小时与10小时之间、更优选地在2小时与5小时之间。
13.根据权利要求11或12所述的方法,该方法进一步包括将该装置周围的温度调节在0℃至80℃、优选地在20℃至80℃的范围内。
14.根据权利要求11到13中任一项所述的方法,其中施加在该样品上的法向力在从1N至100N、优选地从10N至50N、更优选地从20N至40N的范围内、尤其是30N。
15.根据权利要求11到14中任一项所述的方法,其中在该测试期间,该水平位移实时改变。
16.根据权利要求11到15中任一项所述的方法,其中以所选择的间隔,使得旋转盘(5)的旋转停止并且用该高分辨率相机(4)测量样品(11)在固定的法向力下的水平位移。
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