CN109765024A - 一种多功能振动接触试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能振动接触试验机，包括机架、传动系统、旋转系统、试件安装与润滑系统、激振负载系统、测量与采集系统、显示与控制系统；机架包括平台机架和站立机架；传动系统为上下试件安装台提供一定的可移动范围；旋转系统为下试件提供高速旋转运动；试件安装与润滑系统为试件提供安装平台与润滑介质；激振负载系统为试件组提供横向/垂向/双向振动激励/垂向独立负载；测量与采集系统检测与分析试验所需参数；显示与控制系统实时显示试验参数的变化及控制试验机；本发明所提供的试验机可以完成大范围变载、变频率、变转速、干态及润滑等多工况条件下多种接触形态试件的动态摩擦学特性研究。

Description

一种多功能振动接触试验机

技术领域

本发明涉及动态接触测试装置技术领域，具体而言，涉及一种多功能振动接触试验机。

背景技术

机械设备零部件、轮轨系统、弓网系统中存在着许多接触副，如机床导轨、齿轮啮合、轮轨接触、弓网接触、轴承接触等，广泛存在于航空航天、高速铁路、汽车、机械装备等高精尖领域，其飞速发展对零部件的服役性能提出了更高的要求。接触系统往往会在冲击、循环动态载荷等多重耦合工况条件下服役，振动和应力波会引起接触界面的微动与磨损，接触区将产生微裂纹、剥落及磨损等现象，进而造成振动加剧、温度升高、噪音增加等，其摩擦学行为颇为复杂。

例如专利1(申请号为CN104019989A)所公开的一种杠杆电动加载式滚动接触疲劳试验机，采用杠杆、砝码、伺服电机和滚珠丝杠结合的加载方式，虽然能实现连续大范围加载，但砝码占用空间较大，在高速转动时会引起较大误差，载荷变化受限，测试对象较为单一。又如专利2(申请号为CN108426795A)所公开的高速滚动接触疲劳磨损试验台，采用液压缸对试件进行加载，可实现连续加载至3kN，但液压加载易引起环境污染，引入液压系统较为复杂。上述试验机都只能开展静态载荷条件下的接触行为研究，均不能进行旋转与动态载荷耦合的摩擦学试验，且接触形态较为单一；此外，在高载荷条件下，主轴受力均较大，进而影响其使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种试验对象广、测量参数多且边界条件高度统一，采用同一试验机就能进行多种接触副动态接触试验的多功能试验机，实现较高精度的垂向加载和运动控制，将旋转运动与双向振动耦合，实现复杂工况下的动态接触摩擦学试验研究。

本发明的实施例是这样实现的：

一种多功能振动接触试验机，包括机体、传动系统、旋转系统、试件安装与润滑系统、激振负载系统、测量与采集系统、显示与控制系统，其中：

机体包括平台机架、站立机架和调整脚垫，站立机架安装于平台机架，调整脚垫安装于平台机架底部，调整脚垫安装于平台机架底部，用于调整电主轴安装板的水平位置和整机减震；

传动系统包括第一直线导轨、第一直线导轨滑块、第一梯形丝杠、第一梯形丝杠安装座、第一梯形丝杠固定座、第一伺服电机安装座、第一伺服电机、第一联轴器、第二直线导轨、第二直线导轨滑块、第二梯形丝杠、第二梯形丝杠固定座、第二伺服电机、第二伺服电机安装座、第二联轴器、横向运动支架、第三直线导轨、第三直线导轨滑块、第三梯形丝杠、第三梯形丝杠固定座、第三伺服电机、第三伺服电机安装座、第三联轴器和垂向运动安装板；第一直线导轨安装于平台机架，第一直线导轨滑块安装于第一直线导轨，第一梯形丝杠固定座安装于平台机架中部，第一梯形丝杠安装于第一梯形丝杠固定座，第一伺服电机安装座安装于平台机架，第一伺服电机安装于第一伺服电机安装座，第一梯形丝杠和第一伺服电机通过位于第一伺服电机安装座里的第一联轴器连接；第二直线导轨安装于站立机架，第二直线导轨滑块安装于第二直线导轨，第二梯形丝杠固定座安装于站立机架，第二梯形丝杠安装于第二梯形丝杠固定座，第二伺服电机安装座安装于站立机架侧面，第二伺服电机安装于第二伺服电机安装座，第二梯形丝杠和第二伺服电机通过位于第二伺服电机安装座里面的第二联轴器连接，横向运动支架安装于第二直线导轨滑块和第二梯形丝杠螺母；第三直线导轨安装于横向运动支架，第三直线导轨滑块安装于第三直线导轨，第三梯形丝杠固定座安装于横向运动支架，第三梯形丝杠安装于第三梯形丝杠固定座，第三伺服电机安装座安装于横向运动支架顶部，第三伺服电机安装于第三伺服电机安装座，第三梯形丝杠和第三伺服电机通过位于第三伺服电机安装座里的第三联轴器连接，且第三梯形丝杠的轴线与第二梯形丝杠的轴线互相垂直，垂向运动安装板安装于第三梯形丝杠螺母和第三直线导轨滑块；横向运动支架在第二伺服电机和第二梯形丝杠配合使用下可沿第二直线导轨方向大范围移动；垂向运动安装板在第三伺服电机和第三梯形丝杠配合使用下可沿竖直方向大范围移动；

旋转系统包括电主轴安装板、电主轴、电主轴保护块和电主轴冷却器；电主轴安装板安装于第一梯形丝杠螺母和第一直线导轨滑块，电主轴法兰式安装于电主轴安装板，电主轴保护块安装于电主轴的输出端，电主轴冷却器通过冷却油管与电主轴连接，用于解决电主轴长时间高速运转出现温度过高的问题；电主轴在第一伺服电机和第一梯形丝杠的配合下可沿第一直线导轨方向大范围移动；

试件安装与润滑系统包括上试件安装台、下试件安装台、上试件安装台连接杆、试件润滑箱体、润滑箱进回油油管、润滑箱体调节螺杆和油温控制器；上试件安装台通过横向激振导向块连接于上试件安装台连接杆，用于安装上试件，下试件安装台穿过电主轴保护块并通过联轴器与电主轴连接，用于安装下试件，且下试件安装台可随电主轴沿第一直线导轨方向大范围移动；试件润滑箱体安装于电主轴保护块，润滑箱进油油管连接于上试件安装台的进油口，润滑箱回油油管连接于试件润滑箱体底部的回油口，进油管和回油管均分别与油温控制器的出油口和回油口连接，润滑箱体调节螺杆安装于电主轴法兰并与试件润滑箱体底部连接，用于调节润滑箱体的高度以方便安装下试件；油温控制器包括润滑油供给系统、润滑油回收系统，润滑油供给系统用于向上下试件组成的摩擦接触副润滑，其供油类型、供油量大小和供油温度可根据具体试验方案进行调整；润滑油回收系统用于回收过滤使用过的润滑油以循环利用；若试验方案无需润滑条件，则关闭润滑系统即可开展干摩擦状态下的动态摩擦学行为研究；

激振负载系统包括第一激振器、第二激振器、柔性连接块安装板、垂向测力传感器安装座、横向激振导向块、柔性连接块、扭矩挡杆、摩擦力传感器安装块、横向加载减速机安装座、横向加载减速机、横向加载伺服电机、横向加载偏心轮、横向加载偏心轮压块、横向加载直线导轨、横向加载直线导轨滑块垫块、横向加载直线导轨滑块和横向加载传感器安装块；第一激振器垂向安装于垂向运动安装板，第二激振器横向安装于垂向运动安装板侧面，并保证第一激振器的轴线在垂直方向且与第二激振器轴线互相垂直和同一平面上，第二激振器的输出杆连接于上试件安装台侧面；柔性连接块安装板安装于垂向运动安装板，垂向测力传感器安装座安装于柔性连接块安装板并卡住柔性连接块，横向激振导向块安装于上试件安装台中部并与上试件安装台连接杆下部连接，柔性连接块与上试件安装台连接杆上部连接，柔性连接块通过螺纹和第一激振器的输出杆连接，扭矩挡杆安装于上试件安装台，摩擦力传感器安装块安装于垂向测力传感器安装座；横向加载减速机安装座安装于垂向运动安装板，横向加载减速机安装于横向加载减速机安装座，横向加载伺服电机安装于横向加载减速机，横向加载偏心轮安装于横向加载减速机的输出轴，横向加载偏心轮压块安装于横向加载减速机输出轴的末端，横向加载直线导轨滑块垫块安装于横向加载减速机安装座，横向加载直线导轨滑块安装于横向加载直线导轨滑块垫块，横向加载直线导轨穿过横向加载直线导轨滑块连接于横向加载偏心轮，横向加载传感器安装块安装于横向加载直线导轨的末端，由此组成横向加载机构；第一激振器用于向上试件提供垂向振动激励，第二激振器用于向上试件提供横向振动激励；横向加载直线导轨将横向加载伺服电机输出轴的旋转运动转化为直线运动向试件施加横向载荷；

测量与采集系统包括第一力传感器、第二力传感器、第三力传感器、加速度传感器、温度传感器、高速相机；第一力传感器、第二力传感器、第三力传感器分别为第一应变式力传感器、第二应变式力传感器和第三应变式力传感器；第一应变式力传感器安装于摩擦力传感器安装块，用于检测试件所受的摩擦力；第二应变式力传感器安装于横向加载传感器安装块，用于检测横向加载力的大小；第三应变式力传感器安装于垂向测力传感器安装座，用于检测垂向加载力及施加振动负载后垂向力的大小；加速度传感器为三轴加速度传感器，安装于上试件安装台，用于检测试件和振动激励在三个方向的加速度；温度传感器为非接触式红外线温度传感器，其探头安装于试件接触区侧面且距离可调节，用于检测试验时上下试件接触区的温度；高速相机安装于上试件安装台；所有传感器采集的信号输入信号分析仪及相关软件进行处理；

显示与控制系统包括信号发生器、功率放大器、网络适配器、伺服运动机构控制器、电主轴运动控制器和工业计算机，信号发生器、功率放大器和网络适配器用于共同控制第一激振器和第二激振器，伺服运动结构控制器用于控制激振器安装板在横向和垂向的位置及电主轴位置，电主轴控制器用于控制转速，工业计算机用于实时显示并储存所有传感器采集的信号，并可直接通过在计算机界面输入有关参数来控制第一激振器、第二激振器的激振频率、振幅，电主轴的转速，垂向载荷的大小。

在本发明较佳的实施例中，上述第一激振器和第二激振器为压电式激振器、电磁式激振器、惯性式激振器、电动式激振器、电液式激振器、气动式激振器或液压式激振器。

在本发明较佳的实施例中，上述上下试件包括上试件和下试件，通过第三伺服电机和第三梯形丝杠的配合使用而调整上下试件的相对位置，同时，第三伺服电机和第三梯形丝杠组成垂向独立加载机构并向试件组施加垂向载荷。

在本发明较佳的实施例中，上述由第三伺服电机和第三梯形丝杠组成的垂向加载机构和第一激振器、第二激振器互相独立且相互间隔。

在本发明较佳的实施例中，通过上述上试件安装台连接杆连接的柔性连接块内部设置有球形铰接头和调心轴承，柔性连接块在角度范围内沿任意方向倾斜，使得上下试件表面始终保持相对平行。

在本发明较佳的实施例中，在上述上下试件接触时，由于上试件受到下试件旋转时产生的扭矩而发生微小转动，使得所述扭矩档杆压住第一力传感器，实现摩擦力的测量。

在本发明较佳的实施例中，上述上试件安装于上试件安装台，下试件安装于下试件安装台，当安装好上下试件后，试验机通过预设参数而自动对上下试件进行对中接触并加载至设定的垂向负载。

在本发明较佳的实施例中，上述上试件安装台还设置有高速相机，高速相机记录试验过程中摩擦界面的变化情况。

在本发明较佳的实施例中，上述上下试件在试验过程中发生磨损后，第三伺服电机将驱动第三梯形丝杠转动，使上试件随上试件安装台向下移动并始终保持上下试件接触。

在本发明较佳的实施例中，通过将上述上试件和下试件更换为不用接触类型的零件，该试验机可以进行球-平面、球-平面-沟槽、滚子-平面、平块-平面、滚子-平面-沟槽、球- 锥面-沟槽、滚子-锥面-沟槽或圆柱-柱面接触形态的动态接触摩擦学试验。

本发明的有益效果是：

本发明通过第一梯形丝杠、第二梯形丝杠和第三梯形丝杠调整上下试件的安装位置，通过第一激振器和第二激振器分别独立工作，为上下试件提供横向/垂向/双向振动激励/垂向独立负载，能够实现较高精度的垂向加载和运动控制，在不同工况下实现多种动态接触的摩擦学试验。

1、本发明所提供的一种多功能振动接触试验机可在边界条件高度统一条件下完成不同接触形态的试件在大范围变载、变频率、变转速、干态及润滑等多工况条件下动态摩擦学特性研究，实现振动加速度、频率、摩擦力、转速、载荷、磨损率、磨损形貌、温度等参数的实时检测。

2、本发明利用伺服电机和丝杠传动结合实现较高精度的垂向加载和运动控制。

3、本发明将旋转运动与双向振动耦合，实现复杂工况下的动态接触摩擦学试验研究。

4、通过将上试件和下试件更换为不用接触类型的零件，该试验机可以进行球-平面、球-平面-沟槽、滚子-平面、平块-平面、滚子-平面-沟槽、球-锥面-沟槽、滚子-锥面-沟槽、圆柱-柱面等接触形态的动态接触摩擦学试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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。

图1为本发明一种多功能振动接触试验机的主视图；

图2是本发明图1的左视图；

图3是本发明图1的柔性连接块局部示意图

图4是本发明图1的横向加载结构局部示意图；

图5是本发明图1的垂向运动机构示意图；

图6是本发明图1的主轴保护块及下试件安装台主视图；

图7是本发明图1的主轴保护块及下试件安装台俯视图；

图8是本发明优选的试件组合后的结构示意图；

图标：1-柔性连接块安装板；2-垂向运动安装板；3-横向加载减速机安装座；4-横向加载伺服电机；5-第二梯形丝杠；6-第二梯形丝杠固定座；7-摩擦力传感器安装块；8-第一力传感器；9-横向加载减速机；10-横向加载直线导轨滑块垫块；11-横向加载偏心轮；12-横向加载偏心轮压块；13-横向加载直线导轨；14-横向加载直线导轨滑块；15-横向加载传感器安装块；16-第二力传感器；17-润滑箱体调节螺杆；18-第一直线导轨滑块；19-调整脚垫； 20-第一直线导轨；21-平台机架；22-电主轴安装板；23-电主轴；24-电主轴保护块；25-试件润滑箱体；26-上试件安装台；27-扭矩挡杆；28-横向激振导向块；29-上试件安装台连接杆；30-第二激振器；31-垂向测力传感器安装座；32-柔性连接块；33-第二伺服电机；34-第二伺服电机安装座；35-第二直线导轨；36-站立机架；37-横向运动支架；38-第三直线导轨；39-第三伺服电机安装座；40-第三伺服电机；41-第一激振器；42-第三梯形丝杠；43- 第三直线导轨滑块；44-第一伺服电机；45-第一伺服电机安装座；46-第二直线导轨滑块； 47-第三梯形丝杠螺母；48-第三梯形丝杠固定座；49-下试件安装台；50-上试件固定盘；51- 上试件圆环；52-钢球；53-钢球固定环；54-下试件固定盘。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

请参照图1和图2，本发明提供的一种多功能振动接触试验机，该试验机包括机体、传动系统、旋转系统、试件安装与润滑系统、激振负载系统、测量与采集系统、显示与控制系统，其中：机体包括平台机架21、站立机架36和调整脚垫19；传动系统包括第一直线导轨20、第一直线导轨滑块18、第一梯形丝杠、第一梯形丝杠安装座、第一梯形丝杠固定座、第一伺服电机安装座45、第一伺服电机44、第一联轴器、第二直线导轨35、第二直线导轨滑块46、第二梯形丝杠5、第二梯形丝杠固定座6、第二伺服电机33、第二伺服电机安装座34、第二联轴器、横向运动支架37、第三直线导轨38、第三直线导轨滑块 43、第三梯形丝杠42、第三梯形丝杠固定座48、第三伺服电机40、第三伺服电机安装座 39、第三联轴器和垂向运动安装板2；旋转系统包括电主轴安装板22、电主轴23、电主轴保护块24和电主轴冷却器；试件安装与润滑系统包括上试件安装台26、下试件安装台49、上试件安装台连接杆29、试件润滑箱体25、润滑箱进回油油管、润滑箱体调节螺杆17和用于润滑油供给和润滑油回收的油温控制器；激振负载系统包括第一激振器41、第二激振器30、柔性连接块安装板1、垂向测力传感器安装座31、横向激振导向块28、柔性连接块32、扭矩挡杆27、摩擦力传感器安装块7、横向加载减速机安装座3、横向加载减速机 9、横向加载伺服电机4、横向加载偏心轮11、横向加载偏心轮压块12、横向加载直线导轨13、横向加载直线导轨滑块垫块10、横向加载直线导轨滑块14和横向加载传感器安装块15；测量与采集系统包括第一力传感器8、第二力传感器16、第三力传感器、加速度传感器、温度传感器和高速相机；显示与控制系统包括信号发生器、功率放大器、网络适配器、伺服运动机构控制模组、电主轴运动控制模组和工业计算机；上下试件包括上试件和下试件。

第一直线导轨20安装于平台机架21，平台机架21固定于地面，其为整个试验机的底部机座，第一直线导轨20为具有直线型滑动轨道的长条状，第一直线导轨20设置有内置的螺纹孔，平台机架21的顶部与其相对位置设置有螺纹孔，螺栓旋入将第一直线导轨20 固定在平台机架21顶部，第一直线导轨滑块18安装于第一直线导轨20，第一直线导轨 20的顶部截面呈凸型且与第一直线导轨滑块18相匹配，第一直线导轨滑块18设置有倒置凹型的通槽，第一直线导轨滑块18通过通槽卡入第一直线导轨20，第一梯形丝杠固定座连接至平台机架21顶部且通过设置螺栓孔利用螺栓固定，第一梯形丝杠安装于第一梯形丝杠固定座内且相对于第一梯形丝杠固定座可转动，第一梯形丝杠和第一伺服电机44通过位于第一伺服电机安装座45里的第一联轴器连接；第一伺服电机安装座45安装于平台机架21的背侧，通过设置在第一伺服电机44边缘的螺栓孔，利用螺栓将其连接在第一伺服电机安装座45；电主轴安装板22与第一梯形丝杠螺母对应位置分别有螺栓孔和螺纹孔，通过螺栓将两者连接，电主轴安装板22设置有连通其两面的螺栓孔，第一直线导轨滑块 18设置有与其匹配的螺纹孔，通过螺栓将电主轴安装板22固定在第一直线导轨滑块18顶部，电主轴安装板22随第一直线导轨滑块18相对于平台机架21可滑动，第一伺服电机 44带动第一梯形丝杠转动，使得第一直线导轨滑块18带动电主轴安装板22来回滑动，电主轴23与电主轴安装板22之间为法兰连接，电主轴保护块24通过设置螺栓孔利用螺栓固定于电主轴23的输出端，即电主轴23的顶端；使用时，利用现有的电主轴冷却器对电主轴23进行冷却降温，电主轴23内部设置有冷却液循环油路且对外开设油口，电主轴冷却器通过油管连接电主轴23的油口，该电主轴23为现有装置，电主轴冷却器用于解决电主轴23长时间高速运转出现温度过高的问题；第一伺服电机44驱动第一梯形丝杠而带动电主轴23沿第一直线导轨20的方向作大范围的移动。

请参照图3，上试件安装台26通过横向激振导向块28连接于上试件安装台连接杆29，且上试件安装台连接杆29带动上试件安装台26沿竖直方向运动，横向激振导向块28通过内置螺栓孔利用螺栓锁紧至上试件安装台26，横向激振导向块28设置有可滑动导向槽，上试件安装台26沿槽内可横向产生微小位移，横向激振导向块28通过设置螺纹孔与上试件安装台连接杆29的底端相互匹配并通过螺栓固定，上试件安装台设置有用于进油的进油口，进油口与油温控制器的出油口连接；试件润滑箱体25安装于电主轴保护块24的顶部，试件润滑箱体25的箱体外壳设置有供下试件安装台49通过的安装孔，电主轴保护块 24的顶部设置有螺栓孔，利用螺栓将试件润滑箱体25的底部外壳锁紧在电主轴保护块24 的顶部，试件润滑箱体25具有用于回油的回油口，回油口通过油管与油温控制器的回油口连接，油温控制器为现有装置，其为将油温调节在需要的平衡温度范围的装置，润滑箱体调节螺杆17的底端设置有螺纹，电主轴23与电主轴安装板22之间为法兰连接，该法兰连接的法兰盘设置有螺纹孔，润滑箱体调节螺杆17的底端通过螺纹旋转拧入该法兰盘的盘孔内连接，试件润滑箱体25的底部设置有螺杆孔，润滑箱体调节螺杆17的顶端的侧面凹设有环向槽，该环向槽与试件润滑箱体25的底部相互卡住匹配，通过旋转锁紧润滑箱体调节杆17而调节试件润滑箱体25的高度以方便安装下试件；油温控制器为现有技术，油温控制器包括润滑油供给系统和润滑油回收系统，润滑油供给系统用于向上下试件组成的摩擦接触副润滑，其供油类型、供油量大小和供油温度可根据具体试验方案进行调整；润滑油回收系统用于回收过滤使用过的润滑油以循环利用；若试验方案无需润滑条件，则关闭润滑系统开展干摩状态下的动态摩擦学行为研究。

请参照图4，横向加载直线导轨13将横向加载伺服电机4输出轴的旋转运动转化为直线运动并向试件施加横向载荷；第一力传感器8、第二力传感器16、第三力传感器分别为第一应变式力传感器、第二应变式力传感器、第三应变式力传感器；第一应变式力传感器安装于摩擦力传感器安装块7，用于检测试件所受的摩擦力；第二应变式力传感器通过螺栓固定至横向加载传感器安装块15，用于检测横向加载力的大小；第三应变式力传感器通过螺栓固定至垂向测力传感器安装座31，用于检测垂向加载力及施加振动负载后垂向力的大小；加速度传感器为三轴加速度传感器，其通过螺栓固定连接在上试件安装台26，用于检测试件和振动激励在三个方向的加速度；温度传感器为非接触式红外线温度传感器，用于检测试验时上下试件接触区的温度，安装温度传感器的支架通过螺栓固定在电主轴安装板22的顶部，温度传感器安装在该支架，其位于试件接触区侧面，试件接触区为上试件和下试件的相互接触的位置，温度传感器的探头朝向试件接触区，温度传感器为现有的装置，其探头距试件接触区距离可调节；高速相机通过螺栓固定在上试件安装台26，记录试验过程中摩擦界面的变化情况；信号发生器、功率放大器和网络适配器用于共同控制第一激振器41和第二激振器30，向第一激振器41和第二激振器30输入一定波形和激振力的信号；信号分析仪用于对所有传感器采集的信号进行分析处理并输出；伺服运动机构控制模组分别通过通电控制各个伺服电机，电主轴运动控制模组通过通电控制电主轴启动；工业计算机用于实时记录、显示和存储所有传感器采集的信号。

第二直线导轨35安装于站立机架36，第二直线导轨滑块46安装于第二直线导轨35，站立机架36通过螺栓锁定在平台机架21的顶部，第二直线导轨35水平设置，通过螺栓将第二直线导轨35固定至站立机架36，第二直线导轨35沿站立机架36的一端至另一端排布；第二梯形丝杠5固定座安装于站立机架36，第二梯形丝杠5插入固定于第二梯形丝杠固定座6，第二梯形丝杠固定座6的背面设置有螺栓孔且通过螺栓固定至站立机架36，第二梯形丝杠5的一端设置螺母且卡在第二梯形丝杠固定座6的内部，第二梯形丝杠5的另一端通过第二伺服电机33驱动，第二伺服电机安装座34安装于站立机架36的一侧，

第二伺服电机安装座34的外壳通过设置螺栓固定连接至站立机架36，站立机架36设置有与其相匹配的螺栓孔，第二伺服电机33安装于第二伺服电机安装座34，第二伺服电机安装座34设置有卡入第二伺服电机33的安装槽，第二伺服电机33卡入该安装槽内，卡入后，第二伺服电机33的螺栓孔与第二伺服电机安装座34的螺栓孔相对并利用螺栓锁紧，第二梯形丝杠5的另一端和第二伺服电机33通过位于第二伺服电机安装座34里面的第二联轴器连接，第二联轴器设置于第二伺服电机33的机轴处，第二伺服电机33通过第二联轴器驱动第二梯形丝杠5。

请参照图5，横向运动支架37设置有连通其两面的螺栓孔，第二直线导轨滑块46设置有与其相匹配的螺纹孔，通过螺栓将横向运动支架37固定至第二直线导轨滑块46，第二直线导轨滑块46侧面设置有向内凹设的凹槽，该凹槽与第二直线导轨35相互匹配卡紧，第二直线导轨滑块46相对于第二直线导轨35可滑动，第三直线导轨38安装于横向运动支架37，第三直线导轨38沿竖直方向设置，第三直线导轨38的背面设置有螺栓孔并通过螺栓固定在横向运动支架37的正面，第三直线导轨滑块43安装于第三直线导轨38，第三直线导轨滑块43的侧面向内凹设有与第三直线导轨38相互匹配卡住的凹槽，第三直线导轨滑块43相对于第三直线导轨38可滑动，第三梯形丝杠螺母47连接在第三梯形丝杠42 的中部，第三梯形丝杠固定座48位于横向运动支架37底端，第三梯形丝杠固定座48的背面凹设有螺栓孔，横向运动支架37设置有连通其两面的螺栓孔并利用螺栓固定住第三梯形丝杠固定座48，第三梯形丝杠42的一端插入第三梯形丝杠固定座48，第三伺服电机安装座39安装于横向运动支架37顶部，横向运动支架37的顶部设置有螺栓孔，第三伺服电机安装座39的外壳底部通过设置螺栓固定至横向运动支架37的顶部的螺栓孔，第三伺服电机40连接至第三伺服电机安装座39内，第三伺服电机安装座39设置有卡入第三伺服电机40的安装槽，第三伺服电机40卡入该安装槽内，第三伺服电机40和第三伺服电机安装座39分别设置有螺栓孔并通过螺栓固定，第三梯形丝杠42顶端和第三伺服电机 40通过位于第三伺服电机安装座39里的第三联轴器连接，第三联轴器设置于第三伺服电机40的机轴处，第三伺服电机40通过第三联轴器驱动第三梯形丝杠42，且第三梯形丝杠 42的轴线与第二梯形丝杠5的轴线互相垂直，第三直线导轨滑块43设置有螺纹孔，垂向运动安装板2设置有连通其两面且相匹配的螺栓孔，通过螺栓将垂向运动安装板2固定至第三直线导轨滑块43。

第一激振器41沿垂向安装于垂向运动安装板2，第一激振器41与垂向运动安装板2之间通过螺栓固定连接，第二激振器30沿横向安装于垂向运动安装板2侧面，第二激振器30与垂向运动安装板2通过设置螺栓孔，使用螺栓固定，其中第一激振器41的轴线在垂直方向与第二激振器30轴线互相垂直，第一激振器41和第二激振器30位于同一平面，第二激振器30的输出杆连接于上试件安装台26的侧面，上试件安装台26的顶部侧边设置有用于卡住第二激振器30的凹块，该凹块卡在上试件安装台26的顶部边缘；柔性连接块安装板1安装于垂向运动安装板2，柔性连接块安装板1的背面通过设置内置螺栓孔，利用螺栓与垂向运动安装板2的正面连接，柔性连接块安装板1位于垂向运动安装板2的靠底边缘部分，垂向测力传感器安装座31安装于柔性连接块安装板1，垂向测力传感器安装座31呈半圆柱状且设置有柔性连接块32的支柱通过的通孔，垂向测力传感器安装座31 底部边缘设置有螺栓孔，利用螺栓锁紧在柔性连接块安装板1，垂向测力传感器安装座31 底端设置有卡槽卡住柔性连接块32，横向激振导向块28设置内置螺栓孔，利用螺栓固定在上试件安装台26顶面的中部，横向激振导向块28设置螺栓孔且通过螺栓与上试件安装台连接杆29的底端连接，柔性连接块32的支柱与上试件安装台连接杆29顶端连接，柔性连接块32的顶端设置为具有螺纹孔的凹孔状，第一激振器41的底端为输出杆，该输出杆的底端设置为螺纹且与柔性连接块32螺纹连接，扭矩挡杆27安装于上试件安装台26，扭矩挡杆27的一端连接在上试件安装台26的顶部且轴线与上试件安装台26的底面相平行，摩擦力传感器安装块7通过螺栓固定至于柔性连接块安装板1；请参照图4，横向加载减速机安装座3安装于垂向运动安装板2，横向加载减速机安装座3通过螺栓连接至垂向运动安装板2的正面，横向加载减速机安装座3的边缘通过设置螺栓孔，安装板2的相对位置设有相匹配的螺栓孔，横向加载减速机9的外壳设置有螺栓孔，横向加载减速机安装座3设置有与其相匹配的螺栓孔，使用螺栓将横向加载减速机9固定在横向加载减速机安装座3，横向加载伺服电机4连接在横向加载减速机9的顶部，横向加载伺服电机4的机轴与横向加载减速机9的机轴相互配合连接，横向加载偏心轮11与横向加载减速机9 的输出轴连接一体成型，横向加载偏心轮压块12通过设置通孔卡接在横向加载减速机9 的输出轴的底端且位于横向加载偏心轮11顶部，横向加载直线导轨滑块垫块10设置有螺纹孔并通过螺栓固定至横向加载减速机安装座3的底面，横向加载直线导轨滑块14的底面设有螺纹孔并通过螺栓固定至横向加载直线导轨滑块垫块10，横向加载直线导轨滑块 14的底部向内凹设有与横向加载直线导轨13相互匹配卡住的凹槽，横向加载直线导轨滑块14相对于横向加载直线导轨13可滑动，横向加载直线导轨13的一端连接至横向加载偏心轮11底部，横向加载传感器安装块15通过螺栓固定在横向加载直线导轨13的末端由此组成了横向加载机构。

第三伺服电机40和第三梯形丝杠42配合使用不仅可以用于大范围调整上下试件的相对位置，还可以作为垂向独立加载机构向试件组施加垂向载荷；由第三伺服电机40和第三梯形丝杠42组成的垂向加载机构和第一激振器41、第二激振器30互相独立；通过上试件安装台连接杆29连接的柔性连接块32内部设置有球形铰接头和调心轴承，可在一定角度范围内沿任意方向倾斜，保证上下试件表面始终保持相对平行；扭矩档杆27在上下试件接触时，由于上试件受到下试件旋转时产生的扭矩而发生微小转动，从而扭矩档杆压住第一力传感器8，实现摩擦力的测量；上试件安装于上试件安装台26，下试件安装于下试件安装台49，当安装好上下试件后，试验机将自动对上下试件进行对中接触并加载至设定的垂向负载，试验机安装好后，通过计算机数控操作，使用分中棒进行对中，获取上下试件安装台的位置，对应相应的坐标；通过数控系统输入相应的代码，上下试件将自动对中；关于垂向负载，设定某个值以后，第三伺服电机40与第三梯形丝杠42配合，自动将上试件盘下降并接触试件表面，加载至设定值，该数控操作属于现有技术。

请参照图6、图7和图8，下试件安装台49用于安装下试件，下试件安装台49穿过电主轴保护块24并通过联轴器与电主轴23连接，下试件安装台49为机床用标准锥形夹头，其为现有技术，锥形夹头用于将下试件固定盘54卡住，下试件安装好后，标准锥形夹头随电主轴23沿第一直线导轨20的方向作大范围移动；标准锥形夹头通过配置的联轴器与电主轴23连接并固定在电主轴保护块24的顶部，标准锥形夹头的顶端向内凹设有卡入下试件固定盘54的的柱状体凹槽，下试件固定盘54的底端与凹槽的形状相互匹配，安装时，下试件固定盘54的底端卡入凹槽且与标准锥形夹头的顶端锁紧固定；上下试件包括上试件固定盘50、上试件圆环51、钢球52、钢球固定环53和下试件固定盘54，上试件圆环51呈圆环状且通过螺栓固定在上试件固定盘50的底部，上试件固定盘50的顶部连接上试件安装台的盘体，该盘体设置有螺栓孔，利用螺栓将上试件固定盘50固定至上试件安装台26，上试件圆环51的底面抵靠住钢球52的顶部，钢球52卡在钢球固定环53，钢球固定环53的顶部设置有固定钢球52的圆孔，该圆孔直径小于钢球52的直径，该圆孔为多个且呈环状分布在钢球固定环53的顶部，钢球固定环53将钢球52卡住，钢球固定环53通过螺栓锁定在下试件固定盘54的顶部，下试件固定盘54的顶部呈倒置的锥体状，下试件固定盘54的底端与标准锥形夹头匹配。

上下试件在试验过程中发生磨损后，第三伺服电机40将自动驱动第三梯形丝杠42，使上试件随上试件安装台26向下移动始终保持上下试件接触；试验机设计有具有报警功能的自我保护器，当实验过程中某参数达到预设值或者系统出现故障时，自我保护器会根据设定的参数断电停机并报警；通过将上试件和下试件更换为不用接触类型的零件，该试验机可以进行球-平面、球-平面-沟槽、滚子-平面、平块-平面、滚子-平面-沟槽、球-锥面- 沟槽、滚子-锥面-沟槽、圆柱-柱面等接触形态的动态接触摩擦学试验。

本发明的工作原理为：

使用上下试件，进行本实施例的试验，本实施例为利用本发明试验机进行“球-平面”接触试件组的动态接触试验。

试验之前，先分别安装上试件和下试件，首先，打开试验机总开关，启动试验机，通过第一伺服电机44的旋转，带动第一梯形丝杠转动，通过第一梯形丝杠和第一梯形丝杠螺母组成的丝杠螺母副，将第一梯形丝杠的转动变换为电主轴安装板22在第一直线导轨 20方向的直线运动，进而调整电主轴23在该方向的位置，直至运动到合适位置，停止操作，将试件润滑箱体25调整至合适位置，接着通过第二伺服电机33旋转，带动第二梯形丝杠5转动，通过第二梯形丝杠5和第二梯形丝杠螺母组成的丝杠螺母副，将第二梯形丝杠5的转动变换为横向运动支架37在沿第二直线导轨35方向的直线运动，进而调整上试件安装台26在该方向的位置，直至运动到合适位置，停止操作；再通过调节第三伺服电机40旋转方向，带动第三梯形丝杠42转动，通过第三梯形丝杠42和第三梯形丝杠螺母 47组成的丝杠螺母副，将第三梯形丝杠42的转动变换为垂向运动安装板2在沿第三直线导轨38方向的直线运动，进而调整上试件安装台26在该方向的位置，直至运动到合适位置，停止操作；随后将上试件圆环51固定于上试件固定盘50，上试件固定盘50固定于上试件安装台26，通过均布于被下试件固定盘54固定的钢球固定环53上的三个略小于钢球 52直径的圆孔将三个钢球52固定，将下试件固定盘54安装于下试件安装台49；关闭试件润滑箱体25；重新使用计算机输入参数操作，试验机将自动对上下试件进行对中接触并加载至设定的垂向负载。

启动电主轴23并设定试验转速，待电主轴23运行稳定后，依次启动润滑系统、激振负载系统；打开润滑系统开关，润滑油泵开始工作，润滑油经润滑箱进油油管通过位于上试件安装台26的进油口进入试件润滑箱体25向试件组供油，使用后的润滑油通过位于试件润滑箱体25底部的回油口和与之相连的润滑箱回油油管及过滤器流回油箱，如此循环使用；第一激振器41和第二激振器30由信号发生器、功率放大器和网络适配器共同控制，通过信号发生器，设定信号发生器的输出信号为试验指定频率的正弦信号，并通过功率放大器控制信号强度，进而控制第一激振器41和第二激振器30的输出振幅和输出力的大小。根据具体的试验方案，垂向加载机构、第一激振器41、第二激振器30可以分别单独工作，也可以垂向加载机构和第一激振器41同时工作，或者只将第一激振器41和第二激振器30 同时工作，或者只将垂向加载机构和第二激振器30同时工作，或者垂向加载机构、第一激振器41和第二激振器30三者同时工作；横向加载机构可向试件施加横向载荷。

由非接触式温度传感器采集试件在试验过程中的温度变化；由第二应变式力传感器采集由于上试件受到下试件旋转时产生的摩擦力；由第三应变式力传感器采集作用到试件组上的垂向力及施加振动负载后垂向力的大小；由三轴加速度传感器检测试件和振动激励在三个方向的振动加速度；由高速相机采集试验过程中接触界面的磨损行为；所有传感器采集的信号，包括载荷、转速、摩擦力、温度、振动加速度将实时传送到工业计算机并显示到屏幕，且自动存储于计算机，工业计算机内部的相关分析软件可对这些参数进行监控、调整和处理，工业计算机内部的相关分析软件为现有成熟技术手段。

本发明通过第一梯形丝杠、第二梯形丝杠和第三梯形丝杠调整上下试件的安装位置，通过第一激振器和第二激振器分别独立工作，为上下试件提供横向/垂向/双向振动激励/垂向独立负载，能够实现较高精度的垂向加载和运动控制，在不同工况下实现多种动态接触的摩擦学试验。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多功能振动接触试验机，包括机体、传动系统、旋转系统、试件安装与润滑系统、激振负载系统、测量与采集系统、显示与控制系统，其特征在于：

所述机体包括平台机架(31)、站立机架(36)和调整脚垫(19)，站立机架(36)安装于平台机架(31)，调整脚垫(19)安装于平台机架(31)底部；

所述传动系统包括第一直线导轨(20)、第一直线导轨滑块(18)、第一梯形丝杠、第一梯形丝杠安装座、第一梯形丝杠固定座、第一伺服电机安装座(45)、第一伺服电机(44)、第一联轴器、第二直线导轨(35)、第二直线导轨滑块(46)、第二梯形丝杠(5)、第二梯形丝杠固定座(6)、第二伺服电机(33)、第二伺服电机安装座(34)、第二联轴器、横向运动支架(37)、第三直线导轨(38)、第三直线导轨滑块(43)、第三梯形丝杠(42)、第三梯形丝杠固定座(48)、第三伺服电机(40)、第三伺服电机安装座(39)、第三联轴器和垂向运动安装板(2)；第一直线导轨(20)安装于平台机架(31)，第一直线导轨滑块(18)安装于第一直线导轨(20)，第一梯形丝杠固定座安装于平台机架(31)中部，第一梯形丝杠安装于第一梯形丝杠固定座，第一伺服电机安装座(45)安装于平台机架(31)，第一伺服电机(44)安装于第一伺服电机安装座(45)，第一梯形丝杠和第一伺服电机(44)通过位于第一伺服电机安装座(46)里的第一联轴器连接；第二直线导轨(35)安装于站立机架(36)，第二直线导轨滑块(46)安装于第二直线导轨(35)，第二梯形丝杠(5)固定座安装于站立机架(36)，第二梯形丝杠(5)安装于第二梯形丝杠固定座(6)，第二伺服电机安装座(34)安装于站立机架(36)侧面，第二伺服电机(33)安装于第二伺服电机安装座(34)，第二梯形丝杠(5)和第二伺服电机(33)通过位于第二伺服电机安装座(34)里面的第二联轴器连接，横向运动支架(37)安装于第二直线导轨滑块(46)和第二梯形丝杠螺母；第三直线导轨(38)安装于横向运动支架(37)，第三直线导轨滑块(43)安装于第三直线导轨(38)，第三梯形丝杠固定座安装于横向运动支架(37)，第三梯形丝杠(42)安装于第三梯形丝杠固定座(48)，第三伺服电机安装座(39)安装于横向运动支架(37)顶部，第三伺服电机(40)安装于第三伺服电机安装座(39)，第三梯形丝杠(42)和第三伺服电机(40)通过位于第三伺服电机安装座(39)里的第三联轴器连接，且第三梯形丝杠(42)的轴线与第二梯形丝杠(5)的轴线互相垂直，垂向运动安装板(2)安装于第三梯形丝杠螺母(47)和第三直线导轨滑块(43)；

所述旋转系统包括电主轴安装板(22)、电主轴(23)、电主轴保护块(24)和电主轴冷却器；电主轴安装板(22)安装于第一梯形丝杠螺母和第一直线导轨滑块(18)，电主轴(23)法兰式安装于电主轴安装板(22)，电主轴保护块(24)安装于电主轴(23)的输出端，电主轴冷却器通过冷却油管与电主轴(23)连接；

所述试件安装与润滑系统包括上试件安装台(26)、下试件安装台(49)、上试件安装台连接杆(29)、试件润滑箱体(25)、润滑箱进回油油管、润滑箱体调节螺杆(17)和用于润滑油供给和润滑油回收的油温控制器；上试件安装台(26)通过横向激振导向块(28)连接于上试件安装台连接杆(29)，下试件安装台(49)穿过电主轴保护块(24)并通过联轴器与电主轴(23)连接；试件润滑箱体(25)安装于电主轴保护块(24)，润滑箱进油油管连接于上试件安装台(26)的进油口，润滑箱回油油管连接于试件润滑箱体(25)底部的回油口，进油管和回油管均分别与油温控制器的出油口和回油口连接，润滑箱体调节螺杆(17)安装于电主轴(23)法兰并与试件润滑箱体(25)底部连接；

所述激振负载系统包括第一激振器(41)、第二激振器(30)、柔性连接块安装板(1)、垂向测力传感器安装座(31)、横向激振导向块(28)、柔性连接块(32)、扭矩挡杆(27)、摩擦力传感器安装块(7)、横向加载减速机安装座(3)、横向加载减速机(9)、横向加载伺服电机(4)、横向加载偏心轮(11)、横向加载偏心轮压块(12)、横向加载直线导轨(13)、横向加载直线导轨滑块垫块(10)、横向加载直线导轨滑块(14)和横向加载传感器安装块(15)；第一激振器(41)垂向安装于垂向运动安装板(2)，第二激振器(30)横向安装于垂向运动安装板(2)侧面，并保证第一激振器(41)的轴线在垂直方向且与第二激振器(30)轴线互相垂直和同一平面上，第二激振器(30)的输出杆连接于上试件安装台(26)侧面；柔性连接块安装板(1)安装于垂向运动安装板(2)，垂向测力传感器安装座(31)安装于柔性连接块安装板(1)并卡住柔性连接块(32)，横向激振导向块(28)安装于上试件安装台(26)中部并与上试件安装台连接杆(29)下部连接，柔性连接块(32)与上试件安装台连接杆(29)上部连接，柔性连接块(32)通过螺纹和第一激振器(41)的输出杆连接，扭矩挡杆(27)安装于上试件安装台(26)，摩擦力传感器安装块(7)安装于垂向测力传感器安装座(31)；横向加载减速机安装座(3)安装于垂向运动安装板，横向加载减速机(9)安装于横向加载减速机安装座(3)，横向加载伺服电机(4)安装于横向加载减速机(9)，横向加载偏心轮(11)安装于横向加载减速机(9)的输出轴，横向加载偏心轮压块(12)安装于横向加载减速机(9)输出轴的末端，横向加载直线导轨滑块垫块(10)安装于横向加载减速机安装座(3)，横向加载直线导轨滑块(14)安装于横向加载直线导轨滑块垫块(10)，横向加载直线导轨(13)穿过横向加载直线导轨滑块(14)连接于横向加载偏心轮(11)，横向加载传感器安装块(15)安装于横向加载直线导轨(13)的末端，由此组成横向加载机构；

所述测量与采集系统包括第一力传感器(8)、第二力传感器(16)、第三力传感器、加速度传感器、温度传感器、高速相机；所述第一力传感器、第二力传感器、第三力传感器分别为第一应变式力传感器、第二应变式力传感器和第三应变式力传感器；第一应变式力传感器安装于摩擦力传感器安装块(7)；第二应变式力传感器安装于横向加载传感器安装块(15)；第三应变式力传感器安装于垂向测力传感器安装座(31)；所述加速度传感器为三轴加速度传感器，安装于上试件安装台(26)；所述温度传感器为非接触式红外线温度传感器，其探头安装于试件接触区侧面且距离可调节；高速相机安装于上试件安装台(26)；所有传感器采集的信号输入信号分析仪及相关软件进行处理；

所述显示与控制系统包括信号发生器、功率放大器、网络适配器、伺服运动机构控制模组，电主轴运动控制模组和工业计算机。

2.根据权利要求1所述的一种多功能振动接触试验机，其特征在于：所述第一激振器(41)和第二激振器(30)为压电式激振器、电磁式激振器、惯性式激振器、电动式激振器、电液式激振器、气动式激振器或液压式激振器。

3.根据权利要求1所述的一种多功能振动接触试验机，其特征在于：上下试件包括上试件和下试件，通过所述第三伺服电机(40)和第三梯形丝杠(42)的配合使用而调整上下试件的相对位置，同时，所述第三伺服电机(40)和第三梯形丝杠(42)组成垂向独立加载机构并向试件组施加垂向载荷。

4.根据权利要求1所述的一种多功能振动接触试验机，其特征在于：由所述第三伺服电机(40)和第三梯形丝杠(42)组成的垂向加载机构和第一激振器(41)、第二激振器(30)互相独立且相互间隔。

5.根据权利要求1所述的一种多功能振动接触试验机，其特征在于：通过所述上试件安装台连接杆(29)连接的柔性连接块(32)内部设置有球形铰接头和调心轴承，柔性连接块(32)在角度范围内沿任意方向倾斜，使得上下试件表面始终保持相对平行。

6.根据权利要求1所述的一种多功能振动接触试验机，其特征在于：在上下试件接触时，上试件受到下试件旋转时产生的扭矩而发生微小转动，使得所述扭矩档杆(27)压住第一力传感器(8)。

7.根据权利要求1所述的一种多功能振动接触试验机，其特征在于：上试件安装于上试件安装台(26)，下试件安装于下试件安装台(49)，当安装好上下试件后，试验机通过预设参数而自动对上下试件进行对中接触并加载至设定的垂向负载。

8.根据权利要求1所述的一种多功能振动接触试验机，其特征在于：所述上试件安装台(26)还设置有高速相机，高速相机记录试验过程中摩擦界面的变化情况。

9.根据权利要求1所述的一种多功能振动接触试验机，其特征在于：上下试件在试验过程中发生磨损后，第三伺服电机(40)将驱动第三梯形丝杠(42)转动，使上试件随上试件安装台(26)向下移动并始终保持上下试件接触。

10.根据权利要求1所述的一种多功能振动接触试验机，其特征在于：通过将上试件和下试件更换为不同接触类型的零件，试验机进行球-平面、球-平面-沟槽、滚子-平面、平块-平面、滚子-平面-沟槽、球-锥面-沟槽、滚子-锥面-沟槽或圆柱-柱面接触形态的动态接触摩擦学试验。