CN109781570B - 高频往复摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频往复摩擦磨损试验机，包括用于固定试验机附件的底座，用于固定下试样的下试样夹具，所述下试样夹具的上方设置有往复转换机构以及用于固定上试样的上试样夹具，上试样夹具设置在往复转换机构上；升降机构驱动下试样夹具竖直移动，且使得下试样与上试样抵靠或分离，往复转换机构驱动上试样夹具水平往复移动，下试样夹具下设置有三维力传感器，该试验机能够提高实验效率，确保实验精度。

Description

高频往复摩擦磨损试验机

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及一种高频往复摩擦磨损试验机。

背景技术

摩擦磨损试验机是用来评定润滑油、涂层及基体材料等目标对象的润滑性、减摩性及抗磨性的测试设备，也是摩擦学研究人员必不可少的基础实验工具。现有摩擦磨损试验机摩擦副的相对运动方式分为往复式和旋转式两种。其中，往复式摩擦磨损试验机因其具有良好的适应性，故而被多数摩擦学研究人员所使用。

常见的往复式摩擦磨损试验机主要是通过滚珠丝杠、电磁振荡和曲柄滑块等方式来实现往复运动动作，这几种实现往复运动的驱动方式虽然在一定范围内满足了摩擦试验的测试要求，但却都存在着各自的缺点。

其中，滚珠丝杠方式虽然可以改变大往复运动的冲程，但受限于驱动电机的换向延迟，往复的频率很低，这会增加长行程摩擦试验时的实验时间，降低实验效率；电磁振荡方式可以实现高频率的往复运动，但由于振荡发生器的振幅需要保持在一定值时才能保证振荡频率的稳定性，故而不能随意改变往复冲程，这对于需要进行变冲程研究的摩擦实验而言是不利的；曲柄滑块方式可以改变冲程和往复频率，但由于滑块在换向时会通过连杆对电机的主轴施加一个横向的循环惯性力，故而驱动电机的稳定性会受到影响，进而影响试验机的整体测试精度。

发明内容

本发明的目的是：提供一种高频往复摩擦磨损试验机，能够提高实验效率，确保实验精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

高频往复摩擦磨损试验机，包括

底座，用于固定试验机附件；

下试样夹具，用于固定下试样；

所述下试样夹具的上方设置有往复转换机构；

上试样夹具，用于固定上试样，所述上试样夹具设置在往复转换机构上；

升降机构驱动下试样夹具竖直移动，且使得下试样与上试样抵靠或分离；

所述往复转换机构驱动上试样夹具水平往复移动；

所述下试样夹具上设置有三维力传感器，所述三维力传感器用于采集上下试样间的力数据。

本发明还存在以下特征：

所述三维力传感器上还设置有温控组件，所述温控组件用于控制下试样的温度。

所述往复转换机构包括设置在下试样夹具上方的主轴，所述主轴水平布置，所述主轴上设置有圆柱凸轮，所述圆柱凸轮的圆心与主轴同心布置，所述上试样夹具固定在滑块上，所述滑块滑动设置在滑轨上，所述滑轨与主轴平行，伺服电机驱动主轴转动且使得圆柱凸轮连动滑块位于滑轨上往复滑动。

所述圆柱凸轮的两侧设置有斜切面，所述滑块上设置有两个连动轴承，所述连动轴承的圆心竖直且内圈固定在滑块上，所述连动轴承的外圈外壁与圆柱凸轮的两侧斜切面抵靠。

其中一个连动轴承设置在调整滑块上，所述滑块上设置有调整滑槽，所述调整滑块滑动设置在调整滑槽内，所述调整滑块设置有调整螺栓，所述调整螺栓穿过调整滑块且杆端与滑块连接，所述调整螺栓及调整滑槽的长度方向与主轴平行。

所述上试样夹具包括夹持管，所述夹持管立式布置且下管口内壁呈收口状布置，所述上试样设置在夹持管的管腔内且凸伸出夹持管的下管口，所述夹持管内壁设置有内螺纹，所述夹持管的内壁设置有顶紧丝杆，所述顶紧丝杆的杆端与上试样抵靠。

所述夹持管的上管口设置有安装法兰，所述安装法兰的边缘对称设置有安装豁口，所述安装豁口内设置有固定螺栓，所述固定螺栓与滑块固定。

所述温控组件包括固定在三维力传感器上方的隔热板，所述隔热板上设置有阶梯槽，所述阶梯槽的小尺寸槽底处设置有换热片，所述阶梯槽的大尺寸槽口处盖设有导热片，所述导热片横置有测温电偶，所述阶梯槽为矩形且四个拐角处设置有圆形浅槽。

所述下试样夹具包括夹板，所述夹板的上板面设置有储油槽，所述储油槽的槽底设置有用于固定下试样的圆形槽，所述夹板的下板面设置有用于固定导热片的导热槽。

所述升降机构包括设置在底座上方的升降架板，所述升降架板竖直滑动设置在竖直轨道上，所述在竖直轨道上设置有升降电机，所述升降电机的转轴与丝杆连接，所述丝杆立式布置且与升降架板的螺母配合。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：将下试样固定在下试样夹具上，上试样固定在上试样夹具上，升降机构驱动下试样夹具竖直移动，且使得下试样与上试样抵靠，启动往复转换机构，并且驱动上试样夹具水平往复移动，从而连动上试样与下试样往复摩擦接触，上述的上试样运动，下试样静止，模拟材料实际的实际工况状态，提高实验的准确度，并且该试验机的往复转换机构能够有效提高实验效率。

附图说明

图1和图2是高频往复摩擦磨损试验机的两种视角结构示意图；

图3是高频往复摩擦磨损试验机中的温控组件、往复转换机构及上试样夹具的结构示意图；

图4是高频往复摩擦磨损试验机中往复转换机构及上试样夹具的结构示意图；

图5是圆柱凸轮的结构示意图；

图6是温控组件的结构示意图；

图7是上试样夹具的结构示意图；

图8和图9是下试样夹具的两种视角结构示意图。

具体实施方式

结合图1至图9，对本发明作进一步地说明：

高频往复摩擦磨损试验机，包括

底座10，用于固定试验机附件；

下试样夹具20，用于固定下试样；

所述下试样夹具20的上方设置有往复转换机构30；

上试样夹具40，用于固定上试样，所述上试样夹具40设置在往复转换机构30上；

升降机构驱动下试样夹具20竖直移动，且使得下试样与上试样抵靠或分离；

所述往复转换机构30驱动上试样夹具40水平往复移动；

所述下试样夹具20上设置有三维力传感器50，所述三维力传感器50用于采集上下试样间的力数据；

结合图1和图2所示，该试验机实际使用时，将下试样固定在下试样夹具20上，将上试样固定在上试样夹具40上，启动升降机构，使得下试样与上试样抵靠，三维力传感器50能够准确获得试样各向所承受的力信号，而后将力信号传递至计算机，启动往复转换机构30，使得上试样位于下试样的上表面往复移动，通过计算机可生成试样的摩擦磨损实验数据，进而方便研究人员对材料的摩擦学进行研究；

上述的上试样运动，下试样静止，模拟材料实际的实际工况状态，提高实验的准确度，并且该试验机的往复转换机构能够有效提高实验效率。

作为本发明的优选方案，为进一步提高该试验机对材料摩擦学数据获得的全面性，所述三维力传感器50还设置有温控组件60，所述温控组件60用于控制下试样的温度；

通过温控组件60控制下试样的温度，通过测温仪器测得试样的温度，而后传输至计算机，利用计算机来获得不同温度对材料摩擦学的影响。

作为本发明的进一步优选方案，结合图1和图3所示，所述往复转换机构30包括设置在下试样夹具20上方的主轴31，所述主轴31水平布置，所述主轴31上设置有圆柱凸轮32，所述圆柱凸轮32的圆心与主轴31同心布置，所述上试样夹具40固定在滑块41上，所述滑块41滑动设置在滑轨42上，所述滑轨42与主轴31平行，伺服电机33驱动主轴31转动且使得圆柱凸轮32连动滑块41位于滑轨42上往复滑动；

上述的上试样夹具40启动时，通过伺服电机33驱动主轴31转动且使得圆柱凸轮32转动，当圆柱凸轮32转动的过程中，使得用于固定上试样夹具40的滑块41位于滑轨42上往复滑动，从而连动上试样位于下试样上往复移动，通过改变伺服电机33的转速，可使得往复运动的频率控制在0.1～25Hz之间变化，并且使得上试样夹具40往复运动的速度和加速度依圆柱凸轮32的凸轮轮廓变化而变化，可使得往复直线运动在转换换向时的冲击力较低，并且由于伺服电机33的主轴上不会受到横向循环惯性力的影响，提高了试验机的稳定性和实验精度。

更为优选地，结合图3和图5所示，所述圆柱凸轮32的两侧设置有斜切面321，所述滑块41上设置有两个连动轴承411，所述连动轴承411的圆心竖直且内圈固定在滑块41上，所述连动轴承411的外圈外壁与圆柱凸轮32的两侧斜切面321抵靠；

上述的圆柱凸轮32的轮芯水平且两侧面的斜切面321并非严格的倾斜切平面，而是使得斜切面321的轮廓满足正弦曲线轮廓，当圆柱凸轮32两侧的斜切面321分别与滑块41上的两轴承411外壁抵靠时，启动伺服电机33，连动滑块41位于滑轨42上往复滑动，通过改变斜切面321的正弦曲线轮廓，可连动滑块41的往复远东行程处在1～10mm之间变化，正弦曲线状的圆柱凸轮32两侧轮廓会使得往复运动的速度和加速度也都以正弦函数关系进行变化，因此该正弦曲线轮廓能够有效既降低或者避免往复运动换向时产生的冲击力。

在圆柱凸轮32的周向位置靠近两端设置有径向内螺纹孔，两个径向内螺纹孔延伸方向呈180°，利用内六角螺栓可实现圆柱凸轮32与主轴31的有效固定。

结合图4所示，为方便调整两个连动轴承411的外壁与圆柱凸轮32的斜切面321抵靠的紧密度，其中一个连动轴承411设置在调整滑块412上，所述滑块41上设置有调整滑槽413，所述调整滑块412滑动设置在调整滑槽413内，所述调整滑块412设置有调整螺栓，所述调整螺栓穿过调整滑块412且杆端与滑块41连接，所述调整螺栓及调整滑槽413的长度方向与主轴31平行；

通过拧紧或者拧松两根调整螺栓，调整调整滑块412位于调整滑槽413的位置，进而保证连动轴承411的外圈外壁始终与圆柱凸轮32的两侧正弦曲线状的斜切面321处在无间隙接触状态，从而确保滑块41位于滑轨42上往复移动处在无间隙运动状态，进而可减少或者避免换向时出现的闯动问题。

为方便实现对上试样的固定，结合图7所示，所述上试样夹具40包括夹持管43，所述夹持管43立式布置且下管口内壁呈收口状布置，所述上试样设置在夹持管43的管腔内且凸伸出夹持管43的下管口，所述夹持管43内壁设置有内螺纹，所述夹持管43的内壁设置有顶紧丝杆44，所述顶紧丝杆44的杆端与上试样抵靠；

所述上试样为试验小球，将试验小球放置在夹持管43内，夹持管43的下管口为收口状，从而使得试验小球凸伸出夹持管43的下端管口，并且用顶紧丝杆44选定在夹持管43的上管口，直至丝杆杆端与试验小球的球面抵靠，从而有效实现对试样小球进行固定。

为方便实现上试样夹具40于滑块41进行固定，所述夹持管43的上管口设置有安装法兰431，所述安装法兰431的边缘对称设置有安装豁口4311，所述安装豁口4311内设置有固定螺栓，所述固定螺栓与滑块41固定。

结合图6所示，为实现对温控组件60进行安装，所述温控组件60包括固定在三维力传感器50上方的隔热板61，所述隔热板61上设置有阶梯槽611，所述阶梯槽611的小尺寸槽底处设置有，所述阶梯槽611的大尺寸槽口处盖设有导热片63，所述导热片63横置有测温电偶64，所述阶梯槽611为矩形且四个拐角处设置有圆形浅槽612；

所述换热片62可以是电阻加热片或者半导体制冷片，通过导热片63实现对下试样的加热或降温，测温电偶64可有效测得试样的温度，该换热片62为电阻加热片时，可实现对下试样夹具20的加热温度在200℃，并且控制温度误差在±0.5℃。

具体地，结合图8和图9所示，所述下试样夹具20包括夹板21，所述夹板21的上板面设置有储油槽211，所述储油槽211的槽底设置有用于固定下试样的圆形槽212，所述夹板21的下板面设置有用于固定导热片63的导热槽213；

所述导热槽213传递而来的热量可迅速且均匀的传递至下试样夹具20的夹板21位置，确保在最大程度上利用换热片62的热效率。

更为具体地，所述升降机构包括设置在底座10上方的升降架板11，所述升降架板11竖直滑动设置在竖直轨道12上，所述在竖直轨道12上设置有升降电机13，所述升降电机13的转轴与丝杆14连接，所述丝杆14立式布置且与升降架板11的螺母配合；

上述的升降电机13也为伺服电机，可以使得载荷在1～200N范围内任意选取，且载荷控制误差小于1％。

下面简述该试验机的工作过程：

首先，将上试样夹具40从往复转换机构30上取下，拧出内部的顶紧丝杆44，将上试样小球放入夹具的内螺纹孔中，随后将顶紧丝杆44拧入该螺纹孔，并保证拧紧，以防止试样小球的滚动，最后将上试样夹具40重新装在往复转换机构30上；

而后，取下下试样夹具20，将下试样圆片放入下试样夹具20的圆形槽212中，随后将三枚平头螺钉依次拧入圆形槽212周围的螺纹中，以此紧固下试样，最后通过四枚沉头螺钉将下试样夹具20重新安装在温控组件60的隔热板61上；

在计算机上，通过摩擦试验机的控制软件，依次设定保存路径、温度、载荷、频率、时间，之后点击开始按钮；

点击开始按钮后，温控组件60最先开始工作，对下试样夹具20进行加热或降温，同时通过测温电偶64可以对温度进行实时监测和记录，两者形成闭环反馈，可以将下试样夹具20的温度控制在设定的目标温度，控温误差在±0.5℃内；

当温度达到设定值后，滑台升降架板11在相连接的加载升降电机13的带动下开始正向旋转，带动下试样夹具20一起向上移动，直至下试样表面与上试样接触，随后三维力传感器50接收到载荷信号，当实际载荷低于设定载荷时，加载升降电机13继续正向旋转，当实际载荷高于设定载荷时，加载升降电机13反向旋转，带动下试样夹具20往下移动，即加载升降电机13和三维力传感器50形成闭环控制，以此对摩擦实验全程中的载荷进行控制；

当实际载荷达到目标载荷后，伺服电机33按照设定的转速(转速＝频率×60)工作，带动主轴31及其上的圆柱凸轮32转动，往复转换机构30会在圆柱凸轮32及滑块41、滑轨42的共同作用下开始往复运动，并使上试样夹具40也以往复的形式运动，最终使下试样和上试样之间形成摩擦副；

三维力传感器50、测温电偶64采集的数据会通过数据采集卡传给计算机，加载升降电机13、伺服电机33及换热片62的工作状态由相应的控制板及计算机来控制。

总之，该摩擦磨损试验机能够实现大冲程、高频率、低主轴冲力的摩擦测试条件，减少实验时间，提高实验效率，便于磨损测量，保证实验精度。此外，还要能对载荷、摩擦力、油温等实验参数进行实时的控制、显示和记录。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.高频往复摩擦磨损试验机，其特征在于：包括

底座（10），用于固定试验机附件；

下试样夹具（20），用于固定下试样；

所述下试样夹具（20）的上方设置有往复转换机构（30）；

上试样夹具（40），用于固定上试样，所述上试样夹具（40）设置在往复转换机构（30）上；

升降机构驱动下试样夹具（20）竖直移动，且使得下试样与上试样抵靠或分离；

所述往复转换机构（30）驱动上试样夹具（40）水平往复移动；

所述下试样夹具（20）上设置有三维力传感器（50），所述三维力传感器（50）用于采集上下试样间的力数据；

所述三维力传感器（50）还设置有温控组件（60），所述温控组件（60）用于控制下试样的温度；

所述往复转换机构（30）包括设置在下试样夹具（20）上方的主轴（31），所述主轴（31）水平布置，所述主轴（31）上设置有圆柱凸轮（32），所述圆柱凸轮（32）的圆心与主轴（31）同心布置，所述上试样夹具（40）固定在滑块（41）上，所述滑块（41）滑动设置在滑轨（42）上，所述滑轨（42）与主轴（31）平行，伺服电机（33）驱动主轴（31）转动且使得圆柱凸轮（32）连动滑块（41）位于滑轨（42）上往复滑动；

所述圆柱凸轮（32）的两侧设置有斜切面（321），所述滑块（41）上设置有两个连动轴承（411），所述连动轴承（411）的圆心竖直且内圈固定在滑块（41）上，所述连动轴承（411）的外圈外壁与圆柱凸轮（32）的两侧斜切面（321）抵靠；

所述斜切面（321）的轮廓满足正弦曲线轮廓；

其中一个连动轴承（411）设置在调整滑块（412）上，所述滑块（41）上设置有调整滑槽（413），所述调整滑块（412）滑动设置在调整滑槽（413）内，所述调整滑块（412）设置有调整螺栓，所述调整螺栓穿过调整滑块（412）且杆端与滑块（41）连接，所述调整螺栓及调整滑槽（413）的长度方向与主轴（31）平行。

2.根据权利要求1所述的高频往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述上试样夹具（40）包括夹持管（43），所述夹持管（43）立式布置且下管口内壁呈收口状布置，所述上试样设置在夹持管（43）的管腔内且凸伸出夹持管（43）的下管口，所述夹持管（43）内壁设置有内螺纹，所述夹持管（43）的内壁设置有顶紧丝杆（44），所述顶紧丝杆（44）的杆端与上试样抵靠。

3.根据权利要求2所述的高频往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述夹持管（43）的上管口设置有安装法兰（431），所述安装法兰（431）的边缘对称设置有安装豁口（4311），所述安装豁口（4311）内设置有固定螺栓，所述固定螺栓与滑块（41）固定。

4.根据权利要求1所述的高频往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述温控组件（60）包括固定在三维力传感器（50）上方的隔热板（61），所述隔热板（61）上设置有阶梯槽（611），所述阶梯槽（611）的小尺寸槽底处设置有换热片（62），所述阶梯槽（611）的大尺寸槽口处盖设有导热片（63），所述导热片（63）横置有测温电偶（64），所述阶梯槽（611）为矩形且四个拐角处设置有避让浅槽（612）。

5.根据权利要求4所述的高频往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述下试样夹具（20）包括夹板（21），所述夹板（21）的上板面设置有储油槽（211），所述储油槽（211）的槽底设置有用于固定下试样的圆形槽（212），所述夹板（21）的下板面设置有用于固定导热片（63）的导热槽（213）。

6.根据权利要求1所述的高频往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述升降机构包括设置在底座（10）上方的升降架板（11），所述升降架板（11）竖直滑动设置在竖直轨道（12）上，所述竖直轨道（12）上设置有升降电机（13），所述升降电机（13）的转轴与丝杆（14）连接，所述丝杆（14）立式布置且与升降架板（11）的螺母配合。

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