CN109799134A - 一种可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可提高加载力测量精度的原位观测摩擦磨损试验机，包括工作台上设置的下试样，工作台上方设置有上试样，上试样设置在调整滑台上，调整滑台调节上试样与下试样抵靠接触，下试样设置在驱动机构上，驱动机构驱动下试样水平往复移动，上试样设置在检测悬臂上，检测悬臂固定在调整滑台上，调整滑台上还设置有第一、第二电容式位移传感器，第一、第二位移传感器的检测端均指向检测悬臂且用于检测检测悬臂水平方向及竖直方向的形变位移值，通过形变位移值的检测可显著提高检测加载在试样的载荷力的精度，提高试样的摩擦学性能精准度。

Description

一种可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及一种可可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机。

背景技术

试样的摩擦磨损试验是通过针对工件或制备试样的实际面对摩擦的部位进行加速的摩擦磨损测试，以便在短时间内测试其摩擦系数和磨损率曲线，这对试样的应用研究起到较为关键的作用。试样摩擦磨损实验研究设备，在实际操作时，将待测试的两块试样放置在试验机上，并且两块试样的待测试面贴合，利用加压设备实施对其中一块试样进行加压，并且来回拉动试样，从而实现两个试样的来回摩擦，在设定的时间以及设定的压力下，记录试样摩擦系数与磨损量，从而来判断试样的摩擦学性能。传统的摩擦磨损试验机中，一般采用滑台的竖直、前后及左右方向的调整，使得上试样与下试样接触，试样与滑台连接位置设置三维力传感器，以获得试样加载的力，加载的力精度通常在几十毫牛。

在摩擦学和界面接触力学研究中，单个粗糙峰接触条件下的压痕实验与摩擦实验对于深入研究材料界面摩擦现象与规律具有重要的意义，但由于此类实验加载力与测量精度要求在1mN左右甚至更高，难以采用传统摩擦试验机进行研究。

发明内容

本发明的目的是：提供一种可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，能够大幅提高检测加载在试样的力的精度，提高试样的摩擦学性能精准度，同时结合摩擦界面原位观测技术，可进一步深化接触力学实验能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，包括工作台，所述工作台上设置有下试样，所述工作台上方设置有上试样，所述上试样设置在调整滑台上，所述调整滑台调节上试样与下试样抵靠接触，所述下试样设置在驱动机构上，驱动机构驱动下试样水平往复移动，所述上试样设置在检测悬臂上，所述检测悬臂固定在调整滑台上，所述调整滑台上还设置有第一、第二位移传感器，所述第一、第二位移传感器的检测端均指向检测悬臂且用于检测检测悬臂水平方向及竖直方向的形变挠度值。

本发明还存在下列技术特征：

所述检测悬臂的悬伸端设置有检测支架，所述检测支架为角型板，所述检测支架的一侧板面水平，所述检测支架的另一侧板面竖直，所述第一位移传感器的检测端水平且指向检测支架的竖直板面，所述第二位移传感器的检测端竖直且指向检测支架的水平板面。

所述检测悬臂由铝合金制成，所述检测悬臂包括第一、第二、第三框架，所述第一、第二、第三框架的框面均水平布置，所述第一、第二、第三框架的一侧均设置有开口，所述第一框架的一侧开口与第二框架的一侧开口相对，所述第一框架的开口端与第二框架远离开口的边框连接，所述第一框架的两侧框与第二框架的两侧框间隙布置，所述第二框架的一侧开口与第三框架的一侧开口指向相同，所述第二框架的一侧开口端第三框架的一侧开口端连接，所述第二框架的两侧框与第三框架的两侧框间隙布置，所述检测支架的水平板面固定在第一框架远离开口的边框上，所述第三框架远离开口的边框与调整滑台连接。

所述调整滑台设置有悬伸固定臂，所述悬伸固定臂的悬伸端设置有开口，所述检测支架的竖直板面悬伸至开口内，所述第一位移传感器固定在悬伸固定臂的悬伸端一侧且检测端伸入开口内，所述检测支架的水平板面设置在悬伸固定臂的悬伸端下方位置且间隙布置，所述第二位移传感器的检测端竖直向下且伸入悬伸固定臂与检测支架的水平板面之间的间隙内。

所述下试样为平板状结构，所述下试样设置在固定板上，所述驱动机构驱动固定板水平方向往复移动。

所述固定板板面水平且开设有透孔，所述透孔整体呈矩形且下试样显露在透孔上，所述上试样为球状结构且通过尼龙连接杆与检测支架的水平板面连接，所述下试样的下方设置有摄像头。

所述固定板下板面设置有固定卡槽，所述下试样固定在固定卡槽内，所述固定卡槽的槽口设置有安装板，所述安装板的四个拐角设置有螺栓，所述螺栓与固定板连接。

所述驱动机构包括固定在固定板上的螺母，所述螺母与丝杆配合，所述丝杆长度方向水平且杆端与电机连接。

所述固定板的两侧设置有滑轨，所述固定板与滑轨构成滑动配合，所述滑轨的长度方向与丝杆平行。

所述工作台上还设置有距离传感器，所述距离传感器呈杆状且与滑轨平行，所述距离传感器的检测端与螺母一端靠近或远离。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：调整滑台使得上试样与下试样接触抵靠，驱动机构驱动下试样水平往复移动的过程中，使得下试样与上试样相对移动，通过第一、第二位移传感器的检测端检测检测悬臂水平方向及竖直方向的形变挠度值，即可反映出上试样的载荷力及相对移动产生的水平摩擦力值，通过形变挠度值的检测可显著提高检测加载在试样的力测量精度，提高试样的摩擦学性能精准度。

附图说明

图1和图2是可有效观测材料接触面摩擦磨损的摩擦磨损试验机的两种视角的结构示意图；

图3是检测悬臂的结构示意图；

图4和图5是可有效观测材料接触面摩擦磨损的摩擦磨损试验机移出调整滑台及工作台后的两种视角结构示意图；

图6是工作台翻转过来的结构示意图；

图7是固定板的结构示意图。

具体实施方式

结合图1至图7，对本发明作进一步地说明：

一种可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，包括工作台10，所述工作台10上设置有下试样20，所述工作台10上方设置有上试样30，所述上试样30设置在调整滑台40上，所述调整滑台40调节上试样30与下试样20抵靠接触，所述下试样20设置在驱动机构上，驱动机构驱动下试样20水平往复移动，所述上试样30设置在检测悬臂50上，所述检测悬臂50固定在调整滑台40上，所述调整滑台40上还设置有第一、第二位移传感器60、70，所述第一、第二位移传感器60、70的检测端均指向检测悬臂50且用于检测检测悬臂50水平方向及竖直方向的形变挠度值；

结合图1和图2所示，该试验机在实际应用时，对上试样30及下试样20安装好后，调整滑台40使得上试样30与下试样20接触抵靠，驱动机构驱动下试样20水平往复移动的过程中，使得下试样20与上试样20相对移动，上试样30存在竖直方向的加载力矩及下试样20与上试样20相对移动水平方向的摩擦力矩，并且通过第一、第二位移传感器60、70的检测端检测检测悬臂50水平方向及竖直方向的形变挠度值，即可反映出上试样30竖直力矩及响相对移动产生的水平摩擦力矩值，通过形变挠度值的检测可显著提高检测加载在试样的力矩精度，提高试样的摩擦学性能精准度。

上述的检测悬臂50的水平方向挠度值及垂直方向的挠度值变化直接反应出加载力矩满足如下计算公式：

式中，F_N为载荷，y_B为挠度值(检测悬臂50的水平方向挠度值及垂直方向的挠度值)，l为检测悬臂50的长度值，I为检测悬臂50的截面惯性矩，E为检测悬臂50的弹性模量。

该试验机在实际使用时，可以得到的是每加载14μN的力可以得到10nm的挠度值；

该试验机的量程为1N，精度能够达到10μN。

为进一步提高检测检测悬臂50水平方向及竖直方向形变的挠度值，结合图4和图5所示，所述检测悬臂50的悬伸端设置有检测支架80，所述检测支架80为角钢板，所述检测支架80的一侧板面水平，所述检测支架80的另一侧板面竖直，所述第一位移传感器60的检测端水平且指向检测支架80的竖直板面，所述第二位移传感器70的检测端竖直且指向检测支架80的水平板面；

上述的检测支架80的竖直板面与下试样20移动方向垂直，进而通过第一位移传感器60可有效检测下试样20水平移动时使得检测支架80水平方向产生的形变挠度值，通过第二位移传感器70能够准确检测竖直方向加载至下试样20上时而使得检测支架80产生形变的挠度值；

上述的第一位移传感器60和第二位移传感器70为电容式距离传感器，其测量距离变化的精度极高，精度能保证在纳米级别。

为进一步提高检测的准确度，结合图3所示，所述检测悬臂50由铝合金制成，所述检测悬臂50包括第一、第二、第三框架51、52、53，所述第一、第二、第三框架51、52、53的框面均水平布置，所述第一、第二、第三框架51、52、53的一侧均设置有开口，所述第一框架51的一侧开口与第二框架52的一侧开口相对，所述第一框架51的开口端与第二框架52远离开口的边框连接，所述第一框架51的两侧框与第二框架52的两侧框间隙布置，所述第二框架52的一侧开口与第三框架53的一侧开口指向相同，所述第二框架52的一侧开口端第三框架53的一侧开口端连接，所述第二框架52的两侧框与第三框架53的两侧框间隙布置，所述检测支架80的水平板面固定在第一框架51远离开口的边框上，所述第三框架53远离开口的边框与调整滑台40连接；

上述的第一、第二、第三框架51、52、53的框面共面，通过第一框架51的两侧框与第二框架52的两侧框间隙布置以及第二框架52的两侧框与第三框架53的两侧框间隙布置，能够确保检测悬臂50水平方向摩擦力距产生形变，进而可方便检测到水平方向形变产生的挠度值。

为实现对第一、第二位移传感器60、70的安装固定，结合图4和图5所示，所述调整滑台40设置有悬伸固定臂90，所述悬伸固定臂90的悬伸端设置有开口91，所述检测支架80的竖直板面悬伸至开口91内，所述第一位移传感器60固定在悬伸固定臂90的悬伸端一侧且检测端伸入开口91内，所述检测支架80的水平板面设置在悬伸固定臂90的悬伸端下方位置且间隙布置，所述第二位移传感器70的检测端竖直向下且伸入悬伸固定臂90与检测支架80的水平板面之间的间隙内。

为实现对下试样20的固定，所述下试样20为平板状结构，所述下试样20设置在固定板21上，所述驱动机构驱动固定板21水平方向往复移动。

具体地，结合图6和图7所示，所述固定板21板面水平且开设有透孔211，所述透孔211整体呈矩形且下试样20显露在透孔211上，所述上试样30为球状结构且通过尼龙连接杆31与检测支架80的水平板面连接，所述下试样20的下方设置有摄像头100；

所述上试样30通过粘结胶水固定在尼龙连接杆31上，能够使得下试样20的球面与下试样20的上板面抵靠，形成有效的避让空间。

为方便实现对下试样30的固定安装，所述固定板21下板面设置有固定卡槽212，所述下试样20固定在固定卡槽212内，所述固定卡槽212的槽口设置有安装板213，所述安装板213的四个拐角设置有螺栓，所述螺栓与固定板21连接。

具体地，所述驱动机构包括固定在固定板21上的螺母214，所述螺母214与丝杆215配合，所述丝杆215长度方向水平且杆端与电机216连接。

更为具体地，所述固定板21的两侧设置有滑轨217，所述固定板21与滑轨217构成滑动配合，所述滑轨217的长度方向与丝杆215平行。

更为具体地，所述工作台10上还设置有距离传感器11，所述距离传感器11呈杆状且与滑轨217平行，所述距离传感器11的检测端与螺母214一端靠近或远离，通过距离传感器11检测距离来控制电机216的正反转，以实现对固定板21的水平往复驱动。

上述的调整滑台40为常见的滑台，能够实现对上试样竖直、水平左右及水平前后方向进行调整。

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 (10)

1.一种可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，其特征在于：包括工作台(10)，所述工作台(10)上设置有下试样(20)，所述工作台(10)上方设置有上试样(30)，所述上试样(30)设置在调整滑台(40)上，所述调整滑台(40)调节上试样(30)与下试样(20)抵靠接触，所述下试样(20)设置在驱动机构上，驱动机构驱动下试样(20)水平往复移动，所述上试样(30)设置在检测悬臂(50)上，所述检测悬臂(50)固定在调整滑台(40)上，所述调整滑台(40)上还设置有第一、第二位移传感器(60、70)，所述第一、第二位移传感器(60、70)的检测端均指向检测悬臂(50)且用于检测检测悬臂(50)水平方向及竖直方向的形变挠度值。

2.根据权利要求1所述的可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，其特征在于：所述检测悬臂(50)的悬伸端设置有检测支架(80)，所述检测支架(80)为角型板，所述检测支架(80)的一侧板面水平，所述检测支架(80)的另一侧板面竖直，所述第一位移传感器(60)的检测端水平且指向检测支架(80)的竖直板面，所述第二位移传感器(70)的检测端竖直且指向检测支架(80)的水平板面。

3.根据权利要求2所述的可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，其特征在于：所述检测悬臂(50)由铝合金制成，所述检测悬臂(50)包括第一、第二、第三框架(51、52、53)，所述第一、第二、第三框架(51、52、53)的框面均水平布置，所述第一、第二、第三框架(51、52、53)的一侧均设置有开口，所述第一框架(51)的一侧开口与第二框架(52)的一侧开口相对，所述第一框架(51)的开口端与第二框架(52)远离开口的边框连接，所述第一框架(51)的两侧框与第二框架(52)的两侧框间隙布置，所述第二框架(52)的一侧开口与第三框架(53)的一侧开口指向相同，所述第二框架(52)的一侧开口端第三框架(53)的一侧开口端连接，所述第二框架(52)的两侧框与第三框架(53)的两侧框间隙布置，所述检测支架(80)的水平板面固定在第一框架(51)远离开口的边框上，所述第三框架(53)远离开口的边框与调整滑台(40)连接。

4.根据权利要求3所述的可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，其特征在于：所述调整滑台(40)设置有悬伸固定臂(90)，所述悬伸固定臂(90)的悬伸端设置有开口(91)，所述检测支架(80)的竖直板面悬伸至开口(91)内，所述第一位移传感器(60)固定在悬伸固定臂(90)的悬伸端一侧且检测端伸入开口(91)内，所述检测支架(80)的水平板面设置在悬伸固定臂(90)的悬伸端下方位置且间隙布置，所述第二位移传感器(70)的检测端竖直向下且伸入悬伸固定臂(90)与检测支架(80)的水平板面之间的间隙内。

5.根据权利要求2所述的可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，其特征在于：所述下试样(20)为平板状结构，所述下试样(20)设置在固定板(21)上，所述驱动机构驱动固定板(21)水平方向往复移动。

6.根据权利要求5所述的可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，其特征在于：所述固定板(21)板面水平且开设有透孔(211)，所述透孔(211)整体呈矩形且下试样(20)显露在透孔(211)上，所述上试样(30)为球状结构且通过尼龙连接杆(31)与检测支架(80)的水平板面连接，所述下试样(20)的下方设置有摄像头(100)。

7.根据权利要求6所述的可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，其特征在于：所述固定板(21)下板面设置有固定卡槽(212)，所述下试样(20)固定在固定卡槽(212)内，所述固定卡槽(212)的槽口设置有安装板(213)，所述安装板(213)的四个拐角设置有螺栓，所述螺栓与固定板(21)连接。

8.根据权利要求7所述的可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，其特征在于：所述驱动机构包括固定在固定板(21)上的螺母(214)，所述螺母(214)与丝杆(215)配合，所述丝杆(215)长度方向水平且杆端与电机(216)连接。

9.根据权利要求8所述的可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，其特征在于：所述固定板(21)的两侧设置有滑轨(217)，所述固定板(21)与滑轨(217)构成滑动配合，所述滑轨(217)的长度方向与丝杆(215)平行。

10.根据权利要求9所述的可进行摩擦面原位观测的超高精度摩擦磨损试验机，其特征在于：所述工作台(10)上还设置有距离传感器(11)，所述距离传感器(11)呈杆状且与滑轨(217)平行，所述距离传感器(11)的检测端与螺母(214)一端靠近或远离。