CN110220810A - 往复滑动摩擦测量测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及摩擦力测试，具体涉及往复滑动摩擦测量测试平台，包括底座、摩擦副、样品台、样品位移平台，摩擦副位移平台，还包括第一、第二支撑梁，第一支撑梁自由端设置样品台，该第一支撑梁固定端连接样品位移平台，样品台通过该第一支撑梁承载于样品位移平台上；第二支撑梁自由端设置摩擦副，该第二支撑梁固定端连接摩擦副位移平台，摩擦副通过该第一支撑梁承载于摩擦副位移平台上；第一支撑梁的侧旁设置有第一位移传感器；第二支撑梁的侧旁设置有第二位移传感器。通过这样采用对上述支撑梁的形变位移来检测摩擦力的大小，针对测试毫牛级别的摩擦力测试，在方便实用、经济且精度高的方面拥有优异表现。

Description

往复滑动摩擦测量测试平台

技术领域

本发明专利涉及摩擦力测试，具体涉及往复滑动摩擦测量测试平台。

背景技术

摩擦磨损是生活中常见的现象，每年全世界有大量的能源由摩擦做功所消耗，同时有80％的零件损坏是由各种形式的摩擦磨损引起，因此摩擦磨损问题以及机理成为科研的热点之一。而目前市场上针对摩擦磨损问题实验研究的设备主要分为两种，一种主要是摩擦磨损仪，摩擦磨损仪采用二维力传感器，可以同时测出正压力和往复运动过程中的摩擦力，是宏观摩擦学研究领域比较成熟的实验仪器和设备，所测量的摩擦力与载荷都主要集中在牛顿量级，远远超过实际微载荷下毫牛量级的摩擦力与载荷的力的范围，且造价较高；另外一种主要是原子力显微镜，它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。是纳米摩擦学研究比较成熟的实验仪器和设备，但因其探针与基片间摩擦接触面积应该都在纳米量级，其力的范围远远不能满足微载荷下毫牛量级的力的需要，摩擦磨损试验中小载荷力的施加与测量的相应设备的缺少以及不成熟。因此，研究适用于介于两者之间的微载荷测试系统变得迫切需要。

发明内容

本发明的主要目的在于专门针对测试毫牛量级的摩擦力提供一种造价低廉且更加适合于测量毫牛量级的摩擦力的往复滑动摩擦测量测试平台。

为了实现上述目的，本申请采用的技术方案是往复滑动摩擦测量测试平台，包括底座、摩擦副和用于固定被测样品的样品台，还包括：

样品位移平台，该样品位移平台设置于底座上并承载上述样品台，用于使承载于样品位移平台上的物体在空间内移动；

摩擦副位移平台，该摩擦副位移平台设置于底座上并承载用于与样品摩擦的摩擦副，用于使承载于摩擦副位移平台上的物体在空间内移动；以及

第一支撑梁，上述第一支撑梁的自由端设置上述的样品台，该第一支撑梁的固定端连接样品位移平台，上述样品台通过该第一支撑梁承载于样品位移平台上；

第二支撑梁，上述第二支撑梁的自由端设置上述的摩擦副，该第二支撑梁的固定端连接摩擦副位移平台，上述摩擦副通过该第一支撑梁承载于摩擦副位移平台上；其中

上述第一支撑梁的侧旁设置有用于检测其弯曲时其发生的形变位移的非接触式的第一位移传感器；上述第二支撑梁的侧旁设置有用于检测其弯曲时其发生的形变位移的非接触式的第二位移传感器；上述第二位移传感器需测定的第二支撑梁位移的方向与上述第一位移传感器需测定的第一支撑梁位移的方向垂直。

这里的第二位移传感器需测定的第二支撑梁位移的方向与上述第一位移传感器需测定的第一支撑梁位移的方向垂直，是为了让第二支撑梁的位移形变是反应对样品施加的压力，第一支撑梁的位移形变是反应样品受到的摩擦力的大小。

上述的支撑梁的材质、长短根据需要进行设置，优选的可以采用弹性较好的金属材质。在选定材质、长短尺寸后，标定力与支撑梁位移形变的关系后，可进入测试准备。

测试前，将样品设置于设置有样品台的第一支撑梁上，将用于对样品进行摩擦的摩擦副设置在摩擦副位移平台上，当样品台上的样品受到一个往复运动产生的滑动摩擦力时，位移传感器监测第一支撑梁的变形，此时位移传感器产生相应的变化数据，通过数据采集卡采集数据，通过采集的数据以及提前标定的力与位移变形的关系，得到往复运动过程中摩擦力大小，通过这样采用对上述支撑梁的形变位移来检测摩擦力的大小，针对测试毫牛级别的摩擦力测试，在方便实用、经济且精度高的方面拥有优异表现。

进一步的是，上述样品位移平台包括第一位移平台和第二位移平台，上述第二位移平台的支撑端承载于第一位移平台的移动端上；上述第一支撑梁的固定端设置于第二位移平台的移动端上。这样将样品位移平台设置为两轴运动平台，以方便在空间内实现多个方便的移动。

进一步的是，上述第一位移平台的移动端、第二位移平台的移动端和摩擦副位移平台的移动端的运行轨迹均为直线；上述第一位移平台的移动端运行轨迹、第二位移平台的移动端运行轨迹和摩擦副位移平台的移动端运行轨迹两两相互垂直，设置这样的结构，结构简单、经济实用。

进一步的是，上述第一位移传感器通过刚性悬梁承载于样品位移平台上；上述第二位移传感器通过刚性悬梁承载于摩擦副位移平台上。

进一步的是，上述刚性悬梁上设置有沿该刚性悬梁长度方向延伸的滑槽，上述第一位移传感器和第二位移传感器通过上述滑槽可上下移动的设置在其所在的刚性悬梁上。

这样设置，以方便在对第一支撑梁或第二支撑梁进行长短进行调整、更换时，对位移传感器的上下位置进行调节，以适应不同的支撑梁。

进一步的是，上述第一支撑梁的固定端通过连接板组连接上述样品台；上述连接板组由两个位于第一支撑梁侧方的、平行的弹簧片组成，该弹簧片沿摩擦副位移平台的移动端移动方向排列。

进一步的是，上述第二支撑梁由两个平行的弹簧片组成，上述摩擦副通过贯穿上述平行的弹簧片的夹具固定在第二支撑梁上。

进一步的是，上述第一支撑梁可拆卸式的设置于样品位移平台上；上述第二支撑梁可拆卸式的设置于摩擦副位移平台上，以方便对支撑梁进行更换，针对不同的情况，选用不同材质、长短的支撑梁。这里的可拆卸式连接可以是螺栓连接，也可以是销键连接等。

进一步的是，往复滑动摩擦测量测试平台还包括用于密封内腔的外罩，上述底座、样品位移平台和摩擦副位移平台设置于该外罩内，通过设置密封的外罩，可以为试验通过良好甚至最佳的试验环境，让试验数据更加精准。

进一步的是，往复滑动摩擦测量测试平台还包括向外罩内填充氮气的氮气瓶，上述氮气瓶通过减压阀与外罩内腔连通；上述外罩上设置有排气口位于外罩外部的单向阀；或者，上述外罩上设置有排气口位于外罩外部的单向阀，该单向阀连接有真空泵。在进行毫牛量级的摩擦力试验时，对试验精准度要求较高，设置上述的氮气瓶或真空泵以使进行测试试验时，可以提供良好的测试环境，保障试验的准确性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为用于说明实施例一的往复滑动摩擦测量测试平台的示意图；

图2为用于说明第一支撑梁示意图；

图3为用于说明实施例二外罩关闭时的往复滑动摩擦测量测试平台的示意图；

图4为用于说明实施例二外罩打开时的往复滑动摩擦测量测试平台的示意图；；

图5为用于说明本往复滑动摩擦测量测试平台测试时的摩擦力与正压力的曲线图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图1-5对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例一：如图1和2，往复滑动摩擦测量测试平台，包括底座、摩擦副和用于固定被测样品的样品台，前述的底座是用于支撑固定摩擦副和样品台的机构的，一般可以设置为一块板状结构，本往复滑动摩擦测量测试平台还包括样品位移平台、摩擦副位移平台、第一支撑梁、第二支撑梁、第一位移传感器和第二位移传感器。

样品位移平台，该样品位移平台设置于底座上并承载上述样品台，用于使承载于样品位移平台上的物体在空间内移动；前述的样品位移平台可以是多个位移平台的组合(如一个位移平台承载于另一个位移平台上，使被承载的位移平台在空间内移动)，也可以是单独的一个位移平台，这里的位移平台包括驱动机构(一般为电机)、滑轨和在滑轨上辈驱动机构驱动的移动端，驱动可以采用丝杠传动的方式进行，在本样品位移平台上，样品台设置于移动端上；当样品位移平台是由多个位移平台的组合时，这里的样品位移平台的移动端即设置有样品台的移动端。

摩擦副位移平台，该摩擦副位移平台设置于底座上并承载用于与样品摩擦的摩擦副，用于使承载于摩擦副位移平台上的物体在空间内移动；这里的摩擦副位移平台，同样可以是多个位移平台的组合，也可以是单独的一个位移平台，为了设置方便与成本的考虑，在样品位移平台设置为多个位移平台的组合的情况下，本摩擦副位移平台可以由单独的一个位移平台构成。

第一支撑梁，上述第一支撑梁的自由端设置上述的样品台，该第一支撑梁的固定端连接样品位移平台，上述样品台通过该第一支撑梁承载于样品位移平台上；本第一支撑梁的材质优选的是采用弹簧钢，该第一支撑梁的固定端通过螺栓固定在样品位移平台上的移动端上，在样品台上的样品优选的通过粘接的方式固定在样品台上。本实施方式中的第一支撑梁主要由两个平行的弹簧片与设置在该两个平行的弹簧片的上下端的板状结构组成，形成一个框架结构。本实施例的弹簧片材质可选用0.2mm厚度的铝片。

第二支撑梁，上述第二支撑梁的自由端设置上述的摩擦副，该第二支撑梁的固定端连接摩擦副位移平台，上述摩擦副通过该第一支撑梁承载于摩擦副位移平台上；前述的摩擦副可以是通过支撑部件固定在第二支撑梁上。这里的第二支撑梁的材质可以选择与第一支撑梁同样的材质。

上述第一支撑梁的侧旁设置有用于检测其弯曲时其发生的形变位移的非接触式的第一位移传感器；上述第二支撑梁的侧旁设置有用于检测其弯曲时其发生的形变位移的非接触式的第二位移传感器；上述第二位移传感器需测定的第二支撑梁位移的方向与上述第一位移传感器需测定的第一支撑梁位移的方向垂直。这样让第二支撑梁的位移形变是反应对样品施加的压力，第一支撑梁的位移形变是反应样品受到的摩擦力的大小。

这里的第一位移传感器和第二位移传感器均采用非接触式的，以防止传感器的检测对摩擦力测试进行干涉。这里的第一位移传感和第二位移传感均可以采用德国EDDY电涡流位移传感器，型号上可优选DT3005，第一支撑梁和第二支撑梁在选定材质、长短尺寸后，标定力与支撑梁位移形变的关系后，可进入测试准备。

在本实施方式中，在具体进行设置时，样品位移平台可以设置为两个位移平台的组合，摩擦副位移平台可以设置为单独的一个位移平台，即本往复滑动摩擦测量测试平台主要包括：X轴位移平台1，转接板2，Y轴位移平台3，刚性悬梁4，第一支撑梁5，非接触的第一位移传感器6，样品台7，夹具8，第二支撑梁9，非接触的第二位移传感器10，刚性悬梁11，Z轴位移平台12。即参照附图1，X轴位移平台1、Z轴位移平台12组成样品位移平台，摩擦副位移平台单独由Y轴位移平台3构成。第一支撑梁5和第二支撑梁9均主要由两个弹簧片平行设置组成，这两组平行的弹簧片所在平面相垂直。上述第一位移传感器6通过刚性悬梁承载于Z轴位移平台12上；上述第二位移传感器10通过刚性悬梁承载于Y轴位移平台3上。上述刚性悬梁上设置有沿该刚性悬梁长度方向延伸的滑槽，上述第一位移传感器6和第二位移传感器10通过滑槽可上下移动的设置在其所在的刚性悬梁上，以方便在对第一支撑梁5或第二支撑梁9进行长短进行调整、更换时，对位移传感器的上下位置进行调节，以适应不同的支撑梁。摩擦副通过贯穿第二支撑梁9上平行的弹簧片的夹具8固定在第二支撑梁9上。这里的第一支撑梁5可拆卸式的设置于Z轴位移平台12上；上述第二支撑梁9可拆卸式的设置于Y轴位移平台3上，这里的可拆卸式连接可以是螺栓连接，也可以是销键连接等。X轴位移平台1、Y轴位移平台3、Z轴位移平台12均可以使用德国PI直流电机位移平台，本实施例中采用型号M-L03.2A0，传动方式为普通丝杠传动，即电机驱动丝杠转动，丝杠的转动带动承载物沿丝杠延伸方向移动。

通过软件编程分别控制调节Y轴位移平台3、Z轴位移平台12的平台位置，使安装在Z轴位移平台1上的样品台7与安装在X轴上的第二支撑梁9上的夹具8正面对应，保证夹具8施加力时可以与样品台7相互接触且具有一定的往复运动范围。通过软件编程控制调节X轴位移平台1，使样品台7与夹具8之间保持一定微小的空隙，此时X轴位移平台1停止，通过提前标定好的支撑梁变形与受力的关系以及相应编程好的控制程序，对程序输入某个载荷值时，X轴位移平台1自动缓慢移动，样品台7与夹具8接触且第二支撑梁9产生微变形，第二位移传感器10监测到变形并产生的相应数据，通过数据采集卡采集的数据以及编程相应的反馈程序进行反馈控制，使X轴位移平台1持续缓慢移动施加载荷，直至第二位移传感器10监测第二支撑梁9的变形达到设定载荷停止，并得到最终施加正压力载荷大小。然后通过相应的编程程序控制Y轴位移平台3,使其以设定速度在样品台7上的一定范围内做设定次数的往复匀速运动，且通过X轴位移平台1的反馈程序实时调节第二支撑梁9施加的载荷，使其在Y轴位移平台3,做往复匀速运动过程中保持施加载荷不变。往复运动过程中第一支撑梁5受力变形，第一位移传感器6监测到变形并产生的相应数据，数据采集卡采集数据，通过采集的数据以及提前标定的力与位移变形的关系，得到摩擦力大小。

参照图5、表1(本实验数据达到25000多个，下表只是列出十分微小的一部分，以用于举例)和表2(本表从图5中相关数据截取了几组部分数据，该几组数据由“……”隔开，无连续)，进行摩擦力测试实验。图5中，上方波动幅度较大的是摩擦力的变化曲线，下方窄幅波动的是正压力的变化曲线，左方的纵轴为摩擦力轴，右方的纵轴为正压力轴，下方横轴为时间轴。

表1

表2

综上上述，采用本往复滑动摩擦测量测试平台，可以十分准确的、精准的针对毫牛级摩擦力进行测试，监测其摩擦力在毫牛级别的变化。

如图3和4，实施例二：与实施例一不同的是，本实施例中的采用本往复滑动摩擦测量测试平台还包括用于密封内腔的外罩，底座、样品位移平台和摩擦副位移平台设置于该外罩内，通过设置密封的外罩。在设置外罩的基础上还可以设置氮气瓶，上述氮气瓶通过减压阀与外罩内腔连通；上述外罩上设置有排气口位于外罩外部的单向阀；或者，上述外罩上设置有排气口位于外罩外部的单向阀，该单向阀连接有真空泵。在进行毫牛量级的摩擦力试验时，对试验精准度要求较高，设置上述的氮气瓶或真空泵以使进行测试试验时，可以提供良好的测试环境，保障试验的准确性。

在具体设置时，以设置氮气瓶20与外罩为例，可设置气压表13，单向阀14，锁扣15，下玻璃罩16，高压导气管17，开关阀18，减压阀19，氮气瓶20，绝热片21，加热片22，温度数控器23，密封硅胶条24，上玻璃罩25。

当需要改变实验温度以及氮气环境时，首先将上玻璃罩25与下玻璃罩16结合，通过锁扣15以及密封硅胶条24对测试平台进行锁紧密封，然后通过单向阀14连接空气抽气泵对玻璃罩内的空气进行抽出，通过气压表13观察玻璃罩内的气压，当玻璃罩内气压接近零时，打开氮气气瓶20以及开关阀18，并通过调节减压阀19设定所需气压大小，向玻璃罩内通过氮气，当达到所需气压大小时，减压阀19使玻璃罩内压力自动保持稳定。本实施例还可以再通过调节温度数控器23对加热片22进行温度控制，以对样品进行加热进行实验。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.往复滑动摩擦测量测试平台，包括底座、摩擦副和用于固定被测样品的样品台，其特征在于，还包括：

样品位移平台，该样品位移平台设置于底座上并承载所述样品台，用于使承载于样品位移平台上的物体在空间内移动；

摩擦副位移平台，该摩擦副位移平台设置于底座上并承载用于与样品摩擦的摩擦副，用于使承载于摩擦副位移平台上的物体在空间内移动；以及

第一支撑梁，所述第一支撑梁的自由端设置所述的样品台，该第一支撑梁的固定端连接样品位移平台，所述样品台通过该第一支撑梁承载于样品位移平台上；

第二支撑梁，所述第二支撑梁的自由端设置所述的摩擦副，该第二支撑梁的固定端连接摩擦副位移平台，所述摩擦副通过该第一支撑梁承载于摩擦副位移平台上；其中

所述第一支撑梁的侧旁设置有用于检测其弯曲时其发生的形变位移的非接触式的第一位移传感器；所述第二支撑梁的侧旁设置有用于检测其弯曲时其发生的形变位移的非接触式的第二位移传感器；所述第二位移传感器需测定的第二支撑梁位移的方向与所述第一位移传感器需测定的第一支撑梁位移的方向垂直。

2.如权利要求1所述的往复滑动摩擦测量测试平台，其特征在于，所述样品位移平台包括第一位移平台和第二位移平台，所述第二位移平台的支撑端承载于第一位移平台的移动端上；所述第一支撑梁的固定端设置于第二位移平台的移动端上。

3.如权利要求2所述的往复滑动摩擦测量测试平台，其特征在于，所述第一位移平台的移动端、第二位移平台的移动端和摩擦副位移平台的移动端的运行轨迹均为直线；所述第一位移平台的移动端运行轨迹、第二位移平台的移动端运行轨迹和摩擦副位移平台的移动端运行轨迹两两相互垂直。

4.如权利要求1所述的往复滑动摩擦测量测试平台，其特征在于，所述第一位移传感器通过刚性悬梁承载于样品位移平台上；所述第二位移传感器通过刚性悬梁承载于摩擦副位移平台上。

5.如权利要求4所述的往复滑动摩擦测量测试平台，其特征在于，所述刚性悬梁上设置有沿该刚性悬梁长度方向延伸的滑槽，所述第一位移传感器和第二位移传感器通过所述滑槽可上下移动的设置在其所在的刚性悬梁上。

6.如权利要求1所述的往复滑动摩擦测量测试平台，其特征在于，所述第一支撑梁的固定端通过连接板组连接所述样品台；所述连接板组由两个位于第一支撑梁侧方的、平行的弹簧片组成，该弹簧片沿摩擦副位移平台的移动端移动方向排列。

7.如权利要求6所述的往复滑动摩擦测量测试平台，其特征在于，所述第二支撑梁由两个平行的弹簧片组成，所述摩擦副通过贯穿所述平行的弹簧片的夹具固定在第二支撑梁上。

8.如权利要求7所述的往复滑动摩擦测量测试平台，其特征在于，所述第一支撑梁可拆卸式的设置于样品位移平台上；所述第二支撑梁可拆卸式的设置于摩擦副位移平台上。

9.如权利要求8所述的往复滑动摩擦测量测试平台，其特征在于，还包括用于密封内腔的外罩，所述底座、样品位移平台和摩擦副位移平台设置于该外罩内。

10.如权利要求9所述的往复滑动摩擦测量测试平台，其特征在于，还包括向外罩内填充氮气的氮气瓶，所述氮气瓶通过减压阀与外罩内腔连通；所述外罩上设置有排气口位于外罩外部的单向阀；或者，所述外罩上设置有排气口位于外罩外部的单向阀，该单向阀连接有真空泵。