CN110243711A - 一种定速式摩擦磨损实验数据测量方法及试验机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定速式摩擦磨损实验数据测量方法，包括以下步骤，步骤1、按照实验的规定将实验材料制成固定试件和运动试件，并分别安装在试验机的固定夹具和运动夹具上；步骤2、根据实验要求设定施加载荷、温度和时间等试验参数；步骤3、设置定速摩擦试验机的运动速度，使得定速摩擦试验机的运动夹具的运动频率f1与定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2为倍数关系；步骤4、启动定速摩擦试验机进行磨擦磨损实验，并通过传感器进行实验数据采集；步骤5、根据采集的数据进行试件的摩擦、磨损性能分析。该方法由于数据采集时刻试验试件的相对位置固定，消除了由于加工误差或安装误差造成的检测结果不准确的问题，提高了检测精度。

Description

一种定速式摩擦磨损实验数据测量方法及试验机
技术领域
本发明涉及摩擦磨损检测技术领域，具体涉及定速式摩擦磨损实验数据测量方法。
背景技术
摩擦学是以试验研究为主的科学，根据摩擦学系统理论，在进行摩擦学试验时，应当根据实际摩擦系统，选择相似的摩擦副和摩擦试验条件进行试验。摩擦现象十分复杂，是多种因素影响的综合表现，因而在摩擦学试验研究过程中，为了尽可能得出可靠的结论，必须严格控制试验条件，避免试验变量以外的干扰因素。但是一些误差无法避免，总会对试验结果造成干扰，比如制造摩擦副试验样件时的加工误差形成的形位公差、样件在摩擦试验机上装夹的安装误差等，例如，如图1中由于加工误差，盘试样表面的质量存在缺陷平面度误差，销试样与盘试样在摩擦时，相对位置在不断改变的过程中，摩擦界面的贴合状态也不断变化；如图2所示，盘试样表面有平行度误差，因此销试样沿盘试样移动的轨迹与理想摩擦面有△α角度；如图3所示，销试样与盘试样在摩擦时，相对位置在不断改变过程中，销试样的运动方向与盘试样表面的加工方向形成的角度α会不停地发生变化，因此摩擦界面的贴合状态也在不断改变，对与销-套、销-销以及四球等其它摩擦副来说，会存在圆度、同轴度等形位公差，另外在试验过程中，摩擦副会持续发生磨损与腐蚀，随着摩擦进行，摩擦副表面特征也会持续变化。上述现象会造成试件出现薄厚差、端面跳动等类型的表面特征，随着销盘摩擦副相对位置的变化，摩擦界面的微观贴合状态会不断变化，干扰摩擦试验的输出结果，属于试验变量以外的干扰因素，应当避免。针对这一问题，目前往往通过提高摩擦副试验样件的加工精度或使用精密的试验机等方法尽量减小干扰，但也提高了试验成本，降低了试验效率，同时试验误差依然存在。
发明内容
本发明提出了一种定速式摩擦磨损实验数据测量方法，该方法通过对试件的同一位置进行检测获取实验数据，可以减小或消除试验样件时的加工误差、样件在摩擦试验机上装夹的安装误差等因素引起摩擦磨损检测不精确的问题。
本发明采用的技术手段如下：
一种定速式摩擦磨损实验数据测量方法，包括以下步骤，
步骤1、按照摩擦磨损实验的规定将实验材料制成固定试件和运动试件，并分别将固定试件和运动试件安装在定速摩擦试验机的固定夹具和运动夹具上；
步骤2、根据实验要求设定定速摩擦试验机的施加载荷、温度和时间；
步骤3、设置定速摩擦试验机的运动速度，使得定速摩擦试验机的运动夹具的运动频率f1与定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2为倍数关系；
步骤4、启动定速摩擦试验机，进行固定试件和运动试件的磨擦磨损实验，并通过传感器进行实验数据采集；
步骤5、在所述步骤3中，当设置运动夹具的运动频率f1为定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2的n倍时，n为1、2、3…，直接使用步骤4中采集的数据组进行试件的摩擦、磨损性能分析；当设置定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2为运动夹具的运动频率f1的n倍时，n为1、2、3…，先将步骤4中采集的数据每隔n-1个提取为一组，共获得n组数据，并利用其中任意一组或几组数据进行试件的摩擦、磨损性能分析。
进一步地，所述定速摩擦试验机的传感器包括位移检测传感器、摩擦力检测传感器和试验力检测传感器。
进一步地，所述摩擦、磨损性能分析包括利用摩擦力检测传感器采集摩擦力以进行试件的摩擦系数分析和利用位移检测传感器采集试件的磨损量以进行试件的磨损量分析。
进一步地，所述摩擦磨损实验方法可用于销-盘、销式往返、销-环、环-环、销-套、环-块、柱-柱以及四球中任意一种摩擦磨损实验。
一种定速式摩擦磨损试验机，包括，伺服电机驱动系统、固定夹具、运动夹具、试验力加载系统、位移测量系统、摩擦力测量系统以及试验力测量系统，其特征在于：所述位移测量系统的位移检测传感器、所述摩擦力测量系统的摩擦力检测传感器和所述试验力测量系统的试验力检测传感器的采样频率相同。
进一步地，所述伺服电机驱动系统包括伺服电机驱动器、伺服电机、主轴、编码器和联轴器，所述伺服电机通过联轴器与所述主轴连接，所述主轴的另一端固定所述运动夹具
与现有技术比较，本发明所述的定速式摩擦磨损实验数据测量方法具有以下有益效果：本方法通过设置定速摩擦试验机的运动速度，使得定速摩擦试验机的运动夹具的运动频率f1与定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2为倍数关系，因此实现了传感器每次采集到的数据为试件的同一位置处，并通过同一位置的数据进行摩擦磨损性能分析，可以消除由于试件加工误差或安装误差等因素而引起的检测误差，提高了检测精度。
附图说明
图1为在摩擦磨损试验中试件存在的平面度误差示意图；
图2为在摩擦磨损试验中试件存在的平行度误差示意图；
图3为在摩擦磨损试验中试件的表面加工痕迹与试件运动方向所成角度的变化情况对测量结果产生影响的示意图；
图4为本发明公开的定速式摩擦磨损实验数据测量方法的流程图；
图5为用于销-盘摩擦副的定速式摩擦磨损试验机的结构图；
图6a为本发明公开的定速式摩擦磨损实验数据测量方法的传感器采集位置(f1为f2的整数倍)的示意图，图中为销-盘的摩擦磨损实验；
图6b为本发明公开的定速式摩擦磨损实验数据测量方法的传感器采集位置(f2为f1的整数倍)的示意图，图中为销-盘的摩擦磨损实验；
图7a为本发明公开的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(低速)获得的摩擦系数曲线；
图7b为现有技术的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(低速)获得的摩擦系数曲线；
图8a为本发明公开的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(低速)获得的摩擦系数直方图；
图8b为现有技术的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(低速)获得的摩擦系数直方图；
图9a为本发明公开的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(中速)获得的摩擦系数曲线；
图9b为现有技术的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(中速)获得的摩擦系数曲线；
图10a为本发明公开的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(中速)的获得的摩擦系数直方图；
图10b为现有技术的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(中速)的获得的摩擦系数直方图；
图11a为本发明公开的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(高速)获得的摩擦系数曲线；
图11b为现有技术的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(高速)获得的摩擦系数曲线；
图12a为本发明公开的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(高速)的获得的摩擦系数直方图；
图12b为现有技术的定速式摩擦磨损实验数据测量方法(高速)的获得的摩擦系数直方图；
图13为本发明公开的方法可适用的摩擦副类型。
图中：1、伺服电机；2、编码器；3、联轴器；4、主轴；5、运动夹具；6、固定夹具；7、加载轴；8、试验力加载及测量系统；9、摩擦副相对位移测量系统(9a、位移传感器；9b、感应块)。
具体实施方式
如图4所示为本发明公开的定速式摩擦磨损实验数据测量方法，包括以下步骤，
步骤1、按照摩擦磨损实验的规定将实验材料制成固定试件和运动试件，并分别将固定试件和运动试件安装在定速摩擦试验机的固定夹具和运动夹具上；
步骤2、根据实验要求设定定速摩擦试验机的施加载荷、温度和时间；
步骤3、设置定速摩擦试验机的运动速度，使得定速摩擦试验机的运动夹具的运动频率f1与定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2为倍数关系；
步骤4、启动定速摩擦试验机，进行固定试件和运动试件的磨擦磨损实验，并通过传感器进行实验数据采集；
步骤5、在所述步骤3中，当设置运动夹具的运动频率f1为定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2的n倍时，n为1、2、3…，直接使用步骤4中采集的数据组进行试件的摩擦、磨损性能分析，具体地，如图6a所示，当f1＝nxf2时，盘试样每旋转n转，传感器采集一次数据，并且每次采集点相同(图中采集区域为圆弧形是考虑到可能存在的转动误差)；当设置定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2为运动夹具的运动频率f1的n倍时，n为1、2、3…，先将步骤4中采集的数据每隔n-1个提取为一组，共获得n组数据，并利用其中任意一组数据进行试件的摩擦、磨损性能分析，具体地，如图6b所示，当f2＝nxf1时，盘试样每旋转1转，传感器采集n个数据，为了保证采集位置的相同，对传感器采集的数据每隔n-1个进行提取，以获得同一位置的检测数据。
进一步地，所述定速摩擦试验机的传感器包括位移检测传感器、摩擦力检测传感器和试验力检测传感器，进而可以通过摩擦力检测传感器采集摩擦力以进行试件的摩擦系数分析和通过位移检测传感器采集试件的磨损量以进行试件的磨损量分析。
以下以销-盘摩擦副为实施例进行实验，分析本发明公开的检测方法与现有的检测方法的摩擦磨损实验结果。
如图5所示为用于本发明公开的定速式摩擦磨损试验机(图中的摩擦磨损试验机为用于销-盘的试验机)，包括，伺服电机驱动系统、固定夹具、运动夹具、试验力加载系统、位移测量系统、摩擦力测量系统以及试验力测量系统，
其中，伺服电机驱动系统包括伺服电机驱动器、伺服电机1、编码器2和联轴器3，伺服电机1通过联轴器3与主轴4连接，主轴4的另一端固定运动夹具5，试验力加载以测量系统8上安装有加载轴7，加载轴7上安装固定夹具6，固定夹具与运动夹具相对设置，测试试件可以分别安装在固定夹具和运动夹具上，位移测量系统和摩擦力测量系统分别用于检测摩擦磨损实验过程中的磨损量和摩擦力，以上的各部分结构、组成、连接关系以及工作过程均与现有的定速式摩擦磨损试验机相同，此处不再详细描述。本实施例中，为了保证检测精度，伺服电机直接通过联轴器与主轴连接带动运动夹具运动，也可以通过传送带或齿轮等装置进行连接，本发明公开的定速式摩擦磨损试验机与现有结构不同点在于所述位移测量系统的位移检测传感器、所述摩擦力测量系统的摩擦力检测传感器和所述试验力测量系统的试验力检测传感器的采样频率相同。
具体地，根据销盘摩擦磨损实验要求将测试材料加工成销试样和盘试样，销试样固定在定速摩擦试验机的运动夹具上，盘试样固定在试验机的固定夹具上，设定试验的载荷为30N，每组试验3分钟，使用同一摩擦副连续开展试验，以保证试验过程中温度接近。试验机可以施加的转速范围为3r/min～2000r/min，因此在此范围内分别选取低速、中速和高速三个梯度的转速进行试验验证。试验机的摩擦系数采样频率(摩擦力检测传感器)为1Hz，试验分为验证组和对比组，验证组选取的转速n(运动夹具的运动频率f1与转速为正比关系)是摩擦系数采样频率的整数倍，对比组选取的转速应当尽量接近对应验证组的转速，为的是消除因转速差异导致的摩擦系数差异。综上所述试验设置如表1：
表1低、中、高三组转速对比试验设置
启动试验机，使得销与盘进行摩擦磨损实验同时通过传感器采集相应的实验数据，由于本实施例中，运动夹具的运动频率f1为定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2的整数倍，因此，传感器采集的数据组直接用于摩擦磨损性能分析，通过以下公式进行摩擦系数计算，
其中μ为摩擦系数；F为摩擦力检测传感器测得的压力；r为摩擦力检测传感器的测量头距离旋转中心的距离；P为施加的载荷力；R为摩擦副接触中心的旋转轨迹半径。绘制摩擦系数曲线图，如图7a(240r/min)和图7b(250r/min)所示，从摩擦系数曲线图7a和图7b中可以看出低速组中240r/min摩擦系数波动频率更低，摩擦系数曲线更平滑。如图8a和图8b所示，为对应图7a和图7b的摩擦系数直方图，从摩擦系数分布直方图中可以看出240r/min摩擦系数更集中地分布在0.35附近，因此试验转速选取240r/min测得的摩擦系数数据更好。
如图9a(1020r/min)和图9b(1000r/min)所示为中速时的摩擦系数曲线图，从摩擦系数曲线图中可以看出中速组中1020r/min摩擦系数波动幅度相对更低。如图10a和图10b所示为对应图9a和图9b的摩擦系数直方图，从摩擦系数分布直方图中可以看出1020r/min摩擦系数分布更集中。因此试验转速选取1020r/min测得的摩擦系数数据更好。
如图11a(1980r/min)和图11b(2000r/min)所示为高速时的摩擦系数曲线图，图12a和图12b所示为对应图11a和图11b的摩擦系数直方图，从摩擦系数曲线图和摩擦系数分布直方图中可以看出高转速下1980r/min摩擦系数更集中，因此试验转速选取1980r/min的摩擦系数测量数据更好。
对试验得到的3组摩擦系数数据进行数值统计，通过计算标准差来分析数据的波动情况，计算数据极值点的个数和大小分析数据波动频率，综合分析对比两组数据的差异，数据统计如表2所示，可以看出，验证组和对比组的平均摩擦系数接近，说明选取接近的转速不会影响平均摩擦系数；验证组的标准差都比对比组低，最大值最小值更接近均值，从正态分布图可以看出验证组的摩擦系数数据集中在中位数附近，而对比组的数据则分布分散，说明验证组的数据更加集中，变化稳定；验证组极值的个数更少，说明数据波动频率更低。
表2对比试验数据统计
由上述试验可以证明在开展定转速摩擦磨损试验，需要对摩擦系数做采样分析时，采用本专利所提出的试验方法可以减小采集到的摩擦系数数据受摩擦副形位公差及安装误差的影响，数据采集方法更加合理。
以上只针对销-盘摩擦副进行了摩擦系数的摩擦磨损性能的分析，同样，如图13所示，该方法还可以适用于销式往返、销-环、环-环、销-套、环-块、柱-柱以及四球中任意一种摩擦副中的摩擦系数和磨损量的分析，其具体过程与上述过程相同，不在重复描述，同时针对不同的实验，可以更换相应的运动夹具和固定夹具的形式。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种定速式摩擦磨损实验数据测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1、按照摩擦磨损实验的规定将实验材料制成固定试件和运动试件，并分别将固定试件和运动试件安装在定速摩擦试验机的固定夹具和运动夹具上；
步骤2、根据实验要求设定定速摩擦试验机的施加载荷、温度和时间；
步骤3、设置定速摩擦试验机的运动速度，使得定速摩擦试验机的运动夹具的运动频率f1与定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2为倍数关系；
步骤4、启动定速摩擦试验机，进行固定试件和运动试件的磨擦磨损实验，并通过传感器进行实验数据采集；
步骤5、在所述步骤3中，当设置运动夹具的运动频率f1为定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2的n倍时，n为1、2、3…，直接使用步骤4中采集的数据组进行试件的摩擦、磨损性能分析；当设置定速摩擦试验机的传感器的采样频率f2为运动夹具的运动频率f1的n倍时，n为1、2、3…，先将步骤4中采集的数据每隔n-1个提取为一组，共获得n组数据，并利用其中任意一组数据进行试件的摩擦、磨损性能分析。
2.根据权利要求1所述的定速式摩擦磨损实验数据测量方法，其特征在于：所述定速摩擦试验机的传感器包括位移检测传感器、摩擦力检测传感器和试验力检测传感器。
3.根据权利要求2所述的定速式摩擦磨损实验数据测量方法，其特征在于：所述摩擦、磨损性能分析包括利用摩擦力检测传感器采集摩擦力以进行试件的摩擦系数分析和利用位移检测传感器采集试件的磨损量以进行试件的磨损量分析。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的定速式摩擦磨损实验数据测量方法，其特征在于：所述摩擦磨损实验方法可用于销-盘、销式往返、销-环、环-环、销-套、环-块、柱-柱以及四球中任意一种摩擦磨损实验。
5.一种定速式摩擦磨损试验机，包括，伺服电机驱动系统、固定夹具、运动夹具、试验力加载系统、位移测量系统、摩擦力测量系统以及试验力测量系统，其特征在于：所述位移测量系统的位移检测传感器、所述摩擦力测量系统的摩擦力检测传感器和所述试验力测量系统的试验力检测传感器的采样频率相同。
6.根据权利要求5所述的定速式摩擦磨损试验机，其特征在于：所述伺服电机驱动系统包括伺服电机驱动器、伺服电机、主轴、编码器和联轴器，所述伺服电机通过联轴器与所述主轴连接，所述主轴的另一端固定所述运动夹具。
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