CN110702601B - 一种双臂微载荷电刷载流摩擦测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验装置及测试方法，该装置包括两组柔性臂组件，柔性臂组件包括柔性臂、竖直运动平台和电刷束，在竖直运动平台上与柔性臂的自由端相对的位置设有电容位移传感器，电刷束固定在柔性臂的中点处且其末端与载流盘接触，电刷束上设有反射片，在载流盘的切线方向上与反射片相对应的位置设有激光位移传感器；恒流源、电刷束、滑动变阻器和载流盘间连接形成电流回路。利用该装置及对应的测试方法进行测试，有效地解决了因电刷丝直径小、柔性强、摩擦载荷及摩擦力小而导致的现有试验机无法夹持电刷束的问题，且柔性臂具有放大位移的作用，能够准确测得法向载荷F_n，通过测量电刷束微形变又可准确计算出摩擦力F_f。

Description

一种双臂微载荷电刷载流摩擦测试方法

技术领域

本发明涉及载流摩擦试验领域，具体涉及一种微小载荷电刷载流摩擦测试方法。

背景技术

电刷与集电环摩擦副用于相对转动部件间的信号和电能传输，广泛应用于风能发电机、摄像头云台、CT机等。电流通过摩擦界面时，由于接触电阻热和电弧烧蚀等因素，接触表面温度不断升高，这一温升现象将引起材料表面的热氧化，使接触表面的摩擦系数、磨损率、塑性流动和粘着性发现显著变化。变化规律和磨损机理因材料、电压和电流而异，需要开展不同电工况下的电刷丝载流摩擦实验。

目前载流摩擦试验装置及测试方法较多，专利CN201710172189.6公开一种滚动载流摩擦磨损试验机，具体是一种由法向加载部件、定轴滚动部件、液体导电部件等构成的载流摩擦试验装置，通过在定轴滚动部件上设置动态扭转传感器来测量摩擦力；专利CN201220060420.5公开一种用于电接触材料载流摩擦磨损试验机，具体是一种由夹装组件、动力组件、测量组件等构成的载流摩擦试验装置，通过气压式加载销卡夹具装卡试件来测量电接触材料的磨损率和摩擦副的载流效率；专利CN201610799220.4公开一种卧式多功能载流摩擦磨损试验机，具体是一种由摩擦环、驱动电机、样品固定板等构成的载流摩擦试验装置，通过L 型支架和弧形安装板固定块状试件，来研究待测样品在载流条件下的摩擦磨损行为。但是，上述实验装置的共同不足之处在于：不能稳定夹持电刷和精确测量微载荷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验装置及测试方法。能够有效地解决因电刷丝直径小、柔性强、摩擦载荷及摩擦力小造成的现有试验机无法夹持的问题，且柔性臂具有放大位移的作用，能够准确测得法向载荷F_n，通过测量电刷微变形可准确计算出摩擦力F_f。

本发明的技术方案为：一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验装置，包括两组柔性臂组件，柔性臂组件包括柔性臂、竖直运动平台和电刷束，柔性臂与竖直运动平台的一端通过刚性支撑连接，在竖直运动平台上与柔性臂的自由端相对的位置设有电容位移传感器，电刷束通过夹持装置固定在柔性臂的中点处，电刷束的末端与载流盘接触，电刷束上设有反射片，在载流盘的切线方向上与反射片相对应的位置设有激光位移传感器；恒流源、两组电刷束、滑动变阻器和载流盘间连接形成电流回路。

柔性臂垂直投射到载流盘上投影的轴线穿过载流盘的圆心。

所述夹持装置包括开口夹和锁紧套，锁紧套与柔性臂间以锁紧螺母锁紧，在开口夹的内侧端部设有十字槽口用于夹装电刷束，开口夹内侧端的圆锥角略微大于锁紧套内部相应位置的圆锥角，在开口夹内侧端的外表面上设有外螺纹，在锁紧套内部与外螺纹对应的位置设有内螺纹，开口夹与锁紧套通过外螺纹和内螺纹的配合螺接完成固定、且旋合时开口夹内侧端部的十字槽口口径减小达到对电刷束夹紧的效果，在开口夹与锁紧套间设有铜垫圈用于与导线连接。

柔性臂的厚度为0.5mm，宽度为10mm，长度为40mm。

柔性臂与电容位移传感器在垂直方向的距离为3-5mm。

柔性臂由PP塑料制成。

开口夹与锁紧套均由铜质材料制成。

一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验装置的测试方法，包括如下步骤：

第一步：将电刷束从开口夹末端的十字槽口穿入，将锁紧套从柔性臂底部穿过柔性臂上相应位置的连接孔后在柔性臂上方以锁紧螺母锁紧，在锁紧套开口处垫上铜垫圈后将开口夹旋入锁紧套以夹紧电刷束，使电刷束末端与载流盘接触；

第二步：对竖直运动平台施加一定的载荷，使柔性臂发生形变，电刷束与转动的载流盘接触，也发生形变；

第三步：利用激光位移传感器测量电刷束在贴反射片位置处的位移w₁；

第四步：利用电容位移传感器测量柔性臂自由端的位移w₂；

第五步：根据激光位移传感器的测量结果，结合具体公式推算出电刷束所受的摩擦力，具体过程如下：

将电刷束看做悬臂梁，受力点在梁的自由端，则可列方程：

M(x)＝-F_f·(L-x)＝EI·w″(x)；

可推出：

根据边界条件、连续条件可知：

则，可得

因此，电刷束的挠曲线方程为：

将w₁,x＝L代入上式，可得

式中，x为夹持装置底部到电刷束上任意一点的距离；

M(x)为电刷束在x处所受弯矩；

EI为电刷束的抗弯刚度；

F_f为电刷束所受的摩擦力；

w(x)为电刷束在x处的挠度；

L为夹持装置底部到电刷束下端的垂直距离；

第六步：同理，根据电容位移传感器的测量结果，结合具体公式推算出柔性臂所受的法向载荷，具体过程如下：

由上述可知:柔性臂的挠曲线方程为：

将

代入上式，可得

式中，x′为柔性臂的左端点到柔性臂上任意一点的距离；

EI′为柔性臂的抗弯刚度；

L′为柔性臂的长度；

F_n为柔性臂所受的法向载荷；

第七步：根据以上计算结果，可得电刷束的摩擦系数

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的双臂微载荷电刷载流摩擦试验装置，利用开口夹和锁紧套共同组成夹持装置，操作简单，可实现对试件快速的装卡，有效地解决了因电刷丝直径小、柔性强、摩擦载荷及摩擦力小而造成的现有试验机无法夹持的问题；

2、所选用的柔性臂具有放大位移的作用，使得电容位移传感器能够准确地测量柔性臂的位移量，使得对法向载荷Fn的计算更加可靠；

3、通过测量电刷束微变形可准确计算出摩擦力Ff。

附图说明

图1为双臂微载荷电刷载流摩擦试验装置的连接电路图；

图2为柔性臂组件的结构示意图；

图3为图2所示柔性臂组件中夹持装置的结构示意图；

图中：

1-柔性臂组件，2-载流盘，3-恒流源，4-滑动变阻器；

11-柔性臂，12-竖直运动平台，13-电刷束，14-刚性支撑，15-电容位移传感器，16-夹持装置，17-反射片，18-激光位移传感器；

161-开口夹，162-锁紧套，163-锁紧螺母，164-铜垫圈。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

如图1-3所示，本实施方式提供一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验装置，包括两组柔性臂组件1，柔性臂组件1包括柔性臂11、竖直运动平台12和电刷束 13，柔性臂11与竖直运动平台12平行设置，柔性臂11垂直投射到载流盘2上投影的轴线穿过载流盘2的圆心,柔性臂11与竖直运动平台12的一端通过刚性支撑14连接，在竖直运动平台12上与柔性臂11的自由端相对的位置设有电容位移传感器15，电刷束13通过夹持装置16固定在柔性臂11的中点处，电刷束 13的末端与载流盘2接触，电刷束13上设有反射片17，在载流盘2的切线方向上与反射片17相对应的位置设有激光位移传感器18；恒流源3、两组电刷束13、滑动变阻器4和载流盘2间连接形成电流回路。

夹持装置16包括开口夹161和锁紧套162，两者均由铜材料制成，锁紧套 162与柔性臂11间以锁紧螺母163锁紧，在开口夹161的内侧端部设有十字槽口用于夹装电刷束13，开口夹13内侧端的圆锥角略微大于锁紧套162内部相应位置的圆锥角，在开口夹161内侧端的外表面上设有外螺纹，在锁紧套162内部与外螺纹对应的位置设有内螺纹，开口夹161与锁紧套162通过外螺纹和内螺纹的配合螺接完成固定、且旋合时由于开口夹13内侧端的圆锥角略微大于锁紧套 162内部相应位置的圆锥角，所以开口夹161内侧端部的十字槽口口径在旋合的过程中逐渐减小以达到对电刷束13夹紧的效果，在开口夹161与锁紧套162间设有铜垫圈164用于与导线连接。

柔性臂11的厚度为0.5mm，宽度为10mm，长度为40mm，柔性臂11的制备材料为PP塑料。

柔性臂11与电容位移传感器15在垂直方向的距离为3-5mm。

通过竖直运动平台12的作用，使柔性臂11在竖直方向发生形变、电刷束 13与转动的载流盘2接触，在摩擦力的作用下，电刷束13在水平方向发生形变。通过传感器测出位移大小，从而推算出所受力的值。

利用该试验装置进行测试的具体方法步骤为：

第一步：将电刷束13从开口夹161末端的十字槽口穿入，将锁紧套162从柔性臂11底部穿过柔性臂11上相应位置的连接孔后在柔性臂11上方以锁紧螺母163锁紧，在锁紧套162开口处垫上铜垫圈164后将开口夹161旋入锁紧套 162以夹紧电刷束13，使电刷束13末端与载流盘2接触；

第二步：对竖直运动平台12施加一定的载荷，使柔性臂11发生形变，电刷束13与转动的载流盘2接触，也发生形变；

第三步：利用激光位移传感器18测量电刷束13在贴反射片17位置处的位移w₁；

第四步：利用电容位移传感器15测量柔性臂11自由端的位移w₂；

第五步：根据激光位移传感器18的测量结果，结合具体公式推算出电刷束 13所受的摩擦力，具体过程如下：

将电刷束看做悬臂梁，受力点在梁的自由端，则可列方程：

M(x)＝-F_f·(L-x)＝EI·w″(x)；

可推出：

根据边界条件、连续条件可知：

则，可得

因此，电刷束的挠曲线方程为：

将w₁,x＝L代入上式，可得

式中，x为夹持装置底部到电刷束上任意一点的距离；

M(x)为电刷束在x处所受弯矩；

EI为电刷束的抗弯刚度；

F_f为电刷束所受的摩擦力；

w(x)为电刷束在x处的挠度；

L为夹持装置底部到电刷束下端的垂直距离；

第六步：同理，根据电容位移传感器的测量结果，结合具体公式推算出柔性臂所受的法向载荷，具体过程如下：

由上述可知:柔性臂的挠曲线方程为：

将

代入上式，可得

式中，x′为柔性臂的左端点到柔性臂上任意一点的距离；

EI′为柔性臂的抗弯刚度；

L′为柔性臂的长度；

F_n为柔性臂所受的法向载荷；

第七步：根据以上计算结果，可得电刷束的摩擦系数

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (7)

1.一种双臂微载荷电刷载流摩擦测试方法，其主要利用双臂微载荷电刷载流摩擦试验装置完成测试过程，该装置包括两组柔性臂组件，每组柔性臂组件包括柔性臂、竖直运动平台和电刷束，柔性臂与竖直运动平台的一端通过刚性支撑连接，在竖直运动平台上与柔性臂的自由端相对的位置设有电容位移传感器，电刷束通过夹持装置固定在柔性臂的中点处，电刷束的末端与载流盘接触，电刷束上设有反射片，在载流盘的切线方向上与反射片相对应的位置设有激光位移传感器；恒流源、两组电刷束、滑动变阻器和载流盘间连接形成电流回路；

其特征在于，

所述夹持装置包括开口夹和锁紧套，锁紧套与柔性臂间以锁紧螺母锁紧，在开口夹的内侧端部设有十字槽口用于夹装电刷束，开口夹内侧端的圆锥角大于锁紧套内部相应位置的圆锥角，开口夹与锁紧套匹配螺纹相接；

测试过程具体包括如下步骤：

第一步：将电刷束从开口夹末端的十字槽口穿入，将锁紧套从柔性臂底部穿过柔性臂上相应位置的连接孔后在柔性臂上方以锁紧螺母锁紧，将开口夹旋入锁紧套以夹紧电刷束，使电刷束末端与载流盘接触；

第二步：对竖直运动平台施加一定的载荷，使柔性臂发生形变，电刷束与转动的载流盘接触，也发生形变；

第三步：利用激光位移传感器测量电刷束在贴反射片位置处的位移w₁；

第四步：利用电容位移传感器测量柔性臂自由端的位移w₂；

第五步：根据激光位移传感器的测量结果，结合具体公式推算出电刷束所受的摩擦力，具体过程如下：

将电刷束看做悬臂梁，受力点在梁的自由端，则可得电刷束任意横截面的弯矩为：M(x)＝-F_f(L-x)；

挠曲线近似微分方程为：EIw(x)^”＝M(x)＝-F_f(L-x)

积分，得：

代入边界条件：w(0)＝0

求得积分常数：C₁＝0,C₂＝0

因此，

电刷束在x处的挠度:

将w(L)＝w₁,x＝L代入上式，得

式中，x为夹持装置底部到电刷束上任意一点的距离；

M(x)为电刷束在x处所受弯矩；

EI为电刷束的抗弯刚度；

F_f为电刷束所受的摩擦力；

w(x)为电刷束在x处的挠度；

L为夹持装置底部到电刷束下端的垂直距离；

第六步：同理，根据电容位移传感器的测量结果，结合具体公式推算出柔性臂所受的法向载荷，具体过程如下：

由上述可知:电刷束在x处的挠度：

将

代入上式，得

式中，x′为柔性臂的左端点到柔性臂上任意一点的距离；

EI′为柔性臂的抗弯刚度；

L′为柔性臂的长度；

F_n为柔性臂所受的法向载荷；

第七步：根据以上计算结果，得电刷束的摩擦系数

2.如权利要求1所述的一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验测试方法，其特征在于，在开口夹内侧端的外表面上设有外螺纹，在锁紧套内部与外螺纹对应的位置设有内螺纹，开口夹与锁紧套通过外螺纹和内螺纹的配合螺接完成固定、且旋合时开口夹内侧端部的十字槽口口径减小以夹紧电刷束，在开口夹与锁紧套间设有铜垫圈。

3.如权利要求1所述的一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验测试方法，其特征在于，柔性臂垂直投射到载流盘上投影的轴线穿过载流盘的圆心。

4.如权利要求1所述的一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验测试方法，其特征在于，柔性臂的厚度为0.5mm，宽度为10mm，长度为40mm。

5.如权利要求1所述的一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验测试方法，其特征在于，柔性臂与电容位移传感器在垂直方向的距离为3-5mm。

6.如权利要求1所述的一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验测试方法，其特征在于，柔性臂由PP塑料制成。

7.如权利要求1所述的一种双臂微载荷电刷载流摩擦试验测试方法，其特征在于，开口夹与锁紧套均由铜质材料制成。

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