CN110749542B - 一种用于测定塑料板与钢板之间在水下的动、静摩擦系数的装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测定塑料板与钢板之间在水下的动、静摩擦系数的装置及使用方法，属于机械领域。该装置的钢板通过上下磁性固定块固定在钢滑板上，塑料板静置于钢板上。钢滑板一端与钢底座连接另一端与垂直放置的套杆螺母连接。套杆螺母旋拧在螺杆上，螺杆顶部设有旋转手柄。还设有两个激光位移计：可伸缩挡板粘贴在塑料板侧面，用于接受并反射激光位移计方向上的激光；另一个激光位移计激光通过圆筒接收并反射，测量钢滑板在竖直方向上的高度变化，圆筒粘贴在钢滑板上。本装置置于盛水的水箱中，通过缓慢旋转手柄提升钢滑板高度，至塑料板开始滑动时停止转动，测得相应静、动摩擦系数。本装置安装便捷、操作简便、测量精度高，能够测定水中待测物体间的摩擦系数。
Description
技术领域
本发明属于机械领域，涉及一种用于测定水下塑料板与钢板之间的动、静摩擦系数的装置及使用方法。
背景技术
斜面法为常见的摩擦系数测定方法：将物体置于斜面上，如果物体的最大静摩擦力大于下滑力，则物体会静止不动；当物体的下滑力等于其所受最大静摩擦力时，物体开始有向下滑动的趋势，选取下滑力等于最大静摩擦力的临界状态，可得到静摩擦系数μ＝tanθ，θ为斜面倾斜角度。若物体在斜面上由静止开始向下滑动，根据运动学公式有若测得物体滑动的距离S、物体滑动时间t，即可得到加速度a，再测得斜面倾斜角度θ，即可计算得动摩擦系数μd＝tanθ-a/gcosθ。基于上述原理，许多便捷式的摩擦系数测定仪被发明并应用于教学演示和工程应用。
在海洋工程、过江隧道、桥梁等涉水工程中，不同物体(特别是工程中常见的材料——塑料板与钢板间)在水下的摩擦系数是指导工程设计和施工的重要参数。现有摩擦系数的测定装置，大多只能测量空气中不同物体接触面间的摩擦系数，尚无专门针对物体在水下的摩擦系数测定装置。
由于现有装置无法满足水下摩擦系数测定的工程需求，急需一种新型的摩擦系数测定装置，可以测定物体在水中的静摩擦系数和动摩擦系数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便的用于物体在水下的动、静摩擦系数测定的装置，旨在解决现有摩擦系数测定装置不能测量水中塑料板与钢板接触面间摩擦系数的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种用于测定塑料板与钢板之间在水下的动、静摩擦系数的装置，所述的装置放置在盛水21的水箱20中，包括螺杆1、套杆螺母2、圆筒3、旋转手柄4、钢丝绳5、激光位移计6、塑料板7、钢板8、铰链9、磁性固定挡板10、磁性固定块11、可伸缩挡板12、钢架13、钢滑板14、钢底座15、激光位移计16、升降稳定杆17、可伸缩杆A18和可伸缩杆B19。
所述的钢板8通过下部磁性固定挡板10和上部磁性固定块11固定在钢滑板14上，磁性固定挡板10和磁性固定块11均固定在钢滑板14上，二者共同用于固定钢板8的位置；所述的塑料板7静置于钢板8上，磁性固定挡板10用于阻挡塑料板7继续下滑。所述的钢滑板14一端通过铰链9与底部水平放置的钢底座15连接，另一端通过钢丝绳5与垂直放置的套杆螺母2连接。所述的套杆螺母2旋拧在螺杆1上，钢底座15靠近套杆螺母2的一端设有钢架13，钢架13顶部设有通孔，用于穿过螺杆1，且螺杆1顶部设有可旋转的手柄4，旋转手柄4可使套杆螺母2上下移动，进而改变钢滑板14与钢底座15之间的夹角。装置共设有两个激光位移计，所述的激光位移计16通过可伸缩杆A18安装在钢架13顶部，其水平和垂直高度可以调整，用于测量钢滑板14抬升的高度变化，以确定塑料板7滑动时斜面的倾斜角度；所述的激光位移计6通过可伸缩杆B19安装在钢滑板14靠近套杆螺母2的一端，用于测量塑料板7滑动的时间以及在斜面上滑动的距离。
所述的可伸缩挡板12粘贴在塑料板7侧面，用于接受并反射激光位移计6方向上的激光，从而避免激光射入水中(当需要测试物块在水中的摩擦系数时，由于激光在水中发生折射等现象影响测试结果的精度，本发明通过粘贴在待测塑料板7侧面上的可伸缩挡板12来代替塑料板7接收并反射激光位移计6方向上的激光，进而避免激光射入水中，间接确定塑料板7的运动时间、运动距离等信息)。所述的可伸缩挡板12的平面应保证与激光位移计6发射的激光方向垂直，并且应具有足够高度以使其接受激光部位在试验过程中始终处于水面以上。
所述的圆筒3为带有平底的开口圆筒，粘贴在钢滑板14靠近套杆螺母2的一端，激光位移计16所测的竖直方向上的激光通过圆筒3接收并反射，激光可以照射到圆筒3的底平面，实现测量钢滑板14在竖直方向上的高度变化。所述圆筒3应具有足够的直径和高度，保证试验过程中圆筒3不进水，且激光位移计16的激光始终能照射到圆筒3内的底平面。
进一步的，为保证套杆螺母2能顺利稳定提升钢滑板14，在钢架13上焊接2根由细钢杆构成的升降稳定杆17。
进一步的，所述的塑料板材质为聚四氟乙烯。
一种用于测定水下塑料板与钢板之间静、动摩擦系数的装置的使用方法，将本装置置于盛水的水箱20中，通过缓慢旋转手柄4来提升钢滑板14的高度，直到塑料板7开始滑动时，停止转动，测得相应静、动摩擦系数，其静、动摩擦系数的具体步骤如下：
(1)采用磁性固定挡板10、磁性固定块11固定钢板8，将塑料板7放到钢板8上。通过旋转手柄4将钢滑板14的角度调整到合适位置，使塑料板7、钢板8可以相对静止于装置上；
(2)调整塑料板7的位置，使激光位移计6能够垂直照射到粘贴于塑料板7上的可伸缩挡板12上，调整可伸缩挡板12与可伸缩杆B19，使激光位移计6的激光与可伸缩挡板12的连线与钢滑板14保持平行，并保证可伸缩挡板12位于水面之上，以保证结果的准确性；
(3)通过可伸缩杆A18调节激光位移计16的位置，使得激光能够竖直照射到圆筒3的底面，并保证钢滑板14在提升的过程中，激光始终可以照射到圆筒3的底面；
(4)打开激光位移计6和激光位移计16，记录塑料板7和激光位移计6的相对位置，激光位移计16和圆筒3底部的相对位置以及试验时间。缓慢旋转手柄4，直到塑料板7开始向下滑动，停止旋转手柄4，并停止采集激光位移计6和激光位移计16；
(5)用塑料板7开始下滑时刻激光位移计16与钢底座15的距离，减去激光位移计16与圆筒3底面的距离，得到钢滑板14抬升的高度H；L为激光位移计16到铰链9中心的水平距离，通过公式计算得到静摩擦系数μ。
(6)根据激光位移计6得到塑料板7滑动的距离S和试验时间t，得到2S-t2曲线，采用塑料板滑动时的2S-t2曲线拟合运动加速度a，最后代入公式μd＝tanθ-a/gcosθ，可得动摩擦系数μd。
本发明的有益效果为：该装置不仅可在空气介质中测量待测物体间的摩擦系数，也可满足测定水中待测物体间的摩擦系数，克服了现有摩擦系数测定装置无法测定水下摩擦系数的困难；同时本装置具有安装便捷、操作简便、测量精度高等优点，可用于实验室试验和现场试验。
附图说明
图1为本发明一种用于测定塑料板与钢板之间在水下的动、静摩擦系数的装置侧视图(在水箱20中)；
图2为一种用于测定塑料板与钢板之间在水下的动、静摩擦系数的装置轴测图(无水箱)；
图3为升降稳定杆17和螺母2的局部放大示意图；
图4为套杆螺母2的俯视图；
图5为聚四氟乙烯板2S-t2曲线和加速度线性拟合图。
图中各标记如下：1螺杆，2套杆螺母，3圆筒，4手柄，5钢丝绳，6激光位移计，7塑料板，8钢板，9铰链，10磁性固定挡板，11磁性固定块，12可伸缩挡板，13钢架，14钢滑板，15钢底座，16激光位移计，17升降稳定杆，18可伸缩杆A，19可伸缩杆B，20水箱，21水。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，本实施例提供一种用于测定塑料板与钢板之间在水下的动、静摩擦系数的装置。聚四氟乙烯又称“塑料王”，是一种工程中常用的塑料，因其具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，常被用作滑动支座、沉管接头的移动滑道等。因此，测定聚四氟乙烯板与其它材料之间的水下摩擦系数对于指导河、海等涉水工程的设计与施工具有十分重要的意义。本装置包括：螺杆1、套杆螺母2、圆筒3、手柄4、钢丝绳5、激光位移计6、聚四氟乙烯板7、钢板8、铰链9、磁性固定挡板10、磁性固定块11、可伸缩挡板12、钢架13、钢滑板14、钢底座15、激光位移计16、升降稳定杆17、可伸缩杆A18和可伸缩杆B19。所述的升降稳定杆17与套杆螺母2的局部放大图如图3所示，套杆螺母2的俯视图如图4所示。所述套杆螺母2通过中间的圆孔旋拧在螺杆1上；所述升降稳定杆17由两根圆形钢柱构成，焊接固定在钢架13上并垂直穿过螺母2边缘的两个圆孔，作用是在套杆螺母2提升时稳定套杆螺母2。所述的钢丝绳5用于连接套杆螺母2和钢滑板14，圆筒3用于防止激光照射到水中导致的测量结果的偏差，激光位移计16和激光位移计6分别通过可伸缩杆A18和可伸缩杆B19安装在钢架13和钢滑板14上的合适位置，用于测量钢滑板14抬起的高度和聚四氟乙烯板7滑动的时间、距离；磁性固定挡板10用于阻挡聚四氟乙烯板7继续下滑，和磁性固定块11共同用于固定钢板8的位置；钢架13用于固定螺杆1，固定于聚四氟乙烯板7上的可伸缩挡板12起信号反馈作用。
除上述装置以外，还包括数据采集系统，所述的数据采集系统与激光位移计、电脑相连，用于采集由激光位移计传输过来的电信号并且转化为相应的数字信号输入电脑中，得到相应的位移、时间等信息。
本发明提出的一种用于水下塑料(聚四氟乙烯)板与钢板之间动、静摩擦系数测定的装置，测量摩擦系数的具体步骤如下：
(1)用磁性固定挡板10、磁性固定块11固定钢板8，将聚四氟乙烯板7放到钢板8上。通过调整旋转手柄4将钢滑板14的角度调整到合适位置，使聚四氟乙烯板7、钢板8可以相对静止于装置上；
(2)调整聚四氟乙烯板7的位置，使激光位移计6能够垂直照射到粘贴于聚四氟乙烯板7上的可伸缩挡板12上，调整可伸缩挡板12与可伸缩杆B19，使激光位移计6的激光与可伸缩挡板12的连线与钢滑板14保持平行，并保证可伸缩挡板12位于水面之上，以保证结果的准确性；
(3)通过可伸缩杆A18调节激光位移计16的位置，使得激光能够竖直照射到圆筒3的底面，并保证钢滑板14在提升的过程中，激光始终可以照射到圆筒3的底面；
(4)打开激光位移计6和激光位移计16，记录聚四氟乙烯板7和激光位移计6的相对位置，激光位移计16和圆筒3底部的相对位置以及试验时间。缓慢旋转手柄4，直到聚四氟乙烯板7开始向下滑动，停止旋转手柄4，并停止采集激光位移计6和激光位移计16；
(5)用聚四氟乙烯板7开始下滑时刻激光位移计16与钢底座15的距离510.1mm，减去激光位移计16与圆筒3底面的距离464.4mm，得到钢滑板14抬升的高度H＝45.7mm；L为激光位移计16到铰链9中心的水平距离，L＝405.5mm，通过公式计算得到静摩擦系数μ＝0.113。
(6)根据激光位移计6得到聚四氟乙烯板7滑动的距离S和试验时间t得到2S-t2曲线，用聚四氟乙烯板滑动时的2S-t2曲线拟合其运动的加速度a＝5.661mm/s2，如图5所示，最后代入公式μd＝tanθ-a/gcosθ，最终可得动摩擦系数μd＝0.112。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于测定塑料板与钢板之间在水下的动、静摩擦系数的装置，其特征在于，所述的装置包括螺杆(1)、套杆螺母(2)、圆筒(3)、旋转手柄(4)、激光位移计(6)、塑料板(7)、钢板(8)、磁性固定挡板(10)、磁性固定块(11)、可伸缩挡板(12)、钢架(13)、钢滑板(14)、钢底座(15)、激光位移计(16)、升降稳定杆(17)、可伸缩杆A(18)和可伸缩杆B(19)；
所述的钢板(8)通过下部磁性固定挡板(10)和上部磁性固定块(11)固定在钢滑板(14)上，两个磁性固定挡板(10)、磁性固定块(11)均固定在钢滑板(14)上；所述的塑料板(7)静置于钢板(8)上，磁性固定挡板(10)用于阻挡塑料板(7)继续下滑；所述的钢滑板(14)一端通过铰链(9)与底部水平放置的钢底座(15)连接，另一端通过钢丝绳(5)与垂直放置的套杆螺母(2)连接；所述的套杆螺母(2)旋拧在螺杆(1)上，钢底座(15)靠近套杆螺母(2)的一端设有钢架(13)，钢架(13)顶部设有通孔，用于穿过螺杆(1)，且螺杆(1)顶部设有可旋转的手柄(4)，旋转手柄(4)可使套杆螺母(2)上下移动，进而改变钢滑板(14)与钢底座(15)之间的夹角；所述的激光位移计(16)通过可伸缩杆A(18)安装在钢架(13)顶部，其水平和垂直高度可以调整，用于测量钢滑板(14)抬升的高度变化，确定塑料板(7)滑动时斜面的倾斜角度；所述的激光位移计(6)通过可伸缩杆B(19)安装在钢滑板(14)靠近套杆螺母(2)的一端，用于测量塑料板(7)滑动的时间以及在斜面上滑动的距离；
所述的可伸缩挡板(12)粘贴在塑料板(7)侧面，用于接受并反射激光位移计(6)方向上的激光，并避免激光射入水中，且可伸缩挡板(12)的平面保证与激光位移计(6)发射的激光方向垂直，具有足够高度使其接受激光部位在试验过程中始终处于水面以上；
所述的圆筒(3)为带有平底的开口圆筒，粘贴在钢滑板(14)靠近套杆螺母(2)的一端，激光位移计(16)所测的竖直方向上的激光通过圆筒(3)接收并反射，激光可以照射到圆筒(3)的底平面，实现测量钢滑板(14)在竖直方向上的高度变化；所述圆筒(3)在试验过程中不进水，且激光位移计(16)的激光始终能照射到圆筒(3)内的底平面。
2.根据权利要求1所述的一种用于测定塑料板与钢板之间在水下的动、静摩擦系数的装置，其特征在于，所述钢架(13)上焊接两根由细钢杆构成的升降稳定杆(17)，保证套杆螺母(2)能顺利稳定提升钢滑板(14)。
3.根据权利要求1所述的一种用于测定塑料板与钢板之间在水下的动、静摩擦系数的装置，其特征在于，所述的塑料板材质为聚四氟乙烯。
4.采用权利要求1-3任一所述的一种用于测定塑料板与钢板之间在水下的动、静摩擦系数的装置的使用方法，其特征在于，将本装置置于盛水(21)的水箱(20)中，通过缓慢旋转手柄(4)提升钢滑板(14)的高度，直到塑料板(7)开始滑动时停止转动，测得相应静、动摩擦系数，具体步骤如下：
(1)采用磁性固定挡板(10)、磁性固定块(11)固定钢板(8)，将塑料板(7)放到钢板(8)上；通过旋转手柄(4)将钢滑板(14)的角度调整到合适位置，使塑料板(7)、钢板(8)与装置相对静止；
(2)调整塑料板(7)的位置，使激光位移计(6)能够垂直照射到粘贴于塑料板(7)上的可伸缩挡板(12)上，调整可伸缩挡板(12)与可伸缩杆B(19)，使激光位移计(6)的激光与可伸缩挡板(12)的连线与钢滑板(14)保持平行，并保证可伸缩挡板(12)位于水面之上，保证结果的准确性；
(3)通过可伸缩杆A(18)调节激光位移计(16)的位置，使得激光能够竖直照射到圆筒(3)的底面，并保证钢滑板(14)在提升的过程中，激光始终能够照射到圆筒(3)的底面；
(4)打开激光位移计(6)和激光位移计(16)，记录塑料板(7)和激光位移计(6)的相对位置，激光位移计(16)和圆筒(3)底部的相对位置以及试验时间；缓慢旋转手柄(4)，直到塑料板(7)开始向下滑动，停止旋转手柄(4)，并停止采集激光位移计(6)和激光位移计(16)；
(5)用塑料板(7)开始下滑时刻激光位移计(16)与钢底座(15)的距离，减去激光位移计(16)与圆筒(3)底面的距离，得到钢滑板(14)抬升的高度H；L为激光位移计(16)到铰链9中心的水平距离，通过公式计算得到静摩擦系数μ；
(6)根据激光位移计(6)得到塑料板(7)滑动的距离S和试验时间t，得到2S-t2曲线，采用塑料板滑动时的2S-t2曲线拟合运动加速度a，最后代入公式μd＝tanθ-a/gcosθ，可得动摩擦系数μd。
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