CN110763585A - 一种旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置 - Google Patents

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Abstract

一种旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置属机械摩擦检测技术领域，本发明采用齿轮传动，全程运行速度平稳；用扭矩传感器检测出整个实验过程中扭矩的变化，并且用编码器检测出摩擦机构的角加速度，通过实验之前的标定结果来剔除惯性力的影响，摩擦力的测量结果精度很高，且可以精确的调控摩擦机构的旋转速度；加载和监测机构用力传感器实时反馈，在实验之前将力传感器下方卡盘、试样等的重量都剔除了，消除重力对加载的影响，实现精确加载；可以更换不同摩擦片快速准确实时监视检测不同试样的摩擦力学特性、磨损情况等。

Description

一种旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置
技术领域
本发明属于机械摩擦检测领域，尤其涉及一种旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置。
背景技术
摩擦学是研究物体相对运动过程中表面间相互作用的科学。它是一门交叉学科，涉及机械、物理和化学等领域。由摩擦引起的表面形貌、表面组成和结构的变化是非常复杂的。由于表面的性质、材料种类、润滑状态以及环境气氛作用等的多样性，在实验过程中，摩擦界面随时间迅速变化，因此需对摩擦接触表面进行即时的原位分析。
目前现有的摩擦测试仪器大都是在试样摩擦实验结束后再对试样进行观察检测，不能对试样摩擦过程的各个参数进行实时的检测。
综上所述，机械摩擦检测技术的发展迫切需要一种旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，可以精确快速测试被测试样的摩擦力学和磨损特性。设计开发出一种旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，具有重要意义与实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，可快速准确测试不同试样的摩擦力学特性和磨损特性。
本发明由实验台基座A、动力机构B、侧面监测机构C、摩擦机构D、加载机构E、红外监测机构F以及底部监测机构G组成，动力机构B中轴承Ⅰ19的外圈与实验台基座A中空心柱14的内圈过盈连接；动力机构B中法兰轴24的上部外圈与实验台基座A中平板Ⅳ11的孔12活动连接；动力机构B中电机安装架15的下横板固接于实验台基座A中底板1的中部，且于实验台基座A中空心柱14的右侧；侧面监测机构C的支架Ⅰ35固接于实验台基座A中平板Ⅰ3的近左端上面，且侧面监测机构C中高速摄像机Ⅰ34的镜头对准加载机构E的卡盘39；摩擦机构D的安装板27固接于动力机构B中法兰轴24的上面，且安装板27与法兰轴24同心；加载机构E中底座51的下板50固接于实验台基座A中平板Ⅱ7的上面，加载机构E中底座51的右板52固接于实验台基座A中立板Ⅱ4的左面；红外监测机构F中安装架37的螺纹杆与实验台基座A中立板Ⅲ6的螺纹孔5螺纹连接，并由红外监测机构F中的螺母Ⅰ38锁紧；底部监测机构G中支架Ⅱ54的横板固接于实验台基座A中平板Ⅲ8的后部。
所述的实验台基座A由底板1、立板Ⅰ2、平板Ⅰ3、立板Ⅱ4、立板Ⅲ6、平板Ⅱ7、平板Ⅲ8、立板Ⅳ10、平板Ⅳ11、T型板13和空心柱14组成，平板Ⅲ8后部设有导线孔9，平板Ⅲ8前部与立板Ⅳ10上端固接；平板Ⅲ8和立板Ⅳ10固接于立板Ⅰ2后面正中；立板Ⅰ2固接于底板1近前部，平板Ⅰ3固接于立板Ⅰ2上端，平板Ⅱ7固接于立板Ⅱ4左面中部；立板Ⅲ6中部设有螺纹孔5，立板Ⅲ6固接于立板Ⅱ4右面，立板Ⅲ6和立板Ⅱ4下端固接于平板Ⅰ3右部上面；平板Ⅳ11前部设有中孔12；T型板13下端固接于底板1近后部，平板Ⅳ11后端与T型板13上端固接；空心柱14固接于底板1近后部，空心柱14位于T型板13和立板Ⅰ2之间、且空心柱14的中心线与平板Ⅳ11中孔12的中心线在一条垂线上。
所述的动力机构B由支架15、齿轮Ⅰ16、电机18、轴承Ⅰ19、齿轮轴20、齿轮Ⅱ17、扭矩传感器21、编码器22、支座23、法兰轴24和轴承Ⅱ25、支架15为直角S形，电机18固接于支架15的上横板，齿轮Ⅰ16固接于电机18的输出轴；轴承Ⅰ19、齿轮Ⅱ17、扭矩传感器21、编码器22、支座23、轴承Ⅱ25和法兰轴24自下而上顺序排列，其中轴20下端与轴承Ⅰ19内圈过盈连接，轴20近下端固接齿轮Ⅱ17；法兰轴24近上端与轴承Ⅱ25内圈过盈连接；轴承Ⅱ25外圈与支座23的沉孔过盈连接；编码器22固接于法兰轴24下部；齿轮Ⅰ16与齿轮Ⅱ17啮合；扭矩传感器21上端固接于法兰轴24下端扭矩传感器21下端固接于轴20上端。
所述的侧面监测机构C由高速摄像机Ⅰ34和支架Ⅰ35组成，支架Ⅰ35为由横板和立板组成的直角形板，高速摄像机Ⅰ34固接于支架Ⅰ35的立板左面，且高速摄像机Ⅰ34的镜头朝向卡盘39。
所述的摩擦机构D由摩擦片26和安装板27组成，摩擦片26为圆环形片，安装板27为圆形板；摩擦片26固接于安装板27上面，在摩擦片26的圆环面上对称设有长条孔Ⅰ28和长条孔Ⅱ31，安装板27与摩擦片26的对应位置设有长条孔Ⅲ29和长条孔Ⅳ32，安装板23的长条孔Ⅲ29和长条孔Ⅳ32下面分别固接透明玻璃Ⅰ30和透明玻璃Ⅱ33。
所述的摩擦片安装板通过六个螺钉安装固定在法兰轴的上端面上，摩擦片通过十二个螺钉安装固定在摩擦片安装板上；其中摩擦片安装板上有两个相隔180°分布的长条孔，并用透明玻璃将孔覆盖上，摩擦片上有两个与摩擦片安装板对应的两个长条孔，用于从下方观测摩擦试样的磨损情况。
所述的加载机构E由卡盘39、卡盘连接杆40、力传感器41、传动杆42、螺母Ⅱ44、连接板45、滑台46、步进电机47、丝杠49、底座51组成；连接板45为长方形板，连接板45的左面靠后固接有带孔板对43，连接板45右面靠前固接滑台46；底座38由上板48、下板50、右板52组成，步进电机47固接于底座51的上板48，丝杠49上端与步进电机47的输出轴固接，丝杠49中部与滑台46的中心螺纹孔螺纹连接，丝杠49底端与底座51的下板50中心活动连接；卡盘39、卡盘连接杆40、力传感器41、传动杆42、螺母Ⅱ44自下而上顺序排列并固接，传动杆42上部穿过连接板45的带孔板对43,并经螺母Ⅱ44固接。
所述的红外监测机构F由红外热成像仪36、安装架37和螺母Ⅰ38组成，红外热成像仪36固接于安装架37左面，朝向摩擦片26，螺母Ⅰ38与螺纹杆前部螺纹连接；红外热成像仪36朝向卡盘39。
所述的底部监测机构G由高速摄像机Ⅱ53和支架Ⅱ54组成，支架Ⅱ54为由横板和立板组成的直角形，高速摄像机Ⅱ53固接于支架Ⅱ54的立板的后面，且高速摄像机Ⅱ53的镜头朝上。
本发明的工作过程如下：
在正式测量之前，需要让实验台空转，利用编码器22和扭矩传感器21对实验台进行标定，得到实验台自身的惯性力与旋转角加速度的关系，以便剔除惯性力对测量结果的影响；完成标定之后，调整卡盘39，安装夹紧摩擦试样，力传感器41测得此时的读数，并将此时的数值调整为零，以剔除加载机构C自身重力对加载的影响；然后利用电机丝杠模组49控制摩擦试样向下运动，直到力传感器41测量的所加载荷达到实验设计要求。按照实验要求启动电机18，由齿轮Ⅰ16带动齿轮轴20，动力经过扭矩传感器21、法兰轴24的传递，最终带动摩擦片安装板27及摩擦片26做旋转运动。按照试验要求控制电机18运行速度，由扭矩传感器21、编码器22、高速摄像机Ⅰ34、红外热成像仪36、高速摄像机Ⅱ53实时对试样摩擦的各个参数进行监测。
本发明的有益效果在于：可通过更换不同摩擦片快速准确测试不同试样的摩擦力学特性和磨损特性；可以实时监控试样的摩擦力学特性、磨损情况以及温度、应力变化情况；由于是旋转式摩擦，摩擦盘旋转速度平稳；采用扭矩传感器和编码器相互补偿的方式，剔除了惯性力的影响，摩擦力的测量结果精度很高。
附图说明
图1为旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置的结构示意图(前侧)
图2为旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置的结构示意图(后侧)
图3为本发明去掉摩擦片和摩擦片安装板后的前侧示意图
图4为本发明去掉摩擦片和摩擦片安装板后的后侧示意图
图5为实验台基座A的后侧示意图
图6为实验台基座A的前侧示意图
图7为动力机构B的后侧示意图
图8为动力机构B的前侧示意图
图9为动力机构B和摩擦机构D的局部剖视图
图10为侧面监测机构C的结构示意图
图11为红外监测机构F的结构示意图
图12为加载机构E的结构示意图
图13为底部监测机构G的结构示意图
其中：A.实验台基座 B.动力机构 C.侧面监测机构 D.摩擦机构 E.加载机构 F.红外监测机构 G.底部监测机构 1.底板 2立板Ⅰ 3.平板Ⅰ 4.立板Ⅱ 5.螺纹孔 6.立板Ⅲ7.平板Ⅱ 8.平板Ⅲ 9.导线孔 10.立板Ⅳ 11.平板Ⅳ 12.中孔 13.T型钢板 14.空心柱15.电机安装架 16.齿轮Ⅰ 17.齿轮Ⅱ 18.电机 19.轴承Ⅰ 20.齿轮轴 21.扭矩传感器 22.编码器 23.编码器固定支架 24.法兰轴 25.轴承Ⅱ 26.摩擦片 27.摩擦片安装板 28.长条孔Ⅰ 29.长条孔Ⅲ 30.透明玻璃Ⅰ 31.长条孔Ⅱ 32.长条孔Ⅳ 33.透明玻璃Ⅱ 34.高速摄像机Ⅰ 35.高速摄像机支架Ⅰ 36.红外热成像仪 37.红外热成像仪安装架 38.螺母Ⅰ 39.卡盘 40.卡盘连接杆 41.力传感器 42.传动杆 43.带孔板对 44.螺母Ⅱ 45.连接板 46.滑台 47.步进电机 48.上板 49.丝杠 50.下板 51.电机丝杠模组底座 52.右板 53.高速摄像机Ⅱ 54.高速摄像机支架Ⅱ
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行描述。
如附图1至图4所示，本发明由实验台基座A、动力机构B、侧面监测机构C、摩擦机构D、加载机构E、红外监测机构F以及底部监测机构G组成，动力机构B中轴承Ⅰ19的外圈与实验台基座A中空心柱14的内圈过盈连接；动力机构B中法兰轴24的上部外圈与实验台基座A中平板Ⅳ11的孔12活动连接；动力机构B中电机安装架15的下横板固接于实验台基座A中底板1的中部，且于实验台基座A中空心柱14的右侧；侧面监测机构C的支架Ⅰ35固接于实验台基座A中平板Ⅰ3的近左端上面，且侧面监测机构C中高速摄像机Ⅰ34的镜头对准加载机构E的卡盘39；摩擦机构D的安装板27固接于动力机构B中法兰轴24的上面，且安装板27与法兰轴24同心；加载机构E中底座51的下板50固接于实验台基座A中平板Ⅱ7的上面，加载机构E中底座51的右板52固接于实验台基座A中立板Ⅱ4的左面；红外监测机构F中安装架37的螺纹杆与实验台基座A中立板Ⅲ6的螺纹孔5螺纹连接，并由红外监测机构F中的螺母Ⅰ38锁紧；底部监测机构G中支架Ⅱ54的横板固接于实验台基座A中平板Ⅲ8的后部。
如图5和图6所示，所述的实验台基座A由底板1、立板Ⅰ2、平板Ⅰ3、立板Ⅱ4、立板Ⅲ6、平板Ⅱ7、平板Ⅲ8、立板Ⅳ10、平板Ⅳ11、T型板13和空心柱14组成，平板Ⅲ8后部设有导线孔9，平板Ⅲ8前部与立板Ⅳ10上端固接；平板Ⅲ8和立板Ⅳ10固接于立板Ⅰ2后面正中；立板Ⅰ2固接于底板1近前部，平板Ⅰ3固接于立板Ⅰ2上端，平板Ⅱ7固接于立板Ⅱ4左面中部；立板Ⅲ6中部设有螺纹孔5，立板Ⅲ6固接于立板Ⅱ4右面，立板Ⅲ6和立板Ⅱ4下端固接于平板Ⅰ3右部上面；平板Ⅳ11前部设有中孔12；T型板13下端固接于底板1近后部，平板Ⅳ11后端与T型板13上端固接；空心柱14固接于底板1近后部，空心柱14位于T型板13和立板Ⅰ2之间、且空心柱14的中心线与平板Ⅳ11中孔12的中心线在一条垂线上。
如图7至图9所示，所述的动力机构B由支架15、齿轮Ⅰ16、电机18、轴承Ⅰ19、齿轮轴20、齿轮Ⅱ17、扭矩传感器21、编码器22、支座23、法兰轴24和轴承Ⅱ25、支架15为直角S形，电机18固接于支架15的上横板，齿轮Ⅰ16固接于电机18的输出轴；轴承Ⅰ19、齿轮Ⅱ17、扭矩传感器21、编码器22、支座23、轴承Ⅱ25和法兰轴24自下而上顺序排列，其中轴20下端与轴承Ⅰ19内圈过盈连接，轴20近下端固接齿轮Ⅱ17；法兰轴24近上端与轴承Ⅱ25内圈过盈连接；轴承Ⅱ25外圈与支座23的沉孔过盈连接；编码器22固接于法兰轴24下部；齿轮Ⅰ16与齿轮Ⅱ17啮合；扭矩传感器21上端固接于法兰轴24下端扭矩传感器21下端固接于轴20上端。
所述的摩擦机构D由摩擦片26和安装板27组成，摩擦片26为圆环形片，安装板27为圆形板；摩擦片26固接于安装板27上面，在摩擦片26的圆环面上对称设有长条孔Ⅰ28和长条孔Ⅱ31，安装板27与摩擦片26的对应位置设有长条孔Ⅲ29和长条孔Ⅳ32，安装板23的长条孔Ⅲ29和长条孔Ⅳ32下面分别固接透明玻璃Ⅰ30和透明玻璃Ⅱ33。
所述的摩擦片安装板27通过六个螺钉安装固定在法兰轴24的上端面上，摩擦片26通过十二个螺钉安装固定在摩擦片安装板27上；其中摩擦片安装板27上有两个相隔180°分布的长条孔，并用透明玻璃将孔覆盖上，摩擦片26上有两个与摩擦片安装板27对应的两个长条孔，用于从下方观测摩擦试样的磨损情况。
如图10所示，所述的侧面监测机构C由高速摄像机Ⅰ34和支架Ⅰ35组成，支架Ⅰ35为由横板和立板组成的直角形板，高速摄像机Ⅰ34固接于支架Ⅰ35的立板左面，且高速摄像机Ⅰ34的镜头朝向卡盘39。
如图11所示，所述的红外监测机构F由红外热成像仪36、安装架37和螺母Ⅰ38组成，红外热成像仪36固接于安装架37左面，朝向摩擦片26，螺母Ⅰ38与螺纹杆前部螺纹连接；红外热成像仪36朝向卡盘39。
如图12所示，所述的加载机构E由卡盘39、卡盘连接杆40、力传感器41、传动杆42、螺母Ⅱ44、连接板45、滑台46、步进电机47、丝杠49、底座51组成；连接板45为长方形板，连接板45的左面靠后固接有带孔板对43，连接板45右面靠前固接滑台46；底座38由上板48、下板50、右板52组成，步进电机47固接于底座51的上板48，丝杠49上端与步进电机47的输出轴固接，丝杠49中部与滑台46的中心螺纹孔螺纹连接，丝杠49底端与底座51的下板50中心活动连接；卡盘39、卡盘连接杆40、力传感器41、传动杆42、螺母Ⅱ44自下而上顺序排列并固接，传动杆42上部穿过连接板45的带孔板对43,并经螺母Ⅱ44固接。
如图13所示，所述的底部监测机构G由高速摄像机Ⅱ53和支架Ⅱ54组成，支架Ⅱ54为由横板和立板组成的直角形，高速摄像机Ⅱ53固接于支架Ⅱ54的立板的后面，且高速摄像机Ⅱ53的镜头朝上。

Claims (8)

1.一种旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，其特征在于：由实验台基座(A)、动力机构(B)、侧面监测机构(C)、摩擦机构(D)、加载机构(E)、红外监测机构(F)以及底部监测机构(G)组成，动力机构(B)中轴承Ⅰ(19)的外圈与实验台基座(A)中空心柱(14)的内圈过盈连接；动力机构(B)中法兰轴(24)的上部外圈与实验台基座(A)中平板Ⅳ(11)的孔(12)活动连接；动力机构(B)中电机安装架(15)的下横板固接于实验台基座(A)中底板(1)的中部，且于实验台基座(A)中空心柱(14)的右侧；侧面监测机构(C)的支架Ⅰ(35)固接于实验台基座(A)中平板Ⅰ(3)的近左端上面，且侧面监测机构(C)中高速摄像机Ⅰ(34)的镜头对准加载机构(E)的卡盘(39)；摩擦机构(D)的安装板(27)固接于动力机构(B)中法兰轴(24)的上面，且安装板(27)与法兰轴(24)同心；加载机构(E)中底座(51)的下板(50)固接于实验台基座(A)中平板Ⅱ(7)的上面，加载机构(E)中底座(51)的右板(52)固接于实验台基座(A)中立板Ⅱ(4)的左面；红外监测机构(F)中安装架(37)的螺纹杆与实验台基座(A)中立板Ⅲ(6)的螺纹孔(5)螺纹连接，并由红外监测机构(F)中的螺母Ⅰ(38)锁紧；底部监测机构(G)中支架Ⅱ(54)的横板固接于实验台基座(A)中平板Ⅲ(8)的后部。
2.按权利要求1所述的旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，其特征在于：所述的实验台基座(A)由底板(1)、立板Ⅰ(2)、平板Ⅰ(3)、立板Ⅱ(4)、立板Ⅲ(6)、平板Ⅱ(7)、平板Ⅲ(8)、立板Ⅳ(10)、平板Ⅳ(11)、T型板(13)和空心柱(14)组成，平板Ⅲ(8)后部设有导线孔(9)，平板Ⅲ(8)前部与立板Ⅳ(10)上端固接；平板Ⅲ(8)和立板Ⅳ(10)固接于立板Ⅰ(2)后面正中；立板Ⅰ(2)固接于底板(1)近前部，平板Ⅰ(3)固接于立板Ⅰ(2)上端，平板Ⅱ(7)固接于立板Ⅱ(4)左面中部；立板Ⅲ(6)中部设有螺纹孔(5)，立板Ⅲ(6)固接于立板Ⅱ(4)右面，立板Ⅲ(6)和立板Ⅱ(4)下端固接于平板Ⅰ(3)右部上面；平板Ⅳ(11)前部设有中孔(12)；T型板(13)下端固接于底板(1)近后部，平板Ⅳ(11)后端与T型板(13)上端固接；空心柱(14)固接于底板(1)近后部，空心柱(14)位于T型板(13)和立板Ⅰ(2)之间、且空心柱(14)的中心线与平板Ⅳ(11)中孔(12)的中心线在一条垂线上。
3.按权利要求1所述的旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，其特征在于：所述的动力机构(B)由支架(15)、齿轮Ⅰ(16)、电机(18)、轴承Ⅰ(19)、齿轮轴(20)、齿轮Ⅱ(17)、扭矩传感器(21)、编码器(22)、支座(23)、法兰轴(24)和轴承Ⅱ(25)、支架(15)为直角S形，电机(18)固接于支架(15)的上横板，齿轮Ⅰ(16)固接于电机(18)的输出轴；轴承Ⅰ(19)、齿轮Ⅱ(17)、扭矩传感器(21)、编码器(22)、支座(23)、轴承Ⅱ(25)和法兰轴(24)自下而上顺序排列，其中轴(20)下端与轴承Ⅰ(19)内圈过盈连接，轴(20)近下端固接齿轮Ⅱ(17)；法兰轴(24)近上端与轴承Ⅱ(25)内圈过盈连接；轴承Ⅱ(25)外圈与支座(23)的沉孔过盈连接；编码器(22)固接于法兰轴(24)下部；齿轮Ⅰ(16)与齿轮Ⅱ(17)啮合；扭矩传感器(21)上端固接于法兰轴(24)下端扭矩传感器(21)下端固接于轴(20)上端。
4.按权利要求1所述的旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，其特征在于：所述的侧面监测机构(C)由高速摄像机Ⅰ(34)和支架Ⅰ(35)组成，支架Ⅰ(35)为由横板和立板组成的直角形板，高速摄像机Ⅰ(34)固接于支架Ⅰ(35)的立板左面，且高速摄像机Ⅰ(34)的镜头朝向卡盘(39)。
5.按权利要求1所述的旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，其特征在于：所述的摩擦机构(D)由摩擦片(26)和安装板(27)组成，摩擦片(26)为圆环形片，安装板(27)为圆形板；摩擦片(26)固接于安装板(27)上面，在摩擦片(26)的圆环面上对称设有长条孔Ⅰ(28)和长条孔Ⅱ(31)，安装板(27)与摩擦片(26)的对应位置设有长条孔Ⅲ(29)和长条孔Ⅳ(32)，安装板(23)的长条孔Ⅲ(29)和长条孔Ⅳ(32)下面分别固接透明玻璃Ⅰ(30)和透明玻璃Ⅱ(33)。
6.按权利要求1所述的旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，其特征在于：所述的加载机构(E)由卡盘(39)、卡盘连接杆(40)、力传感器(41)、传动杆(42)、螺母Ⅱ(44)、连接板(45)、滑台(46)、步进电机(47)、丝杠(49)、底座(51)组成；连接板(45)为长方形板，连接板(45)的左面靠后固接有带孔板对(43)，连接板(45)右面靠前固接滑台(46)；底座(38)由上板(48)、下板(50)、右板(52)组成，步进电机(47)固接于底座(51)的上板(48)，丝杠(49)上端与步进电机(47)的输出轴固接，丝杠(49)中部与滑台(46)的中心螺纹孔螺纹连接，丝杠(49)底端与底座(51)的下板(50)中心活动连接；卡盘(39)、卡盘连接杆(40)、力传感器(41)、传动杆(42)、螺母Ⅱ(44)自下而上顺序排列并固接，传动杆(42)上部穿过连接板(45)的带孔板对(43),并经螺母Ⅱ(44)固接。
7.按权利要求1所述的旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，其特征在于：所述的红外监测机构(F)由红外热成像仪(36)、安装架(37)和螺母Ⅰ(38)组成，红外热成像仪(36)固接于安装架(37)左面，朝向摩擦片(26)，螺母Ⅰ(38)与螺纹杆前部螺纹连接；红外热成像仪(36)朝向卡盘(39)。
8.按权利要求1所述的旋转式机械摩擦界面原位信息获取装置，其特征在于：所述的底部监测机构(G)由高速摄像机Ⅱ(53)和支架Ⅱ(54)组成，支架Ⅱ(54)为由横板和立板组成的直角形，高速摄像机Ⅱ(53)固接于支架Ⅱ(54)的立板的后面，且高速摄像机Ⅱ(53)的镜头朝上。
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