CN110779864A - 一种仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置 - Google Patents
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Abstract
一种仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置属仿生微结构摩擦磨损检测技术领域，本发明中动力机构固接于实验台基座的底板前部；摩擦机构的二导轨分别固接于实验台基座的二U形板上面；侧面监测装置的高速摄像机Ⅰ固接于实验台基座中平板Ⅱ右后部上面，红外热成像仪固接于实验台基座中平板Ⅱ的左前部上面；加载及俯视监测装置经底座的后面，固接于实验台基座中立板的前面；本发明中力传感器和加速度传感器互补，使摩擦力测量精度提高；用力传感器实时反馈，能实现精确加载；可更换不同摩擦试样探究不同仿生微结构对摩擦性能的影响；可更换不同摩擦片，快速准确实时监测不同试样的摩擦力学特性、磨损、温度和应力变化。
Description
技术领域
本发明属于仿生微结构摩擦磨损检测领域，尤其涉及一种仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置。
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。
在仿生学研究过程中，对所仿生的形态的摩擦磨损的性能的研究也是一项非常重要的研究内容，对仿生结构性能的评估和优化设计有着重要意义。目前现有的摩擦测试仪器大都是在旋转的摩擦片上进行的，这会导致试样不同位置摩擦的线速度是不一致的，而速度对于磨损情况有较大的影响。并且目前的摩擦磨损测量仪器不能实现即时的信息采集分析，无法实时观察摩擦过程中的磨损情况。
综上所述，仿生微结构摩擦检测技术的发展迫切需要一种仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置，可以精确快速测试被测试样的摩擦力学和磨损特性并可以实时观察试样摩擦磨损情况。设计开发出一种仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置，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仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置，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、摩擦机构C、侧面监测装置D和加载及俯视监测装置E组成，动力机构B经其上的轴承座Ⅰ14、轴承座Ⅱ20、电机支架10的横板11固接于实验台基座A的底板1前部上面；摩擦机构C的导轨Ⅰ30下面固接于实验台基座A的U形板Ⅱ 8上面，摩擦机构C的导轨Ⅱ31下面固接于实验台基座A的U形板Ⅰ2上面；侧面监测装置D 的高速摄像机Ⅰ37经支架Ⅰ36的横板固接于实验台基座A中平板Ⅱ6的右后部上面，侧面监测装置D的红外热成像仪40经立杆38固接于实验台基座A中平板Ⅱ6的左前部上面；加载及俯视监测装置E经底座53的后面，固接于实验台基座A中立板5的前面。
所述的实验台基座A由底板1、U形板Ⅰ2、侧板Ⅰ3、平板Ⅰ4、立板5、平板Ⅱ6、侧板Ⅱ7和U形板Ⅱ8组成，U形板Ⅰ2固接于底板1右后部上面；侧板Ⅰ3下端固接于底板1近后部右侧面；平板Ⅰ4右端与侧板Ⅰ3上端成直角固接，立板5下端固接于平板Ⅰ4左后部上面；平板Ⅱ6成丁字形固接于侧板Ⅱ7上端；侧板Ⅱ7下端固接于底板1近后部左侧面；U形板Ⅱ8固接于底板1左后部上面。
所述的动力机构B由电机9、电机支架10、弹性联轴器13、轴承座Ⅰ14、丝杠轴16、滑块18和轴承座Ⅱ20组成，其中支架10为由立板12和横板11组成的直角形支架，电机9固接于电机支架10的立板12前面，电机9的输出端与弹性联轴器13前端固接；滑块18上设有中心螺纹孔17和平板19，滑块18的中心螺纹孔17与丝杠轴16中部螺纹连接；丝杠轴16 后端与轴承座Ⅱ20的轴承Ⅱ21内圈过盈连接，丝杠轴16中部与滑块18的中心螺纹孔螺纹连接，丝杠轴16近前端与轴承座Ⅰ14的轴承Ⅰ15内圈过盈连接，丝杠轴16前端与弹性联轴器 13后端固接。
所述的摩擦机构C由连接件22、力传感器Ⅰ23、连接件24、摩擦片26、左纵板27、右纵板28、前横板25、加速度传感器29、导轨Ⅰ30、导轨Ⅱ31、滑块Ⅰ32、滑块Ⅱ33、滑块Ⅲ34和滑块Ⅳ35、右纵板组成，左纵板27和右纵板28之间固接摩擦片26，左纵板27上面中间固接加速度传感器29；右纵板28下面靠后固接滑块Ⅰ32，右纵板28下面靠前固接滑块Ⅱ33；左纵板27下面靠后固接滑块Ⅲ34，左纵板27下面靠前固接滑块Ⅳ27；滑块Ⅰ32和滑块Ⅱ33与导轨Ⅱ31滑动连接，滑块Ⅲ34和滑块Ⅳ35与导轨Ⅰ30滑动连接；左纵板27和右纵板28前端固接前横板25，导轨Ⅰ30、力传感器Ⅰ23和导轨Ⅱ31自前至后顺序排列并固接，连接件24后端与前横板25前面中心固接。
所述的侧面监测装置D由支架Ⅰ36、高速摄像机Ⅰ37、立杆38、支架Ⅱ39和红外热成像仪40组成，支架Ⅰ36为立板和横板组成的直角板，高速摄像机Ⅰ37固接于支架Ⅰ36的立板；红外热成像仪40固接于支架Ⅱ39左面，立杆38固接于支架Ⅱ39下面。
所述的加载及俯视监测装置E，由摩擦试样41、安装杆42、力传感器Ⅱ43、加载杆44、螺母Ⅰ46、连接件47、滑台48、丝杠49、电机Ⅱ50、底座53、安装架Ⅱ55和高速摄像机Ⅱ 56组成，连接件47的前面靠左固接有带孔板对45，连接件47后面靠右固接滑台48；底座 53由上板51、下板54、后板52组成，电机Ⅱ50固接于底座53的上板51，丝杠49上端与电机Ⅱ50输出轴固接，丝杠49中部与滑台48的中心螺纹孔螺纹连接，丝杠49底端与底座 53的下板54中心活动连接；安装架Ⅱ55为直角S形板，安装架Ⅱ55上端固接于连接件47 后面靠左，安装架Ⅱ55下端前面固接高速摄像机Ⅱ56；摩擦试样41、安装杆42、力传感器Ⅱ43、加载杆44自下而上顺序排列并固接，加载杆44上部穿过连接件47的带孔板对45,并经螺母Ⅰ46固接。
仿生微结构摩擦试样为透明材料制成，底部具有仿生微结构的试样，用于研究不同仿生微结构在摩擦实验中摩擦、磨损性能。
本发明的工作过程如下：实验之前，需要测得力传感器Ⅰ23后段连接的做往复运动的部件摩擦片安装板连接件25，滑块Ⅰ32、滑块Ⅱ33、滑块Ⅲ34、滑块Ⅳ35，摩擦片26，摩擦片安装板，加速度传感器29等的总重量。实验开始时，将仿生微结构摩擦试样41安装在摩擦试样安装杆42上，由力传感器Ⅱ43读出此时的示数，并将此时加载数值调整为零，然后通过电机丝杠模组增加载荷，直到力传感器Ⅱ43的示数达到规定数值，并将力传感器Ⅱ43的信号用于反馈调节电机丝杠模组对载荷的控制。然后按照实验要求的速度启动电机9驱动往复丝杠轴16旋转使得往复丝杠滑块18做往复运动，进而驱动往复丝杠滑块连接件22做往复运动，从而摩擦片安装板连接件24、摩擦片26、摩擦片安装板等部件做往复运动。同时由力传感器Ⅰ23测得摩擦过程中的力的变化，由加速度传感器29测得整个过程的加速度变化的情况，再根据实验前所测得的力传感器Ⅰ23后面所连接的做往复运动部件的重量之和，就可以计算得到惯性力对力传感器Ⅰ23测量结果的影响，从而得到准确的摩擦过程中摩擦力的变化数据。实验过程中，由高速摄像机Ⅰ37、高速摄像机Ⅱ56分别从侧面和上面拍摄试样的磨损情况；红外热成像仪40实时监测试样的温度分布情况。
本发明的有益效果在于：可通过更换不同仿生微结构摩擦试样来探究不同仿生微结构对摩擦性能的影响；可以通过更换不同摩擦片快速准确测试试样在不同摩擦条件下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；由于是往复式摩擦，被测试样摩擦的各点的速度是一致的；采用往复丝杠的驱动方式，速度平稳；采用力传感器和加速度传感器相互补偿的方式，摩擦力的测量结果精度很高。
附图说明
图1为仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置的轴测图(前右向)
图2为仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置的轴测图(后左向)
图3为实验台基座A的轴测图(前右向)
图4为动力机构B的轴测图(前右向)
图5为摩擦机构结构C的轴测图(前右向)
图6为摩擦机构结构C的轴测图(后左向)
图7为侧面监测装置D的轴测图(后左向)
图8为加载及俯视监测装置E的轴测图(后左向)
图9为加载及俯视监测装置E的后视图
其中：A.实验台基座 B.动力机构 C.摩擦机构 D.侧面监测装置 E.加载及俯视监测装置 1.底板 2.U形板Ⅰ 3.侧板Ⅰ 4.平板Ⅰ 5.立板 6.平板Ⅱ 7.侧板Ⅱ 8.U形板Ⅱ 9.电机 10.电机支架 11.横板 12.立板 13.弹性联轴器 14.带座轴承Ⅰ 15.轴承Ⅰ 16.往复丝杠轴 17.中心螺纹孔 18.往复丝杠滑块 19.平板 20.带座轴承Ⅱ 21.轴承Ⅱ 22.往复丝杠滑块连接件 23.力传感器Ⅰ 24.摩擦片安装板连接件 25.前横板 26.摩擦片 27.左纵板 28.右纵板 29.加速度传感器 30.导轨Ⅰ 31.导轨Ⅱ 32.滑块Ⅰ 33.滑块Ⅱ 34.滑块Ⅲ35.滑块Ⅳ 36.支架Ⅰ 37.高速摄像机Ⅰ 38.立杆 39.支架Ⅱ 40.红外热成像仪 41.仿生微结构摩擦试样 42.摩擦试样安装杆 43.力传感器Ⅱ 44.加载杆 45.带孔板对 46.螺母Ⅱ47.滑台连接件 48.滑台 49.丝杠 50.电机Ⅱ 51.上板 52.后板 53.底座 54.下板 55.高速摄像机安装架Ⅱ 56.高速摄像机Ⅱ
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行描述。
如图1至图3所示，本发明由实验台基座A、动力机构B、摩擦机构C、侧面监测装置D和加载及俯视监测装置E组成，动力机构B经其上的轴承座Ⅰ14、轴承座Ⅱ20、电机支架10 的横板11固接于实验台基座A的底板1前部上面；摩擦机构C的导轨Ⅰ30下面固接于实验台基座A的U形板Ⅱ8上面，摩擦机构C的导轨Ⅱ31下面固接于实验台基座A的U形板Ⅰ2 上面；侧面监测装置D的高速摄像机Ⅰ37经支架Ⅰ36的横板固接于实验台基座A中平板Ⅱ6 的右后部上面，侧面监测装置D的红外热成像仪40经立杆38固接于实验台基座A中平板Ⅱ6 的左前部上面；加载及俯视监测装置E经底座53的后面，固接于实验台基座A中立板5的前面。
如图3所示，所述的实验台基座A由底板1、U形板Ⅰ2、侧板Ⅰ3、平板Ⅰ4、立板5、平板Ⅱ6、侧板Ⅱ7和U形板Ⅱ8组成，U形板Ⅰ2固接于底板1右后部上面；侧板Ⅰ3下端固接于底板1近后部右侧面；平板Ⅰ4右端与侧板Ⅰ3上端成直角固接，立板5下端固接于平板Ⅰ4左后部上面；平板Ⅱ6成丁字形固接于侧板Ⅱ7上端；侧板Ⅱ7下端固接于底板1近后部左侧面；U形板Ⅱ8固接于底板1左后部上面。
如图4所示，所述的动力机构B由电机9、电机支架10、弹性联轴器13、轴承座Ⅰ14、丝杠轴16、滑块18和轴承座Ⅱ20组成，其中支架10为由立板12和横板11组成的直角形支架，电机9固接于电机支架10的立板12前面，电机9的输出端与弹性联轴器13前端固接；滑块18上设有中心螺纹孔17和平板19，滑块18的中心螺纹孔17与丝杠轴16中部螺纹连接；丝杠轴16后端与轴承座Ⅱ20的轴承Ⅱ21内圈过盈连接，丝杠轴16中部与滑块18的中心螺纹孔螺纹连接，丝杠轴16近前端与轴承座Ⅰ14的轴承Ⅰ15内圈过盈连接，丝杠轴16前端与弹性联轴器13后端固接。
如图5和图6所示，所述的摩擦机构C由连接件22、力传感器Ⅰ23、连接件24、摩擦片26、左纵板27、右纵板28、前横板25、加速度传感器29、导轨Ⅰ30、导轨Ⅱ31、滑块Ⅰ32、滑块Ⅱ33、滑块Ⅲ34和滑块Ⅳ35、右纵板组成，左纵板27和右纵板28之间固接摩擦片26，左纵板27上面中间固接加速度传感器29；右纵板28下面靠后固接滑块Ⅰ32，右纵板28下面靠前固接滑块Ⅱ33；左纵板27下面靠后固接滑块Ⅲ34，左纵板27下面靠前固接滑块Ⅳ27；滑块Ⅰ32和滑块Ⅱ33与导轨Ⅱ31滑动连接，滑块Ⅲ34和滑块Ⅳ35与导轨Ⅰ30滑动连接；左纵板27和右纵板28前端固接前横板25，导轨Ⅰ30、力传感器Ⅰ23和导轨Ⅱ31自前至后顺序排列并固接，连接件24后端与前横板25前面中心固接。
如图7所示，所述的侧面监测装置D由支架Ⅰ36、高速摄像机Ⅰ37、立杆38、支架Ⅱ39和红外热成像仪40组成，支架Ⅰ36为立板和横板组成的直角板，高速摄像机Ⅰ37固接于支架Ⅰ36的立板；红外热成像仪40固接于支架Ⅱ39左面，立杆38固接于支架Ⅱ39下面。
如附图8和图9所示，所述的加载及俯视监测装置E，由摩擦试样41、安装杆42、力传感器Ⅱ43、加载杆44、螺母Ⅰ46、连接件47、滑台48、丝杠49、电机Ⅱ50、底座53、安装架Ⅱ55和高速摄像机Ⅱ56组成，连接件47的前面靠左固接有带孔板对45，连接件47后面靠右固接滑台48；底座53由上板51、下板54、后板52组成，电机Ⅱ50固接于底座53的上板51，丝杠49上端与电机Ⅱ50输出轴固接，丝杠49中部与滑台48的中心螺纹孔螺纹连接，丝杠49底端与底座53的下板54中心活动连接；安装架Ⅱ55为直角S形板，安装架Ⅱ55上端固接于连接件47后面靠左，安装架Ⅱ55下端前面固接高速摄像机Ⅱ56；摩擦试样41、安装杆42、力传感器Ⅱ43、加载杆44自下而上顺序排列并固接，加载杆44上部穿过连接件47 的带孔板对45,并经螺母Ⅰ46固接。
Claims (6)
1.一种仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置，其特征在于：由实验台基座(A)、动力机构(B)、摩擦机构(C)、侧面监测装置(D)和加载及俯视监测装置(E)组成，动力机构(B)经其上的轴承座Ⅰ(14)、轴承座Ⅱ(20)、电机支架(10)的横板(11)固接于实验台基座(A)的底板(1)前部上面；摩擦机构(C)的导轨Ⅰ(30)下面固接于实验台基座(A)的U形板Ⅱ(8)上面，摩擦机构(C)的导轨Ⅱ(31)下面固接于实验台基座(A)的U形板Ⅰ(2)上面；侧面监测装置(D)的高速摄像机Ⅰ(37)经支架Ⅰ(36)的横板固接于实验台基座(A)中平板Ⅱ(6)的右后部上面，侧面监测装置(D)的红外热成像仪(40)经立杆(38)固接于实验台基座(A)中平板Ⅱ(6)的左前部上面；加载及俯视监测装置(E)经底座(53)的后面，固接于实验台基座(A)中立板(5)的前面。
2.按权利要求1所述的仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置，其特征在于：所述的实验台基座(A)由底板(1)、U形板Ⅰ(2)、侧板Ⅰ(3)、平板Ⅰ(4)、立板(5)、平板Ⅱ(6)、侧板Ⅱ(7)和U形板Ⅱ(8)组成，U形板Ⅰ(2)固接于底板(1)右后部上面；侧板Ⅰ(3)下端固接于底板(1)近后部右侧面；平板Ⅰ(4)右端与侧板Ⅰ(3)上端成直角固接，立板(5)下端固接于平板Ⅰ(4)左后部上面；平板Ⅱ(6)成丁字形固接于侧板Ⅱ(7)上端；侧板Ⅱ(7)下端固接于底板(1)近后部左侧面；U形板Ⅱ(8)固接于底板(1)左后部上面。
3.按权利要求1所述的仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置，其特征在于：所述的动力机构(B)由电机(9)、电机支架(10)、弹性联轴器(13)、轴承座Ⅰ(14)、丝杠轴(16)、滑块(18)和轴承座Ⅱ(20)组成，其中支架(10)为由立板(12)和横板(11)组成的直角形支架，电机(9)固接于电机支架(10)的立板(12)前面，电机(9)的输出端与弹性联轴器(13)前端固接；滑块(18)上设有中心螺纹孔(17)和平板(19)，滑块(18)的中心螺纹孔(17)与丝杠轴(16)中部螺纹连接；丝杠轴(16)后端与轴承座Ⅱ(20)的轴承Ⅱ(21)内圈过盈连接，丝杠轴(16)中部与滑块(18)的中心螺纹孔螺纹连接，丝杠轴(16)近前端与轴承座Ⅰ(14)的轴承Ⅰ(15)内圈过盈连接，丝杠轴(16)前端与弹性联轴器(13)后端固接。
4.按权利要求1所述的仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置，其特征在于：所述的摩擦机构(C)由连接件(22)、力传感器Ⅰ(23)、连接件(24)、摩擦片(26)、左纵板(27)、右纵板(28)、前横板(25)、加速度传感器(29)、导轨Ⅰ(30)、导轨Ⅱ(31)、滑块Ⅰ(32)、滑块Ⅱ(33)、滑块Ⅲ(34)和滑块Ⅳ(35)、右纵板组成，左纵板(27)和右纵板(28)之间固接摩擦片(26)，左纵板(27)上面中间固接加速度传感器(29)；右纵板(28)下面靠后固接滑块Ⅰ(32)，右纵板(28)下面靠前固接滑块Ⅱ(33)；左纵板(27)下面靠后固接滑块Ⅲ(34)，左纵板(27)下面靠前固接滑块Ⅳ(27)；滑块Ⅰ(32)和滑块Ⅱ(33)与导轨Ⅱ(31)滑动连接，滑块Ⅲ(34)和滑块Ⅳ(35)与导轨Ⅰ(30)滑动连接；左纵板(27)和右纵板(28)前端固接前横板(25)，导轨Ⅰ(30)、力传感器Ⅰ(23)和导轨Ⅱ(31)自前至后顺序排列并固接，连接件(24)后端与前横板(25)前面中心固接。
5.按权利要求1所述的仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置，其特征在于：所述的侧面监测装置(D)由支架Ⅰ(36)、高速摄像机Ⅰ(37)、立杆(38)、支架Ⅱ(39)和红外热成像仪(40)组成，支架Ⅰ(36)为立板和横板组成的直角板，高速摄像机Ⅰ(37)固接于支架Ⅰ(36)的立板；红外热成像仪(40)固接于支架Ⅱ(39)左面，立杆(38)固接于支架Ⅱ(39)下面。
6.按权利要求1所述的仿生微结构摩擦磨损过程信息采集装置，其特征在于：所述的加载及俯视监测装置(E)，由摩擦试样(41)、安装杆(42)、力传感器Ⅱ(43)、加载杆(44)、螺母Ⅰ(46)、连接件(47)、滑台(48)、丝杠(49)、电机Ⅱ(50)、底座(53)、安装架Ⅱ(55)和高速摄像机Ⅱ(56)组成，连接件(47)的前面靠左固接有带孔板对(45)，连接件(47)后面靠右固接滑台(48)；底座(53)由上板(51)、下板(54)、后板(52)组成，电机Ⅱ(50)固接于底座(53)的上板(51)，丝杠(49)上端与电机Ⅱ(50)输出轴固接，丝杠(49)中部与滑台(48)的中心螺纹孔螺纹连接，丝杠(49)底端与底座(53)的下板(54)中心活动连接；安装架Ⅱ(55)为直角S形板，安装架Ⅱ(55)上端固接于连接件(47)后面靠左，安装架Ⅱ(55)下端前面固接高速摄像机Ⅱ(56)；摩擦试样(41)、安装杆(42)、力传感器Ⅱ(43)、加载杆(44)自下而上顺序排列并固接，加载杆(44)上部穿过连接件(47)的带孔板对(45),并经螺母Ⅰ(46)固接。
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2019
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