CN110823746A - 一种摩擦磨损装置 - Google Patents

Abstract

一种摩擦磨损装置，包括微动位移产生装置、激光测距及合力测量装置、位移传导装置、试样夹具装置、控制及数据采集装置和正压力施加装置；位移传导装置包括三个平行设置的第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，第二支撑板可滑动地嵌设在第一支撑板内，第三支撑板可滑动地嵌设在第二支撑板内；第三支撑板两端相对设有第一推块、第二推块，第二支撑板两端相对设置有微动位移产生装置、激光测距及合力测量装置；第一推块左端与微动位移产生装置固定连接，第二推块右端与激光测距及合力测量装置抵接；第三支撑板中部设有试样槽，试样槽的上方设有正压力施加装置。本发明可以实时测量出在进行微动摩擦摩擦试验时，材料表面的摩擦系数。

Description

一种摩擦磨损装置

技术领域

本发明涉及微动摩擦磨损实验装置领域，尤其涉及一种摩擦磨损装置。

背景技术

在军工器件、航天、汽车等领域微动磨损所造成的损害一直是人们关注的焦点。微动磨损是指两个构件在接触表面发生幅度极小的相对运动，微动磨损造成接触表面的摩擦磨损，从而引起构件的咬合松动、效率损失等，特别是在一些高速、腐蚀等一些环境因素比较苛刻的条件下，这种危害更加巨大。例如，飞机连接件就是最容易发生的磨损形式就是微动磨损，航空发动机转子叶片与轮盘联结处工作过程中由于发动机的振动或接触面间的温度循环产生温度应力，使其接触面间极易产生微动磨损，使得产生裂纹致使零件失效。每年飞机因为微动磨损所造成的损失有上百亿美元，所以各国的学者都在积极投身到摩擦磨损的研究工作当中。

在研究微动磨损时，最重要的就是怎样来模拟一种微动磨损的情景，所以怎样设计出一种产生微动摩擦磨损的装置，成为了众多研究人员的研究方向。在模拟微动摩擦磨损时，重要的是怎样产生微动位移，微动位移得到产生的精度决定了研究结果的可信度和怎样来对试样施加正压力，保证微动磨损状态是很重要的。目前，市面上通用的微动摩擦磨损装置大多都达不到期望的微动位移，达不到目标数量级，并且不好控制施加的正压力，和在实验过程中保持不了试样所受的正压力是均匀的，因为若不能保证施加在试样上的压力是均匀的，则就会造成应力集中现象，使得结果误差较大。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种操作简单、受环境的影响因素较小的摩擦磨损装置。

本发明采用的技术方案是：一种摩擦磨损装置，包括微动位移产生装置、激光测距及合力测量装置、位移传导装置、试样夹具装置、控制及数据采集装置和正压力施加装置；

所述位移传导装置包括：三个平行设置的第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，第一支撑板的长度大于第二支撑板的长度，第二支撑板的长度大于第三支撑板的长度；第一支撑板水平设置在试验台上，第一支撑板的两侧沿其长度方向设有第一导轨，第二支撑板通过第一滚珠可滑动地设置在第一支撑板内；第二支撑板的两侧沿其长度方向设有第二导轨，第三支撑板通过第二滚珠可滑动地设置在第二支撑板内；第三支撑板沿其长度方向的左右两端相对设置有第一推块、第二推块，第二支撑板沿其长度方向的左右两端相对设置有微动位移产生装置、激光测距及合力测量装置；第一推块的左端与微动位移产生装置固定连接，第二推块的右端与激光测距及合力测量装置抵接；第三支撑板的中部设有用于放置试样的试样槽，试样槽的上方设有正压力施加装置；微动位移产生装置、试样槽和激光测距及合力测量装置位于同一条平行线上；

所述微动位移产生装置包括：促动器固定箱，促动器固定箱呈中空且顶部敞口的方体结构，促动器固定箱的顶部水平设有促动器固定箱上盖、底部水平设有推板；促动器固定箱的前、后两侧壁设有用于安装促动器固定箱上盖的第一插槽以及用于安装推板的第二插槽，第一插槽、第二插槽的左端均开口，促动器固定箱上盖和推板分别由对应的开口处插入促动器固定箱内，促动器固定箱上盖和推板的左端均设有拉手，促动器固定箱上盖还设有用于连接促动器的出线口；推板的上表面设有促动器，促动器固定箱的前、后、左三个侧壁以及促动器固定箱上盖均设有供螺栓穿过的螺孔，螺栓安装在螺孔内，并穿过螺孔伸入到促动器固定箱内部，将促动器锁紧；促动器的输出轴与促动器推头连接，促动器推头的右端贯穿促动器固定箱与第一推块固定连接；

所述激光测距及合力测量装置包括：竖直设置在第二支撑板上的固定板，固定板的顶端设有激光发射器支架，激光发射器支架上设有激光发射器；激光发射器所发射的激光束竖直向下，激光束下方设有反射镜；反射镜固定在固定板的左端，经过反射镜反射后的激光束变为水平向左；固定板的左端还竖直设置有高弹性回复板，高弹性回复板与反射镜处于同一高度，高弹性回复板的两侧与固定板连接、中部向左凸起形成外凸腔，经过反射镜反射后的激光束位于外凸腔内；

第二推块的右端设有用于安装平衡球的半球形凹槽，半球形凹槽内竖直设有平衡球连杆，平衡球通过平衡球连杆可转动地嵌入设置在半球形凹槽内，且平衡球至少有一部分露出球形凹槽外，平衡球露出球形凹槽的部分与高弹性回复板的外凸表面抵接，外凸表面的内侧还设有压力应变片，且激光束的光路不经过压力应变片；所述经过反射镜反射后的激光束的光轴与平衡球的球心位于同一条平行线上；

所述试样夹具装置包括：两个试样夹具固定板，试样槽沿其长度方向的两端相对设有试样夹具固定板；试样夹具固定板呈倒L型，试样夹具固定板的竖边垂直固定在第三支撑板上，夹具固定板的横边竖直设有固定螺栓，固定螺栓穿过试样夹具固定板的横边，将下方的试样锁紧在试样槽内；

所述控制及数据采集装置包括：压力数据采集器、电机控制器、激光振动数据采集器和数字运动控制器，激光振动数据采集器分别与激光发射器、压力应变片电连接，数字运动控制器与促动器电连接，电机控制器与电机电连接，压力数据采集器与压力传感器电连接；

所述正压力施加装置包括：电机、传动方向转换器、正压力施加装置支撑架；正压力施加装置支撑架竖直设置在第一支撑板的侧边上，正压力施加装置支撑架的顶部水平设置有电机，电机的输出轴通过联轴器与传动方向转换器的输入轴连接，电机的轴线与传动方向转换器的输出轴轴线垂直；传动方向转换器的输出轴与第一传动螺纹杆连接，第一传动螺纹杆的底端设有圆柱形的平衡体夹具，平衡体夹具内可转动的设有球形的平衡体，第一传动螺纹杆可转动的内嵌于平衡体夹具内、并与平衡体接触；平衡体的下部露出平衡体夹具外，平衡体的底端设有螺纹孔，第二传动螺纹杆的顶端通过螺纹孔与平衡体固定连接，第二转动螺纹杆的底端与上连接板固定连接；上连接板的下方平行设有下连接板，上连接板呈水平设置的板状结构，下连接板呈T型结构；上连接板与下连接板之间设有压力传感器，上连接板与下连接板的两端通过连接板固定螺栓将压力传感器压紧；下连接板的下端设有微动垫；所述第一传动螺纹杆、平衡体、第二传动螺纹杆、压力传感器与微动垫的轴心线位于同一条垂直于试样的直线上。

进一步，所述第三支撑板的底面中间沿其长度方向设有滚珠槽，滚珠槽内设有第三滚珠，第三滚珠沿滚珠槽滑动。

进一步，所述第二支撑板的底面中间沿其长度方向设有沟槽。

进一步，所述圆柱形的平衡体夹具沿同一轴向截面等分为两部分，两部分靠近截面的外侧壁上均设有耳板，耳板上开设有压紧螺栓孔，两部分通过设置在压紧螺栓孔中的压紧螺栓固定连接。

本发明的有益效果是：1)在实验室易于实现、操作简单、受环境的影响因素较小。2)可以产生高精度的微动位移，测量位移分辨率高。3)具有自平衡功能，通过推块传递过来的力可以通过平衡球来消除两端力不平衡的现象，可以大幅提高所测得合力的准确性。4)成本低、经济性好。5)可以实时的测量出在进行微动摩擦摩擦试验中，材料表面的摩擦系数。6)压力施加装置中有力平衡装置，可以完全消除施加在试样上的力不平衡现象。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的正视图。

图3是本发明微动位移产生装置的正视图。

图4是本发明微动位移产生装置的俯视图。

图5是本发明激光测距及合力测量装置的正视图。

图6是本发明激光测距及合力测量装置的局部剖视图。

图7是本发明激光测距及合力测量装置的俯视图。

图8是本发明位移传导装置的俯视图。

图9是本发明位移传导装置的正视图。

图10是图9沿A-A向的剖面图。

图11是本发明正压力施加装置正视图。

附图标记说明：1、微动位移产生装置；2、激光测距及合力测量装置；3、位移传导装置；4、试样夹具装置；5、控制及数据采集装置；6、正压力施加装置；101、促动器固定箱上盖；102、促动器推头；103、第一螺栓；104、第二螺栓；105、第三螺栓；106、第四螺栓；107、第五螺栓；108、第六螺栓；109、第七螺栓；110、第八螺栓；111、第九螺栓；112、促动器；201、激光发射器；202、激光发射器支架；203、高弹性回复板；204、压力应变片；205、平衡球连杆；206、平衡球；207、固定板；208、反射镜；301、第一支撑板；302、第二支撑板；303、第三支撑板；304、第一推块；305、第二推块；306、试样槽；307、推板；308、促动器固定箱；309、第二滚珠；401、第一试样夹具固定板；402、第二试样夹具固定板；403、固定螺栓；501、激光振动数据采集器；502、数字运动控制器；503、电机控制器；601、电机；602、联轴器；603、转换器固定螺栓；604、正压力施加装置支撑架；605、传动方向转换器；606、第一传动螺纹杆；607、压紧螺栓螺母；608、平衡体夹具；609、第二传动螺纹杆；610、固定螺栓；611、微动垫；612、压紧螺栓；613、平衡体；614、上连接板；615、压力传感器；616、下连接板；617、连接板固定螺栓。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

参照附图，一种高精度微动位移产生装置，包括微动位移产生装置1、激光测距及合力测量装置2、位移传导装置3、试样夹具装置4、控制及数据采集装置5和正压力施加装置6；

所述位移传导装置包括：三个平行设置的第一支撑板301、第二支撑板302和第三支撑板303，第一支撑板301的长度大于第二支撑板302的长度，第二支撑板302的长度大于第三支撑板303的长度；第一支撑板301水平设置在试验台上，第一支撑板301的两侧沿其长度方向设有第一导轨，第二支撑板302通过第一滚珠可滑动地设置在第一支撑板301内；第二支撑板302的两侧沿其长度方向设有第二导轨，第三支撑板303通过第二滚珠309可滑动地设置在第二支撑板302内；第三支撑板303沿其长度方向的左右两端相对设置有第一推块304、第二推块305，第二支撑板沿其长度方向的左右两端相对设置有微动位移产生装置1、激光测距及合力测量装置2；第一推块304的左端与微动位移产生装置1固定连接，第二推块305的右端与激光测距及合力测量装置2抵接；第三支撑板303的中部设有用于放置试样的试样槽306，试样槽306的上方设有正压力施加装置6；第三支撑板303的底面中间沿其长度方向设有滚珠槽，滚珠槽内设有第三滚珠，第三滚珠沿滚珠槽滑动；第二支撑板302的底面中间沿其长度方向还设有沟槽；微动位移产生装置1、试样槽306和激光测距及合力测量装置2位于同一条平行线上；

所述微动位移产生装置1包括：促动器固定箱308，促动器固定箱308呈中空且顶部敞口的方体结构，促动器固定箱308的顶部水平设有促动器固定箱上盖101、底部水平设有推板307；促动器固定箱308的前、后两侧壁设有用于安装促动器固定箱上盖101的第一插槽以及用于安装推板307的第二插槽，第一插槽、第二插槽的左端均开口，促动器固定箱上盖101和推板307分别由对应的开口处插入促动器固定箱308内，促动器固定箱上盖101和推板的左端均设有拉手，促动器固定箱上盖101还设有用于连接促动器112的出线口；推板307的上表面设有促动器112；促动器固定箱308的前、后、左三个侧壁以及促动器固定箱上盖101均设有供螺栓穿过的螺孔，螺栓安装在螺孔内，并穿过螺孔伸入到促动器固定箱308内部，将促动器112锁紧，其中，促动器固定箱308的前侧壁上设有第四螺栓106、第五螺栓107，后侧壁上设有第八螺栓110、第九螺栓111，左侧壁上设有第三螺栓105，促动器固定箱上盖101上设有第一螺栓103、第二螺栓104；促动器112的输出轴与促动器推头102连接，促动器推头102的右端贯穿促动器固定箱308与第一推块304通过第六螺栓108固定连接；

所述激光测距及合力测量装置2包括：竖直设置在第二支撑板302上的固定板，固定板207的顶端设有激光发射器支架，激光发射器支架202上设有激光发射器201；激光发射器201所发射的激光束竖直向下，激光束下方设有反射镜208；反射镜208固定在固定板207的左端，经过反射镜208反射后的激光束变为水平向左；固定板207的左端还竖直设置有高弹性回复板203，高弹性回复板203与反射镜208处于同一高度，高弹性回复板203的两侧与固定板207连接、中部向左凸起形成外凸腔，经过反射镜208反射后的激光束位于外凸腔内；

第二推块305的右端设有用于安装平衡球206的半球形凹槽，半球形凹槽内竖直设有平衡球连杆205，平衡球206通过平衡球连杆205可转动地嵌入设置在半球形凹槽内，且平衡球206至少有一部分露出球形凹槽外，平衡球206露出球形凹槽的部分与高弹性回复板203的外凸表面抵接，外凸表面的内侧还设有压力应变片204，且激光束的光路不经过压力应变片204；所述经过反射镜208反射后的激光束的光轴与平衡球206的球心位于同一条平行线上；

所述试样夹具装置4包括：第一试样夹具固定板401和第二样夹具固定板402，第一试样夹具固定板401和第二样夹具固定板402的结构相同，试样槽306沿其长度方向的左右两端相对设有第一试样夹具固定板401和第二样夹具固定板402；第一试样夹具固定板401呈倒L型，第一试样夹具固定板401的竖边垂直固定在第三支撑板303上，第一试样夹具固定板401的横边竖直设有固定螺栓403，固定螺栓403穿过第一试样夹具固定板401的横边，将下方的试样锁紧在试样槽306内；

所述控制及数据采集装置5包括：压力数据采集器、电机控制器503、激光振动数据采集器501和数字运动控制器502，激光振动数据采集器501分别与激光发射器201、压力应变片204电连接，数字运动控制器502与促动器112电连接，电机控制器503与电机601电连接，压力数据采集器与压力传感器电连接；

所述正压力施加装置6包括：电机601、传动方向转换器605、正压力施加装置支撑架604；正压力施加装置支撑架604竖直设置在第一支撑板301的侧边上，正压力施加装置支撑架604的顶部水平设置有电机601，电机601的输出轴通过联轴器602与传动方向转换器605的输入轴连接，电机601的轴线与传动方向转换器605的输出轴轴线垂直，传动方向转换器605通过转换器固定螺栓603竖直固定在正压力施加装置支撑架604上；传动方向转换器605的输出轴与第一传动螺纹杆606连接，第一传动螺纹杆606的底端设有圆柱形的平衡体夹具608，圆柱形的平衡体夹具608沿同一轴向截面等分为两部分，两部分靠近截面的外侧壁上均设有耳板，耳板上开设有压紧螺栓孔，两部分通过设置在压紧螺栓孔中的压紧螺栓612以及压紧螺栓螺母607固定连接；

平衡体夹具608内可转动的设有球形的平衡体613，第一传动螺纹杆606可转动的内嵌于平衡体夹具608内、并与平衡体613接触；平衡体613的下部露出平衡体夹具608外，平衡体613的底端设有螺纹孔，第二传动螺纹杆609的顶端通过螺纹孔与平衡体613固定连接，第二转动螺纹杆609的底端与上连接板614固定连接；上连接板614的下方平行设有下连接板616，上连接板614呈水平设置的板状结构，下连接616板呈T型结构；上连接板614与下连接板616之间设有压力传感器615，上连接板614与下连接板616的两端通过连接板固定螺栓617将压力传感器615压紧；下连接板616的下端设有微动垫611，微动垫611通过固定螺栓610固定于下连接板616内；所述第一传动螺纹杆606、平衡体613、第二传动螺纹杆609、压力传感器615与微动垫611的轴心线位于同一条垂直于试样的直线上。

以下简要说明本实例一种摩擦磨损装置的工作过程及原理：

当要进行实验时，将试件安装在试样槽306之后，通过试样夹具装置4的固定螺栓403把试样完全固定于试样槽306内部。打开激光测距及合力测量装置2和微动位移产生装置1，进行预实验。通过数字运动控制器502操纵促动器112使得平衡球206与高弹性回复板203接触，调整激光振动数据采集器501，使得此时的位移为零、合力为零。打开电机601，使得微动垫611与试样缓慢接近，进行预压紧。观察压力传感器615所传出的数据，当刚出现在压力存在时(一般为0.01N—0.5N之间)，关闭电机601，调整压力显示器归零。调整仪表，开始正式实验。

利用促动器数字运动控制器502中所记录的推力，减去压力应变片204所得到的合力就可以得到在实验过程中的摩擦力，再用摩擦力除以压力传感器615所记录的压力就可以实时的得出摩擦系数。

所述的公式为:

公式中F_推为促动器数字运动控制器502中所记录的推力，F为压力应变片204所得到的合力，F_N为压力传感器615所记录的压力。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种摩擦磨损装置，其特征在于：包括微动位移产生装置、激光测距及合力测量装置、位移传导装置、试样夹具装置、控制及数据采集装置和正压力施加装置；

所述位移传导装置包括：三个平行设置的第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，第一支撑板的长度大于第二支撑板的长度，第二支撑板的长度大于第三支撑板的长度；第一支撑板水平设置在试验台上，第一支撑板的两侧沿其长度方向设有第一导轨，第二支撑板通过第一滚珠可滑动地设置在第一支撑板内；第二支撑板的两侧沿其长度方向设有第二导轨，第三支撑板通过第二滚珠可滑动地设置在第二支撑板内；第三支撑板沿其长度方向的左右两端相对设置有第一推块、第二推块，第二支撑板沿其长度方向的左右两端相对设置有微动位移产生装置、激光测距及合力测量装置；第一推块的左端与微动位移产生装置固定连接，第二推块的右端与激光测距及合力测量装置抵接；第三支撑板的中部设有用于放置试样的试样槽，试样槽的上方设有正压力施加装置；微动位移产生装置、试样槽和激光测距及合力测量装置位于同一条平行线上；

所述微动位移产生装置包括：促动器固定箱，促动器固定箱呈中空且顶部敞口的方体结构，促动器固定箱的顶部水平设有促动器固定箱上盖、底部水平设有推板；促动器固定箱的前、后两侧壁设有用于安装促动器固定箱上盖的第一插槽以及用于安装推板的第二插槽，第一插槽、第二插槽的左端均开口，促动器固定箱上盖和推板分别由对应的开口处插入促动器固定箱内，促动器固定箱上盖和推板的左端均设有拉手，促动器固定箱上盖还设有用于连接促动器的出线口；推板的上表面设有促动器，促动器固定箱的前、后、左三个侧壁以及促动器固定箱上盖均设有供螺栓穿过的螺孔，螺栓安装在螺孔内，并穿过螺孔伸入到促动器固定箱内部，将促动器锁紧；促动器的输出轴与促动器推头连接，促动器推头的右端贯穿促动器固定箱与第一推块固定连接；

所述激光测距及合力测量装置包括：竖直设置在第二支撑板上的固定板，固定板的顶端设有激光发射器支架，激光发射器支架上设有激光发射器；激光发射器所发射的激光束竖直向下，激光束下方设有反射镜；反射镜固定在固定板的左端，经过反射镜反射后的激光束变为水平向左；固定板的左端还竖直设置有高弹性回复板，高弹性回复板与反射镜处于同一高度，高弹性回复板的两侧与固定板连接、中部向左凸起形成外凸腔，经过反射镜反射后的激光束位于外凸腔内；

第二推块的右端设有用于安装平衡球的半球形凹槽，半球形凹槽内竖直设有平衡球连杆，平衡球通过平衡球连杆可转动地嵌入设置在半球形凹槽内，且平衡球至少有一部分露出球形凹槽外，平衡球露出球形凹槽的部分与高弹性回复板的外凸表面抵接，外凸表面的内侧还设有压力应变片，且激光束的光路不经过压力应变片；所述经过反射镜反射后的激光束的光轴与平衡球的球心位于同一条平行线上；

所述试样夹具装置包括：两个试样夹具固定板，试样槽沿其长度方向的两端相对设有试样夹具固定板；试样夹具固定板呈倒L型，试样夹具固定板的竖边垂直固定在第三支撑板上，夹具固定板的横边竖直设有固定螺栓，固定螺栓穿过试样夹具固定板的横边，将下方的试样锁紧在试样槽内；

所述控制及数据采集装置包括：压力数据采集器、电机控制器、激光振动数据采集器和数字运动控制器，激光振动数据采集器分别与激光发射器、压力应变片电连接，数字运动控制器与促动器电连接，电机控制器与电机电连接，压力数据采集器与压力传感器电连接；

所述正压力施加装置包括：电机、传动方向转换器、正压力施加装置支撑架；正压力施加装置支撑架竖直设置在第一支撑板的侧边上，正压力施加装置支撑架的顶部水平设置有电机，电机的输出轴通过联轴器与传动方向转换器的输入轴连接，电机的轴线与传动方向转换器的输出轴轴线垂直；传动方向转换器的输出轴与第一传动螺纹杆连接，第一传动螺纹杆的底端设有圆柱形的平衡体夹具，平衡体夹具内可转动的设有球形的平衡体，第一传动螺纹杆可转动的内嵌于平衡体夹具内、并与平衡体接触；平衡体的下部露出平衡体夹具外，平衡体的底端设有螺纹孔，第二传动螺纹杆的顶端通过螺纹孔与平衡体固定连接，第二转动螺纹杆的底端与上连接板固定连接；上连接板的下方平行设有下连接板，上连接板呈水平设置的板状结构，下连接板呈T型结构；上连接板与下连接板之间设有压力传感器，上连接板与下连接板的两端通过连接板固定螺栓将压力传感器压紧；下连接板的下端设有微动垫；所述第一传动螺纹杆、平衡体、第二传动螺纹杆、压力传感器与微动垫的轴心线位于同一条垂直于试样的直线上。

2.如权利要求1所述的一种高精度微动位移产生装置，其特征在于：所述第三支撑板的底面中间沿其长度方向设有滚珠槽，滚珠槽内设有第三滚珠，第三滚珠沿滚珠槽滑动。

3.如权利要求1所述的一种高精度微动位移产生装置，其特征在于：所述第二支撑板的底面中间沿其长度方向设有沟槽。

4.如权利要求1所述的一种高精度微动位移产生装置，其特征在于：所述圆柱形的平衡体夹具沿同一轴向截面等分为两部分，两部分靠近截面的外侧壁上均设有耳板，耳板上开设有压紧螺栓孔，两部分通过设置在压紧螺栓孔中的压紧螺栓固定连接。

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