CN111999197B - 一种多功能摩擦磨损试验装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能摩擦磨损试验装置及其操作方法，利用旋转工作台和角位移工作台分别作为球形下试样相对于块状上试样发生扭动和转动的驱动的装置。基于计算机测控系统，闭环控制旋转工作台和角位移工作台启、停和运动幅度，实现上下试样之间发生纯扭动微动、纯转动微动、纯扭动滑动、纯转动滑动、扭转复合微动、扭转复合滑动等6种不同的运动模式；通过加装润滑筒和气罩，实现摩擦副润滑条件和环境气氛的控制。可以很好地模拟人体及工业应用中摩擦界面间复杂的工况条件，满足开展不同运动模式和工况条件下摩擦磨损研究的需要。

Description

一种多功能摩擦磨损试验装置及其操作方法

技术领域

本发明属于摩擦磨损试验装置研制技术领域，具体涉及一种多功能摩擦磨损试验装置及其操作方法。

背景技术

微动是指在机械、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，接触界面上发生的极小幅度(300μm以内)的相对运动。微动造成的损伤包括：(1)磨损，即材料损失和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动、功率损失、噪声增加或形成污染源。(2)裂纹的萌生与扩展，导致构件的疲劳寿命大大降低。

在实际应用中，对于汽车转向系统中的球窝接头、人体植入器械中的髓关节、膝关节的杵臼状接触区、轴承结合面等而言，其摩擦副的相对运动是非常复杂的，随着外界工况条件的变化，既可能发生单纯的微动、单纯的滑动，也可能发生微动-微动之间、微动-滑动之间、滑动-滑动之间等的耦合作用，导致结合面发生磨损失效，造成巨大的经济损失。

摩擦学实验平台的研制涉及到机械结构、测控系统等软硬件系统的开发，受实验设备的限制，目前微动、滑动、微动-滑动复合、微动-微动复合、滑动-滑动复合研究通常需要分别借助于专门的摩擦实验设备开展，不仅各种摩擦实验设备的安置需要实验室场地，对其开发更需耗费巨大的人力和经济成本。本发明提出研制集6种运动模式于一体的摩擦磨损实验装置，可以根据研究需要，对实验装置的运动模式和运动参数进行设置，避免了类似设备的重复开发，节约了研制成本，而且可以很好地模拟工业应用以及人体摩关节等各种摩擦副复杂的运动情形，实现对摩擦副环境气氛和润滑介质的控制。对于探究工程中复杂摩擦磨损问题的损伤机理，改进机械、生物工程等领域的相关设计，提高装备与器械的性能与寿命、节约能源等具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、操作便利、精度高、模拟效果好的复合型多功能摩擦磨损试验装置及其操作方法，可用于开展纯扭动微动、纯转动微动、纯扭动滑动、纯转动滑动、扭转复合微动、扭转复合滑动等不同运动模式、润滑条件和环境气氛下的摩擦磨损实验。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种多功能摩擦磨损试验装置，包括支撑装置、加载装置、夹持装置、驱动装置、数据采集装置、计算机测控系统。

所述支撑装置包括支撑架和四根根圆柱形立柱，所述支撑架包括上顶板、下底板和侧板，四根根圆柱形立柱固定在上顶板和下底板之间。

所述加载装置由加载伺服电机、丝杆螺母机构和导板组成，丝杆螺母机构包括丝杆和螺母，所述加载伺服电机固定安装在支撑架上顶板的上方，加载伺服电机的输出轴与丝杆固定连接，螺母套设在丝杆上，螺母通过连接件与导板上平面固定连接，导板套设在四根根圆柱形立柱上。

所述数据采集装置由六维力/力矩传感器、圆形光栅、弧形光栅组成；所述六维力/力矩传感器通过连接杆固定安装在导板的下平面上。

所述夹持装置包括上试样夹具和下试样夹具，所述上试样夹具包括从上到下依次设置的安装板、连接柱和U形安装座，所述安装板通过缓冲垫片与六维力/力矩传感器连接，所述U形安装座通过螺栓与上试样固定连接；所述下试样夹具由环形压圈和夹持底座组成，下试样设置在夹持底座的凹腔内，环形压圈套设在下试样表面，环形压圈与夹持底座通过螺栓固定连接。

所述驱动装置包括旋转工作台以及角位移工作台，所述旋转工作台由第一底座、第一旋转部件和第一伺服电机组成，所述角位移工作台由第二底座、第二旋转部件和第二伺服电机组成；所述旋转工作台固定安装在支撑架的下底板上表面，所述角位移工作台安装在所述旋转工作台上方；第一伺服电机固定在所述第一底座的一侧，第一底座内设置蜗轮蜗杆传动机构，第二伺服电机固定在所述第二底座的一侧，第二底座内设置蜗轮蜗杆传动机构。

所述夹持底座通过螺栓固定在所述角位移工作台上。

所述圆形光栅包括第一光栅尺和第一数据读头，所述光栅尺紧固在第一旋转部件的侧表面，并随第一旋转部件一起转动，所述第一数据读头固定在第一底座上。所述弧形光栅包括第二光栅尺和第二数据读头，第二光栅尺紧固在所述第二旋转部件的侧表面，并随第二旋转部件一起摆动，第二数据读头固定在第二底座上。

所述计算机测控系统主要由计算机构成，计算机装有LabVIEW软件，六维力/力矩传感器采集上试样和下试样之间的法向载荷、摩擦力和力矩信息，并将采集到的信息传递给计算机，计算机可根据实验参数要求，向第一伺服电机和第一伺服电机发送动作指令，并能够采集旋转工作台以及角位移工作台的实际运动速度和位置信息，通过对上试样和下试样之间法向载荷和工作台运动位置的高精度闭环控制，最终实现球形下试样相对于块状上试样启、停、运动幅度、运动次数、运动速度等的精确控制。

所述数据采集装置与所述计算机测控系统电连接。

进一步地，所述U形安装座两侧边与上试样之间形成10μm的间隙配合。

进一步地，所述上试样为长方体结构，宽度为30mm，厚度10mm；所述下试样为球形结构，球径为φ15-20mm。

进一步地，试验装置还包括润滑筒，所述润滑筒通过螺栓固定在所述第二旋转部件上表面并随第二旋转部件一起运动，所述夹持底座通过螺栓固定在所述润滑筒的底部。

进一步地，试验装置还包括气罩，所述气罩设置有进气口和出气口。所述气罩底部为柔性材料，气罩底部通过密封胶带粘连在所述第二旋转部件上表面，所述气罩顶部通过密封轴承与上试样夹具相连。

进一步地，所述润滑介质为：海水、润滑油、纯净水、酒精、NaAl溶液等。

进一步地，所述气体介质为：空气、氮气、氧气等。

本发明还提供一种多功能摩擦磨损试验装置的操作方法，包括如下步骤：

步骤1)，首先利用上试样夹具和下试样夹具分别夹持上试样和下试样，微调下试样，保证其球心正好位于角位移工作台的回转轴上，同时进行上、下试样的对中调整；

步骤2)，实施加载，在计算机LabVIEW软件界面上输入实验载荷值，加载伺服电机自动加载到设定值；

步骤3)，在计算机LabVIEW软件界面上输入上试样和下试样的运动参数，包括扭、转幅度和频率参数，旋转工作台和角位移工作台按照指令运转工作，六维力/力矩传感器实时测量上试样和下试样之间的摩擦力信号，并传送到计算机测控系统进行存储、处理、显示。

进一步地，在步骤1)之前还包括加装润滑筒步骤，将润滑筒安装在第二旋转部件上表面，向润滑筒内加入润滑介质。

进一步地，在步骤1)之前还包括加装气罩步骤，将气罩安装在第二旋转部件上表面，向气罩内加入气体介质。

上述技术方案直接带来的有益效果包括：一、运动特征方面，将角位移工作台和旋转工作台结合使用，实现了球形下试样相对于块状上试样扭动和转动的复合运动，且通过控制扭、转的启、停、微动、滑动控制，实现了上、下试样之间6种不同的运动模式的控制。二、参数调控方面，通过数据采集装置实时采集摩擦副的法向载荷和旋转工作台、角位移工作台实际运动状态的实时采集，实现对加载伺服电机和驱动伺服电机的精确闭环控制，从而精确控制球形下试样相对于块状上试样的运动幅值及速度等参数。三、数据处理方面，六维力/力矩传感器实时测量上、下试样之间沿X、Y和Z轴的力，以及绕X、Y和Z轴的力矩，并传送至计算机测控系统，计算机进行数据的处理，在桌面上实时显示摩擦力矩曲线，用于表征摩擦副的动力学特性。四、工况模拟方面，所设计的润滑筒有利于开展摩擦副不同润滑条件下的摩擦磨损试验，所设计的气罩有利于开展摩擦副不同环境气氛下的摩擦磨损试验。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的整体结构轴测图；

图2为按照本发明一个实施例的上试夹具的示意图；

图3为按照本发明一个实施例的下试样置于下试样夹具示意图；

图4为按照本发明一个实施例的安装圆形光栅的旋转工作台的示意图；

图5为按照本发明一个实施例的安装了弧形光栅的角位移工作台示意图；

图6为按照本发明一个实施例的摩擦副置于润滑筒内工作时的示意图；

图7为按照本发明一个实施例的摩擦副置于气罩内工作时的示意图；

1-加载伺服电机；2-支撑架；3-圆柱形立柱；4-导板；5-六维力/力矩传感器；6-缓冲垫片；7-上试样夹具；8-下试样夹具；9-第二伺服电机；10-圆形光栅；10a-第一光栅尺；10b-第一数据读头；11-第一伺服电机；12-旋转工作台；13-角位移工作台；14-弧形光栅；14a-第二数据读头；14b-第二光栅尺；15-球形下试样；16-块状上试样；17-连接杆；18-丝杆螺母机构；19-密封轴承；20-气罩；21-润滑筒；22-环形压圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应对理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1至图7所示，一种多功能摩擦磨损试验装置，包括支撑装置、加载装置、夹持装置、驱动装置、数据采集装置、计算机测控系统。

如图1所示，所述支撑装置包括支撑架2和四根根圆柱形立柱3，所述支撑架2包括上顶板、下底板和侧板，四根根圆柱形立柱3固定在上顶板和下底板之间。

所述加载装置由加载伺服电机1、丝杆螺母机构18和导板4组成，丝杆螺母机构包括丝杆和螺母，所述加载伺服电机1固定安装在支撑架上顶板的上方，加载伺服电机1的输出轴与丝杆固定连接，螺母套设在丝杆上，螺母通过连接件与导板4上平面固定连接，导板套设在四根根圆柱形立柱3上，能够沿着四根圆柱形立柱3上下滑动；

所述数据采集装置由六维力/力矩传感器5、圆形光栅10、弧形光栅14组成；所述六维力/力矩传感器5通过连接杆17固定安装在导板4的下平面上；

如图2、图3所示，所述夹持装置包括上试样夹具7和下试样夹具8，所述上试样夹具7包括从上到下依次设置的安装板、连接柱和U形安装座，所述安装板通过缓冲垫片6与六维力/力矩传感器5连接，所述U形安装座通过螺栓与上试样16固定连接；所述下试样夹具8由环形压圈22和夹持底座组成，下试样15设置在夹持底座的凹腔内，环形压圈22套设在下试样15表面，环形压圈22与夹持底座通过螺栓固定连接。

所述U形安装座两侧边与上试样16的之间形成10μm的间隙配合。

所述上试样为长方体结构，宽度为30mm，厚度10mm；所述下试样为球形结构，球径为φ15-20mm。

如图4、图5所示，所述驱动装置包括旋转工作台12以及角位移工作台13，所述旋转工作台12由第一底座、第一旋转部件和第一伺服电机11组成，所述角位移工作台13由第二底座、第二旋转部件和第二伺服电机9组成；所述旋转工作台12固定安装在支撑架2的下底板上表面，所述角位移工作台13安装在所述旋转工作台12上方；第一伺服电机11固定在所述第一底座的一侧，第一底座内设置蜗轮蜗杆传动机构，能够将第一伺服电机11的驱动轴和蜗杆绕Y轴的转动转化为蜗轮和第一旋转部件绕Z轴的转动；第二伺服电机9固定在所述第二底座的一侧，第二底座内设置蜗轮蜗杆传动机构，能够将第二伺服电机9驱动轴和蜗杆绕Y轴的转动转化为蜗轮和第二旋转部件绕X轴的转动。

所述夹持底座通过螺栓固定在所述角位移工作台13上。

所述圆形光栅10包括第一光栅尺10a和第一数据读头10b，所述光栅尺10a紧固在第一旋转部件的侧表面，并随第一旋转部件一起转动，所述第一数据读头10b固定在第一底座上，利用第一光栅尺10a和第一数据读头10b之间的相对运动实时测量旋转工作台的实际运动速度和位置信息，并传输至计算机测控系统。所述弧形光栅14包括第二光栅尺14b和第二数据读头14a，第二光栅尺14b紧固在所述第二旋转部件的侧表面，并随第二旋转部件一起摆动，第二数据读头14a固定在第二底座上，利用第二光栅尺14b和第二数据读头14a之间的相对运动实时测量角位移工作台的实际运动速度和位置信息，并传输至计算机测控系统。

六维力/力矩传感器5可测量上试样和下试样之间沿X、Y和Z轴的力，以及绕X、Y和Z轴的力矩。在进行纯扭动(包括扭动微动和扭动滑动)摩擦磨损实验时，提取沿着Z向的力(摩擦副法向载荷)以及绕Z轴的力矩(扭动摩擦力矩)；进行纯转动(包括转动微动和转动滑动)摩擦磨损实验时，提取沿Z向的力(法向载荷)以及绕X轴的力矩(转动摩擦力矩)；进行扭动转动复合(包括扭动转动微动复合和扭动转动滑动复合)摩擦磨损实验时，提取沿Z向(法向载荷)和绕Z轴、Y轴的摩擦扭矩。

所述计算机测控系统由主要由计算机构成，计算机装有LabVIEW软件，六维力/力矩传感器5采集上试样和下试样之间的法向载荷、摩擦力和力矩信息，并将采集到的信息传递给计算机，计算机可根据实验参数要求，向第一伺服电机11和第一伺服电机9发送动作指令，并能够采集旋转工作台12以及角位移工作台13的实际运动速度和位置信息，通过对上试样和下试样之间法向载荷和工作台运动位置的高精度闭环控制，最终实现球形下试样15相对于块状上试样16启、停、运动幅度、运动次数、运动速度等的精确控制。

支撑装置为整个摩擦磨损实验机的其他部件起到支撑作用；加载装置用于为上试样和下试样精确地提供所需的法向载荷；夹持装置用于固定夹持摩擦副的上、下试样；驱动装置主要用于根据输入参数驱动球形下试样相对于块状上试样相对运动；数据采集装置主要用于实时采集摩擦副的法向载荷和摩擦力矩，实时监测旋转工作台和角位移台的实际运动状态；计算机测控系统主要用于采集、存储和处理和显示数据。

实施例2

如图6所示，试验装置还包括润滑筒21，所述润滑筒21通过螺栓固定在所述第二旋转部件上表面并随第二旋转部件一起运动，所述夹持底座通过螺栓固定在所述润滑筒21的底部。利用本实验平台可以开展润滑条件下摩擦磨损实验，根据实验需要，向润滑筒21内部添加润滑介质，直至润滑介质淹没摩擦界面。通过更换润滑介质的成分，可以开展不同润滑条件下的摩擦磨损实验。

实施例3

如图7所示，试验装置还包括气罩20，所述气罩20设置有进气口和出气口，气体介质不断地从进气口流入，再从出气口流出，形成一定的循环，保持气罩内气体成分的稳定性。所述气罩20底部为柔性材料，气罩20底部通过密封胶带粘连在所述第二旋转部件上表面，所述气罩20顶部通过密封轴承19与上试样夹具7相连，尽量减少气体的泄露。由于气罩20具有褶皱软结构，在上试样16和下试样15发生扭转复合运动的过程中，气罩20可以在一定幅度范围内发生前后左右或者周向的变形。当需要进行一定气氛环境下的摩擦磨损实验时，则可以安装配备气罩20。

利用计算机测控系统的LabVIEW软件，实现人机交互，首先在计算机LabVIEW软件前面板上输入上试样16和下试样15的法向载荷指令，启动加载伺服电机1，六维力/力矩传感器5实时采集上试样16和下试样15的实际法向载荷，当实测值达到设定值，加载伺服电机1停止动作并保持，进而加载完毕。然后在LabVIEW软件前面板上输入球形下试样15的扭动和转转幅度以及频率信号，利用LabVIEW软件后台程序，转化为第一伺服电机11和第二伺服电机9的脉冲信号数量以及频率，进而控制第一伺服电机11和第二伺服电机9的转动幅度和转速。圆形光栅10与弧形光栅14可以采集第一伺服电机11和第二伺服电机9的实际位移信息，进而反馈到计算机测控系统，能够对第一伺服电机11和第二伺服电机9进行闭环控制，保证第一伺服电机11和第二伺服电机9的运动精度。另外，六维力/力矩传感器5实时采集上试样16和下试样15的切向摩擦力和扭矩，并实时反馈给计算机测控系统。计算机上安装的LabVIEW软件的前面板同时可以显示当前循环次数和显示摩擦力/力矩曲线。

本发明可以实现的实验技术指标如下:

法向载荷：利用伺服电机，配合螺杆传动机构，可根据实验需要在0～100N范围内进行加载，精度为0.1N；

角位移工作台的参数：该工作台的角度范围为±15°；中心承载为30kg；分辨率为≈1.3″(20细分)；速度为10°/sec；绝对定位精度为±8″。

旋转工作台的参数：实验装置分辨率为0.0005°(20细分)；最大速度为25°/s；重复定位精度0.005°；绝对定位精度为0.01°；中心承载60Kg。

润滑介质为：海水、润滑油、纯净水、酒精、NaAl溶液等。

气体介质为：空气、氮气、氧气等。

本发明的多功能摩擦磨损实验装置工作过程如下:包括如下步骤：

步骤1)，首先利用上试样夹具和下试样夹具分别夹持上试样和下试样，微调下试样，保证其球心正好位于角位移工作台的回转轴上，同时进行上、下试样的对中调整；

步骤2)，实施加载，在计算机LabVIEW软件界面上输入实验载荷值。加载伺服电机1自动加载到设定值。

步骤3)，在计算机LabVIEW软件界面上输入上试样和下试样的运动参数，包括扭、转幅度和频率参数。旋转工作台12和角位移工作台13按照指令运转工作。六维力/力矩传感器5实时测量上试样和下试样之间的摩擦力信号，并传送到计算机测控系统进行存储、处理、显示。研究者进一步的绘制出摩擦力F_t与角位移幅值θ与角位移幅度β之间的关系曲线(F_t-θ-β曲线)，以便进行试验过程的动力学行为分析。

如果在一定的润滑条件和环境气氛下开展实验，则需加装润滑筒或者气罩，并添加润滑介质和气体。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能摩擦磨损试验装置，其特征在于，包括支撑装置、加载装置、夹持装置、驱动装置、数据采集装置、计算机测控系统；

所述支撑装置 包括支撑架和四根圆柱形立柱，所述支撑架包括上顶板、下底板和侧板，四根圆柱形立柱固定在上顶板和下底板之间；

所述加载装置由加载伺服电机、丝杆螺母机构和导板组成，丝杆螺母机构包括丝杆和螺母，所述加载伺服电机固定安装在支撑架上顶板的上方，加载伺服电机的输出轴与丝杆固定连接，螺母套设在丝杆上，螺母通过连接件与导板上平面固定连接，导板套设在四根圆柱形立柱上；

所述数据采集装置由六维力/力矩传感器、圆形光栅、弧形光栅组成；所述六维力/力矩传感器通过连接杆固定安装在导板的下平面上；

所述夹持装置包括上试样夹具和下试样夹具，所述上试样夹具包括从上到下依次设置的安装板、连接柱和U形安装座，所述安装板通过缓冲垫片与六维力/力矩传感器连接，所述U形安装座通过螺栓与上试样固定连接；所述下试样夹具由环形压圈和夹持底座组成，下试样设置在夹持底座的凹腔内，环形压圈套设在下试样表面，环形压圈与夹持底座通过螺栓固定连接；

所述驱动装置包括旋转工作台以及角位移工作台，所述旋转工作台由第一底座、第一旋转部件和第一伺服电机组成，所述角位移工作台由第二底座、第二旋转部件和第二伺服电机组成；所述旋转工作台固定安装在支撑架的下底板上表面，所述角位移工作台安装在所述旋转工作台上方；第一伺服电机固定在所述第一底座的一侧，第一底座内设置蜗轮蜗杆传动机构，第二伺服电机固定在所述第二底座的一侧，第二底座内设置蜗轮蜗杆传动机构；

所述夹持底座通过螺栓固定在所述角位移工作台上；

所述圆形光栅包括第一光栅尺和第一数据读头，所述第一光栅尺紧固在第一旋转部件的侧表面，并随第一旋转部件一起转动，所述第一数据读头固定在第一底座上；所述弧形光栅包括第二光栅尺和第二数据读头，第二光栅尺紧固在所述第二旋转部件的侧表面，并随第二旋转部件一起摆动，第二数据读头固定在第二底座上；

所述计算机测控系统包括计算机，计算机装有LabVIEW软件；

所述数据采集装置与所述计算机测控系统电连接。

2.如权利要求1所述的一种多功能摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述U形安装座两侧边与上试样之间形成10μm的间隙配合。

3.如权利要求1所述的一种多功能摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述上试样为长方体结构，宽度为30mm，厚度10mm；所述下试样为球形结构，球径为φ15-20mm。

4.如权利要求1所述的一种多功能摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括润滑筒，所述润滑筒通过螺栓固定在所述第二旋转部件上表面并随第二旋转部件一起运动，所述夹持底座通过螺栓固定在所述润滑筒的底部。

5.如权利要求1所述的一种多功能摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括气罩，所述气罩设置有供气体介质进出的进气口和出气口；所述气罩底部为柔性材料，气罩底部通过密封胶带粘连在所述第二旋转部件上表面，所述气罩顶部通过密封轴承与上试样夹具相连。

6.如权利要求4所述的一种多功能摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述润滑筒内的润滑介质为海水、润滑油、纯净水、酒精、NaAl溶液中的一种。

7.如权利要求5所述的一种多功能摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述气体介质为空气、氮气、氧气中的一种。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的一种多功能摩擦磨损试验装置的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，首先利用上试样夹具和下试样夹具分别夹持上试样和下试样，微调下试样，保证其球心正好位于角位移工作台的回转轴上，同时进行上、下试样的对中调整；

步骤2)，实施加载，在计算机LabVIEW软件界面上输入实验载荷值，加载伺服电机自动加载到设定值；

步骤3)，在计算机LabVIEW软件界面上输入上试样和下试样的运动参数，包括扭、转幅度和频率参数，旋转工作台和角位移工作台按照指令运转工作，六维力/力矩传感器实时测量上试样和下试样之间的摩擦力信号，并传送到计算机测控系统进行存储、处理、显示。

9.如权利要求8所述的操作方法，其特征在于，在步骤1)之前还包括加装润滑筒步骤，将润滑筒安装在第二旋转部件上表面，向润滑筒内加入润滑介质。

10.如权利要求8所述的操作方法，其特征在于，在步骤1)之前还包括加装气罩步骤，将气罩安装在第二旋转部件上表面，向气罩内加入气体介质。

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