CN112540019B - 一种高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其中：测试单元中的下试样由驱动单元提供动力能够绕中轴线做回转运动；测试单元中的上试样由上悬臂梁单元悬吊于下试样上方，自身水平度及相对下试样的位置通过位置调节单元可调，下端面与下试样的上端面在加载单元施加的加载力作用下，以及在上悬臂梁单元的一对大间距悬臂梁板簧结构作用下能够随动接触，形成一对摩擦副；加载力通过调节螺杆与调节砝码可精调；测试单元由加载力传感器测量加载单元所施加的加载力大小，由摩擦力传感器测量一对摩擦副之间的摩擦力大小。本发明能够实现稳定加载，保证摩擦界面的稳定，并可实现对加载力的精密调整，以及对摩擦界面倾斜度的调节。

Description

一种高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机

技术领域

本发明涉及一种试验设备，更具体地说是一种高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机。

背景技术

摩擦学主要研究两个有相互运动的面上的摩擦、磨损与润滑现象。作为摩擦学研究的重要方式之一，试验研究需要高精度、功能全面的试验机作为支撑。摩擦学性能测试试验机按照摩擦副接触和运动的形式，可以分为往复式、销盘式、端面接触式、环块式及四球式等等，对于诸如销盘式等一些传统的摩擦磨损试验机来说，在其加载结构设计中，一般采用杠杆重物的加载方式，这种方式天然存在诸多缺点，主要是因为1)杠杆支点自身处的摩擦不可忽视；2)杠杆结构在摩擦转矩的作用下会引起摩擦界面的倾覆，这些因素均会造成摩擦界面的不稳定，进而导致加载的不稳定。此外，在摩擦界面倾斜度调整方面，不具备精密的调整功能，同时，对于加载力的可调性而言，传统的试验机存在加载力调整精度不高的问题。

另一方面，摩擦学基础理论的研究始终面临着摩擦界面由于被夹在两个面之间而难以直接测量的问题，只能通过对实验结束磨损后的材料表面进行相应的表征进行评估，因此，随着对摩擦学理论研究的深入，摩擦学实验手段需要更加完善，这就要求摩擦学需更多的利用原位测量方法，对摩擦表面形貌等参数的动态变化进行跟踪，实现多尺度下材料摩擦学特性研。然而，很少见到有摩擦磨损试验机可以做到对高速摩擦界面的原位观测。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，以期实现稳定加载，保证摩擦界面的稳定，确保测量的准确性，并可实现对加载力的精密调整，以及对摩擦界面倾斜度的调节。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其结构特点是：

设置测试单元，所述测试单元中的下试样水平设置、由下支撑单元支撑并构成同步回转构件，由驱动单元提供动力，使所述下试样能够绕中轴线做回转运动；所述测试单元中的上试样由上悬臂梁单元悬吊于下试样上方，自身水平度及相对下试样的位置通过位置调节单元可调，下端面与所述下试样的上端面在加载单元施加的加载力作用下相接触，形成一对摩擦副；所述测试单元是通过加载力传感器测量加载单元所施加的加载力大小，通过摩擦力传感器测量一对摩擦副之间的摩擦力大小；

所述上悬臂梁单元中，一对大间距悬臂梁板簧结构呈水平对称设置，第二悬臂梁于后端固装在一对大间距悬臂梁板簧结构之间，于前端悬吊所述上试样，所述一对大间距悬臂梁板簧结构通过板簧具有向下的挠度，带动第二悬臂梁于试验中使所述上试样能够向下移动，实现上下试样的随动接触；

所述加载单元包括，设置在所述第二悬臂梁前侧上端的竖向码放有多个砝码的砝码盘，用于提供加载力，以及设置在第二悬臂梁后侧上端、顺着第二悬臂梁向后悬伸、尾端螺纹套设有调节砝码的调节螺杆，以所述调节砝码在调节螺杆上前后位置的调节形成对加载力的精调。

本发明的结构特点也在于：

所述下试样为透明玻璃材质，按照一对摩擦副所在位置、位于所述下试样的下方对应设置光学原位观测单元，所述光学原位观测单元中，光学显微镜连接CCD，由第二Z轴位移平台通过显微镜夹具夹持，以观测端朝上正对所述下试样，与所述下试样间的竖向间距通过第二Z轴位移平台可调。

还设有加热单元，所述加热单元包括临近于摩擦界面、设置在上试样上方的加热片，用于为摩擦界面加热，还包括设置在所述加热片与摩擦力传感器之间的中空的隔热结构，通过所述隔热结构形成对加热片与摩擦力传感器之间热量传递的隔离。

所述位置调节单元是通过X轴位移平台与Y轴位移平台调节上试样相对下试样的平面位置，通过第一Z轴位移平台调节上试样相对下试样的高度位置，通过倾斜台调节上试样的自身水平度。

所述上悬臂梁单元中：

一对大间距悬臂梁板簧结构通过固定板装配于所述位置调节单元上，并具有相同的结构形式，与所述固定板之间的装配结构均是，在所述固定板前端面上固装板簧固定座，第一悬臂梁后端正对所述板簧固定座，之间保留间距，以第一悬臂梁后端部作为板簧安装端A，以板簧固定座的前端部作为板簧安装端B，一对呈上下正对布置的板簧分别相适配地固装于板簧安装端A与板簧安装端B的上下端面之间，通过一对板簧使第一悬臂梁能够形成竖向位移，所述固定板上对应于第一悬臂梁设有限位板，依靠所述限位板对第一悬臂梁的竖向位移量限位；

所述第二悬臂梁呈T形结构，短臂段为后端并通过一对竖板固定架设在固连于一对第一悬臂梁之间的横梁上方，与一对第一悬臂梁构成同步位移构件，长臂段朝前，顺着下试样回转面的径向方向布置，悬伸于下试样上方，臂端悬吊所述上试样。

所述加载力传感器与摩擦力传感器均为单轴力传感器；

所述加载力传感器水平放置，内部应变片沿着竖直方向变形，测量端连接于第二悬臂梁梁端，用于测量由加载单元施加的法向的加载力大小；

所述摩擦力传感器竖直放置，内部应变片沿着水平方向变形，测量端连接于上试样，用于测量一对摩擦副之间产生的摩擦力大小；

所述加载力传感器与摩擦力传感器以固定端相对，之间留有间隙。

所述上试样通过上试样安装构件安装在第二悬臂梁的前端，所述上试样安装构件结构设置为：

包括均为分体式结构的外夹具与内夹具；所述外夹具由一对呈对称设置的外夹板于端部通过螺钉紧固拼接而成，拼接后于中心形成适配于内夹具外形尺寸的内夹具安装孔；所述内夹具由一对呈对称设置的内夹板拼接组成，拼接后于中心形成适配于上试样外形尺寸的上试样安装孔；所述上试样能够嵌装于上试样安装孔中、下端面露出，由一对内夹板夹紧；嵌装有上试样的内夹具能够嵌装于所述内夹具安装孔中，由一对外夹板夹紧，构成上试样安装构件的完整结构；

所述外夹具于一对外夹板上形成有U型槽，于所述U型槽处通过螺栓装配于第二悬臂梁的前端，通过所述U型槽实现上试样安装构件于第二悬臂梁前端的安装位置可调。

所述下试样支撑单元结构设置为：

主轴由所述驱动单元驱动回转，下试样支撑板、下试样与下试样盖板与主轴呈同轴地自下至上依次设置，所述下试样支撑板固装于主轴上轴端，所述下试样盖板下端面嵌装有若干道沿径向呈间隔布置的环形橡胶圈，下试样于中心通孔处装夹于下试样支撑板与下试样盖板之间，上端面与所述环形橡胶圈之间紧密接触，以露出于下试样盖板外的环形区域作为与所述上试样的接触区域。

所述下试样的外缘装夹于呈上下正对布置的上储油挡边与下夹板之间，所述上储油挡边与下夹板之间通过螺栓紧固，上储油挡边的下端面与下夹板的上端面分别嵌装多道沿径向呈间隔布置的环形橡胶圈，通过所述环形橡胶圈分别与下试样的上下端面紧密接触；

所述下试样盖板的外周壁上沿向上延伸形成上露的内储油挡边，与所述上储油挡边的内周壁等高，与所述上储油挡板内周壁、下试样上端面所围设形成的区域作为储油槽。

所述驱动单元是由伺服电机驱动，经同步带传动机构传动，以所述同步带传动机构的从动带轮轮轴为输出轴，驱动与所述输出轴联接的主轴回转。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明通过驱动单元为由下支撑单元固定支撑的下试样提供回转运动的动力，通过上悬臂梁单元将上试样悬吊于下试样上方，通过位置调节单元实现上试样相对下试样的位置与自身水平度可调，并配设加载单元对上试样施加加载力使上下试样接触形成一对摩擦副，特别是，利用加载单元中的调节螺杆与调节砝码可实现对加载力的精调，并且，上悬臂梁单元创新地采用了对称悬臂梁结构设计，极大程度上降低了由摩擦转矩所引起的摩擦界面倾覆，保证摩擦界面的稳定，实现了稳定加载，同时，板簧的设置可在发生形变的前后保持上下试样随动接触，保证摩擦界面始终平行；

相较于传统的往复式等摩擦磨损试验机，本发明可获得高速摩擦界面，因此可以模拟诸多高速工况，通过加热单元还可进行高温摩擦磨损试验，同时具有原位观测功能，实现在高速工况下对于摩擦界面的动态捕捉，该试验机对于研究材料的摩擦学性能、指导新材料设计和摩擦学性能预设具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1另一视角的立体示意图；

图3是图1中上支撑单元的主视结构示意图；

图4是图3所示A-A向剖视结构示意图；

图5是图1中上支撑单元的立体结构示意图；

图6是图5另一视角的结构示意图；

图7是下试样的结构示意图；

图8是下试样盖板的立体结构示意图(仰视视角)；

图9是图8另一视角的结构示意图；

图10是下试样盖板的仰视结构示意图；

图11是图10所示B-B向剖视结构示意图；

图12是下试样支撑板的立体结构示意图；

图13是图12另一视角的结构示意图；

图14是上悬臂梁单元的立体结构示意图；

图15是图14另一视角的结构示意图(略去限位板)；

图16是图15中第二悬臂梁的结构示意图；

图17是图1中加热单元的结构示意图；

图18是加载力传感器与摩擦力传感器的结构示意图；

图19是图18的侧视结构示意图；

图20是上试样安装构件的结构示意图(嵌装有上试样时)；

图21是图20另一视角的结构示意图(未嵌装上试样时)；

图22是图20中内夹具的结构示意图；

图23是上试样的结构示意图；

图24是位置调节单元的结构示意图。

图中：

1驱动单元；11伺服电机；12同步带传动机构；

21下试样；22上试样；23加载力传感器；24摩擦力传感器；25第一L型转接板；

3下试样支撑单元；31主轴；32角接触球轴承；33轴承座；34下试样支撑板；35下试样盖板；36内储油挡边；37上储油挡边；38下夹板；39储油槽；310环形安装槽；311环形橡胶圈；

4上悬臂梁单元；41板簧固定座；42板簧安装端B；43第一悬臂梁；44板簧安装端A；45板簧；46横梁；47竖板；48第二悬臂梁；49传感器安装板；410限位板；411限位孔；

5上试样安装构件；51外夹板；52内夹具安装孔；53U型槽；54内夹板；55上试样安装孔；56上试样连接板；

61砝码盘；62调节螺杆；63调节砝码；

7加热单元；71加热片；72竖直隔热板；73水平隔热板；74L型托板；75第二L型转接板；

8位置调节单元；81X轴位移平台；82Y轴位移平台；83倾斜台；84第三L型转接板；85第一Z轴位移平台；86固定板；

9光学原位观测单元；91光学显微镜；92CCD；93显微镜夹具；94第二Z轴位移平台；

10机架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1至图24，本实施例的高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机结构如下：

设置测试单元，测试单元中的下试样21水平设置、由下支撑单元支撑并构成同步回转构件，由驱动单元1提供动力，使下试样21能够绕中轴线做回转运动；测试单元中的上试样22由上悬臂梁单元4悬吊于下试样21上方，自身水平度及相对下试样21的位置通过位置调节单元8可调，下端面与下试样21的上端面在加载单元施加的加载力作用下相接触，形成一对摩擦副；测试单元是通过加载力传感器23测量加载单元所施加的加载力大小，通过摩擦力传感器24测量一对摩擦副之间的摩擦力大小；

上悬臂梁单元4中，一对大间距悬臂梁板簧45结构呈水平对称设置，第二悬臂梁48于后端固装在一对大间距悬臂梁板簧45结构之间，于前端悬吊上试样22，一对大间距悬臂梁板簧45结构通过板簧45具有向下的挠度，带动第二悬臂梁48于试验中使上试样22能够向下移动，实现上下试样21的随动接触；

加载单元包括，设置在第二悬臂梁48前侧上端的竖向码放有多个砝码的砝码盘61，用于提供加载力，以及设置在第二悬臂梁48后侧上端、顺着第二悬臂梁48向后悬伸、尾端螺纹套设有调节砝码63的调节螺杆62，以调节砝码63在调节螺杆62上前后位置的调节形成对加载力的精调。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

各功能单元安装在机架10上；

下试样21为透明玻璃材质，按照一对摩擦副所在位置、位于下试样21的下方对应设置光学原位观测单元9，光学原位观测单元9中，光学显微镜91连接CCD 92，由第二Z轴位移平台94通过显微镜夹具93夹持，以观测端朝上正对下试样21，与下试样21间的竖向间距通过第二Z轴位移平台94可调，从而实现对光学显微镜91的调焦，试验时利用光学原位观测单元9实现对高速摩擦界面的动态捕捉。

还设有加热单元7，加热单元7包括临近于摩擦界面、设置在上试样22上方的加热片71，用于为摩擦界面加热，还包括设置在加热片71与摩擦力传感器24之间的中空的隔热结构，通过隔热结构形成对加热片71与摩擦力传感器24之间热量传递的隔离，防止加热片71产生的热量传递到传感器造成传感器损坏。

位置调节单元8是通过X轴位移平台81与Y轴位移平台82调节上试样22相对下试样21的平面位置，通过第一Z轴位移平台85调节上试样22相对下试样21的高度位置，通过倾斜台83调节上试样22的自身水平度。

上悬臂梁单元4中：

一对大间距悬臂梁板簧45结构通过固定板86装配于位置调节单元8上，并具有相同的结构形式，与固定板86之间的装配结构均是，在固定板86前端面上固装板簧固定座41，第一悬臂梁43后端正对板簧固定座41，之间保留间距，以第一悬臂梁43后端部作为板簧安装端A 44，以板簧固定座41的前端部作为板簧安装端B 42，一对呈上下正对布置的板簧45分别相适配地固装于板簧安装端A 44与板簧安装端B 42的上下端面之间，通过一对板簧45使第一悬臂梁43能够形成竖向位移，固定板86上对应于第一悬臂梁43设有限位板410，依靠限位板410对第一悬臂梁43的竖向位移量限位；

第二悬臂梁48呈T形结构，短臂段为后端并通过一对竖板47固定架设在固连于一对第一悬臂梁43之间的横梁46上方，与一对第一悬臂梁43构成同步位移构件，长臂段朝前，顺着下试样21回转面的径向方向布置，悬伸于下试样21上方，臂端悬吊上试样22。

上悬臂梁单元4、加载单元与位置调节单元8的具体设置还包括：

位置调节单元8位于固定板86的后方，其中的X轴位移平台81设置在机架10上，Y轴位移平台82设置在X轴位移平台81上，倾斜台83设置在Y轴位移平台82上，并在顶端通过第三L型转接板84连接第一Z轴位移平台85，第一Z轴位移平台85的Z向导轨安装在第三L型转接板84的竖直板上，Z向滑块端与固定板86的后端面固连，通过第一Z轴位移平台85能够带动固定板86及与固定板86为同步位移构件的上悬臂梁单元4实现Z向位移，从而实现对上试样22相对下试样21的高度位置的调节；

砝码盘61固装在第二悬臂梁48前侧上端，用于放置砝码以提供加载力，在第二悬臂梁48的后侧上端开有螺纹孔，于螺纹孔处螺纹安装呈L型的调节螺杆62，调节螺杆62的水平杆带外螺纹，位于固定板86上方，顺着第二悬臂梁48向后悬伸、尾端螺纹套设有调节砝码63的调节螺杆62，通过调整调节砝码63的前后位置，实现对加载力的精调；

上悬臂梁单元4中，第一悬臂梁43后端连接的一对板簧45为S板簧45，一对板簧45上下正对并平行设置，当磨损深度变化时，利用一对板簧45结构可以具有向下的挠度，这样能够允许两侧的第一悬臂梁43向下移动，并带动第二悬臂梁48前端也即上试样22向下移动，实现上下试样21的随动接触，同时由于采用弹性系数很小的板簧45，当其产生向下的形变时，所引起的反向负载相对于加载力非常小，因此可认为目标载荷保持不变；另一方面，板簧45可以在发生形变的前后保持上下试样21的摩擦界面始终平行。两侧的第一悬臂梁43呈左右对称布置，和单纯的杠杆结构相比，具有一定的横向距离，这样一来，当测试诸如橡胶在内的一些摩擦系数较大的材料时，由上试样22受到盘形下试样21所带来的摩擦转矩所引起的侧向倾覆将会被大大减弱，从而保证了摩擦界面的稳定，实现稳定加载，提高测量的精确度；

其中，板簧安装端A 44与板簧安装端B 42的截面外形尺寸相同，并适配于板簧45；限位板410具有适配于第一悬臂梁43的竖向限位孔411，第一悬臂梁43的前端内置于竖向限位孔411中，在该竖向限位孔411限定的高度区域内竖向位移。

加载力传感器23与摩擦力传感器24均为单轴力传感器；加载力传感器23水平放置，内部应变片沿着竖直方向变形，测量端连接于第二悬臂梁48梁端，用于测量由加载单元施加的法向的加载力大小；摩擦力传感器24竖直放置，内部应变片沿着水平方向变形，测量端连接于上试样22，用于测量一对摩擦副之间产生的摩擦力大小；加载力传感器23与摩擦力传感器24以固定端相对，之间留有间隙。

上试样22通过上试样安装构件5安装在第二悬臂梁48的前端，上试样安装构件5结构设置为：

包括均为分体式结构的外夹具与内夹具；外夹具由一对呈对称设置的外夹板51于端部通过螺钉紧固拼接而成，拼接后于中心形成适配于内夹具外形尺寸的内夹具安装孔52；内夹具由一对呈对称设置的内夹板54通过螺钉紧固拼接组成，拼接后于中心形成适配于上试样22外形尺寸的上试样安装孔55；上试样22能够嵌装于上试样安装孔55中、下端面露出，由一对内夹板54夹紧；嵌装有上试样22的内夹具能够嵌装于内夹具安装孔52中，由一对外夹板51夹紧，构成上试样安装构件5的完整结构；

外夹具于一对外夹板51上形成有U型槽53，于U型槽53处通过螺栓装配于第二悬臂梁48的前端，通过U型槽53实现上试样安装构件5于第二悬臂梁48前端的安装位置可调。

将上试样安装构件5设计为分体式结构目的是在于，为了满足多种不同结构上试样22的测量需求，可以按照各上试样22一一对应配置多组带有不同上试样安装孔55的配套内夹具。当需要更换为不同大小或形状的上试样22时，只需更换为适配于该上试样22的内夹具即可，组装好后再装配到外夹具上，既简化并方便了操作，又节省了成本。

上悬臂梁单元4与加热单元7的具体设置还包括：

第二悬臂梁48的前端形成L形弯折的传感器安装板49，所述加载力传感器23与摩擦力传感器24呈前后相对地安装在第一L型转接板25上，加载力传感器23装夹于传感器安装板49与第一L型转接板25之间，测量端连接第二悬臂梁48的前端；

隔热结构由一对呈前后保留间距相对放置的竖直隔热板72与分别连接于一对竖直隔热板72上下端之间的水平隔热板73组装而成，形成中空结构，竖直隔热板72与水平隔热板73均为热阻系数非常高的PEEK材质，加上中空结构进一步增大了热阻系数，使隔热效果更好；位于后侧的竖直隔热板72底端朝后水平弯折形成L型托板74，摩擦力传感器24装夹于第一L型转接板25与L型托板74之间，测量端连接后侧的竖直隔热板72的后端；位于前侧的竖直隔热板72通过第二L型转接板75连接呈竖向叠放的若干块加热片71，用于为上下试样21接触面加热；

多块加热片71竖向夹设于第二L型转接板75的水平板段与上试样连接板56之间，第二L型转接板75的水平板段与上试样连接板56之间是通过螺钉紧固，加热片71上对应开设有供螺钉穿设的通孔，在上试样连接板56的下端安装上试样安装构件5；

上试样安装构件5中，外夹具上的U型槽53顺着前后向设置，于U型槽53处通过螺钉与上试样连接板56紧固相连，由于采用了U型槽53结构，使得带有上试样22的上试样安装构件5相对于第二L型转接板75的安装位置可调。

下试样支撑单元3结构设置为：

主轴31呈竖直放置，由一对角接触球轴承32支承在机架10上，角接触球轴承32分别过盈安装在对应的轴承座33孔内；主轴31由驱动单元1驱动回转，下试样支撑板34、下试样21与下试样盖板35与主轴31呈同轴地自下至上依次设置；主轴31的上轴端露出于机架10上方并螺纹连接盘形下试样支撑板34，下试样盖板35下端面嵌装有若干道沿径向呈间隔布置的环形橡胶圈311，下试样21具有一定厚度，呈盘形结构，于中心通孔处装夹于下试样支撑板34与下试样盖板35之间，上端面与环形橡胶圈311之间紧密接触，以露出于下试样盖板35外的环形区域作为与上试样22的接触区域。下试样盖板35上设沉头孔，下试样支撑板34上对应于沉头孔位置处开设螺纹孔，下试样支撑板34与下试样盖板35于竖向对齐的螺纹孔与沉头孔处通过螺钉紧固。

下试样21的外缘装夹于呈上下正对布置的上储油挡边37与下夹板38之间，上储油挡边37与下夹板38之间通过螺栓紧固，上储油挡边37的下端面与下夹板38的上端面分别嵌装多道沿径向呈间隔布置的环形橡胶圈311，通过环形橡胶圈311分别与下试样21的上下端面紧密接触；

下试样盖板35的外周壁上沿向上延伸形成上露的内储油挡边36，与上储油挡边37的内周壁等高，与上储油挡板内周壁、下试样21上端面所围设形成的区域作为储油槽39。

下试样支撑单元3中，下试样盖板35的下端面、上储油挡板的下端面与下夹板38的上端面，分别按照对应位置环形橡胶圈311的外形尺寸一一形成有环形安装槽310，用于嵌装环形橡胶圈311。设置环形橡胶圈311的目的，一方面是利用环形橡胶圈311与下试样21之间的紧密接触增大摩擦力，以更稳定地固定下试样21，让其随着主轴31同步回转，另一方面，通过设置环形橡胶圈311使储油槽39区域的密封性更好，挡油效果非常好，不会漏油。

驱动单元1是由伺服电机11驱动，经同步带传动机构12传动，以同步带传动机构12的从动带轮轮轴为输出轴，驱动与输出轴联接的主轴31回转，经主轴31传递至下试样21，使得下试样21能够获得高速旋转，相较于一些传统的往复式试验机而言，在速度方面可以高出两个数量级甚至更高，可获得高速摩擦界面，能够模拟诸多高速工况。

本实施例中，伺服电机11的型号为MS1H3-18C15CD-U331Z；角接触球轴承32的型号为7250；单轴力传感器的型号为：JDS-2；X、Y轴位移平台82的型号为：LY90-RM；第一、第二Z轴位移平台94的型号为：LX90-R2；倾斜台83为两轴手动倾斜台83，型号为TD-60；上试样22为销形结构；上述元器件均可在市面上采购或定制。

工作原理与实验过程：

系统安装调试结束后，在进行材料摩擦磨损实验之前，通过调整位置调节单元8中的各相应位移平台，将销形上试样22调整至相对于盘形下试样21的目标位置并保持摩擦界面水平，目标位置是保证摩擦副相对运动速度以及显微镜能够观测到摩擦界面的位置。然后在砝码盘61上增添砝码，先进行粗加，同时观察加载力的大小，当接近于目标载荷时，即可停止砝码的放入，转而旋转调节螺母的前后位置进行精调，直至达到目标载荷。随后即可设置实验条件，如实验时间、滑动距离等，然后开启伺服电机11，此时旋转动力经同步带传递至主轴31，带动主轴31旋转，主轴31随即带动盘形下试样21按预设条件作旋转运动，通过摩擦力传感器24测量摩擦力大小。在开启伺服电机11的同时打开显微镜和适配的CCD 92，当主轴31旋转时，摩擦界面的情况会被CCD 92实时记录，实现对摩擦界面的动态观测。此时实验即可保持稳步运行状态。

在本实施例的基础上进一步优化，可设置控制与数据采集单元，包括控制软件、PLC、数据采集卡等，可以在软件界面对目标转速、时间等实验条件进行设置和控制，通过软件界面直接读出实验加载力和摩擦力的大小。如在上述实验过程中，可通过软件界面观察在砝码盘61上增加砝码时相应提供的加载力大小；在旋转调节螺母的前后位置进行精调时，可经软件界面上显示以确定是否达到目标载荷；对实验条件的设置可在控制软件界面上进行，还可通过控制软件开启伺服电机11及控制打开显微镜和适配的CCD 92；由摩擦力传感器24测量到的摩擦力值可通过采集卡传递至PC端软件并自动记录；由CCD 92实时记录的摩擦界面的情况可上传至PC端的软件中。

其中，加热单元7、光学原位观测单元9及储油槽39则可依据实验需求按需选用，如，配合储油槽39的使用可实现摩擦副的流体润滑，利用加热单元7可应用于高温摩擦磨损试验，用于为摩擦界面加热。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其特征是：

设置测试单元，所述测试单元中的下试样(21)水平设置、由下支撑单元支撑并构成同步回转构件，由驱动单元(1)提供动力，使所述下试样(21)能够绕中轴线做回转运动；所述测试单元中的上试样(22)由上悬臂梁单元(4)悬吊于下试样(21)上方，自身水平度及相对下试样(21)的位置通过位置调节单元(8)可调，下端面与所述下试样(21)的上端面在加载单元施加的加载力作用下相接触，形成一对摩擦副；所述测试单元是通过加载力传感器(23)测量加载单元所施加的加载力大小，通过摩擦力传感器(24)测量一对摩擦副之间的摩擦力大小；

所述上悬臂梁单元(4)中，一对大间距悬臂梁板簧(45)结构呈水平对称设置，第二悬臂梁(48)于后端固装在一对大间距悬臂梁板簧(45)结构之间，于前端悬吊所述上试样(22)，所述一对大间距悬臂梁板簧(45)结构通过板簧(45)具有向下的挠度，带动第二悬臂梁(48)于试验中使所述上试样(22)能够向下移动，实现上下试样(21)的随动接触；

所述上悬臂梁单元(4)中，一对大间距悬臂梁板簧(45)结构通过固定板(86)装配于所述位置调节单元(8)上，并具有相同的结构形式，与所述固定板(86)之间的装配结构均是，在所述固定板(86)前端面上固装板簧固定座(41)，第一悬臂梁(43)后端正对所述板簧固定座(41)，之间保留间距，以第一悬臂梁(43)后端部作为板簧安装端A(44)，以板簧固定座(41)的前端部作为板簧安装端B(42)，一对呈上下正对布置的板簧(45)分别相适配地固装于板簧安装端A(44)与板簧安装端B(42)的上下端面之间，通过一对板簧(45)使第一悬臂梁(43)能够形成竖向位移，所述固定板(86)上对应于第一悬臂梁(43)设有限位板(410)，依靠所述限位板(410)对第一悬臂梁(43)的竖向位移量限位；所述第二悬臂梁(48)呈T形结构，短臂段为后端并通过一对竖板(47)固定架设在固连于一对第一悬臂梁(43)之间的横梁(46)上方，与一对第一悬臂梁(43)构成同步位移构件，长臂段朝前，顺着下试样(21)回转面的径向方向布置，悬伸于下试样(21)上方，臂端悬吊所述上试样(22)；

所述加载单元包括，设置在所述第二悬臂梁(48)前侧上端的竖向码放有多个砝码的砝码盘(61)，用于提供加载力，以及设置在第二悬臂梁(48)后侧上端、顺着第二悬臂梁(48)向后悬伸、尾端螺纹套设有调节砝码(63)的调节螺杆(62)，以所述调节砝码(63)在调节螺杆(62)上前后位置的调节形成对加载力的精调。

2.根据权利要求1所述的高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其特征是：

所述下试样(21)为透明玻璃材质，按照一对摩擦副所在位置、位于所述下试样(21)的下方对应设置光学原位观测单元(9)，所述光学原位观测单元(9)中，光学显微镜(91)连接CCD(92)，由第二Z轴位移平台(94)通过显微镜夹具(93)夹持，以观测端朝上正对所述下试样(21)，与所述下试样(21)间的竖向间距通过第二Z轴位移平台(94)可调。

3.根据权利要求1所述的高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其特征是：

还设有加热单元(7)，所述加热单元(7)包括临近于摩擦界面、设置在上试样(22)上方的加热片(71)，用于为摩擦界面加热，还包括设置在所述加热片(71)与摩擦力传感器(24)之间的中空的隔热结构，通过所述隔热结构形成对加热片(71)与摩擦力传感器(24)之间热量传递的隔离。

4.根据权利要求1所述的高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其特征是：

所述位置调节单元(8)是通过X轴位移平台(81)与Y轴位移平台(82)调节上试样(22)相对下试样(21)的平面位置，通过第一Z轴位移平台(85)调节上试样(22)相对下试样(21)的高度位置，通过倾斜台(83)调节上试样(22)的自身水平度。

5.根据权利要求1所述的高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其特征是：

所述加载力传感器(23)与摩擦力传感器(24)均为单轴力传感器；

所述加载力传感器(23)水平放置，内部应变片沿着竖直方向变形，测量端连接于第二悬臂梁(48)梁端，用于测量由加载单元施加的法向的加载力大小；

所述摩擦力传感器(24)竖直放置，内部应变片沿着水平方向变形，测量端连接于上试样(22)，用于测量一对摩擦副之间产生的摩擦力大小；

所述加载力传感器(23)与摩擦力传感器(24)以固定端相对，之间留有间隙。

6.根据权利要求1所述的高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其特征是所述上试样(22)通过上试样安装构件(5)安装在第二悬臂梁(48)的前端，所述上试样安装构件(5)结构设置为：

包括均为分体式结构的外夹具与内夹具；所述外夹具由一对呈对称设置的外夹板(51)于端部通过螺钉紧固拼接而成，拼接后于中心形成适配于内夹具外形尺寸的内夹具安装孔(52)；所述内夹具由一对呈对称设置的内夹板(54)拼接组成，拼接后于中心形成适配于上试样(22)外形尺寸的上试样安装孔(55)；所述上试样(22)能够嵌装于上试样安装孔(55)中、下端面露出，由一对内夹板(54)夹紧；嵌装有上试样(22)的内夹具能够嵌装于所述内夹具安装孔(52)中，由一对外夹板(51)夹紧，构成上试样安装构件(5)的完整结构；

所述外夹具于一对外夹板(51)上形成有U型槽(53)，于所述U型槽(53)处通过螺栓装配于第二悬臂梁(48)的前端，通过所述U型槽(53)实现上试样安装构件(5)于第二悬臂梁(48)前端的安装位置可调。

7.根据权利要求1所述的高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其特征是所述下试样支撑单元(3)结构设置为：

主轴(31)由所述驱动单元(1)驱动回转，下试样支撑板(34)、下试样(21)与下试样盖板(35)与主轴(31)呈同轴地自下至上依次设置，所述下试样支撑板(34)固装于主轴(31)上轴端，所述下试样盖板(35)下端面嵌装有若干道沿径向呈间隔布置的环形橡胶圈，下试样(21)于中心通孔处装夹于下试样支撑板(34)与下试样盖板(35)之间，上端面与所述环形橡胶圈之间紧密接触，以露出于下试样盖板(35)外的环形区域作为与所述上试样(22)的接触区域。

8.根据权利要求7所述的高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其特征是：

所述下试样(21)的外缘装夹于呈上下正对布置的上储油挡边(37)与下夹板(38)之间，所述上储油挡边(37)与下夹板(38)之间通过螺栓紧固，上储油挡边(37)的下端面与下夹板(38)的上端面分别嵌装多道沿径向呈间隔布置的环形橡胶圈，通过所述环形橡胶圈分别与下试样(21)的上下端面紧密接触；

所述下试样盖板(35)的外周壁上沿向上延伸形成上露的内储油挡边(36)，与所述上储油挡边(37)的内周壁等高，与所述上储油挡板内周壁、下试样(21)上端面所围设形成的区域作为储油槽(39)。

9.根据权利要求7所述的高速摩擦界面光学原位观测精密摩擦磨损试验机，其特征是：所述驱动单元(1)是由伺服电机(11)驱动，经同步带传动机构(12)传动，以所述同步带传动机构(12)的从动带轮轮轴为输出轴，驱动与所述输出轴联接的主轴(31)回转。