CN112798411B - 测力机构及具有该机构的往复式试验机 - Google Patents

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Abstract

本公开提出一种测力机构及具有该机构的往复式试验机。测力机构包括两个力传感器以及摩擦力计算单元，两个力传感器分别设于托板上，并相对称地连接于加热台的沿冲程推杆轴向的前后两侧，两个力传感器被配置为分别测量摩擦副的一对摩擦力。摩擦力计算单元连接于两个力传感器并被配置为对一对摩擦力求差，并对求差后的摩擦力采用组合式形态滤波算法进行处理，得到摩擦副的摩擦力。

Description

测力机构及具有该机构的往复式试验机
技术领域
本公开涉及摩擦磨损学试验技术领域，尤其涉及一种测力机构及具有该机构的往复式试验机。
背景技术
国内现有的高频往复式试验机研制水平良莠不齐，技术创新主要集中在外观改进或采用同等效果的技术方案进行替换以规避现有技术，缺乏深入研究往复式运动的振动原理，缺乏针对摩擦副之间的摩擦力建模分析，缺乏用于改进试验机测量精密度的原始创新。
同时国内现有高频往复式试验机磨损特性的试验与测量，使用磨癍直径进行考察润滑过程的好坏。对于摩擦系数只是粗略测量，定性判断摩擦情形的好坏，其摩擦系数测量区分性、重复性都无法满足定量研究。而使用高频往复式试验机对减摩剂、润滑油研究的需求越来越多，迫切需要提高此类试验机的摩擦系数测量精度，因此设计一套完整的摩擦力测量技术方案，提高此类试验机摩擦力、摩擦系数测量精度就很有必要。
发明内容
本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种测量精度较高的测力机构。
本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种具有上述测力机构的往复式试验机。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
根据本公开的一个方面，提供一种测力机构，设置于往复式试验机，所述往复式试验机包括底座、激振器、冲程推杆、加热台、油盒和托板，所述激振器和所述托板分别设于所述底座，所述冲程推杆可往复移动地穿设于所述激振器并具有自由端，所述自由端设有试验球，所述加热台通过弹性支架设于所述托板上，所述油盒设于所述加热台上，所述试验片设于所述油盒并位于所述试验球下方，所述试验球和所述试验片界定摩擦副。其中，所述测力机构包括两个力传感器以及摩擦力计算单元，两个所述力传感器分别设于所述托板上，并相对称地连接于所述加热台的沿所述冲程推杆轴向的前后两侧，两个所述力传感器被配置为分别测量所述摩擦副的一对摩擦力。所述摩擦力计算单元连接于两个所述力传感器并被配置为对所述一对摩擦力求差，并对求差后的摩擦力采用组合式形态滤波算法进行处理，得到所述摩擦副的摩擦力。
根据本公开的另一个方面，提供一种往复式试验机，包括底座、激振器、冲程推杆、加热台、油盒和托板，所述激振器和所述托板分别设于所述底座，所述冲程推杆可往复移动地穿设于所述激振器并具有自由端，所述自由端设有试验球，所述加热台通过弹性支架设于所述托板上，所述油盒设于所述加热台上，所述试验片设于所述油盒并位于所述试验球下方，所述试验球和所述试验片界定摩擦副。其中，所述往复式试验机还包括本公开提出的且在上述实施方式中所述的测力机构。
由上述技术方案可知，本公开提出的测力机构及具有该机构的往复式试验机的优点和积极效果在于：
本公开提出的测力机构包括两个力传感器以及摩擦力计算单元，两个力传感器分别设于托板上，并相对称地连接于加热台的沿冲程推杆轴向的前后两侧，两个力传感器被配置为分别测量摩擦副的一对摩擦力。摩擦力计算单元连接于两个力传感器并被配置为对一对摩擦力求差，并对求差后的摩擦力采用组合式形态滤波算法进行处理，得到摩擦副的摩擦力。通过上述设计，本公开提出的测力机构能够通过两个参数相同的力传感器，对称放置于往复运动的摩擦副的两侧，同时输出一对摩擦力信号的差分式测力结构，测力机构放置于托板上，以此降低此类试验机中振动、热应力对摩擦力测量的干扰，同时使用组合式形态滤波算法对求差后的摩擦力进行处理，进一步提高摩擦力测量的精度。使用优化设计后的摩擦力测量装置的试验机，其换算的摩擦系数测量精度能达到小数点后百分位，区分度为0.01。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本公开的优选实施方式的详细说明，本公开的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本公开的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是根据一示例性实施方式示出的一种测力机构设于往复式试验机的部分示意图；
图2是图1示出的力传感器的放大示意图；
图3是图1示出的往复式试验机的局部放大图；
图4是图1示出的往复式试验机的另一实施方式的部分示意图；
图5是图1示出的往复式试验机的另一实施方式的部分示意图；
图6是图1示出的往复式试验机的摩擦副的位移-时间关系示意图；
图7是图1示出的往复式试验机的摩擦副的速度-时间关系示意图；
图8是滑动摩擦力与相对运动速度的基础关系示意图；
图9是滑动摩擦力与往返运动各阶段的关系示意图；
图10是滑动摩擦力与往返运动各阶段的完整关系示意图；
图11是组合式形态滤波原理图；
图12是根据一示例性实施方式示出的一种往复式试验机的系统示意图；
图13是图12的俯视图；
图14是图12的侧视图；
图15是图12示出的往复式试验机的控制系统的系统示意图；
图16是图12示出的往复式试验机的控制系统的另一系统示意图；
图17是激振器与频率响应特性关系曲线图；
图18是图12示出的往复式试验机的控制系统的建立激振器的逆模型的原理图；
图19是图12示出的往复式试验机的锁定机构的示意图；
图20是图19示出的往复式试验机在一状态下的部分示意图；
图21是图19示出的往复式试验机在另一状态下的部分示意图。
附图标记说明如下：
100.底座；101.试验球；102.试验片；200.激振器；201.本体；202.套管；210.冲程推杆；220.支座；221.轴承；231.双头螺杆；232.锁定杆；233.偏心轮；240.绝缘圈；250.平衡轴；260.冲程调节机构；300.加热台；310.油盒；320.弹性支架；321.开孔；330.温度传感器；350.导热台；351.后端挡板；352.前端挡板；3521.螺栓；360.温度开关；400.托板；410.上板体；411.反馈用加速度传感器；420.下板体；430.浮动结构；440.固定座；444.前馈用加速度传感器；450.振幅限制结构；510.第一加载装置；520.第二加载装置；521.砝码；522.吊绳；523.横杆；524.阻尼器；610.第一位移传感器；620.第二位移传感器；700.测力机构；710.力传感器；711.壳体；712.连接杆；7121.散热鳍片；713.弹性膜；714.压电晶体；810.平衡单元；820.配重块；900.控制系统；910.上位控制机构；920.下位控制机构。
具体实施方式
体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。
在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本公开范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本公开的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本公开的范围内。
参阅图1，其代表性地示出了本公开提出的测力机构安装于往复式试验机的部分示意图。在该示例性实施方式中，本公开提出的测力机构是以应用于针对柴油润滑油的摩擦磨损性能试验的试验设备为例进行说明的，特别是以应用于ISO 12156-1及SH/T0765标准柴油润滑性试验的试验设备为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本公开的相关设计应用于针对柴油润滑油的其他类型或其他标准下的试验或应用于其他种类的油品的相关试验中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本公开提出的测力机构的原理的范围内。
如图1所示，在本实施方式中，本公开提出的测力机构能够应用于往复式试验机。该往复式试验机主要包括底座100、激振器200、冲程推杆210、加热台300、油盒310、加载机构、托板400、第一位移传感器610和测力机构700。具体而言，激振器200设置在底座100上。冲程推杆210可往复移动地穿设于激振器200，冲程推杆210具有由激振器200前端伸出的自由端，该自由端利用例如试验球101夹具等机构可拆装地固定设置有试验球101。油盒310设置在加热台300上。试验片102设置在油盒310中并位于试验球101的下方。加载机构用以使试验球101对试验片102产生正压力，即向下的加载力。托板400浮动设置在底座100上，加热台300通过弹性支架320设置在托板400上。第一位移传感器610用以测量冲程推杆210与激振器200(准确而言应为激振器200的壳体，即并非激振器200的线圈或连接线圈与壳体的弹簧)之间产生的第一位移。测力机构700用以测量试验球101与试验片102之间的摩擦力。
配合参阅图2至图11，图2代表性地示出了图1示出的力传感器710的放大示意图；图3代表性地示出了往复式试验机的局部放大图；图4代表性地示出了往复式试验机的另一实施方式的部分示意图；图5代表性地示出了往复式试验机的另一实施方式的部分示意图；图6代表性地示出了摩擦副的位移-时间关系示意图；图7代表性地示出了摩擦副的速度-时间关系示意图；图8代表性地示出了滑动摩擦力与相对运动速度的基础关系示意图；图9代表性地示出了滑动摩擦力与往返运动各阶段的关系示意图；图10代表性地示出了滑动摩擦力与往返运动各阶段的完整关系示意图；图11代表性地示出了组合式形态滤波原理图。以下结合上述附图，对本公开提出的往复式试验机的关于摩擦力测量的优化设计进行详细说明，同时对本实施方式中往复式试验机的测力机构700的各主要组成部分的结构、连接方式或功能关系进行详细说明。
如图1所示，在本实施方式中，本公开提出的往复式试验机的测力机构700可以优选地包括两个力传感器710以及摩擦力计算单元。其中，根据上述对该往复式试验机的主要结构的说明，可知试验球101和试验片102共同界定一组摩擦副。具体而言，两个力传感器710分别设置在托板400上，且两个力传感器710相对称地连接在加热台300的沿冲程推杆210轴向的前后两侧，两个力传感器710能够分别测量摩擦副的一对摩擦力。摩擦力计算单元分别与两个力传感器710相连接，摩擦力计算单元能够对两个力传感器710分别测得的一对摩擦力求差，并对求差后的摩擦力采用组合式形态滤波算法进行处理，从而得到摩擦副的摩擦力。通过上述设计，同时配合相应的摩擦力信号处理算法(以下详述)，本公开能够减小底座100振动、加热应力对摩擦系数测量准确性的影响。
承上所述，如图6至图11所示，在本实施方式中，上述组合式形态滤波算法大致包括：预先对往复式摩擦力与速度变化进行摩擦学理论分析，优选Stribeck曲线中速度与摩擦系数的关系来建立摩擦力周期变化图，并以此为基础建立形态滤波窗口，对求差运算及带通滤波后的摩擦力信号进行组合式形态滤波处理。
通过上述设计，本公开提出的测力机构能够通过两个参数相同的力传感器，对称放置于往复运动的摩擦副的两侧，同时输出一对摩擦力信号的差分式测力结构，测力机构放置于托板上，以此降低此类试验机中振动、热应力对摩擦力测量的干扰，同时使用组合式形态滤波算法对求差后的摩擦力进行处理，进一步提高摩擦力测量的精度。使用优化设计后的摩擦力测量装置的试验机，其换算的摩擦系数测量精度能达到小数点后百分位，区分度为0.01。
较佳地，如图1和图2所示，在本实施方式中，每个力传感器710可以优选地包括壳体711、连接杆712、弹性膜713以及压电晶体714。具体而言，壳体711固定在托板400上。连接杆712水平设置且其一端连接于加热台300。弹性膜713活动设置在壳体711并连接于连接杆712的另一端。压电晶体714设置在壳体711内并电连接于摩擦力计算单元。其中，力传感器710能够通过连接杆712带动弹性膜713接触压电晶体714，压电晶体714根据其所受到的弹性膜713的往复拉力或压力产生电信号，并在摩擦力计算单元中以电信号表征摩擦力。
进一步地，基于力传感器710包括壳体711、连接杆712以及压电晶体714的设计，在本实施方式中，连接杆712的材质可以优选为不锈钢、钛或陶瓷类材质。在其他实施方式中，连接杆712的材质还可以选为质量较轻、质量均匀度较佳、硬度较高、导热较慢的其他材料，并不以本实施方式为限。在本实施方式中，使用压电晶体714作为传感器信号转换部件，在其他实施方式中，可以采用压磁效应元件，并不以本实施方式为限。
进一步地，基于力传感器710包括壳体711、连接杆712以及压电晶体714的设计，在本实施方式中，壳体711的材质可以优选为不锈钢。在其他实施方式中，壳体711的材质还可以选为其他金属材料，并不以本实施方式为限。
进一步地，如图1所示，基于力传感器710包括壳体711、连接杆712以及压电晶体714的设计，在本实施方式中，每根连接杆712上均可以优选地设置有多个散热鳍片7121。在其他实施方式中，为进一步降低温度对摩擦力测量的影响，亦可在连接杆712上设置其他结构的散热结构，或可在力传感器710的其他位置进行散热结构的优化设计，并不以本实施方式为限。
较佳地，在本实施方式中，可以优选地利用一对温度传感器330紧贴在两个力传感器710的表面，用以测量两个力传感器710的表面温度，据此在控制系统900中修正力传感器710随温度变化的灵敏度的漂移值。
较佳地，如图3所示，在本实施方式中，托板400可以优选地包括上板体410、下板体420以及浮动结构430。具体而言，上板体410设置在底座100上方。下板体420固定在底座100上，且下板体420位于上板体410的下方。浮动结构430设置在上板体410与下板体420之间。据此，托板400通过浮动结构430在竖直方向上支撑在上板体410与下板体420之间，并使上板体410在水平方向上能够相对下板体420移动。通过上述设计，能够进一步提高柴油润滑性试验中磨瘢数据的重复性。
进一步地，如图3所示，基于托板400包括上板体410、下板体420以及浮动结构430的设计，在本实施方式中，底座100上设置有固定座440，上板体410在水平方向上可以优选地通过振幅限制结构450连接于固定座440，该振幅限制结构450能够调节上板体410在水平方向上相对于下板体420的移动的振幅。通过上述设计，能够减少底座100的振动向托板400上的油盒310及力传感器710的传递，进一步提高摩擦力测量精度和润滑性试验中磨瘢数据的重复性。
更进一步地，如图3所示，基于托板400包括浮动结构430即振幅限制结构450的设计，在本实施方式中，托板400的浮动结构430可以优选地包括圆柱轴承221(或者滚珠)，且振幅限制结构450可以优选地包括空气弹簧阻尼器524。在其他实施方式中，托板400的浮动结构430还可以选用薄膜气垫、上下相对设置的两组互斥的磁铁等结构或器件。再者，振幅限制结构450还可以选用磁致伸缩式执行器等结构或器件，均不以本实施方式为限。
更进一步地，基于浮动结构430包括圆柱轴承221的设计，在本实施方式中，可将圆柱轴承221采用密封设计，以达到防尘防潮的功效。当浮动结构430采用其他结构或器件时，亦可对其他浮动结构430进行密封设计。
更进一步地，基于托板400包括浮动结构430即振幅限制结构450的设计，在本实施方式中，可以在托板400或基座上设置反馈用加速度传感器411，测量振动幅度的大小作为反馈值。据此，控制系统900可以根据反馈值使得振幅限制结构450产生一个反相位的振动值来补偿基座的振动，以保证托板400尽可能静止。振幅限制结构450可以优选为电磁式或磁致伸缩式主动减振器(图3中未示出，将结合其他实施方式在下述内容详述)。
进一步地，在本实施方式中，托板400(至少包括其上板体410和下板体420)可以优选为铝、钛或不锈钢材质。在其他实施方式中，托板400的材质还可以选为质量较轻、不易变形的其他材料，并不以本实施方式为限。
承上所述，本公开提出的往复式试验机的针对摩擦力测量的优化设计的上述优选方案的测量原理大致如下：如图1所示，摩擦副由随冲程推杆210同步运动的试验球101和固定在油盒310中的试验片102组成。在试验过程中，试验球101由初始位置向振动边界运动，然后再返回到初始位置，然后再向振动边界运动，如此往复直线运动，直到试验结束。试验球101在试验片102上运动时，产生的摩擦力对试验片102所固定的平台(例如包括油盒310、加热台300、导热台350等)生往复的水平推拉力。在上述往复直线运动过程中，连接杆712把试验片102所固定的平台受到的往复式摩擦力作用，传导至力传感器710的弹性膜713，使其往复振动。固定螺栓3521可将力传感器710的壳体711固定在固定座440上，使其保持静止。弹性膜713往复振动时，会与静止的壳体711一起形成合力作用，对压电晶体714产生往复拉力或压力，产生的电信号用来表征摩擦力的大小。
由于加热台300内安装有加热棒，当加热台300被加热时，发生受热膨胀；当停止对加热台300加热时，发生收缩。在试验过程中，加热台300是通过给加热棒通/断电流进行控制，因此加热台300会在膨胀和收缩状态之间来回伸缩转换。上述伸缩变化产生的热应力，也会通过连接杆712作用到力传感器710的弹性膜713上，热应力信号会作为干扰叠加在摩擦力信号之上。热应力同时作用在两个力传感器710上，形成相位相同的共模信号。即，热膨胀时，左侧的力传感器710和右侧的力传感器710同时受到压力作用，冷收缩时，左侧的力传感器710和右侧的力传感器710同时受到拉力作用。摩擦力也同时作用在两个力传感器710上，形成相位相反的差模信号。即，当试验球101从初始位置向振动边界运动时，摩擦力对左侧的力传感器710产生压力作用，而对右侧的力传感器710产生拉力作用，当试验球101从振动边界向初始位置运动时，摩擦力对左侧的力传感器710产生拉力作用，而对右侧的力传感器710产生压力作用。据此，本公开利用热应力作用的共模性质和摩擦力作用的差模性质，通过求差分运算，既可以将热应力产生的干扰信号，从摩擦力信号中除去。在进行求差分运算时，可以尽可能保证两个力传感器710的灵敏度等参数一致。
具体而言，如图6至图11所示，基于上述摩擦力的测量优选方案的测量原理，本公开对摩擦力进行测量的具体方法如下：
如图6和图7所示，其示出了摩擦副中试验球101在试验片102上往复运动时(例如试验球101的b→a→b→c→b一次往复运动过程)，位移、速度的关系曲线图。其中，t0时刻试验球101位于a位置与c位置中间的b位置，此时试验球101速度为最大负值，运动趋势为由b向a运动；在t1时刻试验球101抵达a位置，此时试验球101速度为零，运动趋势为开始由a向b运动；在t2时刻试验球101再次处于b位置，此时试验球101速度为最大正值，运动趋势为由b向c运动；在t3时刻试验球101抵达c位置，此时试验球101速度为零，运动趋势为开始由c向b运动。以上，试验球101据此依次周而复始。
试验球101在试验片102上往复运动的速度u与时间t的关系曲线(以最常用的正弦运动为例)，如图8中u-t关系曲线所示；滑动摩擦力f1随时间t的关系曲线如图8中f1-t关系曲线所示。摩擦力大小与相对运动的速度无关的规律，是建立往复式摩擦力形态滤波模型的基础。
如图9所示，左侧f1-t关系曲线表示往复式摩擦力的基础变化规律；右侧f21-t关系曲线为静摩擦力与推动试验球101的外力相等，随其逐步增加的规律；右图f22-t关系曲线中的“尖型曲线”表示最大静摩擦力略大于滑动摩擦力的规律；右图f23-t关系曲线中的“凹陷型”是基于Stribeck润滑理论，当发生边界润滑时摩擦力大小随着速度的增加而减小的规律。
图10为滑动摩擦力与往返运动的完整关系图，其中f31-t关系曲线为f21-t、f22-t关系曲线的叠加，f32-t为f31-t与f23-t关系曲线的叠加。把f32-t关系曲线作为形态滤波的窗函数模型。
图11为组合式形态滤波原理图：F-t关系曲线图表示力传感器710应该测到的摩擦力理论值；V-t关系曲线图表示机械振动信号对力传感器710测量的干扰；T-t关系曲线图表示热应力作用对力传感器710测量的干扰；E-t关系曲线图表示电磁干扰信号对力传感器710测量的干扰。fL-t/fR-t关系曲线图为左、右力传感器710测量到的各种干扰共同作用的输出信号。fb＝|fL(t)-fR(t)|为对左、右力传感器710输出信号进行求差运算，然后再求绝对值。dB-Hz为带通滤波算法。fm-t关系曲线图为建立的形态滤波模型，Out＝{Fco[f(t)]+Foc[f(t)]}/2为形态滤波的开闭运算算法。真实测量到的摩擦力信号如fL-t关系曲线所示，经过求差运算，带通滤波，以及与往复式摩擦力窗函数模型为参照物进行形态滤波后，输出信号为fa。fa为测量精度较高的摩擦力信号，除以加载力后即可换算成摩擦系数。
在其他实施方式中，为实现托板400浮动设置在底座100上的设计，同时为实现对托板400水平方向的浮动幅度的振幅调节，托板400的浮动结构430和振幅限制结构450亦可分别选择其他结构形式。以下结合图4和图5，对托板400在本公开的其他两个实施方式中的改型或优化设计进行示例性说明。
如图4所示，在该附图所代表的本公开的另一实施方式中，浮动结构430可以优选地包括多个薄膜气垫。并且，振幅限制结构450可以优选地包括磁致伸缩式执行器。另外，上板体410还可以优选地设有反馈用加速度传感器411。具体而言，反馈用加速度传感器411能够采集上板体410相对于下板体420的水平方向(即冲程推杆210的轴向)上移动的加速度，并以该加速度表征上板体410相对下板体420的往复振动趋势。该反馈用加速度传感器411电连接于一控制器(该控制器可以为独立控制器，亦可集成于控制系统900中)，该控制器能够根据上板体410的往复振动趋势的振动信号对磁致伸缩式执行器进行闭环跟踪控制，从而调节上板体410相对下板体420的往复振动趋势保持在一预设范围内。
较佳地，如图4所示，基于托板400的浮动结构430包括多个薄膜气垫的设计，在该实施方式中，多个薄膜气垫是沿水平方向，进一步优选地是沿冲程推杆210的轴向，相间隔地布置。
较佳地，如图4所示，基于托板400的浮动结构430包括多个薄膜气垫的设计，在该实施方式中，薄膜气垫可以优选地呈竖直设置的波纹管状结构。
如图5所示，在该附图所代表的本公开的另一实施方式中，浮动结构430可以优选地包括两组磁铁。并且，振幅限制结构450可以优选地包括磁致伸缩式执行器。另外，上板体410还可以优选地设有反馈用加速度传感器411。具体而言，两组磁铁磁性互斥且分别设置在上板体410(下表面)与下板体420(上表面)。反馈用加速度传感器411能够采集上板体410相对于下板体420的水平方向(即冲程推杆210的轴线)上移动的加速度，并以该加速度表征上板体410相对下板体420的往复振动趋势。该反馈用加速度传感器411电连接于一控制器(该控制器可以为独立控制器，亦可集成于控制系统900中)，该控制器能够根据上板体410的往复振动趋势的振动信号对磁致伸缩式执行器进行闭环跟踪控制，从而调节上板体410相对下板体420的往复振动趋势保持在一预设范围内。
进一步地，如图5所示，基于浮动结构430、振幅限制结构450和反馈用加速度传感器411的上述设计，在该实施方式中，固定座440还可优选地设置有前馈用加速度传感器444。具体而言，前馈用加速度传感器444能够采集固定座440的水平方向(即冲程推杆210的轴向)上移动的加速度，并以该加速度表征固定座440的往复振动趋势。该前馈用加速度传感器444电连接于一控制器(该控制器可以为独立控制器，亦可集成于控制系统900中)，该控制器能够根据上板体410和固定座440的往复振动趋势的振动信号对磁致伸缩式执行器进行闭环跟踪控制，从而调节上板体410相对下板体420的往复振动趋势保持在一预设范围内。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的测力机构仅仅是能够采用本公开原理的许多种测力机构中的几个示例。应当清楚地理解，本公开的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的测力机构的任何细节或测力机构的任何部件。
参阅图12，其代表性地示出了本公开提出的往复式试验机的系统示意图。在该示例性实施方式中，本公开提出的往复式试验机是以应用于针对柴油润滑油的摩擦磨损性能试验的试验设备为例进行说明的，特别是以应用于ISO 12156-1及SH/T0765标准柴油润滑性试验的试验设备为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本公开的相关设计应用于针对柴油润滑油的其他类型或其他标准下的试验或应用于其他种类的油品的相关试验中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本公开提出的往复式试验机的原理的范围内。
如图12所示，在本实施方式中，本公开提出的往复式试验机主要包括底座100、激振器200、冲程推杆210、加热台300、油盒310、加载机构、第一位移传感器610和测力机构700。具体而言，激振器200设置在底座100上。冲程推杆210可往复移动地穿设于激振器200，冲程推杆210具有由激振器200前端伸出的自由端，该自由端利用例如试验球101夹具等机构可拆装地固定设置有试验球101。油盒310设置在加热台300上。试验片102设置在油盒310中并位于试验球101的下方。加载机构用以使试验球101对试验片102产生正压力，即向下的加载力。第一位移传感器610用以测量冲程推杆210与激振器200(准确而言应为激振器200的壳体，即并非激振器200的线圈或连接线圈与壳体的弹簧)之间产生的第一位移。测力机构700用以测量试验球101与试验片102之间的摩擦力。
配合参阅图13至图17，图13中代表性地示出了图12示出的往复式试验机的俯视图；图14中代表性地示出了图12示出的往复式试验机的侧视图，具体为左视图(或前视图，其中以冲程推杆210的伸出于激振器200的方向为“前”)；图15中代表性地示出了图12示出的往复式试验机的控制系统900的系统示意图；图21中代表性地示出了控制系统900的另一系统示意图；图17中代表性地示出了激振器200与频率响应特性关系曲线图；图18中代表性地示出了控制系统900的建立激振器200的逆模型的原理图；图19中代表性地示出了往复式试验机的锁定机构的示意图；图20中代表性地示出了往复式试验机在一状态下的部分示意图；图21中代表性地示出了往复式试验机在另一状态下的部分示意图。以下结合上述附图，对本公开提出的往复式试验机的各主要组成部分的结构、连接方式或功能关系进行详细说明。
如图12至图14所示，在本实施方式中，本公开提出的往复式试验机至少还包括托板400、第二位移传感器620以及控制系统900。具体而言，该托板400浮动设置在底座100上。加热台300通过弹性支架320设置在托板400上。该第二位移传感器620设置在托板400上。第二位移传感器620能够测量冲程推杆210与托板400之间产生的第二位移。控制系统900分别电连接于第一位移传感器610、第二位移传感器620和激振器200。控制系统900能够根据第一位移传感器610测得的第一位移和第二位移传感器620测得的第二位移，计算出冲程推杆210的冲程和频率的反馈值(频率的反馈值可以根据冲程反馈值计算)，并将该反馈值与控制系统900中设定关于激振器200的冲程和频率的预设值进行比对分析，以此控制激振器200输出预设的冲程和频率。通过上述设计，本公开提出的往复式试验机相比于现有试验设备，具备了变频范围内冲程控制精准、满足微动磨损要求、摩擦力测量精度高、磨瘢直径试验结果重复性高的特点。
较佳地，如图15至图18所示，在本实施方式中，控制系统900可以优选地包括上位控制机构910以及下位控制机构920。具体而言，上位控制机构910分别电连接于第一位移传感器610和第二位移传感器620。上位控制机构910能够根据第一位移和第二位移计算出冲程推杆210的冲程和频率的反馈值，并将反馈值与预设值进行比对分析。上位控制机构910能够根据上述比对分析计算出关于激振器200的驱动电流的电流设定值，并发出相应的控制指令。下位控制机构920分别电连接于上位控制机构910和激振器200。下位控制机构920能够根据上位控制机构910发出的控制指令，对激振器200的驱动电流进行闭环跟踪控制，从而使激振器200的驱动电流保持为电流设定值，进而使激振器200输出至冲程推杆210的冲程和频率保持为预设值。具体而言，上位控制机构910将激振器200的冲程及频率的反馈值与预设值进行对比，据此实时地给出关于激振器200的驱动电流的电流设定值，并通过下位控制机构920控制激振器200，上述上位控制机构910基于冲程(及频率)的控制过程可以理解为第一套闭环，即“冲程环”。同时，下位控制机构920能够实时测量激振器200的驱动电流的反馈值，并将其与上位控制机构910给出的电流设定值进行对比，据此实时地控制激振器200的驱动电流保持在电流设定值，上述下位控制机构920基于电流的控制过程可以理解为第二套闭环，即“电流环”。承上所述，通过上述关于控制系统900的设计，控制系统900能够实现对激振器200的驱动电流的双闭环的控制模式，即实现对激振器200的工作状态、冲程推杆210的工作状态的双闭环的控制模式，进而实现对整个往复式试验机的双闭环控制模式。其中，上位控制机构910通过第一位移传感器610、第二位移传感器620获取冲程瞬时值(即反馈值)，通过比较其与预设值的偏差，调整给下位控制机构920的电流设定值。下位控制机构920采集激振器200的交变电流值(即实时的驱动电流)，用于电流环的反馈控制，其构成方式可以是嵌入式系统、单片机、模拟运放电路。下位控制机构920通过测量到的电流值与电流设定值的偏差，来调整输出给激振器200的驱动电流。
较佳地，如图15至图18在本实施方式中，上位控制机构910可以优选地分别根据激振器200处于多个频率时的响应模型(例如激振器200的电流-驱动力的响应模型)建立逆模型，并根据激振器200的多个逆模型采用变结构控制算法(例如采用滑模控制算法)计算关于激振器200的驱动电流的电流设定值。举例而言，由于激振器200的响应特性为非线性，因此不同设定频率工作点，其响应模型不同，当然逆模型也不同。比如40Hz时，激振器200的电流-驱动力的逆模型为Ga-1(F)，50Hz时逆模型则可能为Gb-1(F)，60Hz时可能为Gc-1(F)。实际应用中难以为激振器200的每个频率点建立一个模型，因此可以每隔一定频率值(例如10Hz)建立一个模型。据此，当设定频率为48Hz时，其逆模型可以根据激振器200的40Hz时的逆模型Ga-1(F)和激振器200的50Hz时的逆模型Gb-1(F)通过插值运算得出。由此而见，随着激振器200的频率设定点的变动，实际采用的模型在“Ga-1(F)、Gb-1(F)、Gc-1(F)……”这些逆模型之间灵活变动，亦称之为变结构控制。在其他实施方式中，变结构控制算法亦可包括其他不同模型间连续、灵活变动的方式，并不限于本实施方式中涉及的插值运算的这种表结构控制算法的举例。
如图17所示，为激振器200在不同频率下的响应特性曲线，横坐标为频率，纵坐标为激振器200的增益系数，可以看出激振器200典型的非线性工作特点。
如图18所示，为逆模控制原理图，目标值Xsp为冲程设定值，经过激振器200冲程与电压的关系函数V(x)转换成电压设定值V。本发明建立起了激振器200的数学模型G’(s)，以及其逆模型G’(S)-1，然后通过逆模控制算法进行精确的冲程控制。
较佳地，如图16和图17所示，在本实施方式中，激振器200在不同频率工作点，其响应频率体现出明显的非线性特征。通过测试不同频率工作点的激振器200响应特性，建立激振器200的逆模型。根据冲程测量瞬时值与冲程设定值之间的偏差，通过逆模型计算出应该输出的激振器200驱动电流，来满足不同频率下往复式试验机的冲程控制精度。其中，在图16中，横坐标为频率，纵坐标为激振器200的增益系数。在图17中，目标值Xsp为冲程设定值，经过激振器200冲程与电压的关系函数V(x)转换成电压设定值V。本公开建立起了激振器200的数学模型G’(s)以及其逆模型G’(s)-1，然后通过逆模控制算法进行精确的冲程控制。
进一步地，基于控制系统900包括上位控制机构910以及下位控制机构920的设计，在本实施方式中，上位控制机构910可以优选地至少包括计算机以及计算机中的相关软件。并且，下位控制机构920可以优选地至少包括单片机(例如ARM单片机)、功率放大电路、信号发生器、看门狗电路等，且上述器件均可集成在一个数控箱内。另外，上述上位控制机构910和下位控制机构920，与下述的超温保护电路、各位移传感器、各力传感器710(测力机构700)和温度传感器330等数控器件或测量器件一起，共同组成了本公开提出的往复式试验机的控制系统900的主要部分。
较佳地，在本实施方式中，本公开提出的往复式试验机可以优选地采用双重冗余超温保护机制。具体而言，可将温度传感器330与上位控制机构910电连接，利用上位控制机构910(例如计算机)实时监控油样温度的变化情况。下位控制机构920的数控箱内可以优选地集成看门狗电路，据此，当计算机死机或者上位控制机构910与下位控制机构920断开连接时，看门狗电路能够在一定响应时间(例如三秒钟)之后，使下位控制机构920自动进入停止加热的保护状态。并且，加热台300内可以优选地设置有温度开关360，且数控箱内可以优选地集成独立的超温保护电路，据此，在计算机死机或看门狗电路失效时，当加热温度超过温度开关360的上限设定值时，下位控制机构920仍然能够据此进行断电保护，使整个试验设备进入停机状态。通过上述设计，本公开能够实现的双重超温保护状态，进一步确保燃油试验的安全。
较佳地，如图12所示，在本实施方式中，弹性支架320可以优选地大致呈“Z”型(即“ㄣ”型)结构。具体而言，呈“Z”型结构的弹性支架320具有两个连接部以及一个支撑部。两个连接部分别大致呈水平布置，且两个连接部分别通过调平螺丝固定连接在加热台300底部和托板400顶部(即上板体410的上表面)，支撑部连接在两个连接部之间，以实现对加热台300的弹性支撑。其中，两个连接部和支撑部可一优选为一体结构且采用弹性材质制成。在其他实施方式中，两个连接部的材质亦可不同于支撑部，且至少保证支撑部采用弹性材质制成。通过上述设计，能够进一步提高柴油润滑性试验中磨瘢数据的重复性。
较佳地，如图12所示，在本实施方式中，弹性支架320可以优选地连接在加热台300的底部的前、后侧的边缘位置，以实现加热台300能够相对托板400在冲程推杆210轴向上往复移动。
进一步地，如图12所示，基于弹性支架320呈“Z”型结构的设计，同时基于弹性支架320连接在加热台300的底部的前、后侧的边缘位置的设计，在本实施方式中，弹性支架320的连接于托板400的连接部至少部分地位于加热台300在托板400上的正投影图形的范围之外。
进一步地，基于弹性支架320呈“Z”型结构的设计，在本实施方式中，弹性支架320可以优选地采用铍青铜或弹簧钢的弹性薄金属片制成。更进一步地，可在弹性支架320的支撑部开多个开孔321(优选为圆形开孔)。并且，弹性支架320的每个连接部均可以优选地通过三个螺丝穿过弹簧后与加热台300或托板400固定，以此便于找平而能以压住弹性支架320的方式进行固定，一方面能够调整油盒310的高度和水平度，另一方面能够保证摩擦力能更加充分地传递到力传感器710上。在其他实施方式中，弹性支架亦可采用弹性模量较小，且回弹较强而不易产生塑性变形的材料或结构，并不以本实施方式为限。
较佳地，如图12至图14所示，在本实施方式中，冲程推杆210可以优选地采用轻质材料制成，且冲程推杆210的截面直径可以优选为8mm以下。例如，冲程推杆210可以选用铝制空心杆或者碳纤维杆等杆材制成。通过上述设计，本公开能够减轻运动部件(冲程推杆210)的运动质量，从而能够减小激振器200的输出负载的惯性力。在其他实施方式中，冲程推杆210亦可采用其他材质，例如其他轻质的金属或其他轻质材料等，并不以本实施方式为限。
较佳地，如图12至图14所示，在本实施方式中，加热台300中设置有温度传感器330，用以测量油盒310内的油样的温度。温度传感器330电连接于控制系统900，用于供控制系统900采集温度传感器330测得的温度信息，并以此通过上位控制机构910控制加热台300对油样温度进行调节。试验过程中，待试验的油样设置在油盒310里，油样的温度通过温度传感器330进行测量，控制系统900根据测得的温度信息控制加热台300升温，从而使油样升温，控制系统900还可以根据预设的温度设定值与温度传感器330的测量值对加热台300进行闭环跟踪控制，以使加热台300及油样的温度保持在温度设定值。
进一步地，基于温度传感器330的设计，在本实施方式中，该温度传感器330可以优选地采用3线制或4线制的PT100铂电阻。据此，相比于现有试验设备的2线制的铂电阻，本公开能够进一步减少传输导线造成的误差。
进一步地，基于温度传感器330的设计，在本实施方式中，控制系统900可以优选地采用先进型PID算法控制加热台300。
较佳地，在本实施方式中，加热台300底部可以优选地设置有隔热垫，以此实现与底座100导热隔离，满足高温试验的要求。
进一步地，基于隔热垫的设计，在本实施方式中，隔热垫可以优选为陶瓷类或其他硬质隔热材质，例如玻璃纤维、复合硅酸盐等。
较佳地，如图12至图14所示，在本实施方式中，加热台300顶部可以优选地设置有导热台350，油盒310设置在导热台350上。在高温条件下的往复式润滑性试验中，导热台350能将加热台300的热量传递至油盒310，进而传递至油样。在低温条件下的往复式润滑性试验中，导热台350能够实现油样的降温控制，满足低温条件下的往复式润滑性试验要求。
进一步地，基于导热台350的设计，在本实施方式中，导热台350可以采用为带内置水套的铝块结构。其中，水套中可以循环流通有冷冻液，以实现制冷功能，且铝材具有传热较快的特点，使得该结构的导热台350能够同时适应高温及低温条件下的试验需要。在其他实施方式中，导热台350亦可采用其他结构，例如，导热台350可以采用半导体制冷方式等，并不以本实施方式为限。另外，导热台350亦可采用导热性能较好的其他金属材质或其他材质，并不以本实施方式为限。
较佳地，如图12所示，在本实施方式中，加热台300(导热台350)顶部的后端具有后端挡板351，油盒310后端与后端挡板351形成楔型卡槽结构，可以便于油盒310设置在加热台300上时以其后端卡入后端挡板351内。在此基础上，对于油盒310前端的固定，可以优选地采用从前面拧入斜向下的螺栓3521将油盒310前端与加热台300(导热台350)的前端挡板352固定，据此能够与后端挡板351的卡掣形成合力一起固定油盒310。通过上述设计，本公开既方便用户操作，也保证了油盒310与加热台300(导热台350)的良好的导热接触。
较佳地，如图12至图14、图19至图21所示，在本实施方式中，激振器200可以优选地通过支座220设置在底座100上。具体而言，支座220固定在底座100上。激振器200通过轴承221可转动地设置在该支座220上。在此基础上，如图19至图21所示，往复式试验机还可以优选地包括锁定机构，该锁定机构主要包括双头螺杆231、锁定杆232以及两个偏心轮233。具体而言，双头螺杆231水平设置且两端分别具有螺头。锁定杆232固定连接于双头螺杆231。两个偏心轮233分别设置在轴承221的两端。偏心轮233的轮心处设置有齿轮，两个偏心轮233的齿轮分别与双头螺杆231的两个螺头传动配合(例如通过传动齿轮)。通过上述设计，锁定机构能够通过锁定杆232带动双头螺杆231转动，使两个偏心轮233转动并可调节地抵顶于轴承221的两端，从而实现对轴承221可调节地锁定。基于上述锁定机构的设计，在安装试验球101和试验片102完毕后准备开始试验时，通过压下轴承221锁定杆232，带动双头螺杆231转动，从而通过传动齿轮带动两个偏心轮233转动，最终使两个偏心轮233夹紧锁定轴承221两端，从而实现轴承221的锁定，使得激振器200与底座100形成刚性连接。当试验结束后，抬起锁定杆232，松开两个偏心轮233，从而释放轴承221的两端解除锁定状态，激振器200则可再次绕轴承221转动，便于拆卸试验球101和其他试验结束后的操作进行。通过上述设计，本公开能够减少支座220中轴承221间隙对试验结果重复性的影响，能够进一步提高柴油润滑性试验中磨瘢数据的重复性。
较佳地，如图12至图14所示，在本实施方式中，冲程推杆210与激振器200之间可以优选地使用绝缘圈240进行绝缘处理。试验球101、试验片102与冲程推杆210、底座100之间均可优选地采用二次绝缘处理，避免激振器200驱动电流干扰油膜厚度的测量的准确性。数控箱中可以优选地集成有直流恒压源以及峰值和频率均固定的交流信号源，该直流恒压源和交流信号源分别能够测量试验球101与试验片102之间的接触阻抗，直流恒压源和交流信号源的电压值可根据不同试验条件选择为特定大小，例如1mV～100mV，以防止电压值太高击穿油膜，或电压值太低影响油膜厚度的测量灵敏度。其中，直流恒压源和交流信号源可以根据试验需要灵活切换。
较佳地，如图12所示，在本实施方式中，本公开提出的往复式试验机还可以优选地包括平衡机构。具体而言，该平衡机构包括两个平衡单元810，每个平衡单元810均设置在激振器200(包括激振器200的本体201、套管202或平衡轴250)与底座100之间，且两个平衡机构分别设置在支座220的前、后两侧。平衡机构能够利用两个平衡机构分别对激振器200的位于支座220前侧和后侧的部分施力，从而调节激振器200相对支座220转动而达成水平状态，进而实现对冲程推杆210的水平状态的调节。
进一步地，如图12所示，基于上述平衡机构的设计，在本实施方式中，位于支座220前侧的平衡单元810可以优选地包括一对永磁体，其中一个永磁体固定于激振器200(包括激振器200的本体201或套管202)，另一个永磁体固定于底座100，且两个永磁体上下相对设置。并且，位于支座220后侧的平衡单元810可以优选地包括一个电磁铁和一个永磁体，电磁铁固定于底座100，永磁体固定于激振器200(包括激振器200的本体201或平衡轴250)，且电磁铁与永磁体上下相对设置。据此，平衡机构能够采用电磁斥力的调节方式进行平衡状态的调节，保证加载的精确性。在其他实施方式中，采用上述一对永磁体以及另一对电磁铁与永磁体的设计的两个平衡单元810，亦可相对支座220前后互换位置，并不以本实施方式为限。
更进一步地，如图12所示，基于两个平衡单元810的上述具体设计，在本实施方式中，平衡轴250上可以优选地设置有配重块820。据此，平衡机构能够采用重力加电磁斥力的双重调节方式进行平衡状态的调节，其优势在于试验过程中能稳定加载质量的动态波动。试验过程中，电磁铁通电，其余相对应的磁铁产生磁斥力，并通过支座220前侧的一对永磁体的共同作用来调节激振器200水平状态，进而调节冲程推杆210的水平状态，进一步保证加载的精确性。
基于往复式试验机的控制系统900的具体设计，该往复式试验机的基本工作原理大致包括：计算机及软件采集第一位移传感器610和第二位移传感器620的测量反馈值并计算出冲程推杆210的真实冲程，即激振器200的冲程的反馈值，并可根据冲程的反馈值计算出频率的反馈值。上位控制机构910将冲程及频率的反馈值与预设值进行对比，基于冲程及频率的反馈值，上位控制机构910能够根据对应于激振器200多个频率点位的响应模型的逆模型，经过变结构控制算法计算出关于激振器200的驱动电流的电流设定值的控制指令，发送给数控箱里的单片机作为设定值。然后，经过数控箱中的功率放大电路，输出驱动电流给激振器200。激振器200可以选用电磁式或电动式原理，可绕支座220中的轴承221转动，在周期变化的驱动电流作用下，激振器200通过与之相连的冲程推杆210带动试验球101夹具前后水平往复运动。被测油样放在油盒310中被温控加热台300加热。改变驱动电流的大小和频率，即可改变试验球101与试验片102之间的相对摩擦运动的冲程和频率。试验过程中，通过测力机构700测量摩擦副的摩擦力大小，并且以测量接触电阻大小来表征油膜的相对厚度。经过特定试验时间后，拆卸下试验球101与油盒310中的试验片102，通过在显微镜下测量试验球101上的平均磨瘢直径的大小来考察燃油的润滑特性的性能优劣。
承上所述，本公开提出的往复式试验机通过本实施方式中示例性描述的基本设计构思，或结合上述一个或多个优选设计方案，至少能够达成以下优点和功效：本公开结构设计科学、合理，满足精密仪器的设计规则，能够有效提高试验结果的重复性、再现性，提高摩擦系数测量精度到小数点后两位。再者，本公开采用电磁或电动式激振器200作为振动源，因此相比于电、液压或机械产生的振动源具有结构紧凑，范围宽广，调节方便可靠、反应灵敏等优点。另外，本公开的控制系统900采用上、下位机的方式，上位控制机构910采用变结构控制算法，提高各种频率下冲程的控制精度(可达7μm以内)，优于标准的20μm，提高了磨瘢直径试验结果的精密度，下位控制机构920采用单片机实时控制，响应频率高，整机最高运行频率为500Hz。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的往复式试验机仅仅是能够采用本公开原理的许多种往复式试验机中的几个示例。应当清楚地理解，本公开的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的往复式试验机的任何细节或往复式试验机的任何部件。
举例而言，本公开提出的往复式试验机还应包括数字测量系统，该数字测量系统可以采用现有试验设备的数字测量系统的设计或部分数字测量元件的设计，其可以包括数字摄像头、显微镜以及安装在上位控制机构(例如电脑)中的与显微镜相匹配的控制和测量软件。
综上所述，本公开提出的往复式试验机，能够用于ISO 12156-1及SH/T0765标准柴油润滑性试验，还能够用于润滑油、润滑材料的高温，宽频率、宽冲程范围的摩擦磨损试验。该往复式试验机能够利用测力机构通过两个参数相同的力传感器，对称放置于往复运动的摩擦副的两侧，同时输出一对摩擦力信号的差分式测力结构，测力机构放置于隔振托板上，以此降低此类试验机中振动、热应力对摩擦力测量的干扰，同时使用组合式形态滤波算法对求差后的摩擦力进行处理，进一步提高摩擦力测量的精度。使用优化设计后的摩擦力测量装置的试验机，其换算的摩擦系数测量精度能达到小数点后百分位，区分度为0.01。
进一步地，在本公开的其中一个实施方式中，当该往复式试验机主要包括底座、激振器、冲程推杆、加热台、油盒、加载机构、第一位移传感器、测力机构、托板、第二位移传感器以及控制系统。托板浮动设于底座上，加热台通过弹性支架设于托板上。第二位移传感器设于托板上并用于测量冲程推杆与托板之间产生的第二位移。第一位移传感器用以测量冲程推杆与激振器之间产生的第一位移。控制系统电连接于第一位移传感器、第二位移传感器和激振器。控制系统能够根据第一位移和第二位移计算出冲程推杆的冲程和频率的反馈值，并将反馈值与预设值进行比对分析，以此控制激振器输出预设的冲程和频率。通过上述设计，本公开提出的往复式试验机相比于现有试验设备，具备了变频范围内冲程控制精准、满足微动磨损要求、摩擦力测量精度高、磨瘢直径试验结果重复性高的特点。
另外，为验证本公开提出的往复式试验机的性能，申请人联合57家试验室(含外资第三方试验室)使用70余台三种品牌的同类型试验机(品牌比例各占1/3)以及8种具有代表性的柴油样品(磨瘢直径在300μm～700μm之间)，进行了500多次盲测比对试验。试验结果表明本公开提出的往复式试验机的综合性能最佳，其中，重复性精密度表现为24.66μm，再现性精密度表现为41.23μm，相比于现有试验设备均取得突破性进步。
本公开提出的往复式试验机能够满足国际标准ISO 12156-1:2016《用高频往复试验机评定柴油的润滑性-第一部分：试验方法》和我国行业标准SH/T 0765《柴油润滑性评定法(高频往复试验机法)》对相关试验设备要求。
以上详细地描述和/或图示了本公开提出的测力机构及具有该机构的往复式试验机的示例性实施方式。但本公开的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
虽然已根据不同的特定实施例对本公开提出的测力机构及具有该机构的往复式试验机进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本公开的实施进行改动。

Claims (19)

1.一种测力机构，设置于往复式试验机，所述往复式试验机包括底座、激振器、冲程推杆、试验片、加载机构、加热台、油盒和托板，所述激振器设于所述底座，所述托板浮动设于所述底座，所述冲程推杆可往复移动地穿设于所述激振器并具有自由端，所述自由端设有试验球，所述试验片设置在所述油盒中并位于所述试验球的下方，所述加载机构用以使所述试验球对试验片产生正压力，所述加热台通过弹性支架设于所述托板上，所述油盒设于所述加热台上，所述试验片设于所述油盒并位于所述试验球下方，所述试验球和所述试验片界定摩擦副；其特征在于，所述测力机构包括：
两个力传感器，分别设于所述托板上，并相对称地连接于所述加热台的沿所述冲程推杆轴向的前后两侧，两个所述力传感器被配置为分别测量所述摩擦副的一对摩擦力；
摩擦力计算单元，连接于两个所述力传感器并被配置为对所述一对摩擦力求差，并对求差后的摩擦力采用组合式形态滤波算法进行处理，得到所述摩擦副的摩擦力。
2.根据权利要求1所述的测力机构，其特征在于，每个所述力传感器包括：
壳体，固定于所述托板上；
连接杆，水平设置且一端连接于所述加热台；
弹性膜，活动设于所述壳体并连接于所述连接杆的另一端；以及
压电晶体，设于所述壳体内并电连接于所述摩擦力计算单元；
其中，所述力传感器被配置为通过所述连接杆带动所述弹性膜接触所述压电晶体，所述压电晶体根据其所受到的所述弹性膜的往复拉力或压力产生电信号，并在所述摩擦力计算单元中以所述电信号表征摩擦力。
3.根据权利要求2所述的测力机构，其特征在于，所述连接杆上设有多个散热鳍片。
4.一种往复式试验机，包括底座、激振器、冲程推杆、试验片、加热台、油盒和托板，所述激振器和所述托板分别设于所述底座，所述冲程推杆可往复移动地穿设于所述激振器并具有自由端，所述自由端设有试验球，所述加热台通过弹性支架设于所述托板上，所述油盒设于所述加热台上，所述试验片设于所述油盒并位于所述试验球下方，所述试验球和所述试验片界定摩擦副；其特征在于，所述往复式试验机还包括权利要求1～3任一项所述的测力机构。
5.根据权利要求4所述的往复式试验机，其特征在于，所述托板包括：
上板体，设于所述底座上方；
下板体，固定于所述底座上，且位于所述上板体的下方；以及
浮动结构，设于所述上板体与所述下板体之间；
其中，所述托板通过所述浮动结构在竖直方向上支撑于所述上板体与所述下板体之间，并使所述上板体在水平方向上能够相对所述下板体移动。
6.根据权利要求5所述的往复式试验机，其特征在于，所述底座上设有固定座，所述上板体在水平方向上通过振幅限制结构连接于所述固定座，所述振幅限制结构被配置为调节所述上板体在水平方向上相对于所述下板体的移动的振幅。
7.根据权利要求6所述的往复式试验机，其特征在于，所述浮动结构包括圆柱轴承，所述振幅限制结构包括空气弹簧阻尼器。
8.根据权利要求6所述的往复式试验机，其特征在于，所述浮动结构包括多个薄膜气垫，所述振幅限制结构包括磁致伸缩式执行器，所述上板体设有反馈用加速度传感器；其中，所述反馈用加速度传感器被配置为采集所述上板体相对所述下板体的水平方向上移动的加速度，以此表征所述上板体相对所述下板体的往复振动趋势；其中，所述反馈用加速度传感器电连接于一控制器，所述控制器被配置为根据所述上板体的往复振动趋势的振动信号对所述磁致伸缩式执行器进行闭环跟踪控制，从而调节所述上板体相对所述下板体的往复振动趋势。
9.根据权利要求8所述的往复式试验机，其特征在于，多个所述薄膜气垫沿水平方向相间隔地布置；和/或，所述薄膜气垫呈竖直设置的波纹管状结构。
10.根据权利要求8所述的往复式试验机，其特征在于，所述浮动结构包括两组磁铁，所述振幅限制结构包括磁致伸缩式执行器，所述上板体设有反馈用加速度传感器；其中，两组所述磁铁磁性互斥且分别设于所述上板体与所述下板体，所述反馈用加速度传感器被配置为采集所述上板体相对所述下板体的水平方向上移动的加速度，以此表征所述上板体相对所述下板体的往复振动趋势；其中，所述反馈用加速度传感器电连接于一控制器，所述控制器被配置为根据所述上板体往复振动趋势的振动信号对所述磁致伸缩式执行器进行闭环跟踪控制，从而调节所述上板体相对所述下板体的往复振动趋势。
11.根据权利要求10所述的往复式试验机，其特征在于，所述固定座设有前馈用加速度传感器；其中，所述前馈用加速度传感器被配置为采集所述固定座的水平方向上移动的加速度，以此表征所述固定座的往复振动趋势；其中，所述前馈用加速度传感器电连接于所述控制器，所述控制器被配置为根据所述上板体和所述固定座的往复振动趋势的振动信号对所述磁致伸缩式执行器进行闭环跟踪控制，从而调节所述上板体相对所述下板体的往复振动趋势。
12.根据权利要求4所述的往复式试验机，其特征在于，所述托板浮动设于所述底座上，所述加热台通过弹性支架设于所述托板上；其中，所述往复式试验机还包括：
第一位移传感器，用以测量所述冲程推杆与所述激振器200之间产生的第一位移；
第二位移传感器，设于所述托板上，并被配置为测量所述冲程推杆与所述托板之间产生的第二位移；以及
控制系统，电连接于所述第一位移传感器、所述第二位移传感器和所述激振器，所述控制系统被配置为根据所述第一位移和所述第二位移计算出所述冲程推杆的冲程和频率的反馈值，并将所述反馈值与预设值进行比对分析，以此控制所述激振器输出预设的冲程和频率。
13.根据权利要求12所述的往复式试验机，其特征在于，所述控制系统包括：
上位控制机构，电连接于所述第一位移传感器和所述第二位移传感器，所述上位控制机构被配置为根据所述第一位移和所述第二位移计算出所述冲程推杆的冲程和频率的反馈值，并将所述反馈值与预设值进行比对分析，计算出电流设定值并发出相应的控制指令；以及
下位控制机构，电连接于所述上位控制机构和所述激振器，所述下位控制机构被配置为根据所述控制指令对所述激振器的驱动电流进行闭环跟踪控制，从而使所述激振器的驱动电流保持为所述电流设定值，进而使所述激振器输出至所述冲程推杆的冲程和频率保持为所述预设值。
14.根据权利要求13所述的往复式试验机，其特征在于，所述上位控制机构被配置为分别根据所述激振器处于多个频率时的响应模型建立逆模型，并根据多个所述逆模型采用变结构控制算法计算出所述电流设定值。
15.根据权利要求13所述的往复式试验机，其特征在于，所述加热台内设有温度传感器，所述温度传感器电连接于所述上位控制机构，所述温度传感器被配置为测量所述加热台的温度；其中，所述控制系统通过所述上位控制机构采集所述温度传感器测得的温度信息，并根据所述温度信息通过所述上位控制机构控制所述加热台对所述油盒内的油样加热。
16.根据权利要求15所述的往复式试验机，其特征在于，所述下位控制机构集成有看门狗电路，所述看门狗电路被配置为在所述上位控制机构失效或与下位控制机构断开连接时，经过一响应时间之后使所述下位控制机构控制所述加热台停止加热。
17.根据权利要求16所述的往复式试验机，其特征在于，所述下位控制机构集成有超温保护电路，所述加热台设有温度开关，所述温度开关电连接于所述超温保护电路，所述超温保护电路被配置为在所述上位控制机构失效或所述看门狗电路失效时，且在所述加热台的温度超过所述温度开关的预设的上限温度时，使所述下位控制机构控制所述往复式试验机进入停机状态。
18.根据权利要求15所述的往复式试验机，其特征在于，所述控制系统利用所述下位控制机构通过先进型PID算法控制所述加热台。
19.根据权利要求15所述的往复式试验机，其特征在于，所述温度传感器为3线制的PT100铂电阻；或者，所述温度传感器为4线制的PT100铂电阻。
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