CN113310787B - 一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置，用于方便研究摩擦副间的摩擦学特性。它包括自上而下依次设置的力传感器、上试样夹具、下试样夹具和往复平台，所述上试样夹具固定在力传感器的底部，在上试样夹具的中部设有通过输电线与直流稳压电源电连接的电磁线圈，在上试样夹具的底部设有上试样；在所述下试样夹具的顶部设有下试样，在下试样与下试样夹具之间设有压板，通过压板实现下试样与下试样夹具之间的相对固定；下试样夹具与往复平台固定连接，往复平台在驱动单元的作用下在水平面内左右往复移动。本发明方便研究摩擦副间的摩擦学特性。

Description

一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体地说是一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置。

背景技术

摩擦学研究主要借助于摩擦磨损试验来探求两接触面之间摩擦、磨损、润滑的规律并用以指导摩擦副的设计、生产和优化。随着科技的发展，电磁环境成为一种普遍的摩擦工况，尤其是在电磁技术的应用之后，大量的机电装置(如电磁制动器、直线电机等)中的摩擦副在磁场环境下进行工作。一方面磁场会对摩擦副材料的力学性能、磨损产物特征及气氛环境中氧的行为有着重要影响，从而导致材料在磁场环境中的摩擦学性能发生一定的改变，另一方面，摩擦副在相对运动的过程中会产生电荷(摩擦起电现象)，电荷不断转移形成变化的电场，变化的电场会激发磁场。变化电场和激发磁场会发生热、电和吸附等物理化学现象，势必会影响到润滑剂的润滑性能和润滑机理。特别是近年来研究人员发现磁流体是具有磁性的液体，可以在磁场作用下表现出流变的智能特性，具有随磁场可变的润滑性能，当作为润滑剂时可以根据磁场环境改变摩擦副间的摩擦学特性。为了利用磁场对材料摩擦过程进行主动控制，相关研究者就磁场对材料摩擦学性能的作用机制进行了探索性研究。但是目前鲜有专门针对有磁场存在的工作环境而设计的摩擦磨损试验机，造成数据的采集和整合存在困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置，用于方便研究摩擦副间的摩擦学特性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置，其特征是，它包括自上而下依次设置的力传感器、上试样夹具、下试样夹具和往复平台，所述上试样夹具固定在力传感器的底部，在上试样夹具的中部设有通过输电线与直流稳压电源电连接的电磁线圈，在上试样夹具的底部设有上试样；在所述下试样夹具的顶部设有下试样，在下试样与下试样夹具之间设有压板，通过压板实现下试样与下试样夹具之间的相对固定；下试样夹具与往复平台固定连接，往复平台在驱动单元的作用下在水平面内左右往复移动。

进一步地，所述上试样夹具包括双头螺栓、与双头螺栓固定连接的柱状阶梯螺母、与柱状阶梯螺母外壁固定连接的磁场发生器，电磁线圈设置在磁场发生器内侧。

进一步地，所述磁场发生器底部敞口。

进一步地，在磁场发生器内侧设有栅格状的电磁线圈固定托盘，电磁线圈设置在电磁线圈固定托盘上。

进一步地，电磁线圈固定托盘包括自内而外依次设置的第一圆环、第二圆环和第三圆环，在第一圆环外壁与第三圆环内壁之间设有若干沿周向均匀设置的径向杆，在第三圆环上表面固定有竖杆。

进一步地，竖杆长度可调节。

进一步地，所述驱动单元包括设置在往复平台下方的底座、固定在往复平台底部的丝杠螺母、转动安装在底座上的丝杠、驱动丝杠的驱动电机，丝杠螺母与丝杠配合。

进一步地，在下试样夹具的顶部铰接安装有压板，在下试样夹具的顶部固定有定位柱，在定位柱顶部设有压帽，在压板上设有凹槽，定位柱置于凹槽内后下试样夹具与压板接触并配合作用实现对下试样的上下限位。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置，结构简单，可以通过改变电磁线圈的通电电流大小，改变施加在摩擦副上的摩擦力，进而便于摩擦副的研究。通过安装在上试样夹具上的磁场发生器内部的电磁线圈在摩擦副接触区域施加磁场，由于磁场发生器在安装好后能够与上试样夹具固定，形成一体化、整体式结构，所以当安装在下试样夹具上的下试样随往复平台直线往复运动时，保证了上、下试样之间摩擦副接触区域的磁场强度大小不会随接触区域位置的不同而变化，始终保持稳定，进而保证了试验数据的准确性。试验数据通过力传感器传输到计算机进行采集和整合，同时磁场发生器内部的电磁线圈外接直流稳压电源，通过调节电源的输出电流，可控制上下试样之间摩擦副接触区域的磁场强度大小分布，从而完成不同磁场强度条件下的摩擦磨损试验。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明上试样夹具结构主视图；

图3是本发明上试样夹具结构剖面图；

图4是本发明上试样夹具结构仰视图；

图5是本发明上试样夹具结构轴测图；

图6是本发明下试样夹具和往复平台结构示意图；

图7是本发明上试样夹具双头螺栓结构示意图；

图8是本发明上试样夹具柱状阶梯螺母结构示意图；

图9是本发明上试样夹具电磁线圈固定托盘结构示意图；

图10为驱动单元的示意图；

图11为下试样夹具的结构示意图；

图12为图11中的压板俯视图；

图13为图11中的压板正视图；

图中：1力传感器，2上试样夹具，21双头螺栓，22柱状阶梯螺母，23电磁线圈，24磁场发生器，241竖直槽，25电磁线圈固定托盘，251第一圆环，252第二圆环，253第三圆环，254径向杆，255竖杆，26上试样，3下试样夹具，31耳板，32下试样，33压板，331凹槽，34螺钉，35定位柱，36压帽，4往复平台，41丝杠螺母，42丝杠，43驱动电机，44底座，45支座，5直流稳压电源，6输电线。

具体实施方式

如图1至图13所示，本发明主要包括力传感器1、上试样夹具2、下试样夹具3、往复平台4、直流稳压电源5和输电线6，下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1所示，力传感器1设置在本发明的最上方，在力传感器的下方设有上试样夹具2，上试样夹具2包括双头螺栓21、柱状阶梯螺母22、电磁线圈23、磁场发生器24和电磁线圈固定托盘25。如图2、图3和图7所示，双头螺栓的两端均设有外螺纹，且双头螺栓第一端的外径小于双头螺栓第二端的外径。双头螺栓的第一端用于与力传感器螺纹连接固定。在双头螺栓21第二端螺纹安装有柱状阶梯螺母22，柱状阶梯螺母22上部设有内螺纹，柱状阶梯螺母22上端与双头螺栓第二端螺纹连接。电磁线圈23由导线一圈靠一圈地均匀缠绕在绝缘管上，导线间彼此互相绝缘，导线的两端设置有电源夹，便于与通过输电线6与直流稳压电源5连接，通过直流稳压电源5给电磁线圈23通以可调节大小的电流，进而使得电磁线圈产生强度可调的磁场。电磁线圈23安装在电磁线圈固定托盘25上。如图9所示，电磁线圈固定托盘25包括自内而外依次设置的第一圆环251、第二圆环252和第三圆环253，在第一圆环外壁与第三圆环内壁之间设有若干沿径向均匀设置的径向杆254，在第三圆环的上表面设有与径向杆一一对应的竖杆255。电磁线圈固定托盘的辐条式镂空栅格结构不阻碍电磁线的穿过。竖杆为伸缩结构，且竖杆伸缩后可以定型。竖杆的设置，用来固定电磁线圈23，根据电磁线圈的轴向尺寸，调节竖杆的长度，进而满足对电磁线圈的固定需要。在第一圆环的内壁设有内螺纹，第一圆环用于与磁场发生器24螺纹连接，进而使得电磁线圈固定托盘25连接固定在磁场发生器24内。磁场发生器24设置为柱状壳体结构，为了不阻碍磁感线穿过，磁场发生器24下部设置为敞口式，内部安装电磁线圈固定托盘25用于放置电磁线圈23，如图5所示，磁场发生器24侧面开有一段竖直槽241，便于电磁线圈23通过输电线6连接直流稳压电源5，磁场发生器24内壁的内螺纹与柱状阶梯螺母22中部螺纹配合，使得磁场发生器24与柱状阶梯螺母22连接固定。

柱状阶梯螺母22底部设置有上试样安装槽，用来安装球形的上试样26。上试样夹具2依靠双头螺栓21上部与力传感器1底部螺纹连接，使得上试样夹具2安装固定在力传感器1上。

在上试样夹具的下方设有下试样夹具3，如图6所示，下试样夹具3为矩形板状结构，下试样夹具的两侧设有耳板31，在耳板与往复平台4之间设有螺钉34，进而实现下试样夹具与往复平台的相对固定连接。在下试样夹具的顶部设有凹槽，在凹槽内放置下试样32，下试样的上表面与下试样夹具的上表面平齐，为实现下试样与下试样夹具之间的相对固定，在下试样夹具的顶部通过螺钉固定安装有一对前后设置的压板33，通过压板实现下试样夹具与下试样的相对固定。往复平台设置在下试样夹具的下方，用于与下试样夹具固定连接，使用时通过驱动往复平台的左右移动，实现上试样与下试样之间的摩擦。往复平台的移动速度可调节，为实现对往复平台移动速度的调节，还设有驱动单元。

如图10所示，驱动单元包括固定在往复平台底部的一对丝杠螺母41、与丝杠螺母配合的丝杠42、驱动丝杠转动的驱动电机43、支撑丝杠的支座45、固定安装驱动电机和支座的底座44，底座位于整个驱动单元的下部，且丝杠螺母与底座滑动连接。通过驱动电机驱使丝杠的转动，进而驱使丝杠螺母的往复移动。

如图11所示，为方便安装，压板33为条形结构，压板的第一端与下试样夹具顶部铰接连接，在压板的第二端设有凹槽331，在下试样夹具的上表面固定有竖直设置的定位柱35，在定位柱的顶部固定有压帽36，压帽为上端大、下端小的锥形结构。将下试样放置在下试样夹具上后，如图12、图13所示，转动压板使得定位柱置于压板第二端的凹槽中，在压帽底部设有橡胶垫，橡胶垫与压板之间具有一定的摩擦力，可以避免压板与下试样夹具之间的自动分离。将下试样放置在下试样夹具内后，通过旋转压板使得压板与定位柱接触后，此时压板横向设置于下试样上方，进而对下试样进行竖直方向的限位。

整个装置的基本思路是在不影响摩擦磨损试验机运转和试验数据收集的前提下，在摩擦副区域施加稳定可控的直流磁场。在电磁线圈中通入一定强度的电流，上试样位置磁感线方向大致垂直于摩擦接触面。

整个装置启动后，根据试验要求，设置所需试验参数，包括磁场的强度大小(由电流大小调节控制)、往复移动速度(由往复平台提供)、施加法向载荷。进行磁场环境下材料的摩擦磨损试验。传感器将测得的信号传递到摩擦磨损试验机的摩擦力测量显示系统进行试验数据的数字显示和自动记录。

本发明结构简单，可以通过改变电磁线圈的通电电流大小，改变施加在摩擦副上的摩擦力，进而便于摩擦副的研究。通过安装在上试样夹具上的磁场发生器内部的电磁线圈在摩擦副接触区域施加磁场，由于磁场发生器在安装好后能够与上试样夹具固定，形成一体化、整体式结构，所以当安装在下试样夹具上的下试样随往复平台直线往复运动时，保证了上、下试样之间摩擦副接触区域的磁场强度大小不会随接触区域位置的不同而变化，始终保持稳定，进而保证了试验数据的准确性。试验数据通过力传感器传输到计算机进行采集和整合，同时磁场发生器内部的电磁线圈外接直流稳压电源，通过调节电源的输出电流，可控制上下试样之间摩擦副接触区域的磁场强度大小分布，从而完成不同磁场强度条件下的摩擦磨损试验。

Claims (5)

1.一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置，其特征是，它包括自上而下依次设置的力传感器、上试样夹具、下试样夹具和往复平台，所述上试样夹具包括双头螺栓、与双头螺栓固定连接的柱状阶梯螺母、与柱状阶梯螺母外壁固定连接的磁场发生器，电磁线圈设置在磁场发生器内侧；所述上试样夹具固定在力传感器的底部，在上试样夹具的中部设有通过输电线与直流稳压电源电连接的电磁线圈，在磁场发生器内侧设有栅格状的电磁线圈固定托盘，电磁线圈设置在电磁线圈固定托盘上，电磁线圈固定托盘包括自内而外依次设置的第一圆环、第二圆环和第三圆环，在第一圆环外壁与第三圆环内壁之间设有若干沿周向均匀设置的径向杆，在第三圆环上表面固定有竖杆；在上试样夹具的底部设有上试样；在所述下试样夹具的顶部设有下试样，在下试样与下试样夹具之间设有压板，通过压板实现下试样与下试样夹具之间的相对固定；下试样夹具与往复平台固定连接，往复平台在驱动单元的作用下在水平面内左右往复移动。

2.根据权利要求1所述的一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置，其特征是，所述磁场发生器底部敞口。

3.根据权利要求1所述的一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置，其特征是，竖杆长度可调节。

4.根据权利要求1所述的一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置，其特征是，所述驱动单元包括设置在往复平台下方的底座、固定在往复平台底部的丝杠螺母、转动安装在底座上的丝杠、驱动丝杠的驱动电机，丝杠螺母与丝杠配合。

5.根据权利要求1所述的一种可控稳定磁场环境下的多功能摩擦磨损试验装置，其特征是，在下试样夹具的顶部铰接安装有压板，在下试样夹具的顶部固定有定位柱，在定位柱顶部设有压帽，在压板上设有凹槽，定位柱置于凹槽内后下试样夹具与压板接触并配合作用实现对下试样的上下限位。

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