CN113375918B - 一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置及测量方法 - Google Patents

一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置，包括交流变频电机，交流变频电机的输出轴上同轴固定连接主轴，主轴上靠近交流变频电机的位置设置有扭矩传感器，主轴远离交流变频电机的一端设置有角速度传感器，主轴外同轴固定套接有圆盘，圆盘上设置有配重块，圆盘的径向上方滑动配合有底面与其形状相适应的环块，环块的一侧设置有位移传感器，环块的上方设置有压力传感器；本发明还公开了一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置的测量方法。本发明公开的一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置及测量方法，解决了现有技术针对滑动摩擦结合面的特性尤其是动态特性的研究还较少的问题。

Description

一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于机械装置技术领域，具体涉及一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置，本发明还涉及一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置的测量方法。
背景技术
滑动摩擦结合面在机械装置中广泛存在，如机床导轨接触面、活塞与缸体间的接触面等。目前，人们主要针对滑动摩擦结合面的摩擦磨损方面进行研究，针对滑动摩擦结合面的特性尤其是动态特性的研究还较少，为研究不同速度、不同压强作用下不同粗糙度的滑动摩擦结合面的动态特性(接触刚度K、接触阻尼C、摩擦系数f)，设计了一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置，解决了现有技术针对滑动摩擦结合面的特性尤其是动态特性的研究还较少的问题。
本发明的另一目的在于提供上述滑动摩擦结合面动态特性测量装置的测量方法。
本发明所采用的第一种技术方案是：一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置，包括交流变频电机，交流变频电机的输出轴上同轴固定连接主轴，主轴上靠近交流变频电机的位置设置有扭矩传感器，主轴远离交流变频电机的一端设置有角速度传感器，主轴外同轴固定套接有圆盘，圆盘上设置有配重块，圆盘的径向上方滑动配合有底面与其形状相适应的环块，环块的一侧设置有位移传感器，环块的上方设置有压力传感器。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
主轴上圆盘的两端均固定套接有滚动轴承。
环块的上方设置有竖轴，压力传感器位于竖轴的顶端，竖轴外套接有滑动轴承。
压力传感器上依次电连接有电荷放大器和数据采集卡的输入端，数据采集卡的输入端还分别与扭矩传感器、角速度传感器和位移传感器电连接，数据采集卡的输出端电连接至计算机。
本发明所采用的第二种技术方案是：采用上述滑动摩擦结合面动态特性测量装置的测量方法，具体包括以下步骤：
步骤1、通过扭矩传感器、角速度传感器、压力传感器以及位移传感器获取配重块在圆盘上时的目标参数；
步骤2、将配重块从圆盘上取下固定到环块上方的竖轴顶端作为载荷块使用，再次通过扭矩传感器、角速度传感器、压力传感器以及位移传感器获取配重块在竖轴上时的目标参数；
步骤3、根据步骤1和步骤2中获取的目标参数分别计算摩擦系数f，接触刚度K，接触阻尼C。
本发明第二种技术方案的特点还在于，
步骤3具体为：
1)摩擦系数f：
通过扭矩传感器测量获得交流变频电机作用在主轴上的扭矩T，配重块固定在圆盘和竖轴上分别测量，两次差值为△T；通过角速度传感器测量获得主轴的转速n，在配重块分别固定在圆盘和竖轴上时，主轴的转速保持不变；通过压力传感器测量获得作用在环块与圆盘之间的滑动摩擦结合面的法向载荷F；滑动摩擦结合面的相对滑动速度V通过以下公式(1)求解：
V＝nR (1)
式(1)中，n为作用在主轴上的转速，R为圆盘半径；
相对滑动速度V时，滑动摩擦结合面的动态摩擦系数f通过以下公式(2)求解：
2)接触刚度K：
配重块在圆盘上时，通过位移传感器读取滑动摩擦结合面相对滑动速度V时，位移传感器测量点在竖直方向上的坐标值x1；配重块在竖轴上时，通过位移传感器读取滑动摩擦结合面相对滑动速度V时，位移传感器测量点在竖直方向上的坐标值x2；x1与x2坐标差值即为滑动摩擦结合面的法向变形量ε；通过压力传感器测量获得作用在滑动摩擦结合面的法向载荷F，法向载荷F与环块和圆盘的接触面积S的比值即为作用在滑动摩擦结合面的法向应力σ；相对滑动速度V时，滑动摩擦结合面的动态接触刚度K通过以下公式(3)求解：
3)接触阻尼C：
改变配重块的规格，通过压力传感器和位移传感器可以测量获得不同法向载荷作用下，滑动摩擦结合面的法向位移，建立迟滞曲线；采用最小二乘法进行曲线拟合，得到的拟合曲线多项式为：
式(4)中，yu为加载时法向载荷值，yd为卸载时法向载荷值；x为位移值；m为构成多项式的个数；k为多项式的阶数；αk为多项式的拟合系数；
根据迟滞曲线上下包络线的函数表达式，得到一个周期内阻尼消耗的能量ΔW和阻尼所存储的最大弹性模量W，通过以下公式(5)和(6)求解，
式(5)和式(6)中，α，β为迟滞曲线x坐标上、下限值；
滑动摩擦结合面的接触阻尼C通过以下公式求解：
本发明的有益效果是：本发明一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置及测量方法，可以针对不同速度、不同压强作用下不同粗糙度的滑动摩擦结合面，满足“滑动摩擦结合面摩擦特性测试实验”、“滑动摩擦结合面法向接触特性测试实验”的测量需求。
附图说明
图1是本发明一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置的结构示意图；
图2是图1中本发明一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置的A-A方向截面结构示意图；
图3是本发明一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置中检测系统的结构示意图；
图4是本发明一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置的测量方法中建立的迟滞曲线图。
图中，1.交流变频电机，2.主轴，3.扭矩传感器，4.角速度传感器，5.圆盘，6.配重块，7.环块，8.位移传感器，9.压力传感器，10.滚动轴承，11.竖轴，12.滑动轴承，13.电荷放大器，14.数据采集卡，15.计算机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置，如图1和图2所示，包括交流变频电机1，交流变频电机1的输出轴上同轴固定连接主轴2，主轴2上靠近交流变频电机1的位置设置有扭矩传感器3，主轴2远离交流变频电机1的一端设置有角速度传感器4，主轴2外同轴固定套接有圆盘5，主轴2上圆盘5的两端均固定套接有滚动轴承10，圆盘5上设置有配重块6，圆盘5的径向上方滑动配合有底面与其形状相适应的环块7，环块7的一侧设置有位移传感器8，环块7的上方设置有竖轴11，竖轴11外套接有滑动轴承12，在其作用下上下垂直移动，竖轴11的顶端设置有压力传感器9。
其中，圆盘5和环块7的接触区域构成了滑动摩擦结合面，圆盘5在交流变频电机1的驱动下可以实现不同速度大小的转动，通过配重块6给环块7施加不同大小的载荷，圆盘5和环块7的接触区域近似模拟滑动接触。
如图3所示，检测系统包括压力传感器9上依次电连接的电荷放大器13和数据采集卡14的输入端，数据采集卡14的输入端还分别与扭矩传感器3、角速度传感器4和位移传感器8电连接，数据采集卡14的输出端电连接至计算机15。
采用上述滑动摩擦结合面动态特性测量装置的测量方法，通过改变配重块6的规格给滑动摩擦结合面施加不同载荷，通过交流变频电机1给滑动摩擦结合面施加不同滑动速度；滑动摩擦结合面的压强、变形、线速度及摩擦力分别通过压力传感器9、位移传感器8、角速度传感器4及扭矩传感器3采集各自数据，然后根据相应公式计算处理后确定，包括以下步骤：
步骤1、通过扭矩传感器3、角速度传感器4、压力传感器9以及位移传感器8获取配重块6在圆盘5上时的目标参数；
步骤2、将配重块6从圆盘5上取下固定到环块7上方的竖轴11顶端作为载荷块使用，再次通过扭矩传感器3、角速度传感器4、压力传感器9以及位移传感器8获取配重块6在竖轴11上时的目标参数；
步骤3、根据步骤1和步骤2中获取的目标参数分别计算摩擦系数f，接触刚度K，接触阻尼C。
通过上述方式，本发明一种滑动摩擦结合面动态特性测量装置及测量方法，可以针对不同速度、不同压强作用下不同粗糙度的滑动摩擦结合面，满足“滑动摩擦结合面摩擦特性测试实验”、“滑动摩擦结合面法向接触特性测试实验”的测量需求。本发明利用配重块6来施加载荷，实现在施加载荷过程中主轴2轴承处的摩擦系数保持不变，有利于解决非测量部位摩擦系数在施加载荷过程中会发生变化这一问题。
例如在“滑动摩擦结合面摩擦特性测试实验”时，首先，选定一对圆盘5和环块7，不放置载荷块，通过扭矩传感器3和角速度传感器4测量计算出设定转速和配重时测量装置的摩擦力；然后，取出配重块6，将其作为载荷块使用，通过扭矩传感器3和角速度传感器4测量计算出设定转速和载荷时测量装置的摩擦力；最后，通过计算两次摩擦力的差值，得到这对环块7和圆盘5构成的滑动摩擦结合面在设定转速和载荷作用下的摩擦力和摩擦系数。通过配重块6保证在测量过程用作用在主轴2轴承上的的载荷基本不变。
在此实验过程中：通过扭矩传感器3测量获得交流变频电机1作用在主轴2上的扭矩T，配重块6固定在圆盘5和竖轴11上分别测量，两次差值为△T；通过角速度传感器4测量获得主轴2的转速n，在配重块6分别固定在圆盘5和竖轴11上时，主轴2的转速保持不变；通过压力传感器9测量获得作用在环块7与圆盘5之间的滑动摩擦结合面的法向载荷F；滑动摩擦结合面的相对滑动速度V通过以下公式(1)求解：
V＝nR (1)
式(1)中，n为作用在主轴2上的转速，R为圆盘5半径；
相对滑动速度V时，滑动摩擦结合面的动态摩擦系数f通过以下公式(2)求解：
例如在“滑动摩擦结合面法向接触特性测试实验”时，首先，选定一对圆盘5和环块7，通过位移传感器8测量计算出设定转速和载荷时滑动摩擦结合面的变形量，计算得到设定转速和载荷时滑动摩擦结合面的单位面积上法向接触刚度；然后，通过位移传感器8测量计算出设定转速和不同载荷时滑动摩擦结合面的变形量，生成迟滞曲线，计算得到设定转速下滑动摩擦结合面的单位面积上法向接触阻尼。
在此实验过程中：竖轴11上先不放配重块6无外加载荷，将位移传感器8放置到环块7的测量点处，通过位移传感器8读取滑动摩擦结合面相对滑动速度V时，位移传感器8测量点在竖直方向上的坐标值x1；配重块6在竖轴11上时，通过位移传感器8读取滑动摩擦结合面相对滑动速度V时，位移传感器8测量点在竖直方向上的坐标值x2；x1与x2坐标差值即为滑动摩擦结合面的法向变形量ε；通过压力传感器9测量获得作用在滑动摩擦结合面的法向载荷F，法向载荷F与环块7和圆盘5的接触面积S的比值即为作用在滑动摩擦结合面的法向应力σ；相对滑动速度V时，滑动摩擦结合面的动态接触刚度K通过以下公式(3)求解：
在此实验过程中：通过改变配重块6的规格，通过压力传感器9和位移传感器8可以测量获得不同法向载荷作用下，滑动摩擦结合面的法向位移，建立迟滞曲线图，载荷-位移的迟滞曲线图如图4所示；在实验过程中，采用最小二乘法进行曲线拟合，得到的拟合曲线多项式为：
式(4)中，yu为加载时法向载荷值，yd为卸载时法向载荷值；x为位移值；m为构成多项式的个数；k为多项式的阶数；αk为多项式的拟合系数；
根据迟滞曲线上下包络线的函数表达式，得到一个周期内阻尼消耗的能量ΔW和阻尼所存储的最大弹性模量W，通过以下公式(5)和(6)求解，
式(5)和式(6)中，α，β为迟滞曲线x坐标上、下限值；
滑动摩擦结合面的接触阻尼C通过以下公式求解：

Claims (4)

1.一种滑动摩擦结合面动态特性测量方法，其特征在于，基于滑动摩擦结合面动态特性测量装置，包括交流变频电机（1），交流变频电机（1）的输出轴上同轴固定连接主轴（2），主轴（2）上靠近交流变频电机（1）的位置设置有扭矩传感器（3），主轴（2）远离交流变频电机（1）的一端设置有角速度传感器（4），主轴（2）外同轴固定套接有圆盘（5），圆盘（5）上设置有配重块（6），圆盘（5）的径向上方滑动配合有底面与其形状相适应的环块（7），环块（7）的一侧设置有位移传感器（8），环块（7）的上方设置有压力传感器（9）；
测量方法具体包括以下步骤：
步骤1、通过扭矩传感器（3）、角速度传感器（4）、压力传感器（9）以及位移传感器（8）获取配重块（6）在圆盘（5）上时的目标参数；
步骤2、将配重块（6）从圆盘（5）上取下固定到环块（7）上方的竖轴（11）顶端作为载荷块使用，再次通过扭矩传感器（3）、角速度传感器（4）、压力传感器（9）以及位移传感器（8）获取配重块（6）在竖轴（11）上时的目标参数；
步骤3、根据步骤1和步骤2中获取的目标参数分别计算摩擦系数f，接触刚度K，接触阻尼C；具体为：
1）摩擦系数f：
通过扭矩传感器（3）测量获得交流变频电机（1）作用在主轴（2）上的扭矩T，配重块（6）固定在圆盘（5）和竖轴（11）上分别测量，两次差值为△T；通过角速度传感器（4）测量获得主轴（2）的转速n，在配重块（6）分别固定在圆盘（5）和竖轴（11）上时，主轴（2）的转速保持不变；通过压力传感器（9）测量获得作用在环块（7）与圆盘（5）之间的滑动摩擦结合面的法向载荷F；滑动摩擦结合面的相对滑动速度V通过以下公式（1）求解：
V=nR（1）
式（1）中，n为作用在主轴（2）上的转速，R为圆盘（5）半径；
相对滑动速度V时，滑动摩擦结合面的动态摩擦系数f通过以下公式（2）求解：
f（2）
2）接触刚度K：
配重块（6）在圆盘（5）上时，通过位移传感器（8）读取滑动摩擦结合面相对滑动速度V时，位移传感器（8）测量点在竖直方向上的坐标值x1；配重块（6）在竖轴（11）上时，通过位移传感器（8）读取滑动摩擦结合面相对滑动速度V时，位移传感器（8）测量点在竖直方向上的坐标值x2；x1与x2坐标差值即为滑动摩擦结合面的法向变形量ε；通过压力传感器（9）测量获得作用在滑动摩擦结合面的法向载荷F，法向载荷F与环块（7）和圆盘（5）的接触面积S的比值即为作用在滑动摩擦结合面的法向应力σ；相对滑动速度V时，滑动摩擦结合面的动态接触刚度K通过以下公式（3）求解：
（3）
3）接触阻尼C：
改变配重块（6）的规格，通过压力传感器（9）和位移传感器（8）可以测量获得不同法向载荷作用下，滑动摩擦结合面的法向位移，建立迟滞曲线；采用最小二乘法进行曲线拟合，得到的拟合曲线多项式为：
y u(d) = （4）
式（4）中，y u为加载时法向载荷值，y d为卸载时法向载荷值；x为位移值；m为构成多项式的个数；k为多项式的阶数；为多项式的拟合系数；
根据迟滞曲线上下包络线的函数表达式，得到一个周期内阻尼消耗的能量 W和阻尼所存储的最大弹性模量W，通过以下公式（5）和（6）求解，
（5）
（6）
式（5）和式（6）中，α，β为迟滞曲线x坐标上、下限值；
滑动摩擦结合面的接触阻尼C通过以下公式求解：
（7）。
2.如权利要求1所述的一种滑动摩擦结合面动态特性测量方法，其特征在于，所述主轴（2）上圆盘（5）的两端均固定套接有滚动轴承（10）。
3.如权利要求1所述的一种滑动摩擦结合面动态特性测量方法，其特征在于，所述环块（7）的上方设置有竖轴（11），压力传感器（9）位于竖轴（11）的顶端，竖轴（11）外套接有滑动轴承（12）。
4.如权利要求1所述的一种滑动摩擦结合面动态特性测量方法，其特征在于，所述压力传感器（9）上依次电连接有电荷放大器（13）和数据采集卡（14）的输入端，数据采集卡（14）的输入端还分别与扭矩传感器（3）、角速度传感器（4）和位移传感器（8）电连接，数据采集卡（14）的输出端电连接至计算机（15）。
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