CN113533196A - 一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统和测试方法，该系统包括基座、侧挡板Ⅰ、滑台、伺服电机、夹具和水平滑轨。基座上固接水平滑轨和侧挡板Ⅰ，水平滑轨上安装有滑台，伺服电机控制滑台滑动。滑台上固定膜式压力传感器，膜式压力传感器上固定压板。压板上固定材料B，夹具固定材料A，夹具上滑动连接配重块，夹具与侧挡板Ⅰ之间通过单轴向拉力传感器和连接杆连接。测试时，材料B与材料A产生相对运动形成摩擦副，膜式压力传感器和单轴向拉力传感器的监测数据发送至上位机。所述系统可用于直接测定任意形状接触面之间的摩擦系数且具有较高的测量精度，能测出静摩擦系数和动摩擦系数，可用于实际摩擦副的接触分析。

Description

一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统和 测试方法

技术领域

本发明涉及材料表面摩擦特性测试技术领域，具体涉及一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统和测试方法。

背景技术

两个彼此直接接触并且发生了相对运动或者具有相对运动趋势的物体构成了摩擦副体系，摩擦系数是摩擦副的固有特性之一。摩擦系数按摩擦副运动状态可以分为静摩擦系数和动摩擦系数。静摩擦系数为摩擦副具有相对运动趋势且未发生相对运动时，接触面之间最大摩擦力与接触压力的比值。动摩擦系数为摩擦副在发生相对运动时，接触面之间摩擦力与接触压力的比值。在对材料进行接触分析时，摩擦系数的选择往往会对分析结果造成直接影响。如何快速高效并且精确地测定实际接触面之间的摩擦系数显得尤为重要。

目前已经有一些标准和规范用于测定材料间摩擦系数，现有的规范大都用于薄膜或者薄片类材料之间摩擦系数的测定，对于稍复杂的接触面，例如橡胶轮胎和地面之间摩擦系数的测定，往往也会将原物体加工成平板试样。对于更加复杂的单点、两点和多点接触面，目前还没有成熟的测定方法，在实际摩擦分析中，会使用由相同材料制成的平板测得的摩擦系数来进行替代。采用替代法得到的摩擦系数往往会忽略实际复杂接触面的几何形状和表面加工质量对接触面摩擦系数的影响，从而影响接触分析结果的精度。

为此，如何高效快速并且精确地测定复杂接触面的摩擦系数，包括静摩擦系数和动摩擦系数，并且能够充分考虑接触面的实际几何形状和表面质量，是一个亟须解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统和测试方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统，包括基座、侧挡板Ⅰ、滑台、伺服电机、材料A夹具、水平滑轨和侧挡板Ⅱ。

所述基座上固接有水平滑轨以及均竖直设置的侧挡板Ⅰ和侧挡板Ⅱ，侧挡板Ⅰ和侧挡板Ⅱ分别连接到水平滑轨的两端且均与水平滑轨垂直。

所述水平滑轨上安装有滑台，滑台上设置有与丝杆相匹配的螺纹孔。

所述侧挡板Ⅱ背离侧挡板Ⅰ的一侧连接有伺服电机，伺服电机与驱动器连接，驱动器与控制器连接，控制器与上位机连接。

所述伺服电机的输出端穿过侧挡板Ⅱ并与丝杆固接，丝杆与水平滑轨平行且位于水平滑轨正上方，丝杆穿过滑台上的螺纹孔以及侧挡板Ⅰ。

所述滑台的上表面固定有膜式压力传感器，膜式压力传感器上固定压板。

所述压板的正上方设置有材料A夹具，材料A夹具为水平设置的长方体结构，材料A夹具的内部中空且下端敞口，材料A夹具的长度方向与水平滑轨平行。

所述材料A夹具的上表面设置有夹具顶部滑槽，夹具顶部滑槽与水平滑轨平行且穿过材料A夹具上表面的中心点。

所述滑板滑动连接在所述夹具顶部滑槽内，滑板为矩形板，滑板的长度方向与夹具顶部滑槽垂直。所述滑板上滑动连接有配重块基台。

所述材料A夹具面向侧挡板Ⅰ的侧壁上设置有水平的夹具侧面滑槽，夹具铰支座滑动连接在夹具侧面滑槽内。

所述侧挡板Ⅰ上开设有竖直通槽，单轴向拉力传感器的一端与竖直通槽滑动连接，另一端通过单轴向拉力传感器铰支座与连接杆铰接，连接杆与夹具铰支座铰接。所述膜式压力传感器和单轴向拉力传感器均与动态采集仪连接，动态采集仪与上位机连接。

测试前，先将摩擦副材料B固定在所述压板上，将摩擦副材料A 的上端固定在材料A夹具内，下端伸出材料A夹具并与摩擦副材料B 接触，并在配重块基台上安装配重块。

测试时，所述伺服电机带动丝杆转动，滑台在水平滑轨上匀速滑动，摩擦副材料B与摩擦副材料A产生相对运动形成摩擦副，直到滑台滑动到预定长度。整个测试过程中，所述动态采集仪实时采集膜式压力传感器和单轴向拉力传感器的监测数据，并发送至上位机。

进一步，所述夹具侧面滑槽靠近材料A夹具的下边缘。

进一步，测试时，所述摩擦副材料A与摩擦副材料B形成接触面、接触线或若干相互间隔的接触点。

进一步，所述摩擦副材料A与材料A夹具的内壁采用环氧树脂结构胶粘接。

进一步，所述摩擦副材料B呈长条形，摩擦副材料B的长度方向与水平滑轨的长度方向一致，摩擦副材料B的下表面设置有供螺栓上端插入的若干盲孔。所述压板上表面设置有若干螺栓孔。

测试前，若干所述螺栓旋入压板上表面的螺栓孔，并调节好各个螺栓的高度，在螺栓顶部涂抹环氧树脂，摩擦副材料B下表面的若干盲孔与对应的螺栓配合安装，摩擦副材料B长度方向的两端位于同一水平面上。

基于上述的一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)加工出所述摩擦副材料A和摩擦副材料B。其中，所述摩擦副材料A的下表面与摩擦副材料B的上表面为摩擦副的实际接触面，摩擦副材料B呈长条形。

2)根据所选的摩擦副材料特性或需测定实际工作条件，模拟出相应的试验环境，将所述摩擦副材料A和摩擦副材料B放置在该试验环境内并持续特定时间。

3)在步骤2)中模拟出的试验环境内安装好测试系统，并将摩擦副材料A和摩擦副材料B安装在测试系统相应的结构上。其中，所述摩擦副材料B的长度方向与水平滑轨的长度方向一致，摩擦副材料B长度方向的两端位于同一水平面上。

4)根据所述摩擦副材料A和摩擦副材料B每个接触点的坐标、接触面的形心坐标或接触线的中点坐标，结合摩擦副材料A和材料A 夹具的整体重心坐标，计算出配重块、夹具铰支座和单轴向拉力传感器铰支座的坐标，并根据计算出的坐标调整配重块、夹具铰支座和单轴向拉力传感器铰支座的位置，确保整个系统力矩平衡。

5)所述上位机向控制器发送信息，控制器向驱动器发送指令，驱动器控制伺服电机启动，伺服电机带动丝杆转动，滑台在水平滑轨上匀速滑动，摩擦副材料B与摩擦副材料A产生相对运动形成摩擦副，直到滑台滑动到预定长度。所述动态采集仪实时采集膜式压力传感器和单轴向拉力传感器的监测数据，并发送至上位机。

6)重复步骤3)～5)M次，在这M次中，步骤3)中所述测试系统的配重块质量均不同，M≥2。

7)重复步骤1)～6)N次，N≥3。

进一步，步骤2)所述的试验环境包括设定的温度、湿度和润滑条件。

本发明的有益效果在于：

1.本发明在保证试样接触面状态与实际工况一致的情况下进行测试，测试过程真实还原了材料实际摩擦过程；

2.采用高精度的加载系统以及高灵敏度的数据采集系统有利于提高测试精度；

3.采用实际测得的接触压力代替传统方法中重力来计算摩擦系数，避免了因偏拉导致接触压力测量不准确的现象；

4.在每次测试前都会进行力矩平衡操作，能够确保摩擦副材料在滑动过程中保持稳定，测定的力值更加稳定；

5.可通过更换不同质量的配重块实现对接触面施加不同大小的接触压力，从而进行多次试验，有效提高测试精度。

附图说明

图1是复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统；

图2是试样A夹具示意图；

图3是摩擦副材料A与试验A夹具装配示意图；

图4是摩擦副材料A与摩擦副材料B接触示意图；

图5是摩擦副力平衡示意图；

图6是单点接触下配重块、夹具铰支座安装于试验夹具上的位置坐标示意图；

图7是两点接触下配重块、夹具铰支座安装于试验夹具上的位置坐标示意图；

图8是三点接触下配重块、夹具铰支座安装于试验夹具上的位置坐标示意图；

图9是PVC-UH管道的安装示意图；

图10是PVC-UH管道摩擦副试样取样示意图；

图11是充分润滑下聚氯乙烯-橡胶摩擦副试样拉力-时间曲线图；

图12是充分润滑下聚氯乙烯-橡胶摩擦副试样接触压力-时间曲线图；

图13为摩擦副材料B与压板的连接示意图。

图中：基座1、侧挡板Ⅰ2、滑台3、膜式压力传感器4、丝杆5、伺服电机6、摩擦副材料B7、单轴向拉力传感器8、连接杆9、材料 A夹具10、配重块11、滑板12、驱动器13、控制器14、动态采集仪15、上位机16、摩擦副材料A17、单轴向拉力传感器铰支座18、夹具铰支座19、夹具侧面滑槽20、夹具顶部滑槽21、橡胶密封圈粗样22、水平滑轨23、侧挡板Ⅱ24、压板25、配重块基台26和螺栓 27。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开了一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统，包括基座1、侧挡板Ⅰ2、滑台3、伺服电机6、材料A 夹具10、水平滑轨23和侧挡板Ⅱ24。

参见图1，所述基座1上固接有水平滑轨23以及均竖直设置的侧挡板Ⅰ2和侧挡板Ⅱ24，侧挡板Ⅰ2和侧挡板Ⅱ24分别连接到水平滑轨23的两端且均与水平滑轨23垂直。

所述水平滑轨23上安装有滑台3，滑台3上设置有与丝杆5相匹配的螺纹孔。

所述侧挡板Ⅱ24背离侧挡板Ⅰ2的一侧连接有伺服电机6，伺服电机6与驱动器13连接，驱动器13与控制器14连接，控制器14 与上位机16连接。

所述伺服电机6的输出端穿过侧挡板Ⅱ24并与丝杆5固接，丝杆5与水平滑轨23平行且位于水平滑轨23正上方，丝杆5穿过滑台3上的螺纹孔以及侧挡板Ⅰ2。

所述滑台3的上表面固定有膜式压力传感器4，膜式压力传感器 4上固定压板25。

所述压板25的正上方设置有材料A夹具10，材料A夹具10为水平设置的长方体结构，材料A夹具10的内部中空且下端敞口，材料A夹具10的长度方向与水平滑轨23平行。

参见图2，所述材料A夹具10的上表面设置有夹具顶部滑槽21，夹具顶部滑槽21与水平滑轨23平行且穿过材料A夹具10上表面的中心点。

所述滑板12滑动连接在所述夹具顶部滑槽21内，滑板12为矩形板，滑板12的长度方向与夹具顶部滑槽21垂直。所述滑板12上滑动连接有配重块基台26，滑板12和配重块基台26上均设置有锁紧装置，待滑板12和配重块基台26的位置调节好后，采用锁紧装置进行固定。所述夹具顶部滑槽21和滑板12可用于调节配重块基台26的位置，便于调节后续中配重块基台26上的配重块11的重心坐标，确保摩擦副材料A17在滑动过程中，材料A夹具10、摩擦副材料A17和配重块11的自身重力关于接触区域力矩平衡。

所述材料A夹具10面向侧挡板Ⅰ2的侧壁上设置有水平的夹具侧面滑槽20，夹具侧面滑槽20靠近材料A夹具10的下边缘，夹具铰支座19滑动连接在夹具侧面滑槽20内。

所述侧挡板Ⅰ2上开设有竖直通槽，单轴向拉力传感器8的一端与竖直通槽滑动连接，另一端通过单轴向拉力传感器铰支座18与连接杆9铰接，连接杆9与夹具铰支座19铰接。所述单轴向拉力传感器8的滑动端以及夹具铰支座19上均设置有锁紧装置，待单轴向拉力传感器8和夹具铰支座19的位置调节好后，采用锁紧装置进行固定。

所述膜式压力传感器4和单轴向拉力传感器8均与动态采集仪 15连接，动态采集仪15与上位机16连接。所述夹具侧面滑槽20 用于移动夹具铰支座19的位置来调节水平拉力的作用点位置，确保接触面滑动过程中，水平拉力与摩擦力关于接触区域力矩平衡。所述单轴向拉力传感器8在竖直通槽上滑动，确保连接杆9的受力始终水平。所述连接杆9为刚性连接杆，能够确保稳定地对摩擦副材料A17施加拉力，避免采用柔性连接时出现大幅度的力值振荡而出现滑粘现象。

所述摩擦副材料B7呈长条形，摩擦副材料B7的长度方向与水平滑轨23的长度方向一致，摩擦副材料B7的下表面设置有供螺栓 27上端插入的多个盲孔；参见图13，所述压板25上表面设置有4×7 个横竖排列的螺栓孔；

测试前，4个所述螺栓27旋入压板25上表面的四个螺栓孔，4 个螺栓27的连线形成矩形，调节好各个螺栓27的高度，在螺栓27 顶部涂抹环氧树脂，摩擦副材料B7下表面的四个盲孔与对应的螺栓 27配合安装并在环氧树脂的作用下固定，确保摩擦副材料B7长度方向的两端位于同一水平面上。将摩擦副材料A17的上端固定在材料A 夹具10内，摩擦副材料A17与材料A夹具10的内壁采用环氧树脂结构胶粘接，下端伸出材料A夹具10并与摩擦副材料B7接触，摩擦副材料A17与摩擦副材料B7形成接触面、接触线、一个接触点或多个相互间隔的接触点，并在配重块基台26上安装配重块11。

测试时，所述伺服电机6带动丝杆5转动，滑台3在水平滑轨 23上匀速滑动，摩擦副材料B7与摩擦副材料A17产生相对运动形成摩擦副，直到滑台3滑动到预定长度。整个测试过程中，所述动态采集仪15实时采集膜式压力传感器4和单轴向拉力传感器8的监测数据，并发送至上位机16。在整个测试过程中，所述摩擦副材料A17 相对于基座1保持静止，滑台3的有效行程为500mm，控制器14和驱动器13用于伺服电机6转速和运行时间的自动化和精细化控制，并通过丝杆5传动控制滑台3水平匀速运动速度为5.00mm/s，伺服电机6的运行时间由摩擦副接触面的大小确定。

在传统的摩擦系数测定试验中，使用摩擦副材料的自重值来代替接触压力值进行动、静摩擦系数的计算。而在试样实际滑动过程中，很难确保作用于试样的拉力保持水平方向，则拉力在竖直方向上存在分力，如图5所示，其中G为材料A受到的重力，F_f为摩擦力，F_p为接触压力，F_t为拉力，F_th和F_tv分别为拉力在水平方向和竖直方向上的分力，在该力平衡条件下，实际的接触压力值小于试样的自重值。本数据采集系统为解决这一问题，在基座中间安装有所述薄膜式压力传感器4，用于直接测定测试过程中的接触压力。

值得说明的是，本实施例所述测试系统可用于直接测定任意形状接触面之间的摩擦系数且具有较高的测量精度，测定的摩擦系数包括静摩擦系数和动摩擦系数，系数可用于实际摩擦副的接触分析。所述单轴拉力传感器8、薄膜式压力传感器4、动态采集仪15和计算机16组成的数据采集系统能对整个测试过程中的摩擦力和接触压力进行实时动态采集。该数据采集系统具有精度高、采样率高等特点。

实施例2：

本实施例公开了基于实施例1所述的一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统的测试方法，包括以下步骤：

1)加工出所述摩擦副材料A17和摩擦副材料B7；参见图3(a)，为取自实际摩擦副的摩擦副材料A17的材料A粗样，其下表面为摩擦副的实际接触面，材料A粗样选择摩擦副中面积较小且接触面较为复杂的材料，整体的长宽分别与材料A夹具10的长宽一致，整体的长度方向应为摩擦副材料实际滑动方向。在与所述材料A夹具10 装配之前需采用机械加工方式对材料A粗样进行切割，如图3(b) 所示，切割高度h_s根据材料A的接触变形程度和试样夹具的高度确定，参见图4，即确保摩擦副材料A17和材料A夹具10装配完成置于摩擦副材料上时，材料A夹具10底部与摩擦副材料B7表面的距离h_c约为1mm。参见图3(c)，使用环氧树脂结构胶将切割完成的摩擦副材料A17，按照图3(d)的方式与材料A夹具10进行粘接装配。选取摩擦副中面积较大且接触面较为平坦的材料进行切割作为所述摩擦副材料B7的试样，摩擦副材料B7呈长条形，其长约为25cm，宽约为18cm，摩擦副材料B7的上表面为摩擦副的实际接触面，其长度方向应为摩擦副材料实际滑动方向。制作完成的摩擦副材料A17 和摩擦副材料B7的待测试验面应无任何可能改变摩擦性质的伤痕，其边缘应该光滑，同时无灰尘、指纹和任何可能改变表面性质的外来物质。

2)根据所选的摩擦副材料特性或需测定实际工作条件，模拟出相应的试验环境，将所述摩擦副材料A17和摩擦副材料B7放置在该试验环境内并持续特定时间。所述的试验环境包括设定的温度、湿度和润滑条件。

3)在步骤2)中模拟出的试验环境内安装好测试系统，并将摩擦副材料A17和摩擦副材料B7安装在测试系统相应的结构上。其中，所述摩擦副材料B7固定于滑台3上，摩擦副材料B7整体的长度方向与水平滑轨23的长度方向一致，并通过调节压板25上表面的螺栓27高度以确保摩擦副材料B7长度方向的两端位于同一水平面上。所述摩擦副材料A17与材料A夹具10装配完成后轻轻置于摩擦副材料B7上，摩擦副材料A17整体的长度方向与水平滑轨23的长度方向一致。使用刚性的所述连接杆9将单轴向拉力传感器8和材料A 夹具10相连，完成试样的安装。

4)根据所述摩擦副材料A17和摩擦副材料B7每个接触点的坐标、接触面的形心坐标或接触线的中点坐标，结合摩擦副材料A17 和材料A夹具10的整体重心坐标，计算出配重块11、夹具铰支座 19和单轴向拉力传感器铰支座18的坐标，并根据计算出的坐标调整配重块11、夹具铰支座19和单轴向拉力传感器铰支座18的位置，确保整个系统力矩平衡。所述材料A夹具10上表面加工有夹具顶部滑槽21，用于调节配重块11的水平坐标，使得摩擦副材料A17、材料A夹具10和配重块11的重力在滑动过程关于接触区域保持力矩平衡，此项操作为配重块11配平。同时移动所述夹具铰支座19的位置用于确保滑动过程中拉力和摩擦力关于接触区域保持力矩平衡，此项操作为夹具铰支座19配平。若已知所述摩擦副材料A17 和材料A夹具10的整体重心坐标和接触区域坐标，则可以计算得到理论配重块11配平坐标和夹具铰支座19配平坐标。本实施例给出三种不同摩擦副接触状态下的配重块11配平坐标和夹具铰支座19 配平坐标的计算方法：

⑴单点接触

由于所述配重块11和夹具铰支座19均安装于材料A夹具10上，以材料A夹具10面向侧挡板Ⅰ2的一侧的上边缘作为x轴，以材料 A夹具10与其长度方向平行的一个上边缘为y轴，以夹具侧面滑槽 20的长度方向为z轴，建立如图6所示的坐标系统，用于确定配重块和铰支座的配平坐标，其中x轴位于z轴正上方且相互平行，图6 (a)为材料A夹具10的俯视图，图6(b)为材料A夹具10的的左视图。已知在单点接触下，所述摩擦副材料A17和摩擦副材料B7于α点接触，其坐标为(x_α,y_α)，摩擦副材料A17和材料A夹具10的总质量为m₁，其整体的重心坐标P₁(x₁,y₁)。则对于质量为m₂配重块11 的配平坐标P₂(x₂,y₂)和夹具铰支座的配平坐标P₃(z₃)可由式(1)计算得到。

z₃＝x_α (1)

⑵两点接触或线接触

若所述摩擦副材料A17和摩擦副材料B7于α和β两点接触或接触区域为一条直线，如图7所示，图7(a)为材料A夹具10的俯视图，图7(b)为材料A夹具10的的左视图，为确保整个系统力矩平衡并且各个接触点均匀受压，已知α、β两点或直线区域的中点位置坐标为P_m(x_m,y_m)，则配重块11的配平坐标P₂(x₂,y₂)和夹具铰支座19的配平坐标P₃(z₃)仍可由式(1)计算得到，只需把其中的 (x_α,y_α)替换成(x_m,y_m)。

⑶三点接触或面接触

若所述摩擦副材料A17和摩擦副材料B7于α、β和γ三点接触或接触区域为一平面，如图8所示，图8(a)为材料A夹具10 的俯视图，图8(b)为材料A夹具10的的左视图，为确保整个系统力矩平衡并且各个接触点均匀受压，已知α、β和γ三点的中心或接触平面区域形心位置坐标为P_c(x_c,y_c)，则配重块11的配平坐标 P₂(x₂,y₂)和夹具铰支座19的配平坐标P₃(z₃)仍可由式(1)计算得到，只需把其中的(x_α,y_α)替换成(x_c,y_c)。

5)试样安装与力矩平衡完毕后，开始测试，所述上位机16向控制器14发送信息，控制器14向驱动器13发送指令，驱动器13控制伺服电机6启动，伺服电机6带动丝杆5转动，滑台3在水平滑轨23上匀速滑动，摩擦副材料B7与摩擦副材料A17产生相对运动形成摩擦副，直到滑台3滑动到预定长度。所述动态采集仪15实时采集膜式压力传感器4和单轴向拉力传感器8的监测数据，并发送至上位机16。整个测试过程中，所述摩擦副材料A17会在摩擦副材料B7上移动约为200mm，则试验时长约为40s，若在滑动过程中摩擦副材料A17出现剧烈抖动，则需要立即停止试验，重新进行力矩平衡操作。

6)重复步骤3)～5)M次，在这M次中，步骤3)中所述测试系统的配重块11质量均不同，M≥2。通过在所述材料A夹具10上表面安装不同质量的配重块11实现对摩擦副接触面施加不同大小的接触压力。

7)重复步骤1)～6)N次，N≥3。

8)所述上位机16对每次的测试数据进行集中处理分析，求出动、静摩擦系数，具体计算方法为：

试验测得的拉力-时间曲线中力的第一个峰值为最大静摩擦力 F_s，接触压力-时间曲线中与该时刻对应的力值为最大静摩擦力对应的接触压力值F_ps，则静摩擦系数μ_s可按公式(2)进行计算。

拉力-时间曲线中30s内的力的平均值(从第一个峰值力后算起) 为动摩擦力F_d，接触压力-时间曲线中30s内的力的平均值(从F_ps后算起)为动摩擦力对应的接触压力值F_pd，则动摩擦系数μ_d可按公式(3)进行计算。

按照上述计算步骤对同一组摩擦副试样安装不同质量配重块下动、静摩擦系数进行计算并取平均，作为该组试样的动、静摩擦系数试验值。对至少三组摩擦副试样进行摩擦系数测定试验，并对试验结果求平均值作为摩擦副材料A17和摩擦副材料B7动、静摩擦系数的最终试验值，取三位有效数字。

本实施例采用高性能硬聚氯乙烯(PVC-UH)管道接口摩擦副材料试样。采用承插式接口的PVC-UH管道的安装示意图如图9所示，在插口插入承口的过程中，插口会与密封橡胶圈接触并发生相对滑动，由此产生的摩擦力的大小会影响管道安装。由于密封橡胶圈的截面形状较为复杂，一般的摩擦力测定方法不适用，若要对PVC-UH 管道接口处聚氯乙烯-橡胶摩擦副的动、静摩擦系数进行精确测量，需采用本实施例所述的测试方法。沿接口橡胶密封圈环向截取宽度约为5cm的橡胶密封圈粗样，如图10(a)所示，再按图3所示方法，对粗样进行再次切割加工制成所述摩擦副材料A17。沿PVC-UH管道插口环向截取宽度约为25cm的聚氯乙烯块制成摩擦副材料B7试样，如图10(b)所示，由于摩擦副材料A17进行切割以后尺寸较小，则其与摩擦副材料B7接触后形成的接触面曲率较小，对于该种情况，在求解摩擦副材料B7的形心坐标时，则需把该形成的接触面向水平面投影，通过常规的形心坐标计算公式计算该投影面的形心坐标作为该接触面的形心坐标。

所述上位机16将监测数据处理后得到图11所示的聚氯乙烯-橡胶在充分润滑条件下测得的拉力-时间曲线图，由本实施例所述的动、静摩擦系数的计算方法可以求得最大静摩擦力F_s为1.208N，动摩擦力F_d为1.036N。图12给出了同时测得的接触压力-时间曲线图。则根据计算方法得到的最大静摩擦力对应的接触压力值F_ps为 7.860N，动摩擦力对应的接触压力值F_pd为7.961N。则根据式(2) 和式(3)计算得到的该组摩擦副试样的静摩擦系数μ_s为0.15，动摩擦系数μ_d为0.13。

值得说明的是，本实施例所述的测试方法能进行高精度的动、静摩擦系数测定在于：试样取自实际摩擦副材料，保留接触面原始形状，接触面状态与实际工况一致；采用高精度的加载系统以及高灵敏度的数据采集系统；采用实际测得的接触压力代替重力用来计算摩擦系数；在每次测试前都会进行力矩平衡操作，能够确保摩擦副材料在滑动过程中保持稳定，测定的力值更加稳定；可通过更换不同质量的配重块实现对接触面施加不同大小的接触压力，从而进行多次试验。

实施例3：

本实施例公开了一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统，包括基座1、侧挡板Ⅰ2、滑台3、伺服电机6、材料A 夹具10、水平滑轨23和侧挡板Ⅱ24。

参见图1，所述基座1上固接有水平滑轨23以及均竖直设置的侧挡板Ⅰ2和侧挡板Ⅱ24，侧挡板Ⅰ2和侧挡板Ⅱ24分别连接到水平滑轨23的两端且均与水平滑轨23垂直。

所述水平滑轨23上安装有滑台3，滑台3上设置有与丝杆5相匹配的螺纹孔。

所述侧挡板Ⅱ24背离侧挡板Ⅰ2的一侧连接有伺服电机6，伺服电机6与驱动器13连接，驱动器13与控制器14连接，控制器14 与上位机16连接。

所述伺服电机6的输出端穿过侧挡板Ⅱ24并与丝杆5固接，丝杆5与水平滑轨23平行且位于水平滑轨23正上方，丝杆5穿过滑台3上的螺纹孔以及侧挡板Ⅰ2。

所述滑台3的上表面固定有膜式压力传感器4，膜式压力传感器 4上固定压板25。

所述压板25的正上方设置有材料A夹具10，材料A夹具10为水平设置的长方体结构，材料A夹具10的内部中空且下端敞口，材料A夹具10的长度方向与水平滑轨23平行。

参见图2，所述材料A夹具10的上表面设置有夹具顶部滑槽21，夹具顶部滑槽21与水平滑轨23平行且穿过材料A夹具10上表面的中心点。

所述滑板12滑动连接在所述夹具顶部滑槽21内，滑板12为矩形板，滑板12的长度方向与夹具顶部滑槽21垂直。所述滑板12上滑动连接有配重块基台26。

所述材料A夹具10面向侧挡板Ⅰ2的侧壁上设置有水平的夹具侧面滑槽20，夹具铰支座19滑动连接在夹具侧面滑槽20内。

所述侧挡板Ⅰ2上开设有竖直通槽，单轴向拉力传感器8的一端与竖直通槽滑动连接，另一端通过单轴向拉力传感器铰支座18与连接杆9铰接，连接杆9与夹具铰支座19铰接。所述膜式压力传感器 4和单轴向拉力传感器8均与动态采集仪15连接，动态采集仪15 与上位机16连接。

测试前，先将摩擦副材料B7固定在所述压板25上，将摩擦副材料A17的上端固定在材料A夹具10内，下端伸出材料A夹具10 并与摩擦副材料B7接触，并在配重块基台26上安装配重块11。

测试时，所述伺服电机6带动丝杆5转动，滑台3在水平滑轨23上匀速滑动，摩擦副材料B7与摩擦副材料A17产生相对运动形成摩擦副，直到滑台3滑动到预定长度。整个测试过程中，所述动态采集仪15实时采集膜式压力传感器4和单轴向拉力传感器8的监测数据，并发送至上位机16。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，参见图2，所述夹具侧面滑槽20靠近材料A夹具10的下边缘。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，测试时，所述摩擦副材料A17与摩擦副材料B7形成接触面、接触线、一个接触点或多个相互间隔的接触点。

实施例6：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述摩擦副材料A17 与材料A夹具10的内壁采用环氧树脂结构胶粘接。

实施例7：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述摩擦副材料B7呈长条形，摩擦副材料B7的长度方向与水平滑轨23的长度方向一致，摩擦副材料B7的下表面设置有供螺栓27上端插入的多个盲孔。参见图13，所述压板25上表面设置有多个螺栓孔。

测试前，多个所述螺栓27旋入压板25上表面的螺栓孔，并调节好各个螺栓27的高度，在螺栓27顶部涂抹环氧树脂，摩擦副材料B7下表面的多个盲孔与对应的螺栓27配合安装，摩擦副材料B7 长度方向的两端位于同一水平面上。

Claims (7)

1.一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统，其特征在于：包括所述基座(1)、侧挡板Ⅰ(2)、滑台(3)、伺服电机(6)、材料A夹具(10)、水平滑轨(23)和侧挡板Ⅱ(24)；

所述基座(1)上固接有水平滑轨(23)以及均竖直设置的侧挡板Ⅰ(2)和侧挡板Ⅱ(24)，侧挡板Ⅰ(2)和侧挡板Ⅱ(24)分别连接到水平滑轨(23)的两端且均与水平滑轨(23)垂直；

所述水平滑轨(23)上安装有滑台(3)，滑台(3)上设置有与丝杆(5)相匹配的螺纹孔；

所述侧挡板Ⅱ(24)背离侧挡板Ⅰ(2)的一侧连接有伺服电机(6)，伺服电机(6)与驱动器(13)连接，驱动器(13)与控制器(14)连接，控制器(14)与上位机(16)连接；

所述伺服电机(6)的输出端穿过侧挡板Ⅱ(24)并与丝杆(5)固接，丝杆(5)与水平滑轨(23)平行且位于水平滑轨(23)正上方，丝杆(5)穿过滑台(3)上的螺纹孔以及侧挡板Ⅰ(2)；

所述滑台(3)的上表面固定有膜式压力传感器(4)，膜式压力传感器(4)上固定压板(25)；

所述压板(25)的正上方设置有材料A夹具(10)，材料A夹具(10)为水平设置的长方体结构，材料A夹具(10)的内部中空且下端敞口，材料A夹具(10)的长度方向与水平滑轨(23)平行；

所述材料A夹具(10)的上表面设置有夹具顶部滑槽(21)，夹具顶部滑槽(21)与水平滑轨(23)平行且穿过材料A夹具(10)上表面的中心点；

所述滑板(12)滑动连接在所述夹具顶部滑槽(21)内，滑板(12)为矩形板，滑板(12)的长度方向与夹具顶部滑槽(21)垂直；所述滑板(12)上滑动连接有配重块基台(26)；

所述材料A夹具(10)面向侧挡板Ⅰ(2)的侧壁上设置有水平的夹具侧面滑槽(20)，夹具铰支座(19)滑动连接在夹具侧面滑槽(20)内；

所述侧挡板Ⅰ(2)上开设有竖直通槽，单轴向拉力传感器(8)的一端与竖直通槽滑动连接，另一端通过单轴向拉力传感器铰支座(18)与连接杆(9)铰接，连接杆(9)与夹具铰支座(19)铰接；所述膜式压力传感器(4)和单轴向拉力传感器(8)均与动态采集仪(15)连接，动态采集仪(15)与上位机(16)连接；

测试前，先将摩擦副材料B(7)固定在所述压板(25)上，将摩擦副材料A(17)的上端固定在材料A夹具(10)内，下端伸出材料A夹具(10)并与摩擦副材料B(7)接触，并在配重块基台(26)上安装配重块(11)；

测试时，所述伺服电机(6)带动丝杆(5)转动，滑台(3)在水平滑轨(23)上匀速滑动，摩擦副材料B(7)与摩擦副材料A(17)产生相对运动形成摩擦副，直到滑台(3)滑动到预定长度；整个测试过程中，所述动态采集仪(15)实时采集膜式压力传感器(4)和单轴向拉力传感器(8)的监测数据，并发送至上位机(16)。

2.根据权利要求1所述的一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统，其特征在于：所述夹具侧面滑槽(20)靠近材料A夹具(10)的下边缘。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统，其特征在于：测试时，所述摩擦副材料A(17)与摩擦副材料B(7)形成接触面、接触线或若干相互间隔的接触点。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统，其特征在于：所述摩擦副材料A(17)与材料A夹具(10)的内壁采用环氧树脂结构胶粘接。

5.根据权利要求1所述的一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统，其特征在于：所述摩擦副材料B(7)呈长条形，摩擦副材料B(7)的长度方向与水平滑轨(23)的长度方向一致，摩擦副材料B(7)的下表面设置有供螺栓(27)上端插入的若干盲孔；所述压板(25)上表面设置有若干螺栓孔；

测试前，若干所述螺栓(27)旋入压板(25)上表面的螺栓孔，并调节好各个螺栓(27)的高度，在螺栓(27)顶部涂抹环氧树脂，摩擦副材料B(7)下表面的若干盲孔与对应的螺栓(27)配合安装，摩擦副材料B(7)长度方向的两端位于同一水平面上。

6.基于权利要求1所述的一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)加工出所述摩擦副材料A(17)和摩擦副材料B(7)；其中，所述摩擦副材料A(17)的下表面与摩擦副材料B(7)的上表面为摩擦副的实际接触面，摩擦副材料B(7)呈长条形；

2)根据所选的摩擦副材料特性或需测定实际工作条件，模拟出相应的试验环境，将所述摩擦副材料A(17)和摩擦副材料B(7)放置在该试验环境内并持续特定时间；

3)在步骤2)中模拟出的试验环境内安装好测试系统，并将摩擦副材料A(17)和摩擦副材料B(7)安装在测试系统相应的结构上；其中，所述摩擦副材料B(7)的长度方向与水平滑轨(23)的长度方向一致，摩擦副材料B(7)长度方向的两端位于同一水平面上；

4)根据所述摩擦副材料A(17)和摩擦副材料B(7)每个接触点的坐标、接触面的形心坐标或接触线的中点坐标，结合摩擦副材料A(17)和材料A夹具(10)的整体重心坐标，计算出配重块(11)、夹具铰支座(19)和单轴向拉力传感器铰支座(18)的坐标，并根据计算出的坐标调整配重块(11)、夹具铰支座(19)和单轴向拉力传感器铰支座(18)的位置，确保整个系统力矩平衡；

5)所述上位机(16)向控制器(14)发送信息，控制器(14)向驱动器(13)发送指令，驱动器(13)控制伺服电机(6)启动，伺服电机(6)带动丝杆(5)转动，滑台(3)在水平滑轨(23)上匀速滑动，摩擦副材料B(7)与摩擦副材料A(17)产生相对运动形成摩擦副，直到滑台(3)滑动到预定长度；所述动态采集仪(15)实时采集膜式压力传感器(4)和单轴向拉力传感器(8)的监测数据，并发送至上位机(16)；

6)重复步骤3)～5)M次，在这M次中，步骤3)中所述测试系统的配重块(11)质量均不同，M≥2；

7)重复步骤1)～6)N次，N≥3。

7.根据权利要求6所述的一种用于测定复杂接触面摩擦系数的高精度直接测试方法，其特征在于：步骤2)所述的试验环境包括设定的温度、湿度和润滑条件。

Images