CN113702281A - 一种固液界面粘附力测试方法及系统 - Google Patents

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唐涛
张斌生
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Abstract

本发明公开一种固液界面粘附力测试方法，包括：在折弯杆的纯弯梁的受压表面与受拉表面均粘贴应变片；其中，所述折弯杆包括垂直互连的纯弯梁及悬臂梁；在所述悬臂梁的自由端悬挂液体挂件，并在所述液体挂件的底面附着测试液滴；垂向下降所述折弯杆并使所述测试液滴与测试固体的表面接触，并记录所述应变片的吸附变化值Δε1；垂向上升所述折弯杆并使所述测试液滴被拉断，并记录所述应变片的拉伸变化值Δε2；根据公式F1＝kΔε1计算吸附粘附力F1，根据公式F2＝kΔε2计算拉伸粘附力F2；其中，k为与所述应变片相关的换算系数。本发明能够实现固液界面的粘附力测试，提高测试结果精确性。本发明还公开一种固液界面粘附力测试系统，有益效果如上所述。

Description

一种固液界面粘附力测试方法及系统
技术领域
本发明涉及流体力学技术领域，特别涉及一种固液界面粘附力测试方法。本发明还涉及一种固液界面粘附力测试系统。
背景技术
固液界面行为，特别是固液界面的粘附作用是影响液相在固体表面动态性能的关键因素。
在工程技术应用领域，特别在大功率齿轮变速箱的传动效率方面，通过增大润滑油与齿轮表面的粘附力，并同时降低润滑油在拉伸过程中的阻力，对于提高大功率齿轮箱的传动效率有极为重要的作用。以5MW风电齿轮箱的传动效率为例，如果能将齿轮箱的传动效率提高0.1％，则相当于减小了5kw的发热功率，这能有效降低齿轮箱的运行温度，极大地改善齿轮箱的服役环境，提高其运行可靠性，最终延长齿轮箱的使用寿命。
对固液界面粘附力大小有较大影响的因素包括润滑油基础油特性、油品附着剂配方、固体表面的表面完整性、固液界面所处的环境等，这些影响因素对固液界面粘附力的影响尚未得到一个准确可靠实用的函数关系。
目前，部分研究根据壁虎脚趾的微观结构制成微纳仿生粘附结构，并建立相应的自洽粘附模型，另有部分研究设计出以超声振荡的时间为衡量颗粒与界面间粘附力大小的实验，以研究微米级固体颗粒的分形与界面粘附力大小关系。然而，现有技术中的固液界面行为研究仅停留于理论方法，难以在工程上进行实际应用，比如润滑油与齿轮表面间的粘附力精确测量等，对测试液体与测试固体之间的粘附力测试没有多少参考价值。并且，由于固液界面粘附力微小并且随着液滴形状改变而变化的特点，导致对固液间粘附力的精确测量存在较大难度。
因此，如何实现固液界面的粘附力测试，提高测试结果精确性，是本领域技术人员面临的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种固液界面粘附力测试方法，能够实现固液界面的粘附力测试，提高测试结果精确性。本发明的另一目的是提供一种固液界面粘附力测试系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种固液界面粘附力测试方法，包括：
在折弯杆的纯弯梁的受压表面与受拉表面均粘贴应变片；其中，所述折弯杆包括垂直互连的纯弯梁及悬臂梁；
在所述悬臂梁的自由端悬挂液体挂件，并在所述液体挂件的底面附着测试液滴；
垂向下降所述折弯杆并使所述测试液滴与测试固体的表面接触，并记录所述应变片的吸附变化值Δε1；
垂向上升所述折弯杆并使所述测试液滴被拉断，并记录所述应变片的拉伸变化值Δε2；
根据公式F1＝kΔε1计算吸附粘附力F1，根据公式F2＝kΔε2计算拉伸粘附力F2；其中，k为与所述应变片相关的换算系数。
优选地，在折弯杆的纯弯梁的受压表面与受拉表面均粘贴应变片时，使所述应变片与所述纯弯梁的长度方向平行。
优选地，在折弯杆的纯弯梁的受压表面与受拉表面均粘贴应变片之后，以及在所述悬臂梁的自由端悬挂液体挂件之前，还包括：
在所述悬臂梁的自由端悬挂标准质量块，并记录所述应变片的初始变化值Δε0；
根据公式k＝mg/Δε0计算换算系数k；其中，m为所述标准质量块的质量，g为重力加速度；
取下所述标准质量块。
优选地，垂向下降所述折弯杆及垂向上升所述折弯杆时，使所述液体挂件的底面与待测固体的表面保持平行。
本发明还提供一种固液界面粘附力测试系统，包括测试台、驱动部件、折弯杆、液体挂件、测试液滴、测试固体、应变片、计算单元；
所述驱动部件设置于所述测试台表面，且所述驱动部件的输出方向为垂向；
所述折弯杆包括连接于所述驱动部件的输出端的纯弯梁和与所述纯弯梁的端部垂直互连的悬臂梁；
所述液体挂件悬挂于所述悬臂梁的自由端，且所述测试液滴粘附于所述液体挂件的底面；
所述测试固体设置于所述测试台表面，且所述测试固体的表面与所述液体挂件的底面正对；
所述应变片贴附于所述纯弯梁的受压表面与受拉表面，且所述应变片与所述计算单元信号连接。
优选地，所述液体挂件包括可旋转地套设于所述悬臂梁自由端的连接套，以及与所述连接套相连的T型架。
优选地，所述驱动部件垂直立设于所述测试台的表面，且所述测试台上还设置有与所述驱动部件信号连接、用于控制其输出端的运动状态的运动控制器。
优选地，所述折弯杆还包括与所述纯弯梁的另一端部垂直互连的连接梁，且所述驱动部件的输出端连接于所述连接梁的底面。
优选地，所述纯弯梁、所述悬臂梁、所述连接梁的长度分别为20～40mm、150～200mm、30～50mm，所述纯弯梁、所述悬臂梁及所述连接梁的横截面宽度均为3～5mm，所述纯弯梁、所述悬臂梁及所述连接梁的横截面厚度均为0.5～0.7mm。
优选地，所述测试液滴为润滑油，所述测试固体为变速箱齿轮试样。
本发明所提供的固液界面粘附力测试方法，主要包括5个步骤。首先，在第一步中，主要内容为粘贴应变片。其中，应变片具体粘贴在折弯杆的纯弯梁的受压表面和受拉表面上，以便与纯弯梁同步感受弯曲形变。在第二步中，主要内容为将液体挂件悬挂在折弯杆的悬臂梁的自由端处，使得液体挂件保持自然垂下状态，并在液体挂件的底面附着测试液滴，使得测试液滴粘附在液体挂件的底面，且在重力作用下保持垂向不滴落状态。在第三步中，主要内容为垂向下降折弯杆，使得液体挂件与其同步下降，并使测试液滴与预置的测试固体的表面接触，同时记录下测试液滴与测试固体的表面接触后的应变片的变化值。其中，由于在测试液滴与测试固体的表面接触过程中，悬臂梁受到来自测试液滴与测试固体表面之间的吸附作用力，因此将应变片的此次变化值记为吸附变化值Δε1。在第四步中，主要内容为垂向上升折弯杆，使得液体挂件与其同步上升，并使测试液滴被拉断或液体挂件的底面与测试液滴分离，同时记录下测试液滴被拉断后的应变片的变化值。其中，由于在测试液滴与液体挂件的底面分离过程中，悬臂梁受到来自测试液滴与液体挂件底面之间的拉伸作用力，因此将应变片的此次变化值记为拉伸变化值Δε2。在第五步中，主要内容为根据公式F1＝kΔε1计算吸附粘附力F1，同时根据公式F2＝kΔε2计算拉伸粘附力F2。其中，k为与应变片相关的换算系数。如此，本发明所提供的固液界面粘附力测试方法，通过在悬臂梁的自由端悬挂液体挂件，利用测试液滴与测试固体表面之间在接触时产生的吸附粘附力，以及测试液滴与液体挂件底面之间在脱离时产生的拉伸粘附力，对悬臂梁形成弯矩并传递至纯弯梁上被应变片所感应，以利用应变片的应变值变化分别计算吸附粘附力及拉伸粘附力，因此能够实现固液界面的粘附力测试，提高测试结果精确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程示意图。
图2为本发明所提供的一种具体实施方式的结构示意图。
图3为折弯杆的具体结构示意图。
其中，图2—图3中：
测试台—1，驱动部件—2，折弯杆—3，液体挂件—4，测试液滴—5，测试固体—6，应变片—7，计算单元—8，运动控制器—9，采集卡—10，模数转换器—11，安装平台—12；
纯弯梁—31，悬臂梁—32，连接梁—33，连接套—41，T型架—42。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程示意图。
在本发明所提供的一种具体实施方式中，固液界面粘附力测试方法主要包括5个步骤，分别为：
S1、在折弯杆的纯弯梁的受压表面与受拉表面均粘贴应变片；其中，折弯杆包括垂直互连的纯弯梁及悬臂梁；
S2、在悬臂梁的自由端悬挂液体挂件，并在液体挂件的底面附着测试液滴；
S3、垂向下降折弯杆并使测试液滴与测试固体的表面接触，并记录应变片的吸附变化值Δε1；
S4、垂向上升折弯杆并使测试液滴被拉断，并记录应变片的拉伸变化值Δε2；
S5、根据公式F1＝kΔε1计算吸附粘附力F1，根据公式F2＝kΔε2计算拉伸粘附力F2；其中，k为与应变片相关的换算系数。
其中，在第一步中，主要内容为粘贴应变片。具体的，应变片粘贴在折弯杆的纯弯梁的受压表面和受拉表面上，以便与纯弯梁同步感受弯曲形变。
在第二步中，主要内容为将液体挂件悬挂在折弯杆的悬臂梁的自由端处，使得液体挂件保持自然垂下状态，并在液体挂件的底面附着测试液滴，使得测试液滴粘附在液体挂件的底面，且在重力作用下保持垂向不滴落状态。
在第三步中，主要内容为垂向下降折弯杆，使得液体挂件与其同步下降，并使测试液滴与预置的测试固体的表面接触，同时记录下测试液滴与测试固体的表面接触后的应变片的变化值。其中，由于在测试液滴与测试固体的表面接触过程中，悬臂梁受到来自测试液滴与测试固体表面之间的吸附作用力，因此将应变片的此次变化值记为吸附变化值Δε1。
在第四步中，主要内容为垂向上升折弯杆，使得液体挂件与其同步上升，并使测试液滴被拉断或液体挂件的底面与测试液滴分离，同时记录下测试液滴被拉断后的应变片的变化值。其中，由于在测试液滴与液体挂件的底面分离过程中，悬臂梁受到来自测试液滴与液体挂件底面之间的拉伸作用力，因此将应变片的此次变化值记为拉伸变化值Δε2。
在第五步中，主要内容为根据公式F1＝kΔε1计算吸附粘附力F1，同时根据公式F2＝kΔε2计算拉伸粘附力F2。其中，k为与应变片相关的换算系数。
如此，本实施例所提供的固液界面粘附力测试方法，通过在悬臂梁的自由端悬挂液体挂件，利用测试液滴与测试固体表面之间在接触时产生的吸附粘附力，以及测试液滴与液体挂件底面之间在脱离时产生的拉伸粘附力，对悬臂梁形成弯矩并传递至纯弯梁上被应变片所感应，以利用应变片的应变值变化分别计算吸附粘附力及拉伸粘附力，因此能够实现固液界面的粘附力测试，提高测试结果精确性。
在折弯杆的纯弯梁的受压表面与受拉表面均粘贴应变片时，为尽量提高应变片的应变变化值精确性，在本实施例中，应变片的布置方向与纯弯梁的长度方向平行。并且，应变片的中心线还可与纯弯梁的中心线对齐。由于应变片同时粘贴在纯弯梁的受压表面与受拉表面上，因此两者的应变值理论上是等大反向的。在实际应用中，可通过与应变片信号连接的采集卡同时采集两个应变片的应变数据，并综合两者的应变数据得出统一的采集结果。
此外，为保证测试液滴能够与测试固体的表面平顺地接触或与液体挂件的底面平缓地脱离，尽量排除其余干扰影响，在本实施例中，在垂向下降折弯杆及垂向上升折弯杆时，确保液体挂件的底面与待测固体的表面保持平行。一般的，液体挂件悬挂在悬臂梁的自由端后，在重力作用下呈自然垂下状态，且液体挂件的底面为平面，从而保持水平状态。相应的，测试固体稳定放置在测试台上，其表面也保持水平状态。
另外，考虑到在根据应变片的应变值计算粘附力时，需要利用与应变片相关的换算系数，一般的，该换算系数是预设固定的，但在实际应用时，由于材质、粘贴位置等因素的影响，使得换算系数可能产生变动。为尽量提高粘附力计算的精确性，本实施例中还增设了步骤S6，该步骤S6具体位于前述步骤S1与S2之间，主要内容为计算实际的换算系数k。
其中，首先在悬臂梁的自由端(暂未悬挂液体挂件)上悬挂标准质量块，并记录悬挂标准质量块后应变片的初始变化值，记为Δε0。该标准质量块为衡量质量的标准件，其质量为精确的m(如5g)。然后，即可将记录的应变片的初始变化值代入公式k＝mg/Δε0中计算换算系数k。最后，再将标准质量块从悬臂梁的自由端上取下即可，之后再继续进行悬挂液体挂架的步骤。
如图2所示，图2为本发明所提供的一种具体实施方式的结构示意图。
本实施例还提供一种固液界面粘附力测试系统，主要包括测试台1、驱动部件2、折弯杆3、液体挂件4、测试液滴5、测试固体6、应变片7、计算单元8。
其中，测试台1为本测试系统的主体结构，主要用于安装和承载其余零部件，同时为固液界面粘附力提供测试场景。驱动部件2设置在测试台1的表面上，其输出端的运动方向为垂向方向，并且其输出端与折弯杆3相连，主要用于带动折弯杆3进行垂向升降运动。
折弯杆3具体呈“L”型结构，主要包括垂直互连的纯弯梁31和悬臂梁32。其中，纯弯梁31的底端与驱动部件2的输出端相连，而悬臂梁32的一端连接在纯弯梁31的顶端，并保持水平状态。
液体挂件4悬挂在悬臂梁32的自由端(另一端)处，而测试液滴5附着在液体挂件4的底面上，并在重力作用下保持垂向不滴落状态。测试固体6设置在测试台1的表面上，并且测试固体6的表面与液体挂件4的底面保持互相正对状态。一般的，测试液滴5为润滑油，单个润滑油液滴的体积通常为8～12μL，而测试固体6为变速箱齿轮试样。
应变片7同时贴附在纯弯梁31的受压表面和受拉表面上，并且与计算单元8保持信号连接，以将应变片7的应变数据发送给计算单元8进行粘附力计算。为便于采集应变片7的应变数据，可通过采集卡10与应变片7保持信号连接，同时，由于采集卡10采集的数据为模拟数据，为便于计算单元8进行计算分析，在采集卡10与计算单元8之间还可设置模数转换器11，以将采集卡10采集的模拟信号转换为数字信号。
在关于液体挂件4的一种优选实施例中，为保证液体挂件4能够在重力作用下自动保持垂向状态，该液体挂件4具体包括连接套41和T型架42。其中，连接套41套设在悬臂梁32的自由端处，并可绕悬臂梁32进行旋转。T型架42连接在连接套41的外壁上，其底面为平面，主要用于附着测试液滴5。
在关于驱动部件2的一种优选实施例中，该驱动部件2具体垂直立设在测试台1的表面上，并且，为精确控制驱动部件2的升降驱动状态，本实施例还在测试台1上增设了运动控制器9。该运动控制器9与驱动部件2保持信号连接，能够精确控制驱动部件2的输出端的运动状态。
如图3所示，图3为折弯杆3的具体结构示意图。
在关于折弯杆3的一种优选实施例中，为便于与驱动部件2的输出端相连，折弯杆3还包括连接梁33。具体的，该连接梁33与纯弯梁31的底端相连，并保持水平状态，与悬臂梁32平行。同时，驱动部件2的输出端连接在连接梁33的底面。
一般的，纯弯梁31、悬臂梁32、连接梁33的长度分别为20～40mm、150～200mm、30～50mm，比如分别为30mm、180mm、40mm等，而三者的横截面宽度均为3～5mm，比如4mm等，三者的横截面厚度均为0.5～0.7mm，比如0.6mm等。此外，折弯杆3整体可采用钢材料，其弹性模量为E＝200GPa。同时，悬臂梁32的自由端的刚度通常为3.7mN/mm左右，该刚度值较小，能够尽量削弱对固液界面粘附力的影响。
考虑到驱动部件2的高度尺寸较大，为便于测试液滴5与测试固体6的表面接触，本实施例还在测试台1的表面设置有安装平台12，专用于安装测试固体6，以提高测试固体6的安装高度。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种固液界面粘附力测试方法，其特征在于，包括：
在折弯杆的纯弯梁的受压表面与受拉表面均粘贴应变片；其中，所述折弯杆包括垂直互连的纯弯梁及悬臂梁；
在所述悬臂梁的自由端悬挂液体挂件，并在所述液体挂件的底面附着测试液滴；
垂向下降所述折弯杆并使所述测试液滴与测试固体的表面接触，并记录所述应变片的吸附变化值Δε1；
垂向上升所述折弯杆并使所述测试液滴被拉断，并记录所述应变片的拉伸变化值Δε2；
根据公式F1＝kΔε1计算吸附粘附力F1，根据公式F2＝kΔε2计算拉伸粘附力F2；其中，k为与所述应变片相关的换算系数。
2.根据权利要求1所述的固液界面粘附力测试方法，其特征在于，在折弯杆的纯弯梁的受压表面与受拉表面均粘贴应变片时，使所述应变片与所述纯弯梁的长度方向平行。
3.根据权利要求1所述的固液界面粘附力测试方法，其特征在于，在折弯杆的纯弯梁的受压表面与受拉表面均粘贴应变片之后，以及在所述悬臂梁的自由端悬挂液体挂件之前，还包括：
在所述悬臂梁的自由端悬挂标准质量块，并记录所述应变片的初始变化值Δε0；
根据公式k＝mg/Δε0计算换算系数k；其中，m为所述标准质量块的质量，g为重力加速度；
取下所述标准质量块。
4.根据权利要求1所述的固液界面粘附力测试方法，其特征在于，垂向下降所述折弯杆及垂向上升所述折弯杆时，使所述液体挂件的底面与待测固体的表面保持平行。
5.一种固液界面粘附力测试系统，其特征在于，包括测试台(1)、驱动部件(2)、折弯杆(3)、液体挂件(4)、测试液滴(5)、测试固体(6)、应变片(7)、计算单元(8)；
所述驱动部件(2)设置于所述测试台(1)表面，且所述驱动部件(2)的输出方向为垂向；
所述折弯杆(3)包括连接于所述驱动部件(2)的输出端的纯弯梁(31)和与所述纯弯梁(31)的端部垂直互连的悬臂梁(32)；
所述液体挂件(4)悬挂于所述悬臂梁(32)的自由端，且所述测试液滴(5)粘附于所述液体挂件(4)的底面；
所述测试固体(6)设置于所述测试台(1)表面，且所述测试固体(6)的表面与所述液体挂件(4)的底面正对；
所述应变片(7)贴附于所述纯弯梁(31)的受压表面与受拉表面，且所述应变片(7)与所述计算单元(8)信号连接。
6.根据权利要求5所述的固液界面粘附力测试系统，其特征在于，所述液体挂件(4)包括可旋转地套设于所述悬臂梁(32)自由端的连接套(41)，以及与所述连接套(41)相连的T型架(42)。
7.根据权利要求5所述的固液界面粘附力测试系统，其特征在于，所述驱动部件(2)垂直立设于所述测试台(1)的表面，且所述测试台(1)上还设置有与所述驱动部件(2)信号连接、用于控制其输出端的运动状态的运动控制器(9)。
8.根据权利要求5所述的固液界面粘附力测试系统，其特征在于，所述折弯杆(3)还包括与所述纯弯梁(31)的另一端部垂直互连的连接梁(33)，且所述驱动部件(2)的输出端连接于所述连接梁(33)的底面。
9.根据权利要求8所述的固液界面粘附力测试系统，其特征在于，所述纯弯梁(31)、所述悬臂梁(32)、所述连接梁(33)的长度分别为20～40mm、150～200mm、30～50mm，所述纯弯梁(31)、所述悬臂梁(32)及所述连接梁(33)的横截面宽度均为3～5mm，所述纯弯梁(31)、所述悬臂梁(32)及所述连接梁(33)的横截面厚度均为0.5～0.7mm。
10.根据权利要求5所述的固液界面粘附力测试系统，其特征在于，所述测试液滴(5)为润滑油，所述测试固体(6)为变速箱齿轮试样。
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