CN113866085A - 一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法 - Google Patents

一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113866085A
CN113866085A CN202111101463.3A CN202111101463A CN113866085A CN 113866085 A CN113866085 A CN 113866085A CN 202111101463 A CN202111101463 A CN 202111101463A CN 113866085 A CN113866085 A CN 113866085A
Authority
CN
China
Prior art keywords
friction pair
rod
active
sliding
fixed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111101463.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113866085B (zh
Inventor
任宇
谭成文
陈鹏万
李政
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN202111101463.3A priority Critical patent/CN113866085B/zh
Publication of CN113866085A publication Critical patent/CN113866085A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113866085B publication Critical patent/CN113866085B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/02—Measuring coefficient of friction between materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/03—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses by using non-electrical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01P3/38—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light using photographic means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明涉及一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法，属于材料表面摩擦测试技术领域。所述测试试样包括包套、加压螺钉、压力传感器、第一固定摩擦副、主动摩擦副、第二固定摩擦副、第一限位卡箍以及第二限位卡箍，其中主动摩擦副与第一固定摩擦副以及第二固定摩擦副之间在特定的法向压力下能够产生滑动摩擦。所述测试系统包括撞击杆发射装置、撞击杆、入射杆、杆件支架、本发明所述测试试样、高速摄像机、透射杆、吸收杆、信号放大及采集装置以及计算机，基于该测试系统能触发测试试样发生滑动并拍摄其滑动过程，同时能采集施加在测试试样上的法向压力，之后通过分析和计算可以获得摩擦力、摩擦系数和平均相对滑动速度等物理量。

Description

一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法
技术领域
本发明涉及一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法，属于材料表面摩擦测试技术领域。
背景技术
具有较高相对运动速度的两物体发生碰撞或其它形式的相互作用时，除可能发生高应变速率变形和断裂外，还将在二者接触表面发生高速冲击摩擦，导致其表面状态和性质产生显著变化，如冲击式破碎机的破碎腔内衬护板、电磁轨道炮的导轨、穿破甲武器的攻坚战斗部等构件的表面都会在服役过程中经历不同程度的高速冲击摩擦磨损。准确测量高速冲击摩擦过程中摩擦副之间的摩擦系数，并获得其随滑动速度、摩擦次数、法向压力等参量的变化规律，对于相关构件的材料选择与优化、结构设计、表面改性等都具有重要意义。
然而，相较于普通摩擦磨损，高速冲击摩擦磨损由于单次摩擦作用时间短(微秒至毫秒量级)，摩擦副表面相对滑动速度高，且摩擦历程多为非匀速运动过程，故难以通过常规摩擦磨损测试方法及设备对高速摩擦过程进行模拟、测试和表征。例如，常用的球盘、销盘、盘盘等摩擦磨损测试方法，由于存在盘状摩擦副高速旋转时将产生巨大惯性力导致测试稳定性和精度受到严重影响等问题，其商业化设备的最高转速大致为5000rpm，摩擦轨迹直径为30mm时，线速度仅为7.9m/s。虽然经过改进(如专利CN201610077925.5和CN201610077943.3所述)，该类摩擦测试方法的线速度可达到15m/s及以上，但是其仍无法满足具有瞬时及非匀速运动等特点的高速冲击摩擦特性测试的要求。因此，开发一种操作方便、能够测量高速冲击摩擦过程中的主要物理参量的实验装置，为评价和研究材料的瞬时高速冲击摩擦特性提供有效的测试方法，具有十分重要的学术和工程应用价值。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法，能够实现相对滑动速度达到10m/s以上时材料经历瞬时非匀速高速冲击摩擦时表面的摩擦力、摩擦系数和平均相对滑动速度等物理量的测试，测试装置结构简单，操作简便，测试精度高，对评价和研究材料的瞬时高速冲击摩擦特性具有十分重要的学术和工程应用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种高速冲击滑动摩擦的测试试样，所述测试试样包括包套、加压螺钉、压力传感器、第一固定摩擦副、主动摩擦副、第二固定摩擦副、第一限位卡箍以及第二限位卡箍；
包套为中空的长方体结构，左右两个相对的侧面为开放结构；
第一固定摩擦副、主动摩擦副以及第二固定摩擦副均为长矩形块；第一固定摩擦副和第二固定摩擦副的材质相同，主动摩擦副与第一固定摩擦副以及第二固定摩擦副的材质相同或者不相同；
第一限位卡箍和第二限位卡箍均为C形框架结构；
在包套内部由下至上按顺序依次放置第二固定摩擦副、主动摩擦副、第一固定摩擦副以及压力传感器，第二固定摩擦副与包套下表面相接触，压力传感器与包套上表面之间设有间隙；第二限位卡箍安装在包套下部外侧面上，第二固定摩擦副左右侧面中的一个侧面与第二限位卡箍的内表面相接触，通过第二限位卡箍将第二固定摩擦副限位固定，第二固定摩擦副的左右侧面中的另一个侧面伸出包套的外面；第一限位卡箍安装在包套上部外侧面上，通过第一限位卡箍将第一固定摩擦副限位固定，此时第一固定摩擦副的左右两个侧面分别与第一限位卡箍相对应的内表面相接触；主动摩擦副的上下表面与与其对应的第一限位卡箍的下端、第二限位卡箍的上端之间均设有间隙，主动摩擦副的前后两个侧面与与其对应的包套的前后两个侧面之间均设有间隙，主动摩擦副可以穿过包套左右两个侧面的开口滑动；加压螺钉与包套上表面螺纹连接，且加压螺钉的螺柱一端与压力传感器相接触，通过调节加压螺钉调控施加在主动摩擦副上的法向压力。
进一步地，所述测试试样还包括传感器垫片，传感器垫片放置在传感器上，此时加压螺钉的螺柱一端与传感器垫片相接触，避免加压螺钉直接作用于压力传感器上对其造成损坏。
进一步地，所述测试试样还包括卡箍垫片和紧固螺钉，此时卡箍垫片放置在第一限位卡箍的内表面与第一固定摩擦副左右侧面中的一个侧面之间，紧固螺钉与第一限位卡箍螺纹连接，且紧固螺钉的螺柱一端与卡箍垫片相接触使卡箍垫片与第一固定摩擦副的侧面相接触，此时通过第一限位卡箍的内表面、卡箍垫片以及紧固螺钉将第一固定摩擦副限位固定。
进一步地，压力传感器以及加压螺钉的个数均为2～4个，每个压力传感器对应一个加压螺钉。
进一步地，主动摩擦副的前后两个侧面与与其对应的包套的前后两个侧面之间均设有间隙，间隙小于等于0.5mm，以保证滑动过程中主动摩擦副仅分别与第一固定摩擦副的下表面和第二固定摩擦副的上表面相接触。
进一步地，第二固定摩擦副的上表面沿其长度方向设置有屋脊形的第二导向棱，主动摩擦副的下表面沿其长度方向设置有弧形的第二导向槽，第二导向棱的高度小于第二导向槽的半径，第二导向棱的宽度小于等于第二导向槽的直径，第二导向棱与第二导向槽滑动配合；
或者，第一固定摩擦副的下表面沿其长度方向设置有屋脊形的第一导向棱，主动摩擦副的上表面沿其长度方向设置有弧形的第一导向槽，第一导向棱的高度小于第一导向槽的半径，第一导向棱的宽度小于等于第一导向槽的直径，第一导向棱与第一导向槽滑动配合；
或者，第一固定摩擦副的下表面沿其长度方向设置有屋脊形的第一导向棱，第二固定摩擦副的上表面沿其长度方向设置有屋脊形的第二导向棱，主动摩擦副的上表面沿其长度方向设置有弧形的第一导向槽以及下表面沿其长度方向设置有弧形的第二导向槽，第一导向棱的高度小于第一导向槽的半径，第一导向棱的宽度小于等于第一导向槽的直径，第二导向棱的高度小于第二导向槽的半径，第二导向棱的宽度小于等于第二导向槽的直径，第一导向棱与第一导向槽滑动配合，第二导向棱与第二导向槽滑动配合；
利用导向棱与导向槽之间的相互配合，主动摩擦副可以穿过包套左右两个侧面的开口始终沿直线滑动。
进一步地，所述导向棱的高度比与其所对应的导向槽的半径小0.1mm以上(包含0.1mm)，所述导向棱的宽度比与其所对应的导向槽的直径小0.2mm～0.4mm，且所述导向棱的宽度与与其所对应的导向槽的直径的差值绝对值的1/2小于主动摩擦副的前后两个侧面与与其对应的包套的前后两个侧面之间的间隙，以保证滑动过程中所述导向棱顶部不与与其所对应的导向槽底部接触，且主动摩擦副与第一固定摩擦副以及第二固定摩擦副之间的表面能够紧密接触。
进一步地，主动摩擦副与第一固定摩擦副以及第二固定摩擦副之间可以根据需要添加润滑剂或磨料，以便模拟不同的实际工况。
通过调节加压螺钉可以调控对所述测试试样施加的法向压力大小；撞击主动摩擦副的左右一个侧面时，可以使主动摩擦副与第一固定摩擦副以及第二固定摩擦副之间发生滑动摩擦。
一种高速冲击滑动摩擦的测试系统，所述测试系统包括撞击杆发射装置、撞击杆、入射杆、杆件支架、本发明所述测试试样、高速摄像机、透射杆、吸收杆、信号放大及采集装置以及计算机；
撞击杆发射装置、入射杆、测试试样、透射杆以及吸收杆按顺序依次放置，撞击杆安装在撞击杆发射装置中，入射杆、透射杆以及吸收杆分别安装在杆件支架上，撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆的直径以及材质均相同且同轴放置；高速摄像机用于拍摄测试试样中的主动摩擦副的滑动过程，高速摄像机与计算机连接；信号放大及采集装置的信号输入端与测试试样中的压力传感器连接，信号放大及采集装置的信号输出端与计算机连接。
进一步地，所述测试系统还包括缓冲器，此时，撞击杆发射装置、入射杆、测试试样、透射杆、吸收杆以及缓冲器按顺序依次放置，缓冲器与吸收杆之间设有间隙。
撞击杆发射装置用于发射撞击杆，发射后的撞击杆撞击入射杆，在入射杆中产生一个冲击应力脉冲，并通过入射杆将该冲击应力脉冲传入测试试样中的主动摩擦副，进而推动主动摩擦副发生滑动，主动摩擦副在滑动过程中与第一固定摩擦副以及第二固定摩擦副之间发生滑动摩擦，推动主动摩擦副运动后剩余的冲击应力脉冲(剩余动量)通过透射杆传入吸收杆中使吸收杆与透射杆分离飞出，并被缓冲器捕获，从而带走测试系统中的多余能量，保证入射杆和透射杆不发生较大位移，便于下次实验时试样的安装和杆件的调整；高速摄像机拍摄测试试样中主动摩擦副的滑动过程，并将其拍摄的信息传输给计算机；发生滑动之前，调控测试试样的加压螺钉，对测试试样施加一定的法向压力，该法向压力的大小通过信号放大及采集装置采集处理后传输给计算机，根据测试过程中获得的信息进行相应的计算，可以获得摩擦力、摩擦系数和平均相对滑动速度等物理量。
一种高速冲击滑动摩擦的测试方法，基于本发明所述测试试样以及测试系统，获得摩擦力、摩擦系数和平均相对滑动速度等物理量的具体测试方法如下：
(1)对主动摩擦副的上表面以及下表面进行抛光处理，使其表面粗糙度Ra小于等于0.05μm；根据实际工况设计第一固定摩擦副的下表面以及第二固定摩擦副的上表面的粗糙度；
(2)旋转加压螺钉对主动摩擦副施加所需的法向压力；
(3)发射撞击杆之前，主动摩擦副的一个侧面与入射杆的一端相接触，第二固定摩擦副中位于包套外面的一个侧面与透射杆的一端相接触，透射杆的另一端与吸收杆的一端相接触；
(4)利用撞击杆发射装置将撞击杆发射出去使其撞击入射杆，同时使用高速摄像机拍摄主动摩擦副的滑动过程，主动摩擦副与入射杆分离的时刻作为稳定滑动的开始时刻，主动摩擦副与透射杆接触的时刻作为稳定滑动的结束时刻，据此确定主动摩擦副进入稳定滑动运动状态时的初始速度υ0、加速度a和摩擦时间t；
(5)主动摩擦副进入稳定滑动运动状态时满足牛顿第二运动定律，可据此推导出主动摩擦副与第一固定摩擦副以及第二固定摩擦副之间的摩擦力、摩擦系数和平均相对滑动速度：
摩擦力：XFμ＝-ma，可得：
Figure BDA0003271085370000051
其中m表示主动摩擦副的质量，负号表示摩擦力与主动摩擦副运动方向相反，X表示摩擦面的个数；
摩擦系数：
Figure BDA0003271085370000052
其中N为压力传感器所测压力数值的算术平均值，并忽略传感器垫片、压力传感器、第一固定摩擦副和主动摩擦副的重力；
主动摩擦副与第一固定摩擦副以及第二固定摩擦副之间的平均相对滑动速度：
Figure BDA0003271085370000053
进一步地，与入射杆相接触的主动摩擦副的侧面和与透射杆相接触的第二固定摩擦副的侧面均涂抹凡士林。
有益效果：
(1)本发明所述的试样结构简单，能够在特定的法向压力下产生高速滑动摩擦。测试试样中所设计的卡箍垫片，便于第一固定摩擦副、包套以及第一限位卡箍之间的装配，而且对于加工精度要求低。
(2)本发明所述测试系统结构简单，易于操作，能够实现高速滑动(尤其是平均速度在15m/s～30m/s范围内)时材料经历瞬时非匀速高速冲击摩擦时表面的摩擦力、摩擦系数和平均相对滑动速度等物理量的测试。利用高速摄像机直接确定摩擦副的加速度，可避免由于加装额外的加速度和速度传感器影响摩擦副的滑动过程，有利于获得高的测试精度。
(3)基于本发明所述测试试样以及测试系统进行测试的操作简便，测试结果精度高，对评价和研究材料的瞬时高速冲击摩擦特性具有十分重要的学术和工程应用价值。
附图说明
图1为实施例中所述测系统的结构示意图。
图2为实施例中所述测试试样的剖面结构示意图。
图3为实施例中所述测试试样的三维结构示意图。
图4为实施例1～2中主动摩擦副的结构示意图。
图5为实施例1～2中第二固定摩擦副的结构示意图。
图6为实施例中所述第一限位卡箍的结构示意图。
图7为实施例中所述第二限位卡箍的结构示意图。
图8为实施例1～2中主动摩擦副在滑动过程中的受力分析示意图。
图9为实施例1在滑动过程中获得的法向压力-时间曲线图。
图10为实施例2在滑动过程中获得的法向压力-时间曲线图。
其中，1-撞击杆发射装置，2-撞击杆，3-入射杆，4-杆件支架，5-测试试样，6-高速摄像机，7-透射杆，8-吸收杆，9-缓冲器，10-信号放大及采集装置，11-计算机，12-包套，13-加压螺钉，14-传感器垫片，15-压力传感器，16-第一固定摩擦副，17-主动摩擦副，18-第二固定摩擦副，19-第一限位卡箍，20-卡箍垫片，21-紧固螺钉，22-第二限位卡箍。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以下实施例中，测试高速冲击滑动摩擦所采用的测试系统包括撞击杆发射装置1、撞击杆2、入射杆3、杆件支架4、测试试样5、高速摄像机6、透射杆7、吸收杆8、缓冲器9、信号放大及采集装置10以及计算机11，如图1所示；
所述测试试样5包括包套12、加压螺钉13、压力传感器15、传感器垫片14、第一固定摩擦副16、主动摩擦副17、第二固定摩擦副18、第一限位卡箍19、卡箍垫片20、紧固螺钉21以及第二限位卡箍22，如图2和图3所示；
所述包套12为中空的长方体结构，包含上下两个表面和前后左右四个侧面，且左右两个相对的侧面为开放结构；
所述第一固定摩擦副16、主动摩擦副17以及第二固定摩擦副18均为长矩形块，第一固定摩擦副16和第二固定摩擦副18的材质相同，主动摩擦副17与第一固定摩擦副16以及第二固定摩擦副18的材质相同或者不相同；另外，为了确保主动摩擦副17的直线滑动，还可以在第一固定摩擦副16的下表面沿其长度方向设置屋脊形的第一导向棱或/和在第二固定摩擦副18的上表面沿其长度方向设置屋脊形的第二导向棱，相应地，在主动摩擦副17的上表面沿其长度方向设置弧形的第一导向槽或/和在主动摩擦副17的下表面沿其长度方向设置弧形的第二导向槽，所述导向棱的高度比与其所对应的导向槽的半径小0.1mm以上，所述导向棱的宽度比与其所对应的导向槽的直径小0.2mm～0.4mm，且所述导向棱的宽度与与其所对应的导向槽的直径的差值绝对值的1/2小于主动摩擦副的前后两个侧面与与其对应的包套的前后两个侧面之间的间隙，所述导向棱与与其所对应的导向槽滑动配合(如：第一导向棱与第一导向槽滑动配合，第二导向棱与第二导向槽滑动配合)；
所述第一限位卡箍19和第二限位卡箍22均为C形框架结构，如图6和图7所示；
结合图2和图3，测试试样5中各部件的装配关系如下：在包套12内部由下至上按顺序依次放置第二固定摩擦副18、主动摩擦副17、第一固定摩擦副16、压力传感器15以及传感器垫片14，第二固定摩擦副18与包套12内腔下表面相接触，传感器垫片14与包套12内腔上表面之间设有间隙；第二限位卡箍22安装在包套12下部外侧面上，第二固定摩擦副18的左侧面与第二限位卡箍22的内表面相接触，通过第二限位卡箍22将第二固定摩擦副18限位固定，第二固定摩擦副18的右侧面位于包套12的外面；第一限位卡箍19安装在包套12上部外侧面上，卡箍垫片20放置在第一限位卡箍19的内表面与第一固定摩擦副16的右侧面之间，紧固螺钉21与第一限位卡箍19螺纹连接，且紧固螺钉21的螺柱一端与卡箍垫片20相接触使卡箍垫片20与第一固定摩擦副16的右侧面相接触，此时通过第一限位卡箍19的内表面、卡箍垫片20以及紧固螺钉21将第一固定摩擦副16限位固定；主动摩擦副17的上表面与第一限位卡箍19的下端面以及主动摩擦副17的下表面与第二限位卡箍22的上端面之间均设有间隙，主动摩擦副17的前侧面与包套12内腔的前侧面以及主动摩擦副17的后侧面与包套12内腔的后侧面均设有不大于0.5mm的间隙，以保证滑动过程中主动摩擦副17仅分别与第一固定摩擦副16的下表面和第二固定摩擦副18的上表面相接触；两个加压螺钉13分别与包套12上表面螺纹连接，两个加压螺钉13的螺柱一端分别与传感器垫片14相接触，且每个加压螺钉13的螺柱端对应一个压力传感器15，通过调节加压螺钉13可以调控施加在主动摩擦副17上的法向压力；
结合图1，测试系统中各个部件的装配关系如下：撞击杆发射装置1、入射杆3、测试试样5、透射杆7、吸收杆8以及缓冲器9按顺序依次放置，撞击杆2安装在撞击杆发射装置1中，入射杆3、透射杆7以及吸收杆8分别安装在杆件支架4上，撞击杆2、入射杆3、透射杆7和吸收杆8的直径以及材质均相同且同轴放置，缓冲器9与吸收杆8之间设有间隙；高速摄像机6用于拍摄测试试样5中的主动摩擦副17的滑动过程，高速摄像机6与计算机11连接；信号放大及采集装置10的信号输入端与测试试样5中的压力传感器15连接，信号放大及采集装置10的信号输出端与计算机11连接；
基于所述测试系统进行高速冲击滑动摩擦测试的具体步骤如下：
(1)对主动摩擦副17的上表面以及下表面进行抛光处理，使其表面粗糙度Ra小于等于0.05μm；根据实际工况设计第一固定摩擦副16的下表面以及第二固定摩擦副18的上表面的粗糙度；
(2)旋转加压螺钉13对主动摩擦副17施加所需的法向压力；
(3)发射撞击杆2之前，主动摩擦副17的左侧面与入射杆3的右端面相接触，第二固定摩擦副18中位于包套12外面的右侧面与透射杆7的左端面相接触，透射杆7的右端面与吸收杆8的左端面相接触；其中，与入射杆3相接触的主动摩擦副17的左侧面和与透射杆7相接触的第二固定摩擦副18的右侧面均涂抹凡士林；
(4)利用撞击杆发射装置1将撞击杆2发射出去使其撞击入射杆3，此时在入射杆3中产生一个冲击应力脉冲，并通过入射杆3将该冲击应力脉冲传入测试试样5中的主动摩擦副17，进而推动主动摩擦副17发生滑动；在发射撞击杆2的同时使用高速摄像机6拍摄主动摩擦副17的滑动过程，主动摩擦副17与入射杆3分离的时刻作为稳定滑动的开始时刻，主动摩擦副17与透射杆7接触的时刻作为稳定滑动的结束时刻，据此确定主动摩擦副17进入稳定滑动运动状态时的初始速度υ0、加速度a和摩擦时间t；
(5)主动摩擦副17进入稳定滑动运动状态时满足牛顿第二运动定律，可据此推导出主动摩擦副17与第一固定摩擦副16以及第二固定摩擦副18之间的摩擦力、摩擦系数和平均相对滑动速度：
摩擦力：XFμ＝-ma，可得：
Figure BDA0003271085370000091
其中m表示主动摩擦副17的质量，负号表示摩擦力与主动摩擦副17运动方向相反，X表示摩擦面的个数(如：第一固定摩擦副16和第二固定摩擦副18上均未加工导向棱，主动摩擦副17上也未加工导向槽时，X＝2；第一固定摩擦副16和第二固定摩擦副18上只加工一条导向棱，主动摩擦副17上也只加工一个导向槽时，X＝3；第一固定摩擦副16和第二固定摩擦副18上均加工一条导向棱，主动摩擦副17的两个表面也均加工导向槽时，X＝4)；
摩擦系数：
Figure BDA0003271085370000092
其中N为压力传感器15所测压力数值的算术平均值，并忽略传感器垫片14、压力传感器15、第一固定摩擦副16和主动摩擦副17的重力；
主动摩擦副17与第一固定摩擦副16以及第二固定摩擦副18之间的平均相对滑动速度：
Figure BDA0003271085370000101
另外，为了模拟不同的工况，可以根据需求在主动摩擦副17的上表面与第一固定摩擦副16的下表面以及主动摩擦副17的下表面与第二固定摩擦副18的上表面之间添加润滑剂或磨料。
实施例1
主动摩擦副17、第一固定摩擦副16以及第二固定摩擦副18的材质均为2024铝合金；第二固定摩擦副18的上表面沿其长度方向的中轴线设置有屋脊形的第二导向棱(如图5所示)，主动摩擦副17的下表面沿其长度方向的中轴线设置有弧形的第二导向槽(如图4所示)，第二导向棱的高度比第二导向槽的半径小0.1mm，第二导向棱的宽度比第二导向槽的直径小0.2mm，第二导向棱与第二导向槽滑动配合；主动摩擦副17的前后两个侧面与与其对应的包套12的前后两个侧面之间均设有0.3mm的间隙；基于上述测试系统进行高速冲击滑动摩擦测试的具体步骤如下：
(1)对主动摩擦副17的上表面以及下表面进行抛光处理，使其表面粗糙度Ra小于等于0.05μm，抛光处理后的主动摩擦副的质量为1.142g；对第一固定摩擦副16的下表面以及第二固定摩擦副18的上表面采用砂纸进行打磨，使其表面粗糙度小于等于6.3μm；
(2)旋转加压螺钉13对主动摩擦副17施加5.0N的平均法向压力，并通过信号放大及采集装置10和计算机11采集并记录法向压力值，测试过程中所测得的法向压力值如图9所示；
(3)发射撞击杆2之前，主动摩擦副17的左侧面与入射杆3的右端面相接触，第二固定摩擦副18中位于包套12外面的右侧面与透射杆7的左端面相接触，透射杆7的右端面与吸收杆8的左端面相接触；
(4)利用撞击杆发射装置1将撞击杆2发射出去使其撞击入射杆3，同时使用高速摄像机6拍摄主动摩擦副17的滑动过程，据此确定主动摩擦副17进入稳定滑动运动状态时的初始速度υ0为22.0m/s，加速度a为-90667m/s2，摩擦时间t为150μs；
(5)主动摩擦副17进入稳定滑动运动状态时满足牛顿第二运动定律，主动摩擦副17在滑动过程中的受力情况如图8所示，可据此推导出摩擦力为34.5N，平均摩擦系数为6.90，平均相对滑动速度为15.2m/s。
实施例2
主动摩擦副17、第一固定摩擦副16以及第二固定摩擦副18的材质均为2024铝合金；第二固定摩擦副18的上表面沿其长度方向的中轴线设置有屋脊形的第二导向棱(如图5所示)，主动摩擦副17的下表面沿其长度方向的中轴线设置有弧形的第二导向槽(如图4所示)，第二导向棱的高度比第二导向槽的半径小0.1mm，第二导向棱的宽度比第二导向槽的直径小0.2mm，第二导向棱与第二导向槽滑动配合；主动摩擦副17的前后两个侧面与与其对应的包套12的前后两个侧面之间均设有0.3mm的间隙；基于上述测试系统进行高速冲击滑动摩擦测试的具体步骤如下：
(1)对主动摩擦副17的上表面以及下表面进行抛光处理，使其表面粗糙度Ra小于等于0.05μm，抛光处理后的主动摩擦副的质量为1.138g；对第一固定摩擦副16的下表面以及第二固定摩擦副18的上表面采用砂纸进行打磨，使其表面粗糙度小于等于6.3μm；
(2)旋转加压螺钉13对主动摩擦副施加9.9N的平均法向压力，并通过信号放大及采集装置10和计算机11采集并记录法向压力值，测试过程中所测得的法向压力值如图10所示；
(3)发射撞击杆2之前，主动摩擦副17的左侧面与入射杆3的右端面相接触，第二固定摩擦副18中位于包套12外面的右侧面与透射杆7的左端面相接触，透射杆7的右端面与吸收杆8的左端面相接触；
(4)利用撞击杆发射装置1将撞击杆2发射出去使其撞击入射杆3，同时使用高速摄像机6拍摄主动摩擦副17的滑动过程，据此确定主动摩擦副17进入稳定滑动运动状态时的初始速度υ0为33.2m/s，加速度a为-100000m/s2，摩擦时间t为200μs；
(5)主动摩擦副17进入稳定滑动运动状态时满足牛顿第二运动定律，主动摩擦副17在滑动过程中的受力情况如图8所示，可据此推导出摩擦力为37.9N，平均摩擦系数为3.83，平均相对滑动速度为23.2m/s。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速冲击滑动摩擦的测试试样，其特征在于：所述测试试样包括包套、加压螺钉、压力传感器、第一固定摩擦副、主动摩擦副、第二固定摩擦副、第一限位卡箍以及第二限位卡箍；
包套为中空的长方体结构，左右两个相对的侧面为开放结构；
第一固定摩擦副、主动摩擦副以及第二固定摩擦副均为长矩形块；第一固定摩擦副和第二固定摩擦副的材质相同；
第一限位卡箍和第二限位卡箍均为C形框架结构；
在包套内部由下至上按顺序依次放置第二固定摩擦副、主动摩擦副、第一固定摩擦副以及压力传感器，第二固定摩擦副与包套下表面相接触，压力传感器与包套上表面之间设有间隙；第二限位卡箍安装在包套下部外侧面上，第二固定摩擦副左右侧面中的一个侧面与第二限位卡箍的内表面相接触，第二固定摩擦副的左右侧面中的另一个侧面伸出包套的外面；第一限位卡箍安装在包套上部外侧面上，第一固定摩擦副的左右两个侧面分别与第一限位卡箍相对应的内表面相接触；主动摩擦副的上下表面与与其对应的第一限位卡箍的下端、第二限位卡箍的上端之间均设有间隙，主动摩擦副的前后两个侧面与与其对应的包套的前后两个侧面之间均设有间隙；加压螺钉与包套上表面螺纹连接，且加压螺钉的螺柱一端与压力传感器相接触。
2.根据权利要求1所述的一种高速冲击滑动摩擦的测试试样，其特征在于：所述测试试样还包括传感器垫片，传感器垫片放置在传感器上，此时加压螺钉的螺柱一端与传感器垫片相接触。
3.根据权利要求1所述的一种高速冲击滑动摩擦的测试试样，其特征在于：所述测试试样还包括卡箍垫片和紧固螺钉，此时卡箍垫片放置在第一限位卡箍的内表面与第一固定摩擦副左右侧面中的一个侧面之间，紧固螺钉与第一限位卡箍螺纹连接，且紧固螺钉的螺柱一端与卡箍垫片相接触使卡箍垫片与第一固定摩擦副的侧面相接触。
4.根据权利要求1所述的一种高速冲击滑动摩擦的测试试样，其特征在于：压力传感器以及加压螺钉的个数均为2～4个，每个压力传感器对应一个加压螺钉。
5.根据权利要求1所述的一种高速冲击滑动摩擦的测试试样，其特征在于：主动摩擦副的前后两个侧面与与其对应的包套的前后两个侧面之间均设有间隙，间隙小于等于0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种高速冲击滑动摩擦的测试试样，其特征在于：第二固定摩擦副的上表面沿其长度方向设置有屋脊形的第二导向棱，主动摩擦副的下表面沿其长度方向设置有弧形的第二导向槽，第二导向棱的高度小于第二导向槽的半径，第二导向棱的宽度小于等于第二导向槽的直径，第二导向棱与第二导向槽滑动配合；
或者，第一固定摩擦副的下表面沿其长度方向设置有屋脊形的第一导向棱，主动摩擦副的上表面沿其长度方向设置有弧形的第一导向槽，第一导向棱的高度小于第一导向槽的半径，第一导向棱的宽度小于等于第一导向槽的直径，第一导向棱与第一导向槽滑动配合；
或者，第一固定摩擦副的下表面沿其长度方向设置有屋脊形的第一导向棱，第二固定摩擦副的上表面沿其长度方向设置有屋脊形的第二导向棱，主动摩擦副的上表面沿其长度方向设置有弧形的第一导向槽以及下表面沿其长度方向设置有弧形的第二导向槽，第一导向棱的高度小于第一导向槽的半径，第一导向棱的宽度小于等于第一导向槽的直径，第二导向棱的高度小于第二导向槽的半径，第二导向棱的宽度小于等于第二导向槽的直径，第一导向棱与第一导向槽滑动配合，第二导向棱与第二导向槽滑动配合。
7.根据权利要求6所述的一种高速冲击滑动摩擦的测试试样，其特征在于：所述导向棱的高度比与其所对应的导向槽的半径小0.1mm以上，所述导向棱的宽度比与其所对应的导向槽的直径小0.2mm～0.4mm，且所述导向棱的宽度与与其所对应的导向槽的直径的差值绝对值的1/2小于主动摩擦副的前后两个侧面与与其对应的包套的前后两个侧面之间的间隙。
8.一种高速冲击滑动摩擦的测试系统，其特征在于：所述测试系统包括撞击杆发射装置、撞击杆、入射杆、杆件支架、权利要求1至7任一项所述的测试试样、高速摄像机、透射杆、吸收杆、信号放大及采集装置以及计算机；
撞击杆发射装置、入射杆、测试试样、透射杆以及吸收杆按顺序依次放置，撞击杆安装在撞击杆发射装置中，入射杆、透射杆以及吸收杆分别安装在杆件支架上，撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆的直径以及材质均相同且同轴放置；高速摄像机用于拍摄测试试样中的主动摩擦副的滑动过程，高速摄像机与计算机连接；信号放大及采集装置的信号输入端与测试试样中的压力传感器连接，信号放大及采集装置的信号输出端与计算机连接。
9.根据权利要求8所述的一种高速冲击滑动摩擦的测试系统，其特征在于：所述测试系统还包括缓冲器，此时，撞击杆发射装置、入射杆、测试试样、透射杆、吸收杆以及缓冲器按顺序依次放置，缓冲器与吸收杆之间设有间隙。
10.一种高速冲击滑动摩擦的测试方法，其特征在于：采用权利要求8所述测试系统进行高速冲击滑动摩擦的测试方法如下：
(1)对主动摩擦副的上表面以及下表面进行抛光处理，使其表面粗糙度Ra小于等于0.05μm；根据实际工况设计第一固定摩擦副的下表面以及第二固定摩擦副的上表面的粗糙度；
(2)旋转加压螺钉对主动摩擦副施加所需的法向压力；
(3)发射撞击杆之前，主动摩擦副的一个侧面与入射杆的一端相接触，第二固定摩擦副中位于包套外面的一个侧面与透射杆的一端相接触，透射杆的另一端与吸收杆的一端相接触；
(4)利用撞击杆发射装置将撞击杆发射出去使其撞击入射杆，同时使用高速摄像机拍摄主动摩擦副的滑动过程，主动摩擦副与入射杆分离的时刻作为稳定滑动的开始时刻，主动摩擦副与透射杆接触的时刻作为稳定滑动的结束时刻，据此确定主动摩擦副进入稳定滑动运动状态时的初始速度υ0、加速度a和摩擦时间t；
(5)根据牛顿第二运动定律推导出主动摩擦副与第一固定摩擦副以及第二固定摩擦副之间的摩擦力、摩擦系数和平均相对滑动速度：
摩擦力：
Figure FDA0003271085360000031
其中，m表示主动摩擦副的质量，负号表示摩擦力与主动摩擦副运动方向相反，X表示摩擦面的个数；
摩擦系数：
Figure FDA0003271085360000032
其中N为压力传感器所测压力数值的算术平均值；
主动摩擦副与第一固定摩擦副以及第二固定摩擦副之间的平均相对滑动速度：
Figure FDA0003271085360000033
CN202111101463.3A 2021-09-18 2021-09-18 一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法 Active CN113866085B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111101463.3A CN113866085B (zh) 2021-09-18 2021-09-18 一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111101463.3A CN113866085B (zh) 2021-09-18 2021-09-18 一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113866085A true CN113866085A (zh) 2021-12-31
CN113866085B CN113866085B (zh) 2023-11-07

Family

ID=78992872

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111101463.3A Active CN113866085B (zh) 2021-09-18 2021-09-18 一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113866085B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1828264A (zh) * 2006-04-18 2006-09-06 燕山大学 径向滑动轴承摩擦磨损在线测量试验机
CN106546371A (zh) * 2016-11-30 2017-03-29 江苏风和医疗器材有限公司 套管摩擦力测试装置
CN109900407A (zh) * 2019-03-19 2019-06-18 中国林业科学研究院木材工业研究所 高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备及方法
CN110118723A (zh) * 2019-06-06 2019-08-13 辽宁工程技术大学 一种测试岩石自然断面摩擦系数装置及测试方法
CN110779648A (zh) * 2019-09-02 2020-02-11 江苏大学 一种气缸摩擦力测试装置及方法
WO2020186895A1 (zh) * 2019-03-19 2020-09-24 河南理工大学 立式霍普金森压杆试验装置及试验方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1828264A (zh) * 2006-04-18 2006-09-06 燕山大学 径向滑动轴承摩擦磨损在线测量试验机
CN106546371A (zh) * 2016-11-30 2017-03-29 江苏风和医疗器材有限公司 套管摩擦力测试装置
CN109900407A (zh) * 2019-03-19 2019-06-18 中国林业科学研究院木材工业研究所 高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备及方法
WO2020186895A1 (zh) * 2019-03-19 2020-09-24 河南理工大学 立式霍普金森压杆试验装置及试验方法
CN110118723A (zh) * 2019-06-06 2019-08-13 辽宁工程技术大学 一种测试岩石自然断面摩擦系数装置及测试方法
CN110779648A (zh) * 2019-09-02 2020-02-11 江苏大学 一种气缸摩擦力测试装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113866085B (zh) 2023-11-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xia et al. Dynamic rock tests using split Hopkinson (Kolsky) bar system–A review
Philippon et al. An experimental study of friction at high sliding velocities
Starratt et al. An efficient method for continuous measurement of projectile motion in ballistic impact experiments
Klopp et al. The strength behavior of granulated silicon carbide at high strain rates and confining pressure
CN110702352B (zh) 一种测试梁柱构件抗冲击性能的装置
CN108225949B (zh) 一种用于测试岩石破碎的实验装置及标定冲击速度和损耗能量的方法
Rajagopalan et al. A modified torsional Kolsky bar for investigating dynamic friction
Burguete et al. A photoelastic study of contact between a cylinder and a half-space
Haines An experimental investigation into the dynamic behaviour of revolute joints with varying degrees of clearance
CN114486577A (zh) 一种uhpc的i型动态断裂韧度的测试试样、装置及方法
CN113866085A (zh) 一种高速冲击滑动摩擦的测试试样、测试系统及测试方法
Lodygowski et al. Dry sliding friction experiments at elevated velocities
CN109883867B (zh) 基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置
CN116858701A (zh) 中应变率霍普金森拉杆加载装置及其方法
Hodgkinson et al. Drop-weight impact tests with the use of laser-Doppler velocimetry
US3852993A (en) Method of determining the frictional and mechanical properties of materials and a device for the realization thereof
CN102707291A (zh) 一种高速粒子流动量分布实时测量方法及测量装置
CN115825391A (zh) 动态摩擦温度场与变形场同步测量实验系统
CN113092362B (zh) 一种动态冲击下环形表面动摩擦系数测试装置及方法
Wereszczak et al. Low velocity sphere impact of a soda lime silicate glass
Kobusch et al. The new impact force machine at PTB
CN109900407B (zh) 高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量方法
Wu et al. Penetration force measurement of thin plates by laser Doppler anemometry
CN202548137U (zh) 高速粒子流动量测试装置
Morrissey et al. Low Velocity Sphere Impact of a Borosilicate Glass

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant