CN114459991B - 一种原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置及方法，将设有导轨槽的板材平行于倾斜的岩壁固定，导轨槽朝向岩壁，板材与倾斜的岩壁隔开一定的距离，制作一个测量组件，测量组件包括可伸缩的丝杆组件，安装在丝杆组件一端与导轨槽适配的滑轮，安装在丝杆组件另一端的压力传感器，安装在丝杆组件侧面的拉力传感器，连接拉力传感器并与丝杆组件垂直的拉杆；将测量组件的滑轮插入导轨槽后，通过伸长丝杆组件，使压力传感对岩壁施加压力，并测出压力，拉动拉杆便可测出拉力，再通过拉力除以压力得到岩壁的摩擦系数。本发明解决了人工岩壁表面难以在一定的移动路径上均匀施加压力的难题，能准确测量了滑靴与人工岩壁的静摩擦力和动摩擦力。

Description

一种原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置及方法

技术领域

本发明属于摩擦系数测量领域，属于适用于测量攀岩壁上的摩擦系数的测量装置。

背景技术

摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。它和接触面材料及表面的粗糙度有关。摩擦系数的大小是物体间抗滑性的直观体现形式。其可分为动摩擦系数和静摩擦系数。

目前工程上应用比较普遍的方法有单轮式横向力系数测试系统、双轮式横向力系数测试系统、摆式摩擦系数测定仪及动态旋转式摩擦系数测定仪法等，单轮式横向力系数测试系统、双轮式横向力系数测试系统主要用于高速公路一级公路横向力系数检测；动态旋转式摩擦系数测定仪法我国目前部分单位在使用该设备，但未普及；目前我国普遍使用的摆式仪法用于测试路面、标线或其他材料试件摩擦系数。

据调查市面上仅有水平面摩擦系数测试仪，尚无测量斜面摩擦系数的装置。

攀岩运动属于登山运动，其主要是利用攀岩鞋底橡胶以及涂覆在手上的镁粉与岩壁间产生的摩擦力在岩石峭壁或人造岩墙上进行行进。2020年攀岩项目入选东京奥运会，国际上攀岩比赛项目主要有速度攀岩、难度攀岩和攀石。在速度攀岩中，岩壁赛道全长15米，如图1人工岩壁Y与竖直墙S之间成5°夹角。人工岩壁外表由带有攀岩支点安装通孔，攀岩支点安装通孔的标准孔径为M10，通孔间间隔为125mm。一般人工岩壁Y外表应采用树脂和石英砂（0.1/0.4粒度）合成完成。

比赛前期测量倾斜岩壁与鞋底橡胶之间的摩擦系数有利于运动员对岩壁的光滑程度，对使用的攀岩鞋（橡胶）以及自身需使用爆发力、体重，和攀岩壁的倾斜度进行相应的评估和做出相应的预判，以便获得优异的成绩。

另者，在攀岩板使用一段时间之后需要检修与保养，目前尚未有任何仪器能够满足原位测量斜面摩擦系数来评估岩壁的维修与保养情况。且各赛事场所的人工岩壁的摩擦系数信息不参赛队伍公布，也不允许现场在赛前拆卸岩壁，参数队伍欲了解比赛时的人工岩壁与不同鞋底的摩擦系数只能自己测量。

但是在几乎垂直的岩壁上如何施加压力，如何测量压力，现有技术未给出解决办法。

发明内容

基于目前尚无岩壁摩擦系数的测量仪器，依据攀岩岩壁自带通孔的特点，此本发明设计一种在攀岩壁上原位测量斜面摩擦系数的装置。

本发明的技术方案为：一种原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置，包括设有导轨槽的面板、可伸缩的丝杆组件、压力传感器、拉力传感器、滑块组件、拉杆，所述面板的四周与人工岩壁的攀岩支点安装通孔通过螺杆紧固连接，使所述面板平行于人工岩壁，并且导轨槽朝向人工岩壁，所述滑块组件包括滑块和对称安装在滑块两侧的多组滑轮，滑块与丝杆组件的一端连接固定，滑轮嵌于导轨槽内，能沿导轨槽滑行，所述丝杆组件的另一端与压力传感器一个受力端连接，压力传感器背向丝杆组件的另一受力端连接滑靴模块，拉力传感器的一个受力端与拉杆连接，而另一受力端与丝杆组件的侧面连接，使压力传感器、拉力传感器的测量轴分别与丝杆组件、拉杆同轴，且拉杆垂直于丝杆组件且平行于导轨槽，组成L型的测量组件，所述丝杆组件包括螺纹连接的丝套和丝杆，所述丝杆通过旋拧使丝杆伸出分别将滑靴模块压靠在人工岩壁表面和将滑轮压靠在导轨槽内，滑靴模块面向人工岩壁的一面依附有待测依附物。

进一步地，所述的拉力传感器背向拉杆的受力端改为连接固定于所述滑靴模块上，使依次相连的丝杆组件、压力传感器、滑靴模块、拉力传感器、拉杆组成L型的测量组件。

优选地，所述的拉力传感器和压力传感器均为拉压力传感器。

优选地，所述的拉压力传感器采用板环式或S型双梁式结构，拉力传感器的一个受力端与滑靴模块或丝杆组件通过螺杆连接。

优选地，所述的拉力传感器和压力传感器还信号连接工控机，存储和记录受到的应力。

优选地，待测依附物包括橡胶垫。

一种原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的方法，包括以下步骤：

S1.将所述面板的四周与人工岩壁的攀岩支点安装通孔通过螺杆紧固连接，使所述面板平行于人工岩壁，并且导轨槽朝向人工岩壁，且位于垂直于人工岩壁的竖直平面内；

S2.将安装有所述压力传感器和滑靴模块的所述丝杆组件与所述拉力传感器、拉杆组装成L型的测量组件，缩短丝杆组件的长度，然后将丝杆组件背向滑靴模块的一端与滑块组件连接；

S3.将滑块组件嵌入导轨槽中，使滑靴模块朝向人工岩壁，调整拉杆至平行于导轨槽，且朝向上方，在滑靴模块面向人工岩壁的一侧贴附待测依附物或不垫；

S4.使丝杆组件伸长，将滑靴模块压靠在人工岩壁表面和将滑轮压靠在导轨槽内，读取压力传感器的电流，根据电流换算成滑靴模块对人工岩壁施加的压力F₁，拉动拉杆直至滑靴模块相对人工岩壁表面滑行，读取拉力传感器的电流，根据电流换算成拉杆对滑靴模块施加的拉力F₂，根据公式μ=（F₂-G·cosƟ）/（F₁-G·sinƟ）计算得到人工岩壁表面与待测依附物或待测滑靴模块的摩擦系数，Ɵ为人工岩壁与竖直方向的夹角。

若步骤S3.中拉杆朝下，则μ=（F₂+G·cosƟ）/（F₁-G·sinƟ）。

本发明的技术构思为，将设有导轨槽的板材平行于倾斜的岩壁固定，导轨槽朝向岩壁，板材与倾斜的岩壁隔开一定的距离，制作一个测量组件，测量组件包括可伸缩的丝杆组件、安装在丝杆组件的一端与导轨槽适配的滑轮、安装在丝杆组件另一端的压力传感器、安装在丝杆组件侧面的拉力传感器、连接拉力传感器并与丝杆组件垂直的拉杆；将测量组件的滑轮插入导轨槽后，通过伸长丝杆组件，使压力传感器对岩壁施加压力，并测出压力，拉动拉杆便可测出拉力，再通过拉力除以压力得到岩壁与滑靴表面的待测依附物的摩擦系数。

本发明解决了人工岩壁表面难以在一定的移动路径上均匀施加压力的难题，本发明还巧妙的设计了可伸缩丝杆组件、滑靴和拉杆，在均匀施加压力的同时还准确测量了滑靴与人工岩壁的静摩擦力和动摩擦力。

附图说明

图1为人工岩壁的结构示意图；

图2为本发明的测量斜面摩擦系数的装置的测量状态示意图；

图3为本发明的测量斜面摩擦系数的装置的结构示意图；

图4为面板的结构示意图；

图5为滑块组件的结构示意图；

图6为测量组件的结构示意图；

图7为滑靴模块在人工岩壁上的受力分析图；

图8为拉压力传感器的电流与拉力对应关系图；

图9为测量滑靴模块在人工岩壁上的摩擦系数曲线。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图2，一种原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置，包括设有导轨槽11的面板1、可伸缩的丝杆组件2、压力传感器3、拉力传感器4、滑块组件5、拉杆6，面板1的四周与人工岩壁Y的攀岩支点安装通孔7通过螺杆10紧固连接，使面板1平行于人工岩壁Y，并且导轨槽11朝向人工岩壁Y，导轨槽11内安装有可滑动的滑块组件5，丝杆组件2和压力传感器3同轴相连组成第一连杆，拉力传感器4和拉杆6同轴相连组成第二连杆，第一连杆和第二连杆通过滑靴模块8相连组成L型的测量组件，并布置在导轨槽11和人工岩壁Y之间，其中，丝杆组件2的一端与滑块组件5连接，而另一端连接压力传感器3的一个受力端，压力传感器3背向丝杆组件2的另一受力端设置滑靴模块8，丝杆组件2的径向方向布置有拉力传感器4，拉力传感器4与丝杆组件2或滑靴模块8相连，拉力传感器4背向丝杆组件2的一侧连接拉杆6，拉杆6垂直于丝杆组件2且平行于导轨槽11，丝杆组件2包括丝套21和丝杆22，丝杆21与丝套22螺纹连接，滑块组件5包括滑块51和对称安装在滑块51两侧的多组滑轮52，滑块51与丝杆组件2的端部连接固定，滑轮52嵌于导轨槽11内，能沿导轨槽11滑行，丝杆组件2通过旋拧使丝杆22伸出分别将滑靴模块8压靠在人工岩壁Y表面和将滑轮52压靠在导轨槽11内，滑靴模块8面向人工岩壁Y的一面依附有橡胶垫。

其中，如图4，面板1为四周带孔的钢板，导轨槽11设置在面板的中线上，如图5滑块组件5的滑轮52的直径正好吻合于导轨槽11。

如图6，拉力传感器4一个受力端与滑靴模块8通过垂直于丝杆组件2的螺杆连接，拉力传感器4背向滑靴模块8的另一受力端连接拉杆6。拉力传感器4和压力传感器3均为拉压力传感器，拉压力传感器采用板环式或S型双梁式结构，拉力传感器4的一个受力端与滑靴模块8或丝杆组件2通过螺杆连接，另一个对称的受力端与拉杆6连接。

拉力传感器和压力传感器还信号连接工控机，存储和记录受到的应力。

如图2一种原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的方法，包括以下步骤：

（1）将面板1的四周与人工岩壁Y的攀岩支点安装通孔通7过螺杆10紧固连接，使面板1平行于人工岩壁Y，并且导轨槽11朝向人工岩壁Y，且位于垂直于人工岩壁Y的竖直平面内；

（2）将丝杆组件2的一端与滑块组件5连接，而另一端固定压力传感器3，压力传感器3背向丝杆组件2的一面连接滑靴模块8，将布置在丝杆组件2的径向方向的拉力传感器4与滑靴模块8连接或与丝杆组件2的侧面连接，拉力传感器4背向滑靴模块8或丝杆组件2的一侧连接拉杆6，使拉杆6垂直于可伸缩丝杆组件2，调节丝杆组件2缩短长度；

（3）将滑块组件5嵌入导轨槽11中，使滑靴模块8朝向人工岩壁Y，调整拉杆6至平行于导轨槽11，且朝上，在滑靴模块8面向人工岩壁Y的一侧贴附橡胶垫或不垫；

（4）伸长丝杆组件2，将滑靴模块8压靠在人工岩壁Y表面和将滑轮52压靠在导轨槽11内，读取压力传感器3的电流，根据电流换算成滑靴模块8对人工岩壁Y施加的压力F₁，拉动拉杆6直至滑靴模块8相对人工岩壁Y表面滑行，读取拉力传感器4的电流，根据电流换算成拉杆6对滑靴模块8施加的拉力F₂，根据公式μ=（F₂-G·cosƟ）/（F₁-G·sinƟ）计算得到人工岩壁Y表面与待测橡胶垫或待测滑靴模块8的摩擦系数，Ɵ为人工岩壁Y与竖直方向的夹角。

通过旋拧丝杆22可逐级向滑靴模块8施加不同的压力。通过压力传感器3读出压力值，通过拉力传感器4读出拉力值。整个滑靴模块8的受力图如下图7所示，F₂=G·cosƟ+f，F₁=G·sinƟ+N，Ɵ为人工岩壁Y与竖直方向的夹角。

摩擦系数μ=（F₂-G·cosƟ）/（F₁-G·sinƟ）=f/N。

经过标定拉力/压力传感器的电流与拉力的关系如图8 所示。

标定方法为：利用拉力传感器4悬吊试验块，测量试验块（铝块）的质量，测量电流值 4.505；

经过“电流=3.9734 + 0.00802 x F”换算出，试验块重力= 66.28 mg；

将试验块放在电子天平上进行测量，其质量=66.31mg。由此可见拉力传感器4测量误差为1.0‰。

在水平面上拉动铝块测量铝与界面之间的摩擦系数。

当铝块在不锈钢上进行滑动：测量电流值4.6；

经过“电流=3.9734 + 0.00802×F”换算出，拉力F = 77.25 mg，则μ_{铝块/不锈钢} =77.25/66.28 = 1.1655；

当铝块在水平岩壁上进行滑动：测量电流值5.17；

经过“电流=3.9734 + 0.00802×F”换算出，拉力F = 149.714mg，则μ_铝块/SiO2 =149.714/66.28 = 2.259；

将其面板安装在倾斜度为5°的岩壁上，将试验块（滑靴模块）安装在压力传感器3与人工岩壁Y之间，转动丝杆对滑靴模块施加压力。原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置。

施加压力F₁时，测量电流值 5.020，经过“电流=3.9734+0.00802×F”换算出，压力F₁=130.5mg。之后拉动滑靴模块沿人工岩壁平行滑动，测量电流值为6.762，经过“电流=3.9734 + 0.00802×F”换算出，拉力F ₂= 347.63 mg。

则 μ_铝块/SiO2 =（347.63-66.28×cos5°）/（130.5-66.28×sin5°）= 2.258。

实施例2：

在铝制滑靴模块上安装鞋底橡胶，用拉力传感器将其吊起，测量电流值 4.545；

经过“电流=3.9734 + 0.00802×F”换算出，滑靴模块重力 = 71.27 mg，旋动旋钮，施加压力F₁时，测量电流值 4.51；

经过“电流=3.9734 + 0.00802×F”换算出，压力F ₁=66.91mg。之后拉动试验块水平运动，测量电流值为6.174，经过“电流=3.9734 + 0.00802 x F”换算出，拉力F ₂=274.38mg。

则μ_橡胶/SiO2 =（F₂-G·cosƟ）/（F₁-G·sinƟ）=（274.38-71.27xcos5°）/（66.91-71.27xsin5°）=3.35。

仪器设计及其介绍：

一般而言，在水平地面上，通过拉力除以重力可以测量摩擦系数。其静摩擦系数，滑动摩擦系数可以通过记录图读出。

然而直接测量斜面摩擦系数比较难，难点在于垂直斜面力的测量。

本发明装置，通过压力/拉力传感器 + 轨道固定装置 + 滑轮 + 滑靴模块（前部粘贴鞋底的橡胶）。扣除滑靴模块重力后，通过拉力/压力传感器，来测量橡胶与岩壁之间的摩擦系数。其中拉力/压力传感器是基于0-5mA的信号输出。记录电压信号，上传解码后处理便得到拉力/压力信号，数据处理后即为摩擦系数（可以从图中得出最大静摩擦系数和滑动摩擦系数）。

鞋底橡胶与岩壁间摩擦系数的确定，有利于运动员选择合适的鞋（鞋底橡胶不一样）。另外每个比赛场地的岩壁材料不一样，预先通过摩擦系数的确定，有利于运动员提前对场地岩壁做出预判（因为在速度攀岩中，顶尖的运动员攀岩15m的墙壁只需要5~6s。因此在比赛开始前，对鞋底橡胶与岩壁摩擦系数的了解，有利于运动员评估自身爆发力的释放程度，即当摩擦系数大时可完全释放爆发力；当摩擦系数小时，需控制爆发力以规避攀爬过程中的打滑而造成的失误）。

如图9，注明：压力与拉力的曲线，是一个低时段采集的数据，有可能不准确，而如果将轨道做长，测量的是滑动摩擦与时间的曲线，则数据准确度较高。

本发明的设计亮点在于，滑块组件中心是一个螺纹槽，通过螺丝旋转可以施加给斜面上的滑靴模块施加不同压力。

而实验设计上，滑靴模块一开始不加橡胶。在平面以及斜面做一个空白实验。

然后添加橡胶，在平面以及斜面上做实验，扣除空白实验之间的误差后，写入测试版，即可精确测量出斜面上的摩擦系数。前述实施例中，若步骤（3）中拉杆(6)朝下，则μ=（F₂+G·cosƟ）/（F₁-G·sinƟ）。

Claims (7)

1.一种原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置，其特征在于，包括设有导轨槽(11)的面板(1)、可伸缩的丝杆组件(2)、压力传感器(3)、拉力传感器(4)、滑块组件(5)、拉杆(6)，所述面板(1)的四周与人工岩壁(Y)的攀岩支点安装通孔(7)通过螺杆(10)紧固连接，使所述面板(1)平行于人工岩壁(Y)，并且导轨槽(11)朝向人工岩壁(Y)，所述滑块组件(5)包括滑块(51)和对称安装在滑块(51)两侧的多组滑轮(52)，滑块(51)与丝杆组件(2)的一端连接固定，滑轮(52)嵌于导轨槽(11)内，能沿导轨槽(11)滑行，所述丝杆组件(2)的另一端与压力传感器(3)一个受力端连接，压力传感器(3)背向丝杆组件(2)的另一受力端连接滑靴模块(8)，拉力传感器(4)的一个受力端与拉杆(6)连接，而另一受力端与丝杆组件(2)的侧面连接，使压力传感器(3)、拉力传感器(4)的测量轴分别与丝杆组件(2)、拉杆(6)同轴，且拉杆(6)垂直于丝杆组件(2)且平行于导轨槽(11)，组成L型的测量组件，所述丝杆组件(2)包括螺纹连接的丝套(21)和丝杆(22)，所述丝杆(22)通过旋拧使丝杆(22)伸出分别将滑靴模块(8)压靠在人工岩壁(Y)表面和将滑轮(52)压靠在导轨槽(11)内，滑靴模块(8)面向人工岩壁(Y)的一面依附有待测依附物。

2.根据权利要求1所述的原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置，其特征在于，所述的拉力传感器(4)背向拉杆(6)的受力端改为连接固定于所述滑靴模块(8)上，使依次相连的丝杆组件(2)、压力传感器(3)、滑靴模块(8)、拉力传感器(4)、拉杆(6)组成L型的测量组件。

3.根据权利要求1~2任一项所述的原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置，其特征在于，所述的拉力传感器(4)和压力传感器(3)均为拉压力传感器。

4.根据权利要求3所述的原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置，其特征在于，所述的拉压力传感器采用板环式或S型双梁式结构，拉力传感器(4)的一个受力端与滑靴模块(8)或丝杆组件(2)通过螺杆连接。

5.根据权利要求1所述的原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的装置，其特征在于，所述的拉力传感器(4)和压力传感器(3)还信号连接工控机，存储和记录受到的应力。

6.根据权利要求1~2任一项所述的装置原位测量人工岩壁斜面摩擦系数的方法，包括以下步骤：

S1.将所述面板(1)的四周与人工岩壁(Y)的攀岩支点安装通孔(7)通过螺杆(10)紧固连接，使所述面板(1)平行于人工岩壁(Y)，并且导轨槽(11)朝向人工岩壁(Y)，且位于垂直于人工岩壁(Y)的竖直平面内；

S2.将安装有所述压力传感器(3)和滑靴模块(8)的所述丝杆组件(2)与所述拉力传感器(4)、拉杆(6)组装成L型的测量组件，缩短丝杆组件(2)的长度，然后将丝杆组件(2)背向滑靴模块(8)的一端与滑块组件(5)连接；

S3.将滑块组件(5)嵌入导轨槽(11)中，使滑靴模块(8)朝向人工岩壁(Y)，调整拉杆(6)至平行于导轨槽(11)，且朝向上方，在滑靴模块(8)面向人工岩壁(Y)的一侧贴附待测依附物或不垫；

S4.使丝杆组件(2)伸长，将滑靴模块(8)压靠在人工岩壁(Y)表面和将滑轮(52)压靠在导轨槽(11)内，读取压力传感器(3)的电流，根据电流换算成滑靴模块(8)对人工岩壁(Y)施加的压力F₁，拉动拉杆(6)直至滑靴模块(8)相对人工岩壁(Y)表面滑行，读取拉力传感器(4)的电流，根据电流换算成拉杆(6)对滑靴模块(8)施加的拉力F₂，根据公式μ=（F₂-G·cosƟ）/（F₁-G·sinƟ）计算得到人工岩壁(Y)表面与待测依附物或待测滑靴模块(8)的摩擦系数，Ɵ为人工岩壁(Y)与竖直方向的夹角，G为用拉力传感器悬吊滑靴模块及其依附物测量出的重量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，若步骤S3.中拉杆(6)朝下，则μ=（F₂+G·cosƟ）/（F₁-G·sinƟ）。

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