CN115266444A - 一种摩擦磨损试验机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种摩擦磨损试验机控制系统及方法，系统包括加载机构、动力机构、监测机构以及电控箱，加载机构包括立板及杠杆，杠杆的一端设置有用于安装销试样的安装组件，立板上且位于杠杆的另一端设置有用于驱动销试样向上移动的凸轮组件，杠杆的另一端设置有用于驱动销试样向下移动的配重组件；动力机构包括高速电机，电控箱用于在电机绕组和轴承的温度值高于阈值时进行降温处理，在电机敏感部位的振动值高于阈值时控制高速电机关闭。凸轮组件与配重组件带动杠杆运动，实现销试样与盘试样的加载卸载，凸轮组件可实现模拟受到高速冲击的实验环境，便于提高检测结果；通过对高速电机的状态进行实时监测及预警处理，有助于保证试验机的正常运行。

Description

一种摩擦磨损试验机控制系统及方法

技术领域

本申请涉及试验机的技术领域，尤其是涉及一种摩擦磨损试验机控制系统。

背景技术

在工程机械领域，材料的磨损失效是其中主要的失效方式之一，目前设计制造的各类磨损试验机主要涉及材料的滑动磨损、滚动磨损、冲击磨损、振动磨损等磨损失效方式，以此来检测材料耐磨性的优劣。

根据不同的摩擦副形式，可将摩擦磨损分为球、销盘以及往复等接触方式的摩擦磨损，而现在的摩擦磨损试验主要研究多种材料与同一磨面之间的摩擦磨损，摩擦磨损形式通常为销盘之间的摩擦磨损。

针对高温环境下的销盘摩擦磨损试验，现有技术中的销盘式摩擦磨损机通常包括机架，机架上方设有加载驱动机构，下方设有水平往复盘，水平往复盘的上表面设有复合材料，加载驱动机构通过压力传感器与加载柱顶压接触，以对加载柱向下施加加载力，加载柱可沿竖直方向上下移动地套装在固定滑套内，受到加载力后的加载柱在固定滑套内导向下行，带动与加载柱固定在一起的试样销下行，下行的试样销与水平往复盘上的复合材料接触，进而发生摩擦磨损。

做高速水平往复运动的往复盘带动复合材料与试样销底部摩擦时，会产生大量的热，而这些热量由试样销底部向上传递至加载柱上，加载柱温度大幅升高，温度较高的加载柱会发生热膨胀，膨胀后的加载柱与固定滑套之间容易产生卡阻现象，导致加载柱上方加载驱动机构的加载效果减弱，使得加载力不易传递至试样销上，导致摩擦磨损的试验结果不够精确，且不利于试验机的正常运行。

发明内容

为了提高摩擦磨损实验结果准确性的同时，便于保证试验机的正常运行，本申请提供一种摩擦磨损试验机控制系统及方法。

第一方面，本申请提供的一种摩擦磨损试验机控制系统，采用如下的技术方案：

一种摩擦磨损试验机控制系统，包括：

用于驱动销试样上下移动的加载机构，所述加载机构包括立板以及通过转轴安装在立板上的杠杆，所述杠杆的一端设置有用于安装销试样的安装组件，所述立板上且位于杠杆的另一端设置有用于驱动销试样向上移动的凸轮组件，所述杠杆远离安装组件的一端设置有用于驱动销试样向下移动的配重组件；

用于驱动盘试样转动的动力机构，所述动力机构包括高速电机以及用于安装盘试样的固定块，所述高速电机的输出轴与固定块连接；

监测机构，所述监测机构包括温度传感器以及振动传感器，所述温度传感器用于实时监测高速电机中电机绕组和轴承的温度值，所述振动传感器用于实时监测高速电机敏感部位的振动值；

电控箱，用于与温度传感器以及振动传感器连接，所述电控箱用于在电机绕组和轴承的温度值高于对应阈值时进行降温处理，用于在电机敏感部位的振动值高于对应阈值时控制高速电机关闭，并进行报警。

通过采用上述技术方案，通过凸轮组件以及配重组件带动杠杆运动，实现销试样与盘试样的加载卸载，凸轮组件可实现模拟受到高速冲击的实验环境，对销试样与盘试样的检测会有一个更准确的结果；另外，通过对高速电机的状态进行实时监测，并进行预警处理，有效减少高速电机出现损坏的情况，有助于保证试验机的正常运行。

可选的，所述凸轮组件包括凸轮、编码器以及伺服电机，所述伺服电机通过编码器与凸轮连接，所述编码器与电控箱连接，所述电控箱用于根据编码器的位置信号判断凸轮的旋转角度，并控制伺服电机的启闭。

可选的，所述配重组件包括定滑轮以及穿设在定滑轮上的连接绳，所述连接绳的一端与杠杆连接，另一端连接有用于放置配重砝码的砝码托盘。

可选的，所述安装组件包括连接座以及设置在连接座上的扭矩传感器，所述扭矩传感器与杠杆连接，所述销试样安装在连接座上；

所述扭矩传感器与电控箱连接，用于实时检测销试样受到的摩擦力矩并发送至电控箱。

可选的，还包括磨损位移测量组件，所述磨损位移测量组件包括设置在立板上的指示光栅以及设置在杠杆上的读数头，所述指示光栅与电控箱连接，用于检测读数头向下移动的位移并发送至电控箱。

可选的，还包括净化稳压电源，所述净化稳压电源的输入端接电源，所述净化稳压电源的输出端连接电控箱。

第二方面，本申请提供的一种摩擦磨损试验机控制方法，采用如下的技术方案：

一种摩擦磨损试验机控制方法，基于上述第一方面所述的摩擦磨损试验机控制系统；控制方法包括：

获取试验机的设定参数；其中，所述设定参数包括试验半径、试验时长、试验力、摩擦力矩以及转速；

基于所述设定参数获取试验机的测量参数，其中，所述测量参数包括试验时间、加载力、电机电流以及线速度；

基于试验时间内所有电机电流生成电机电流曲线，基于试验时间内所有的线速度生成试样线速度曲线，基于试验时间内所有加载力生成加载力曲线。

可选的，还包括：

在试验达到试验时长或设定转数的情况下，控制显示器上的警示灯点亮，并控制试验机停机。

可选的，获取复位请求；

基于所述复位请求向显示屏发送数据保存对话框；

根据所述数据保存对话框，采集保存原始数据请求；

基于所述保存原始数据请求，选定数据存储路径，保存试验原始数据。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过凸轮组件以及配重组件带动杠杆运动，实现销试样与盘试样的加载卸载，凸轮组件可实现模拟受到高速冲击的实验环境，对销试样与盘试样的检测会有一个更准确的结果；另外，通过对高速电机的状态进行实时监测，并进行预警处理，有效减少高速电机出现损坏的情况，有助于保证试验机的正常运行；

2.配重组件使用重力加载，通过在砝码托盘上放置不同重量的配重砝码，给杠杆施加不同的作用力，用于模拟不同的加载状况。

附图说明

图1是本申请其中一实施例示出的摩擦磨损试验机控制系统的结构原理图。

图2是本申请其中一实施例示出的摩擦磨损试验机控制系统的结构图。

图3是本申请其中一实施例示出的摩擦磨损试验机控制系统的结构框图。

图4是本申请其中一实施例示出的摩擦磨损试验机控制系统的电源接线分布图。

附图标记说明：1、加载机构；11、立板；12、杠杆；121、支点；122、动力臂；123、阻力臂；13、配重组件；131、定滑轮；132、连接绳；133、砝码托盘；134、配重砝码；14、凸轮组件；141、凸轮；15、安装组件；151、连接座；152、调节杆；153、安装块；154、夹具；155、销试样；156、扭矩传感器；2、动力机构；21、高速电机控制柜；22、高速电机；23、固定块；24、盘试样；3、监测机构；31、温度传感器；32、振动传感器；33、光栅尺；4、电控箱；5、净化稳压电源；6、终端。

具体实施方式

以下结合图1-图4对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种摩擦磨损试验机控制系统。

作为控制系统的一种实施方式，如图1和图2所示，摩擦磨损试验机控制系统包括用于驱动销试样155上下移动的加载机构1以及用于驱动盘试样24转动的动力机构2，其中，销试样155压在盘试样24上，通过高速转动盘试样24，检查销试样155与盘试样24的磨损情况，判断材料在高速摩擦过程中的抗磨损性能和摩擦系数，以及高速摩擦状态下材料表面和亚表面组织结构的变化。

具体的，如图1和图2所示，加载机构1包括立板11以及安装在立板11上的杠杆12，其中，杠杆12包括支点121、动力臂122以及阻力臂123，杠杆12通过支点121转动设置在立板11上，动力臂122上且远离支点121的一端设置有用于驱动动力臂122向上转动的配重组件13，立板11上且位于动力臂122远离支点121的一端设置有用于驱动动力臂122向下转动的凸轮组件14，阻力臂123远离支点121的一端设置有用于安装销试样155的安装组件15。

需要说明的是，配重组件13包括设置在立板11上的定滑轮131以及穿设在定滑轮131上的连接绳132，连接绳132的一端与动力臂122连接，另一端连接有用于放置配重砝码134的砝码托盘133。通过在砝码托盘133上放置不同重量的配重砝码134，给予动力臂122一个不同的力，模拟不同的加载状况。

凸轮组件14包括凸轮141、编码器以及伺服电机，其中凸轮141的最低点与动力臂122不接触，且凸轮141的最高点与动力臂122接触。伺服电机通过编码器与凸轮141连接，编码器连接有电控箱4，电控箱4用于根据编码器的位置信号判断凸轮141的旋转角度，并控制伺服电机的启闭。

在伺服电机的驱动作用下，凸轮141转动，当凸轮141的最高点与动力臂122接触时，动力臂122向下转动，通过杠杆12原理，阻力臂123向上转动，此时安装组件15带着销试样155上移，处于卸载状态；当凸轮141不与动力臂122接触时，动力臂122在配重组件13的作用下向上转动，阻力臂123带动销试样155下移，起到向下加载的作用，此时销试样155与盘试样24接触。通过凸轮141以及配重组件13带动杠杆12运动，实现销试样155与盘试样24的加载卸载。

需要说明的是，根据编码器的位置信号来判断凸轮141的旋转角度，凸轮141转1圈是360个脉冲，以零点为基点，出一个信号就是1°。

加载前，销试样155与盘试样24之间的距离最大，此时凸轮141最高点与杠杆12接触时，将该位置定义为凸轮141的零点，也定义为0°，该状态对应试验力卸载状态。

开始加载时，凸轮141首先从0°开始旋转到48°，此过程销试样155下移，凸轮141继续旋转，因为从48°旋转到146°时的旋转半径相同，故此区间销试样155与盘试样24的距离不变。凸轮141继续旋转，此过程销试样155继续下移，当旋转至198°时，此位置销试样155与盘试样24刚好接触（相切）。那么凸轮141从0°到146°区间实际为空行程，没有真正加载力。

凸轮141继续旋转，加载开始，销试样155位置不再下移，保持不动，杠杆12的动力臂122逐渐脱离凸轮141，配重砝码134的重力逐渐完全加到销试样155上，加载过程完成。实验过程中，由于销试样155磨损，杠杆12以支点121为中心旋转，杠杆12的动力臂122可能会与凸轮141接触，进而会被凸轮141限位。为了防止销试样155磨损后杠杆12的动力臂122与凸轮141接触，无法完成加载力，凸轮141需要从147°继续转动，预留出杠杆12运动的空间，当旋转到282°时，凸轮141距离杠杆12最远，此时凸轮141停止旋转，等待下一步指令。

同样，当加载机构1接收到卸载指令时，伺服电机带动凸轮141完成49°旋转，即旋转至331°时销试样155与盘试验不再接触，加载结束并开始卸载，当凸轮141从331°旋转到360°时，凸轮141的最高点与杠杆12接触，此时凸轮141回到零点位置，完成卸载动作。

另外，如图2所示，安装组件15包括连接座151以及扭矩传感器156，其中连接座151包括安装块153以及均匀分布在安装块153上的两个调节杆152，两个调节杆152上分别设置有用于夹持销试样155的夹具154，夹具154与调节杆152滑移设置，可以调节夹具154上销试样155的试验半径。其中调节杆152上设置有刻度尺，用于根据刻度尺调节试验半径或获取销试样155的试验半径。

扭矩传感器156设置在安装块153上且与杠杆12的阻力臂123连接，当盘试样24顺时针高速旋转时，销试样155所受摩擦力方向为盘试样24切线方向，销试样155相对于圆周运动中心产生一个扭矩，该扭矩通过销试样155杆刚性传递到扭矩传感器156上，进而通过扭矩传感器156检测销试样155受到的摩擦力矩。需要说明的是，扭矩传感器156与电控箱4连接，用于实时检测销试样155受到的摩擦力矩并发送至电控箱4。

具体来说，动力机构2包括高速电机控制柜21、高速电机22、用于安装盘试样24的固定块23以及电机风冷组件，且高速电机22的输出轴与固定块23连接。采用变频器闭环矢量控制高速电机22，采用转速编码器作为高精度矢量闭环控制的反馈元件，可以计算实际转速，并计算反电动势与驱动电流的匹配，从而保护高速电机22。

其中高速电机控制柜21连接380V电源，且高速电机控制柜21面板上设置有“电源开”按钮、“电源关”按钮以及“急停”按钮，用于控制高速电机22电源的启闭。

作为控制系统的另一种实施方式，如图2和3所示，还包括监测机构3，监测机构3包括温度传感器31以及振动传感器32，温度传感器31用于实时监测高速电机22中电机绕组和轴承的温度值，振动传感器32用于实时监测高速电机22敏感部位的振动值。

如图3和图4所示，温度传感器31与振动传感器32均与电控箱4连接，电控箱4与高速电机控制柜21连接，且电控箱4用于在电机绕组和轴承的温度值高于对应阈值时控制电机风冷组件进行降温处理，用于在电机敏感部位的振动值高于对应阈值时控制高速电机22关闭，并进行报警。

需要说明的是，电机风冷组件可以设置为风扇，利用风道对高速电机22主体进行冷却降温。

作为控制系统的又一种实施方式，如图2和图3所示，还包括磨损位移测量组件，磨损位移测量组件包括设置在立板11上的光栅尺33以及设置在杠杆12的动力臂122上的读数头，光栅尺33与电控箱4连接，用于检测读数头向下移动的位移并发送至电控箱4。

读数头固定在与销试样155一体的杠杆12上，光栅尺33固定在立板11上，读数头可借助杠杆12与光栅尺33做相对运动。当销试样155有磨损时，在加载力的作用，杠杆12的动力臂122会向上移动一定的位移，此时读数头随动力臂122一起向上运动，从而通过光栅尺33读取向上移动的准确位移。光栅尺33测量位移精度高，抗干扰能力强，进而实时检测销试样155磨损量大小。

作为控制系统的又一种实施方式，如图4所示，还包括净化稳压电源5以及终端6，净化稳压电源5的输入端接220V电源，输出端为电控箱4以及终端6供电。其中电控箱4面板上设置有电源开关，用于控制电控箱4的启闭。

连接好试验机电源后，旋转高速电机控制柜21面板上的“电源开”按钮，打开高速电机电源；然后再依次按一下净化稳压电源开关、电控箱电源开关以及终端开关；待终端6开启后，电控箱4将获取的各监测信息发送至终端6，终端6基于该监测信息进行相应操作。

基于上述一种摩擦磨损试验机控制系统，本申请实施例还公开一种摩擦磨损试验机控制方法。

作为控制方法的一种实施方式，包括以下步骤：

100，获取试验机的设定参数以及测量参数，并在终端的显示屏上显示；其中，设定参数包括试验半径、试验时长、试验力、摩擦力矩以及转速；测量参数包括试验时间、加载力、摩擦力矩、摩擦系数、电机电流、电机电压、试样位移以及线速度。

具体来说，试验力为加载过程中挂载的配重砝码的重量值；加载力为加载至销试样上的作用力，在一般情况下加载力与试验力一致。摩擦力矩由扭矩传感器检测得到，由于摩擦力矩的大小与高速电机的转速和摩擦系数成正比，基于摩擦力矩与高速电机的转速得到摩擦系数。

电机电流与电机电压由电压电流采集传感器检测得到，试样位移由光栅尺检测得到，线速度由转速与试验半径计算而得，其中线速度=转速

试验半径

2。

200，基于试验时间内所有电机电流生成电机电流曲线，基于试验时间内所有的线速度生成试样线速度曲线，基于试验时间内所有加载力生成加载力曲线。

需要说明的是，通过电机电流反映高速电机的输出功率，利用电机电流曲线可以直观的看出摩擦过程中负载的变化情况。由于线速度=转速

试验半径

2，虽然在设定好转速和试验半径的前提下，线速度是不变的，但利用试样线速度曲线可以让用户直观的了解线速度。

虽然加载力指的是设定好的试验力，但是在摩擦过程中会有震动现象，因此加载力会发生微小的变化，所以需要利用加载力曲线进行显示。

另外，在试验达到试验时长或设定转数的情况下，终端控制显示屏上的警示灯点亮，并控制试验机停机。

需要说明的是，可以根据需要选择曲线，曲线包括转速曲线、电流曲线、线速度曲线、加载力曲线、摩擦力曲线、摩擦系数曲线、温度曲线、压降曲线等。

此时，获取发送的复位请求；终端基于复位请求向显示屏发送数据保存对话框；根据数据保存对话框，获取保存原始数据请求；基于保存原始数据请求，选定数据存储路径，保存试验原始数据。

具体来说，在试验达到试验时长或设定转数的情况下，终端控制显示屏上的警示灯点亮，设备自动停机。单击警示灯下方“复位”按钮，显示屏上弹出数据保存对话框。若要保存此次试验数据，单击“保存原始数据”，选定数据存储路径，为试验原始数据命名即可保存试验原始数据；若不想保存此次实验数据，单击“放弃”退回主页面。

获取发送的报表处理请求，终端基于报表处理请求向显示屏发送报表设置对话框，其中，报表设置对话框包括试验的基本情况以及试验的设定参数，试验的基本情况如：产品编号、生产批号、试验部门、送样部门、报告编号、试验日期、报告人等，试验的设定参数如试验转速、试验力、试样尺寸、试验时间等。

另外，可以跟随生产需要设定时间间隔，其中“时间间隔”的设定值为输入文本试验数据时的取样间隔，最小值为1S。

作为控制方法的另一种实施方式，每组试验开始前，要现在空载状态下测试转速，以保证高速电机稳定工作，具体测试方法如下：

在装夹好试样后，并确保高速电机空载的情况下时，启动高速电机；然后将转速设定为一个较小的数值，待转速值达到该设定值后，再设定一个稍大点的转速值，依次类推递增转速值，直至达到需要的转速值。一般可设定起始转速值为2000r/min，待转速达到设定值后，按每次1000r/min的频率递增，直至达到需要的转速值。其中高速电机转速的最大值为试验需要的最高转速。该操作的用途是保证试验时电机能够达到需要的转速，并能稳定工作。

另外，每次试验前需要重新定位零点（凸轮最高点与杠杆接触的位置），以保证加载的准确性。首先寻找编码器的零点，间隔5s后，再进行零点定位，由于5s之后编码器已转一圈，能够判断零点的位置；此时，伺服电机启动并自动将凸轮定位在零点。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种摩擦磨损试验机控制系统，其特征在于，包括：

用于驱动销试样(155)上下移动的加载机构(1)，所述加载机构(1)包括立板(11)以及通过转轴安装在立板(11)上的杠杆(12)，所述杠杆(12)的一端设置有用于安装销试样(155)的安装组件(15)，所述立板(11)上且位于杠杆(12)的另一端设置有用于驱动销试样(155)向上移动的凸轮组件(14)，所述杠杆(12)远离安装组件(15)的一端设置有用于驱动销试样(155)向下移动的配重组件(13)；

用于驱动盘试样(24)转动的动力机构(2)，所述动力机构(2)包括高速电机(22)以及用于安装盘试样(24)的固定块(23)，所述高速电机(22)的输出轴与固定块(23)连接；

监测机构(3)，所述监测机构(3)包括温度传感器(31)以及振动传感器(32)，所述温度传感器(31)用于实时监测高速电机(22)中电机绕组和轴承的温度值，所述振动传感器(32)用于实时监测高速电机(22)敏感部位的振动值；

电控箱(4)，用于与温度传感器(31)以及振动传感器(32)连接，所述电控箱(4)用于在电机绕组和轴承的温度值高于对应阈值时进行降温处理，用于在电机敏感部位的振动值高于对应阈值时控制高速电机(22)关闭，并进行报警。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦磨损试验机控制系统，其特征在于：所述凸轮组件(14)包括凸轮(141)、编码器以及伺服电机，所述伺服电机通过编码器与凸轮(141)连接，所述编码器与电控箱(4)连接，所述电控箱(4)用于根据编码器的位置信号判断凸轮(141)的旋转角度，并控制伺服电机的启闭。

3.根据权利要求1所述的一种摩擦磨损试验机控制系统，其特征在于：所述配重组件(13)包括定滑轮(131)以及穿设在定滑轮(131)上的连接绳(132)，所述连接绳(132)的一端与杠杆(12)连接，另一端连接有用于放置配重砝码(134)的砝码托盘(133)。

4.根据权利要求1所述的一种摩擦磨损试验机控制系统，其特征在于：所述安装组件(15)包括连接座(151)以及设置在连接座(151)上的扭矩传感器(156)，所述扭矩传感器(156)与杠杆(12)连接，所述销试样(155)安装在连接座(151)上；

所述扭矩传感器(156)与电控箱(4)连接，用于实时检测销试样(155)受到的摩擦力矩并发送至电控箱(4)。

5.根据权利要求1所述的一种摩擦磨损试验机控制系统，其特征在于：还包括磨损位移测量组件，所述磨损位移测量组件包括设置在立板(11)上的光栅尺(33)以及设置在杠杆(12)上的读数头，所述光栅尺(33)与电控箱(4)连接，用于检测读数头向下移动的位移并发送至电控箱(4)。

6.根据权利要求1所述的一种摩擦磨损试验机控制系统，其特征在于：还包括净化稳压电源(5)，所述净化稳压电源(5)的输入端接电源，所述净化稳压电源(5)的输出端与电控箱(4)连接。

7.一种摩擦磨损试验机控制方法，其特征在于：基于权利要求1-6中任一所述的摩擦磨损试验机控制系统；控制方法包括：

获取试验机的设定参数；其中，所述设定参数包括试验半径、试验时长、试验力、摩擦力矩以及转速；

基于所述设定参数获取试验机的测量参数，其中，所述测量参数包括试验时间、加载力、电机电流以及线速度；

基于试验时间内所有电机电流生成电机电流曲线，基于试验时间内所有的线速度生成试样线速度曲线，基于试验时间内所有加载力生成加载力曲线。

8.根据权利要求7所述的一种摩擦磨损试验机控制方法，其特征在于，还包括：

在试验达到试验时长或设定转数的情况下，控制显示屏上的警示灯点亮，并控制试验机停机。

9.根据权利要求8所述的一种摩擦磨损试验机控制方法，其特征在于，所述试验机自动停机步骤，还包括：

获取复位请求；

基于所述复位请求向显示屏发送数据保存对话框；

根据所述数据保存对话框，采集保存原始数据请求；

基于所述保存原始数据请求，选定数据存储路径，保存试验原始数据。

Images