CN117929185A - 用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪及方法。本发明的测试仪中，测试单元的下试样为摩擦测试球，其与平板状上试样的下端面在加载力的作用下形成一对摩擦副；下试样由压电电机提供动力绕轴线做回转运动，上试样被压紧在试样盖的半球形凸台与框架上盖的半球形凸台之间，其中的半球形凸台表面均覆盖有石墨烯涂层，与上试样接触光滑；通过平衡配重块调节平衡后，再通过砝码加载在杠杆结构上，实现对下试样精确施加加载力；通过环境腔可对摩擦环境进行配置，控制摩擦气氛及润滑的施加；摩擦副之间的摩擦力由力传感器测量。本发明的测试仪结构紧凑，体积小巧，结合光谱分析设备有助于加深对摩擦过程与起源的理解。

Description

用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪及方法

技术领域

本发明属于测量仪技术领域的一种摩擦磨损测试仪，具体涉及了一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪及方法。

背景技术

摩擦学主要研究存在相互运动的两个表面上的摩擦、磨损与润滑现象。试样的摩擦磨损试验是通过对针对工件或制备试样的实际面对摩擦的部位进行加速的摩擦磨损测试，以便在短时间内测试其摩擦系数和磨损率曲线，这对试样的应用研究起到较为关键的作用。摩擦磨损试验在实际操作时，将待测试的两块试样放置在试验仪上，并且两块试样的待测试面贴合，利用加压设备对其中一块试样进行加压，并且来回拉动试样，从而实现两个试样的来回摩擦；在设定的时间以及设定的压力下，记录试样摩擦系数与磨损量，从而来判断试样的摩擦学性能。在其加载结构设计中，一般采用杠杆重物的加载方式，结构简单，无需载荷力传感器，误差源少且无滞后性，由加载砝码可以确定出载荷的大小。

摩擦学基础理论的研究始终面临着摩擦界面由于被夹在两个面之间而难以直接测量的问题，而传统的摩擦磨损测试仪只能通过对实验结束磨损后的材料表面进行相应的表征，从而实现评估。传统的摩擦磨损测试仪对摩擦过程的观测和理解受实验手段限制而有所欠缺，同时样品在为了表征而进行转移的过程中会受到诸如污染、磨痕被破环等各种影响。因此，现代摩擦学研究越来越注重对摩擦界面的原位表征，即对摩擦表面形貌等参数的动态变化进行跟踪，实现多尺度下的材料摩擦学特性研究。

光谱分析方法是基于物质与辐射作用时，测量由物质内部能级跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度，以此来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法。光谱分析方法如红外光谱、拉曼光谱及和频振动光谱等，在材料表面和界面性质的表征中得到广泛应用。相关光谱分析设备的开放式空间小，而传统的摩擦磨损测试仪整机体积与所用的试样体积大，与光谱分析设备的兼容性差，且润滑施加困难，不利于系统性地对磨痕表面进行表征。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题和需求，本发明的目的是提供一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪及方法，本发明能够实现在不同气氛与润滑施加的条件下，对不同加载与摩擦相对速度下的摩擦界面进行摩擦磨损测试及原位光谱分析表征，实现对摩擦界面化学分子结构等的观测，加深对摩擦过程与起源的理解。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一、一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪

所述测试仪包括测试仪框架、框架上盖、试样盖、传感器组件、上试样、下试样、环境腔体壳和摩擦驱动组件；测试仪框架上固定安装有框架上盖，框架上盖上设置有试样盖，框架上盖和试样盖之间安装有上试样，测试仪框架的侧部安装有摩擦驱动组件，摩擦驱动组件的驱动端与下试样固定连接，框架上盖下安装有环境腔体壳，框架上盖和环境腔体壳之间的腔室记为环境腔，环境腔上方的框架上盖中开设有通孔，下试样设置在环境腔中，下试样穿过通孔后再与上试样的下表面接触并形成摩擦副；传感器组件安装在测试仪框架的侧面，传感器组件的测量端与上试样接触。

进一步地，所述框架上盖的下表面设置有多个凸台并记为上凸台，试样盖的上表面设置有多个凸台并记为下凸台，上凸台和下凸台之间安装有上试样，上凸台和下凸台的表面均覆盖有石墨烯涂层，使得上试样与上凸台、下凸台之间无摩擦。

进一步地，所述摩擦驱动组件包括支点轴、滚动轴承、剖分式轴承座、压电电机、平衡配重块、杠杆轴、砝码和电机轴；所述剖分式轴承座安装在测试仪框架的侧部，支点轴的两端通过对应的滚动轴承安装在对应的剖分式轴承座上，支点轴中固定安装有杠杆轴，支点轴和杠杆轴的轴向垂直，杠杆轴靠近测试仪框架的一端安装有压电电机，压电电机的电机轴与下试样同轴固定连接，杠杆轴远离测试仪框架的一端安装有平衡配重块和砝码；压电电机带动下试样同轴转动。

进一步地，所述平衡配重块为圆柱形，圆柱形的中部开设有螺纹孔，螺纹孔与杠杆轴上的外螺纹旋合。

进一步地，所述杠杆轴远离测试仪框架的一端开有沟槽，砝码通过细线悬挂于沟槽下方。

进一步地，所述下试样上方的试样盖中开设有通孔。

进一步地，所述传感器组件包括力传感器和力传感器支架，力传感器通过力传感器支架固定安装在测试仪框架的侧面，力传感器的测量端与上试样接触。

进一步地，所述下试样为中部开设有通孔的摩擦测试球，电机轴的端部设置有螺纹，电机轴的一端穿过摩擦测试球的通孔后再通过螺母与电机轴的端部螺纹配合，使得摩擦测试球固定安装在电机轴的端部。

进一步地，所述环境腔体壳的一侧面开设有U形孔，用于摩擦驱动组件的通过；环境腔体壳的另一侧面开设有圆孔，用于气体管路的通入。

进一步地，所述试样盖为不锈钢盖。

二、一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪的测试方法

第一步：下试样固定安装在摩擦驱动组件的驱动端中；

第二步：调节摩擦驱动组件的平衡配重块，使得杠杆轴保持水平；

第三步：将上试样压紧在试样盖与框架上盖之间，并且上试样与传感器组件的测量端相接触；

第四步：在杠杆轴一端悬挂砝码，从而对摩擦副进行力的加载；

第五步：控制环境腔内的摩擦气氛以及润滑的施加；

第六步：启动压电电机，使得下试样绕其轴线做回转运动，通过传感器组件采集得到摩擦副的摩擦力，以及通过光谱分析设备对摩擦界面进行原位光谱分析表征。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

相较于传统摩擦磨损测试仪，本发明体积与所用试样尺寸小，与开放式空间小的光谱分析设备有良好的兼容性；摩擦力的测试结构与方法新颖、简单，能够实现对不同加载与摩擦相对速度下的摩擦界面进行摩擦磨损测试及原位光谱分析表征，实现对摩擦界面化学分子结构等的观测，加深对摩擦过程与起源的理解。

本发明通过环境腔对摩擦环境的配置，可进行干摩擦、不同气体气氛、不同介质如润滑油及其他液体环境（包括腐蚀性液体）条件下的摩擦磨损测试。

附图说明

图1为本发明测试仪的立体结构示意图。

图2为本发明测试仪的正视结构示意图。

图3为本发明测试仪的侧视结构示意图。

图4为测试仪中杠杆结构的示意图。

图5为框架上盖的立体结构示意图。

图6为框架上盖的侧视结构示意图。

图7为不锈钢盖的立体结构示意图。

图8为不锈钢盖的侧视结构示意图。

图9为环境腔的结构示意图。

图10为环境腔的安装结构示意图。

图11为环境腔内部的剖视结构示意图。

图中：1.测试仪框架；2.框架上盖；3.上试样；4.不锈钢盖；5.力传感器；6.力传感器支架；7.支点轴；8.滚动轴承；9.剖分式轴承座；10.压电电机；11.平衡配重块；12.杠杆轴；13.砝码；14.下试样；15.螺母；16.环境腔；17.电机轴；18. 环境腔体壳。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的详细说明。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。

如图1、图2和图3所示，测试仪包括测试仪框架1、框架上盖2、试样盖、传感器组件、上试样3、下试样14、环境腔体壳18和摩擦驱动组件；测试仪框架1上通过螺栓固定安装有框架上盖2，框架上盖2上设置有试样盖，框架上盖2和试样盖之间安装有上试样3，上试样3与框架上盖2、试样盖之间无摩擦；上试样3运动时，上试样3与框架上盖2、试样盖之间无摩擦作用。测试仪框架1的侧部安装有摩擦驱动组件，摩擦驱动组件的驱动端与下试样14同轴固定连接，如图9、图10和图11所示，框架上盖2下安装有环境腔体壳18，框架上盖2和环境腔体壳18之间的腔室记为环境腔16，环境腔16上方的框架上盖2中开设有通孔，下试样14设置在环境腔16中，下试样14的上部穿过通孔后再与上试样3的下表面接触并形成摩擦副；传感器组件安装在测试仪框架1的侧面，传感器组件的测量端与上试样3接触。

如图5、图6、图7和图8所示，框架上盖2的下表面设置有多个凸台并记为上凸台，试样盖的上表面设置有多个凸台并记为下凸台，上凸台和下凸台之间安装有上试样3，本实施例中，上凸台和下凸台的个数均为4个。上凸台和下凸台的表面均覆盖有石墨烯涂层，使得上试样3与上凸台和下凸台之间无摩擦，即光滑，因此力传感器5受到的上试样3因摩擦而对其施加的压力就是摩擦副之间的摩擦力，可通过力传感器5的示数得到。

如图4所示，摩擦驱动组件包括支点轴7、滚动轴承8、剖分式轴承座9、压电电机10、平衡配重块11、杠杆轴12、螺母15、砝码13和电机轴17；剖分式轴承座9上盖与剖分式轴承座9底座间通过螺纹联接，剖分式轴承座9的底座通过螺纹安装在测试仪框架1的侧部内，支点轴7的两端通过对应的滚动轴承8安装在对应的剖分式轴承座9上，支点轴7两端与滚动轴承8配合实现低摩擦的轴的回转，支点轴7上设计有两轴肩实现轴的轴向定位，支点轴7中通过紧定螺钉固定安装有杠杆轴12，支点轴7和杠杆轴12的轴向垂直，杠杆轴12靠近测试仪框架1的一端安装有压电电机10，压电电机10的电机轴17通过螺母15与下试样14同轴固定连接，杠杆轴12远离测试仪框架1的一端安装有平衡配重块11和砝码13；其中，平衡配重块11为圆柱形，圆柱形的中部开设有螺纹孔，螺纹孔与杠杆轴12上的外螺纹旋合，即可通过调节相对杠杆结构支点的力臂平衡杠杆左右预先存在的不平衡力矩，消除杠杆左右预先存在的不平衡力矩的影响。杠杆轴12远离测试仪框架1的一端开有沟槽，砝码13通过细线悬挂于沟槽下方，砝码13对摩擦副进行力的加载，为了确保加载的精确度与方便性，沟槽与下试样14，即摩擦测试球与上试样3形成摩擦副的接触点距离杠杆结构支点的距离是相同的，即砝码13的重力就是对摩擦副的加载力。

上试样3为平板状光学窗口，即由具有优异光学特性的材料制成的平坦透明板，其材料和设计可以有效地控制光线通过时的折射和反射，且可以根据需要对光线进行滤波以使特定波长的光线通过，满足原位光谱分析表征的需要。下试样14为中部开设有通孔的摩擦测试球，电机轴17的端部设置有螺纹，电机轴17的一端穿过摩擦测试球的通孔后通过螺母15与电机轴17的端部螺纹配合，使得摩擦测试球固定安装在电机轴17端部。本实施例中，为了确保下试样14在加工通孔时产生的夹具夹痕不对摩擦副的磨痕造成干扰与影响，下试样14与上试样3接触形成摩擦副时电机轴17的倾角被控制在14度，不至于过小以使得夹具夹持时的夹痕与摩擦副的磨痕间保持一定的距离。

下试样14为摩擦测试球，其与平板状上试样3的下端面在加载力的作用下形成一对摩擦副；通过平衡配重块11调节平衡后，加载力用砝码13通过杠杆结构精确施加；压电电机10带动下试样14同轴转动，使得下试样14绕轴线做回转运动。摩擦副之间的摩擦力由力传感器5测量；通过环境腔16可对摩擦环境进行配置，控制摩擦气氛及润滑的施加。

本实施例中，试样盖为不锈钢盖4。不锈钢盖4与框架上盖2为螺纹联接。下试样14上方的试样盖中开设有通孔。上试样3显露在通孔下。环境腔体壳18通过螺纹与框架上盖2联接，环境腔体壳18的一侧面开设有U形孔，用于摩擦驱动组件的电机轴17的通过；环境腔体壳18的另一侧面开设有圆孔，用于气体管路的通入。环境腔16内盛放润滑油可实现润滑油作用下的摩擦磨损测试。下试样14与上试样3接触形成摩擦副时电机轴17的倾角被控制在14度，不至于过大以使得下试样14，即摩擦测试球的底部高度低于环境腔16的U形孔的最低点，在环境腔16内盛放润滑油，控制环境腔16内润滑油的液面高度位于下试样14最低点与环境腔16的U形孔最低点之间，下试样14即可在压电电机10带动的回转运动下将环境腔16中的润滑油带到摩擦副处，实现润滑油作用下的摩擦磨损测试。

传感器组件包括力传感器5和力传感器支架6，力传感器5通过力传感器支架6固定安装在测试仪框架1的侧面，力传感器5的测量端与上试样3接触，以测量摩擦副之间的摩擦力。本实施例中，力传感器5为压力传感器。

用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪的测试方法包括如下步骤：

第一步：下试样14固定安装在摩擦驱动组件的驱动端中；具体是将下试样14，即带一通孔的摩擦测试球穿过电机轴17抵靠在电机轴17的球座上，另一端用螺母15固定；

第二步：调节摩擦驱动组件的平衡配重块11，使得杠杆结构左右两边力矩平衡，杠杆轴12保持水平；

第三步：将上试样3压紧在试样盖(即不锈钢盖4)的半球形凸台与框架上盖2的半球形凸台之间，并使得上试样3与传感器组件的力传感器5的测量端相接触；

第四步：在杠杆轴12一端的沟槽处通过细线悬挂砝码13，对摩擦副进行力的加载；

第五步：将环境腔体壳18通过螺纹与框架上盖2联接后形成环境腔16，并相应地配置摩擦环境，控制环境腔16内的摩擦气氛及润滑的施加；

第六步：启动压电电机10，使得下试样14绕其轴线做回转运动，在力的加载下与上试样3的下端面形成一对摩擦副，通过力传感器5得到摩擦副的摩擦力，以及通过光谱分析设备对摩擦界面进行原位光谱分析表征。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪，其特征在于，所述测试仪包括测试仪框架（1）、框架上盖（2）、试样盖、传感器组件、上试样（3）、下试样（14）、环境腔体壳（18）和摩擦驱动组件；测试仪框架（1）上固定安装有框架上盖（2），框架上盖（2）上设置有试样盖，框架上盖（2）和试样盖之间安装有上试样（3），测试仪框架（1）的侧部安装有摩擦驱动组件，摩擦驱动组件的驱动端与下试样（14）固定连接，框架上盖（2）下安装有环境腔体壳（18），框架上盖（2）和环境腔体壳（18）之间的腔室记为环境腔（16），环境腔（16）上方的框架上盖（2）中开设有通孔，下试样（14）设置在环境腔（16）中，下试样（14）穿过通孔后再与上试样（3）的下表面接触并形成摩擦副；传感器组件安装在测试仪框架（1）的侧面，传感器组件的测量端与上试样（3）接触。

2.根据权利要求1所述的一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪，其特征在于，所述框架上盖（2）的下表面设置有多个凸台并记为上凸台，试样盖的上表面设置有多个凸台并记为下凸台，上凸台和下凸台之间安装有上试样（3），上凸台和下凸台的表面均覆盖有石墨烯涂层，使得上试样（3）与上凸台、下凸台之间无摩擦。

3.根据权利要求1所述的一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪，其特征在于，所述摩擦驱动组件包括支点轴（7）、滚动轴承（8）、剖分式轴承座（9）、压电电机（10）、平衡配重块（11）、杠杆轴（12）、砝码（13）和电机轴（17）；所述剖分式轴承座（9）安装在测试仪框架（1）的侧部，支点轴（7）的两端通过对应的滚动轴承（8）安装在对应的剖分式轴承座（9）上，支点轴（7）中固定安装有杠杆轴（12），支点轴（7）和杠杆轴（12）的轴向垂直，杠杆轴（12）靠近测试仪框架（1）的一端安装有压电电机（10），压电电机（10）的电机轴（17）与下试样（14）同轴固定连接，杠杆轴（12）远离测试仪框架（1）的一端安装有平衡配重块（11）和砝码（13）；压电电机（10）带动下试样（14）同轴转动。

4.根据权利要求3所述的一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪，其特征在于，所述平衡配重块（11）为圆柱形，圆柱形的中部开设有螺纹孔，螺纹孔与杠杆轴（12）上的外螺纹旋合。

5.根据权利要求3所述的一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪，其特征在于，所述杠杆轴（12）远离测试仪框架（1）的一端开有沟槽，砝码（13）通过细线悬挂于沟槽下方。

6.根据权利要求1所述的一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪，其特征在于，所述下试样（14）上方的试样盖中开设有通孔。

7.根据权利要求1所述的一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪，其特征在于，所述传感器组件包括力传感器（5）和力传感器支架（6），力传感器（5）通过力传感器支架（6）固定安装在测试仪框架（1）的侧面，力传感器（5）的测量端与上试样（3）接触。

8.根据权利要求3所述的一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪，其特征在于，所述下试样（14）为中部开设有通孔的摩擦测试球，电机轴（17）的端部设置有螺纹，电机轴（17）的一端穿过摩擦测试球的通孔后再通过螺母（15）与电机轴（17）的端部螺纹配合，使得摩擦测试球固定安装在电机轴（17）的端部。

9.根据权利要求1所述的一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪，其特征在于，所述环境腔体壳（18）的一侧面开设有U形孔，用于摩擦驱动组件的通过；环境腔体壳（18）的另一侧面开设有圆孔，用于气体管路的通入。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种用于摩擦界面原位光谱表征的微型摩擦磨损测试仪的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：

第一步：下试样（14）固定安装在摩擦驱动组件的驱动端中；

第二步：调节摩擦驱动组件的平衡配重块（11），使得杠杆轴（12）保持水平；

第三步：将上试样（3）压紧在试样盖与框架上盖（2）之间，并且上试样（3）与传感器组件的测量端相接触；

第四步：在杠杆轴（12）一端悬挂砝码（13），从而对摩擦副进行力的加载；

第五步：控制环境腔（16）内的摩擦气氛以及润滑的施加；

第六步：启动压电电机（10），使得下试样（14）绕其轴线做回转运动，通过传感器组件采集得到摩擦副的摩擦力，以及通过光谱分析设备对摩擦界面进行原位光谱分析表征。