CN206095849U - 摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置 - Google Patents

Abstract

摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，机架上方设有夹持装置，机架下方设有水平往复运动装置，还包括温控装置；油箱出口通过进液管与油槽的入口相连，油槽的出口通过排液管与油箱入口相连，以构成循环回路，且进液管上设有循环泵；油箱内设有液体介质，油箱还设有加热装置；上夹具位于下夹具的上方，且上夹具和下夹具上下相对；上夹具安装在二维可调移动台上，且上夹具和二维可调移动台之间设有二维力学传感器；下夹具密闭固定在油槽槽口上，且通入油槽内的进液管的出口对准通孔；油槽设置在可驱动油槽水平往复运动的水平往复运动装置上；油箱的加热装置、循环泵、二维可调移动台、水平往复运动装置均与控制装置相连。

Description

摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置。

背景技术

摩擦学主要包括摩擦、磨损和润滑等研究领域，摩擦磨损现象是导致大量机械能的损耗，零部件失效的一个重要原因。据估计，工业化国家约30％的能源消耗于机械零部件的摩擦，并且每年因摩擦磨损造成的经济损失几乎占其国民经济总量的1～2％，因此，研究材料的摩擦磨损性能有着重要的经济与社会效益，也一直是各国学者广泛关注的研究课题之一。

材料的摩擦磨损是一种复杂的现象，不仅与摩擦副的材料本身性能有关，而且还是一个具有时变特征的渐进的微观动态过程，同时还与所在摩擦学系统中多方面的影响有关。目前材料的磨损主要有四种常见的形式，即：磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损和腐蚀磨损。粘着磨损是一种最普遍的磨损形式，目前普遍认为摩擦学系统运行过程中，摩擦副表面摩擦热对于粘着磨损形式的发生具有重要影响，但是当前摩擦磨损试验方法与现有的专利装置均具有一定的局限性。

如专利号为CN103308410A的专利记载的一种密封圈摩擦磨损的试验方法及其试验装置、专利号为CN103364296A的专利记载的一种高温摩擦磨损试验机和专利号为CN2499822的专利记载的一种高温摩擦磨损试验装置，均公开了温度控制的方法，但这些方法均只能控制摩擦学系统周围环境温度或介质温度，并采用热辐射方法控制摩擦副温度，然而在摩擦过程中，摩擦热引起的局部温升会致使摩擦副表面温度远高于摩擦副周围环境，采用热辐射的传热方法，摩擦副周围环境无法传热给摩擦副，不能准确控制摩擦副表面温度。

本专利公开的摩擦界面温度快速响应装置，则是利用热传导的方式传递热量，可以最大程度地实现摩擦副局部温度接近于设定温度，能更精确地控制摩擦界面温度，对准确理解摩擦副摩擦热或摩擦副温度对材料摩擦磨损性能的影响有重要意义，尤其是对于粘着磨损，特别是材料表面转移的影响，更是揭示材料摩擦学损伤机理、控制或减缓粘着磨损的关键。

发明内容

为了理解摩擦学系统中摩擦界面摩擦热以及摩擦副温度对材料磨损性能的影响，克服现有标准摩擦学试验设备无法快速响应摩擦副表面摩擦热并快速维持摩擦副温度稳定的问题，本实用新型提出了一种能准确控制摩擦副表面温度，并快速响应的试验装置。

本实用新型的技术方案是：

摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，包括机架，所述机架上方设有用于夹持试样的夹持装置，机架下方设有驱动试样进行摩擦的水平往复运动装置，还包括给试样提供可控温度的温控装置；

温控装置包括油箱和油槽，油槽设置在机架上，油箱出口通过进液管与油槽的入口相连，油槽的出口通过排液管与油箱入口相连，以构成循环回路，且进液管上设有循环泵；油箱内设有液体介质，油箱还设有用于保持油箱内液体介质恒温的加热装置；所述进液管和所述排液管均与油槽螺纹连接；夹持装置包括用于固定上试样的上夹具和用于固定下试样的下夹具，上夹具位于下夹具的上方，且上夹具和下夹具上下相对；上夹具安装在可驱动上夹具沿竖直方向上下移动和沿水平方向左右移动的二维可调移动台上，且上夹具和二维可调移动台之间设有用于测量摩擦力的二维力学传感器；下夹具密闭固定在油槽槽口上，下夹具上开有通孔，且通入油槽内的进液管的出口对准所述通孔；

油槽设置在可驱动油槽水平往复运动的水平往复运动装置上，以通过油槽和下夹具带动下试样水平往复运动；

油箱的加热装置、循环泵、二维可调移动台、水平往复运动装置均与控制装置相连。

进一步，所述水平往复运动装置包括由第一电机、飞轮、连杆、第一滑块和第一滑轨组成的曲柄连杆机构；第一滑块的两侧可滑动地设置在第一滑轨上，第一滑轨设置在机架上，第一滑块的下方设有水平的飞轮，且飞轮固定在第一电机的转轴上，水平设置的连杆一端固定在第一滑块底面，另一端固定在飞轮的上表面；第一电机驱动飞轮转动，飞轮通过连杆驱动第一滑块沿着第一滑轨水平往复运动；油槽固定在第一滑块的顶面上，第一电机与控制装置相连。

进一步，所述的二维可调移动台包括垂直滑块、垂直导轨、垂直丝杠、垂直电机、水平滑块、水平导轨、水平丝杠和水平电机；垂直电机和水平电机均固定在机架上，垂直滑块沿着机架水平设置，水平丝杠水平贯穿垂直滑块并与垂直滑块螺接，且垂直滑块的底面开有水平导轨，水平上固定有可沿水平导轨滑动的水平滑块，水平丝杠的一端与水平电机的输出轴相连，以驱动水平滑块的顶面沿着水平导轨水平移动；上夹具固定在水平滑块的底面上，二维力学传感器固定在水平滑块和上夹具之间；机架上竖直设有垂直导轨，垂直滑块的后部设有与垂直导轨相配合的导槽，垂直滑块可滑动地设置在垂直导轨上，垂直丝杆的上端与垂直电机相连，垂直丝杠的下端与垂直滑块螺接，水平电机和垂直电机均与控制装置相连。

进一步，所述循环泵的前后均设有调节阀。

进一步，所述液体介质为水或油。

进一步，所述下试样的底面对准下夹具的通孔开有沉孔，沉孔的开口与通孔相贯通，且沉孔的孔底的厚度为1mm～2mm。

进一步，所述沉孔与通孔的形状、大小均相同。

进一步，油槽与下夹具中间设有密封垫片。

进一步，所述油槽的入口和油槽的出口均为螺纹孔，所述进液管通过四分管与油槽的入口螺接，所述排液管与油槽的出口螺接。

本实用新型是一种结构简单，操作方便，利用热传导实现摩擦界面的温度可控且温度控制能够快速响应、并在试验过程中实时动态采集并计算摩擦系数、可较准确地分析摩擦热或摩擦副表面温度对材料损伤演变特性及影响规律的试验装置。

本实用新型的有益效果是：

下试样下方开设沉孔，恒温的液体介质通过输送管输送至下试样的下方，并直接冲刷沉孔孔底，液体介质的温度能够直接影响到下试样与上试样摩擦界面的摩擦温度，从而快速响应摩擦界面温度，能准确的控制摩擦系统摩擦界面温度，使得摩擦磨损试验能更精确的反映摩擦副温度或接触表面摩擦热对材料表面损伤演变特性及影响规律。

本实用新型能满足往复摩擦副的多种接触形式(线-面，面-面，点-面)组合，均能快速响应摩擦界面温度，使摩擦副局部温度接近于设定温度；本实用新型的控制装置能准确控制摩擦副在特定速度、位移、温度和载荷等条件下的摩擦磨损，并能实时监测摩擦副间的摩擦力的变化，能为控制和减缓材料因摩擦而造成的磨损，以及完善摩擦学试验设备提供可靠的数据与经验。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是下试样的结构示意图。

图3是下夹具、垫片、油槽的结构爆炸图。

图4是水平往复运动装置的结构示意图。

图1中A表示循环泵的电源。

具体实施方式

如图所示，摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，包括机架29，所述机架29上方设有用于夹持试样的夹持装置，机架29下方设有驱动试样进行摩擦的水平往复运动装置，还包括给试样提供可控温度的温控装置；

温控装置包括油箱2和油槽7，油槽7设置在机架29上，油箱2 出口通过进液管5与油槽7的入口相连，油槽7的出口通过排液管与油箱2入口相连，以构成循环回路，且进液管5上设有循环泵4；油箱2内设有液体介质1，油箱2还设有用于保持油箱2内液体介质1恒温的加热装置；所述进液管5和所述排液管均与油槽7螺纹连接；夹持装置包括用于固定上试样31的上夹具32和用于固定下试样14的下夹具12，上夹具32位于下夹具14的上方，且上夹具32和下夹具12上下相对；上夹具32安装在可驱动上夹具32沿竖直方向上下移动和沿水平方向左右移动的二维可调移动台上，且上夹具32和二维可调移动台之间设有用于测量摩擦力的二维力学传感器24；下夹具12密闭固定在油槽7槽口上，下夹具12上开有通孔121，且通入油槽7内的进液管5的出口9对准所述通孔121；

油槽7设置在可驱动油槽7水平往复运动的水平往复运动装置上，以通过油槽7和下夹具12带动下试样14水平往复运动；

油箱的加热装置、循环泵4、所述二维力学传感器24、二维可调移动台、水平往复运动装置均与控制装置相连，控制装置控制油箱的加热装置、循环泵4、所述二维力学传感器24、二维可调移动台、水平往复运动装置的启停、控制加热装置的温度调节、采集数据并计算摩擦系数。

所述水平往复运动装置包括由第一电机28、飞轮、连杆、第一滑块30和第一滑轨25组成的曲柄连杆机构；第一滑块30的两侧可滑动地设置在第一滑轨25上，第一滑轨25设置在机架29上，第一滑块30的下方设有水平的飞轮，且飞轮固定在第一电机28的转轴上，水平设置的连杆27一端固定在第一滑块30底面，另一端固定在飞轮的上表面；第一电机28驱动飞轮转动，飞轮通过连杆27驱动第一滑块30沿着第一滑轨25水平往复运动；油槽7固定在第一滑块30的顶面上，第一电机28与控制装置相连。

所述的二维可调移动台包括垂直滑块23、垂直导轨22、垂直丝杠19、垂直电机20、水平滑块18、水平导轨16、水平丝杠17和水平电机15；垂直电机20和水平电机15均固定在机架29上，垂直滑块23沿着机架29水平设置，水平丝杠17水平贯穿垂直滑块23并与垂直滑块23螺接，且垂直滑块23的底面开有水平导轨16，水平17上固定有可沿水平导轨16滑动的水平滑块18，水平丝杠17的一端与水平电机15的输出轴相连，以驱动水平滑块18的顶面沿着水平导轨16水平移动；上夹具32固定在水平滑块18的底面上，二维力学传感器24固定在水平滑块18和上夹具32之间；机架29上竖直设有垂直导轨22，垂直滑块23的后部设有与垂直导轨22相配合的导槽，垂直滑块23可滑动地设置在垂直导轨22上，垂直丝杆19的上端与垂直电机20相连，垂直丝杠19的下端与垂直滑块23螺接，水平电机15和垂直电机20均与控制装置相连，控制装置控制水平电机15和垂直电机20的启停。

所述循环泵4的前后均设有调节阀3、6。

所述液体介质1为水或油。

所述下试样14的底面对准下夹具12的通孔121开有沉孔141，沉孔141的开口与通孔121相贯通，且沉孔141的孔底的厚度为1mm～2mm。

所述沉孔141与通孔121的形状、大小均相同。

油槽7与下夹具12中间设有密封垫片11。

进一步，所述油槽7的入口和油槽的出口均为螺纹孔，所述进液管5通过四分管与油槽7的入口螺接，所述排液管与油槽7的出口螺接。

所述的下夹具的中心处开设有横截面呈矩形或圆形的通孔，通孔的尺寸根据下试样确定：通孔的横截面积必须小于下试样的横截面积，使得下试样可以密封通孔，下夹具同时承担油槽的密封盖的作用，油槽与下夹具中间采用密封垫片11密封。

进液管通过四分管和油槽相连，所述油槽的两侧开设有供四分管8、10穿入的螺纹孔。进液管5的出口9，即四分管8的出口9对准所述通孔121和沉孔141，来自油箱2内的液体介质1对下试样14进行冲刷，液体介质能够将下试样与上试样摩擦界面的摩擦热通过热传导的方式及时的散出去，从而快速响应摩擦界面温度，能准确的控制摩擦系统摩擦界面温度。

本实用新型的使用方法为：

1)将下试件通过螺纹连接固定在下夹具上，且下试件的盲孔的中心轴对准下夹具的通孔的中心轴；

2)将上试件固定在上夹具上，如粘结在上夹具上，调整二维可调移动台的位置使得上试样贴紧下试样；

3)恒温加热油箱内的液体介质至预定温度；液体介质经输送管经循环泵向油槽泵入，来自油箱2内的液体介质1对下试样14进行直接冲刷；

4)开启水平往复运动装置，水平往复运动装置驱动油槽水平往复运动，带动下试样水平往复运动，下试样与上试样摩擦磨损；

6)二维力学传感器动态采集并实时分析试验过程中的上试件和下试件之间的法向载荷和切向力，并将数据传送给控制装置，控制装置一方面对二维可调移动台的位置进行实时反馈控制，确保上、下试件间始终保持恒定的法向载荷，另一方面控制装置控制水平往复运动装置以设定的往复位移和频率作周期性往复运动，使上、下试件产生往复的摩擦磨损，并同步计算上试件和下试件之间的摩擦系数。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，其特征在于：包括机架，所述机架上方设有用于夹持试样的夹持装置，机架下方设有驱动试样进行摩擦的水平往复运动装置，还包括给试样提供可控温度的温控装置；

温控装置包括油箱和油槽，油槽设置在机架上，油箱出口通过进液管与油槽的入口相连，油槽的出口通过排液管与油箱入口相连，以构成循环回路，且进液管上设有循环泵；油箱内设有液体介质，油箱还设有用于保持油箱内液体介质恒温的加热装置；所述进液管和所述排液管均与油槽螺纹连接；

夹持装置包括用于固定上试样的上夹具和用于固定下试样的下夹具，上夹具位于下夹具的上方，且上夹具和下夹具上下相对；上夹具安装在可驱动上夹具沿竖直方向上下移动和沿水平方向左右移动的二维可调移动台上，且上夹具和二维可调移动台之间设有用于测量摩擦力的二维力学传感器；下夹具密闭固定在油槽槽口上，下夹具上开有通孔，且通入油槽内的进液管的出口对准所述通孔；

油槽设置在可驱动油槽水平往复运动的水平往复运动装置上，以通过油槽和下夹具带动下试样水平往复运动；

油箱的加热装置、循环泵、二维可调移动台、水平往复运动装置均与控制装置相连。

2.如权利要求1所述的摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，其特征在于：所述水平往复运动装置包括由第一电机、飞轮、连杆、第一滑块和第一滑轨组成的曲柄连杆机构；第一滑块的两侧可滑动地设置在第一滑轨上，第一滑轨设置在机架上，第一滑块的下方设有水平的飞轮，且飞轮固定在第一电机的转轴上，水平设置的连杆一端固定在第一滑块底面，另一端固定在飞轮的上表面；第一电机驱动飞轮转动，飞轮通过连杆驱动第一滑块沿着第一滑轨水平往复运动；油槽固定在第一滑块的顶面上，第一电机与控制装置相连。

3.如权利要求2所述的摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，其特征在于：所述的二维可调移动台包括垂直滑块、垂直导轨、垂直丝杠、垂直电机、水平滑块、水平导轨、水平丝杠和水平电机；垂直电机和水平电机均固定在机架上，垂直滑块沿着机架水平设置，水平丝杠水平贯穿垂直滑块并与垂直滑块螺接，且垂直滑块的底面开有水平导轨，水平上固定有可沿水平导轨滑动的水平滑块，水平丝杠的一端与水平电机的输出轴相连，以驱动水平滑块的顶面沿着水平导轨水平移动；上夹具固定在水平滑块的底面上，二维力学传感器固定在水平滑块和上夹具之间；机架上竖直设有垂直导轨，垂直滑块的后部设有与垂直导轨相配合的导槽，垂直滑块可滑动地设置在垂直导轨上，垂直丝杆的上端与垂直电机相连，垂直丝杠的下端与垂直滑块螺接，水平电机和垂直电机均与控制装置相连。

4.如权利要求3所述的摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，其特征在于：所述循环泵的前后均设有调节阀。

5.如权利要求4所述的摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，其特征在于：所述液体介质为水或油。

6.如权利要求5所述的摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，其特征在于：所述下试样的底面对准下夹具的通孔开有沉孔，沉孔的开口与通孔相贯通，且沉孔的孔底的厚度为1mm～2mm。

7.如权利要求6所述的摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，其特征在于：所述沉孔与通孔的形状、大小均相同。

8.如权利要求7所述的摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，其特征在于：油槽与下夹具中间设有密封垫片。

9.如权利要求8所述的摩擦界面温度可控且快速响应的试验装置，其特征在于：所述油槽的入口和油槽的出口均为螺纹孔，所述进液管通过四分管与油槽的入口螺接，所述排液管与油槽的出口螺接。