專利名稱：一種實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)及方法。
背景技術(shù)：
端面扭動摩擦是指在一定載荷下接觸副接觸界面圍繞載荷方向發(fā)生往復(fù)旋轉(zhuǎn)的相對運(yùn)動，摩擦界面以面-面形式大面積接觸且發(fā)生較大的相對運(yùn)動(角位移幅值一般為0-30° )，廣泛存在于交通運(yùn)輸中的往復(fù)旋轉(zhuǎn)件如工程機(jī)械中的聚合物平面滑動回轉(zhuǎn)支承、汽車掛車的轉(zhuǎn)向回轉(zhuǎn)盤和火車轉(zhuǎn)向架的心盤等。端面扭動摩擦不同于微動磨損之處在于磨損區(qū)域大且較為嚴(yán)重，磨損機(jī)理更加復(fù)雜。實(shí)驗室用于研究滑動摩擦的試驗機(jī)主要形式有環(huán)-塊式、銷-盤式、微動磨損形式等。不同工況下連續(xù)實(shí)時動態(tài)測量摩擦系數(shù)和磨損量是全面評定材料的摩擦學(xué)性能的重要途徑。一般地，我們只能是在設(shè)定周期下做完試驗，取出試樣觀測其磨損形貌或者通過實(shí)時記錄的摩擦系數(shù)分析T-Θ曲線，分析設(shè)定周期下的摩擦學(xué)性能。特別地，少數(shù)試驗機(jī)也采用磨損原位測量，但破壞了摩擦過程的連續(xù)性，無法實(shí)時動態(tài)觀測發(fā)生的微小磨損狀態(tài)?；谛〗佑|面積的微動實(shí)時觀測試驗機(jī)，由于微小的可觀測界面面積和不靈活的可觀測空間，且無法觀測端面接觸界面間的磨屑的實(shí)時運(yùn)動，對大面積接觸的端面扭動試驗存在一定的局限性。為此，發(fā)明一種實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的扭動摩擦磨損試驗機(jī)，針對端面扭動摩擦磨損具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)及方法，旨在解決少數(shù)試驗機(jī)采用的磨損原位測量，但破壞了摩擦過程的連續(xù)性，無法實(shí)時動態(tài)觀測發(fā)生的微小磨損狀態(tài)?；谛〗佑|面積的微動實(shí)時觀測試驗機(jī)，由于微小的可觀測界面面積和不靈活的可觀測空間，且無法觀測端面接觸界面間的磨屑的實(shí)時運(yùn)動，對大面積接觸的端面扭動試驗存在一定的局限性的問題。本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)方法一種實(shí)時動態(tài)觀測端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)，其特征在于包括壓力加載裝置，回轉(zhuǎn)平臺，摩擦界面觀測裝置，調(diào)節(jié)裝置。所述的壓力加載裝置包括設(shè)在底座上的杠桿支架、以杠桿支架為支點(diǎn)的杠桿、設(shè)于杠桿支點(diǎn)一側(cè)的砝碼及砝碼盤、連接于杠桿另一側(cè)的固定塊；所述的回轉(zhuǎn)平臺包括步進(jìn)電機(jī)、安裝于電機(jī)軸尾端的軸編碼器、蝸桿和蝸輪；摩擦界面觀測裝置包括垂直于摩擦界面的高速攝像機(jī)、螺紋連接于固定塊的豎直調(diào)節(jié)桿件、桿件上端安裝有壓力傳感器和扭矩傳感器、下夾具、下試樣，上試樣安裝在固定于回轉(zhuǎn)平臺的上夾具；底座與上撐板通過四根立柱相連；調(diào)節(jié)裝置包括可左右調(diào)節(jié)的雙頭螺柱、上下豎直調(diào)節(jié)桿件、可前后調(diào)節(jié)的有底座切槽的杠桿支架以及保證杠桿水平放置的水平尺。
所述的杠桿與杠桿支架之間安裝有聚合物PTFE，減小摩擦，增加耐磨性和限制杠桿的左右擺動；所述的雙頭螺柱、底座切槽、豎直調(diào)節(jié)桿件可對應(yīng)地進(jìn)行下試樣的左右、前后、上下調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對心位置調(diào)節(jié)；所述的雙頭螺柱可左右調(diào)節(jié)杠桿，使試樣至偏心位置，開展旋轉(zhuǎn)滑動摩擦磨損試驗；所述的回轉(zhuǎn)平臺的內(nèi)孔徑為O90mm，固定在自由角度支架上的高速攝像頭安裝空間大，且可通過內(nèi)孔以微小視距觀測摩擦界面。本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)時動態(tài)觀測的端面扭動摩擦磨損試驗方法，包括以下步驟a.將上透明盤、下銷試樣分別螺絲緊固在上夾具和下夾具，上夾具與高精密回轉(zhuǎn)平臺螺紋固定，并安裝好高速攝像機(jī)，使之正對于摩擦界面，調(diào)節(jié)好視距，，開通光源，攝像頭對照亮的摩擦界面攝像；b.調(diào)節(jié)雙頭螺柱、底座切槽、豎直調(diào)節(jié)桿件使下試樣的垂直中心線與高精密回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)軸重合對心。也可使下試樣的垂直中心線與高精密回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)軸偏心半徑R，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滑動摩擦磨損實(shí)驗。通過壓力傳感器數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)控制砝碼的加載，并調(diào)節(jié)水平尺使上、下試樣兩端面水平緊密接觸；C.根據(jù)實(shí)驗要求對緊密接觸界面的下試樣加減砝碼達(dá)設(shè)定值載荷P，壓力傳感器實(shí)時將不同壓力的信號輸出，經(jīng)USB數(shù)據(jù)采集卡連接電腦顯示壓力值P，同時通過數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速r和上試樣的往復(fù)扭動次數(shù)η (時間t)、往復(fù)扭動幅值Θ ；d.啟動步進(jìn)電機(jī)由聯(lián)軸器驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，渦輪經(jīng)250 I的大減速比后旋轉(zhuǎn)并帶動固定在回轉(zhuǎn)平面的上夾具，上試樣隨之扭動，在上、下試樣的界面形成端面扭動摩擦磨損；e.在上、下試樣發(fā)生端面扭動摩擦的同時，設(shè)在下夾具下方的扭矩傳感器實(shí)時測出摩擦扭矩Tf，并送至USB數(shù)據(jù)采集卡，通過數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)得出摩擦系數(shù)值f以及繪制在規(guī)定載荷和轉(zhuǎn)速下的摩擦扭矩-角位移曲線；高速攝像機(jī)實(shí)時動態(tài)觀測透明材料摩擦界面的磨損形貌和磨屑在界面上的運(yùn)動，并保存動畫或圖片。因此可考察正壓力、扭動幅值和頻率對扭動界面摩擦磨損行為的影響以及實(shí)時動態(tài)地觀測摩擦界面的磨損過程。有益效果一、本發(fā)明能夠通過實(shí)時加減砝碼，設(shè)置不同的扭動頻率、扭動角幅值等模擬不同的工況條件；動力源部分采用步進(jìn)電機(jī)和2048線軸編碼器，便于控制扭動頻率和采集扭動角位移；回轉(zhuǎn)平臺采用250 I的大傳動比的蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲；采用靜態(tài)扭矩和壓力傳感器測量摩擦扭矩和正壓力，摩擦扭矩和接觸壓力測量精確；杠桿加載的方式便于試驗機(jī)的加工和操作，且易于開展旋轉(zhuǎn)滑動和端面扭動兩種運(yùn)動模式的摩擦磨損試驗。本發(fā)明對減少工程中的扭動摩擦磨損問題，提高工程械的性能和壽命，具有十分重要的意義。二、針對端面扭動摩擦磨損實(shí)驗，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的整個區(qū)域內(nèi)在不同時刻不同區(qū)域的磨損形貌以及磨屑在界面間的運(yùn)動，記錄各個循環(huán)次數(shù)下的界面形貌特征，結(jié)合實(shí)時測出的正壓力P、扭矩T與角位移幅值Θ，分析它們與磨損發(fā)生過程的聯(lián)系，從而能對端面扭動實(shí)驗后不同磨損區(qū)域有著不同的磨損機(jī)理進(jìn)行合理地解釋與驗證。上述的杠桿與杠桿支架之間安裝有聚合物復(fù)合材料PTFE，增加耐磨性，減小摩擦對砝碼加載力的影響和限制杠桿的左右擺動。
上述的雙頭螺柱、底座切槽、豎直調(diào)節(jié)桿件可對應(yīng)地進(jìn)行下試樣的左右、前后、上下三個方向調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對心位置的自由調(diào)節(jié)。上述的雙頭螺柱可左右調(diào)節(jié)杠桿，使下試樣至偏心位置，開展旋轉(zhuǎn)滑動摩擦磨損試驗。上述的回轉(zhuǎn)平臺的內(nèi)孔徑為φ 90mm，高速攝像機(jī)安裝空間大且可通過內(nèi)孔以微小視距觀測摩擦界面，適合不同類型高速顯微攝像機(jī)。


圖I為本發(fā)明實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)結(jié)構(gòu)主視圖。圖2為本發(fā)明實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)結(jié)構(gòu)俯視圖。圖3a、b為本發(fā)明實(shí)時動態(tài)觀測的不同時刻摩擦界面的端面扭動摩擦磨損形貌。圖4a、b為本發(fā)明實(shí)時動態(tài)觀測的不同時刻摩擦界面的磨屑的運(yùn)動。圖5為本發(fā)明實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)系統(tǒng)框圖。圖中I-底座，2-杠桿支架，3-杠桿，4-砝碼，5-砝碼盤，6_水平尺，7_雙頭螺柱，
8-固定塊，9-高速攝像頭，10-光源，11-豎直調(diào)節(jié)桿件，12-壓力傳感器，13-扭矩傳感器，14-下夾具，15-下試樣，16-上試樣，17-上夾具，18-立柱，19-上撐板，20-自由角度支架，21聚合物PTFE，22-座切槽，23-步進(jìn)電機(jī)，24-聯(lián)軸器，25-蝸桿，26-蝸輪，27-連架，28-軸編碼器。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖I至5及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明的實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)，主要由壓力加載裝置，回轉(zhuǎn)平臺，摩擦界面觀測裝置，調(diào)節(jié)裝置。所述的壓力加載裝置包括設(shè)在底座I上的杠桿支架2，以杠桿支架為支點(diǎn)的杠桿3，杠桿支架2下端開有螺紋孔擴(kuò)槽22，設(shè)于杠桿支點(diǎn)一側(cè)的砝碼4及螺紋固定砝碼的砝碼盤5、在杠桿另一側(cè)用雙頭螺柱6連接的固定塊7 ;所述的回轉(zhuǎn)平臺螺紋連接于上撐板19上，其包括直接固定在回轉(zhuǎn)平臺的步進(jìn)電機(jī)8、通過連架27安裝于電機(jī)軸尾端的軸編碼器28、蝸桿25連接步進(jìn)電機(jī)的輸出軸，蝸輪26內(nèi)孔固定于滾動軸承的外圈，蝸輪26外齒與蝸桿25配副傳動；所述的摩擦界面觀測裝置包括固定在自由角度支架20的高速攝像機(jī)9，光源10直接搭接在攝像頭9前端，光線透過上試樣16 (透明材料)在摩擦界面反射于攝像頭拍攝，螺紋連接于固定塊8的豎直調(diào)節(jié)桿件11、桿件11上端安裝有壓力傳感器12和扭矩傳感器13、扭矩傳感器13上螺紋連接下夾具14，下試樣15安裝于下夾具14，上試樣16安裝在固定于回轉(zhuǎn)平臺的上夾具17 ;底座I與上撐板19通過四根立柱18相連，螺紋緊固；所述的調(diào)節(jié)裝置包括用于左右調(diào)節(jié)杠桿的雙頭螺柱7、上下豎直調(diào)節(jié)桿件11、可前后調(diào)節(jié)的有底座切槽22的杠桿支架2以及水平安裝在杠桿3上的水平尺6。本發(fā)明的實(shí)時動態(tài)觀測的端面扭動摩擦磨損試驗方法，采用步進(jìn)電機(jī)23通過聯(lián)軸器24、蝸輪26-蝸桿25傳動，帶動回轉(zhuǎn)平臺和上夾具17往復(fù)轉(zhuǎn)動，正壓力由杠桿3施加方式對試樣進(jìn)行軸向加壓，高速攝像機(jī)9現(xiàn)實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的整個區(qū)域，記錄各個循環(huán)次數(shù)下的界面形貌特征，壓力傳感器12測出正壓力，扭矩傳感器13測出摩擦扭矩，一起送至數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)分析得出摩擦系數(shù)以及在設(shè)定載荷和轉(zhuǎn)速下實(shí)時動態(tài)變化的摩擦系數(shù)和扭矩-角位移曲線，以及任意時刻的磨損形貌以及磨屑在界面間的運(yùn)動。其中壓力傳感器13載荷測量范圍為0-500N，扭矩傳感器17的測量范圍 為0-5N · m。具體步驟如下a.逆時針轉(zhuǎn)動杠桿3，將上、下試樣16、15分別螺絲緊固在上夾具17和下夾具14，如上、下試件半徑R = 20mm、5mm，并安裝固定好高速攝像機(jī)9，使之正對于摩擦界面，調(diào)節(jié)好視距和放大倍數(shù)，打開、調(diào)節(jié)光源使摩擦表面成像；b.順時針轉(zhuǎn)動杠桿3，調(diào)節(jié)雙頭螺柱7、底座切槽22、豎直調(diào)節(jié)桿件11調(diào)節(jié)好上、下試樣16、15對心，通過壓力傳感器12數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)控制砝碼4的加載，使上、下試件16、15兩相對端面緊密接觸；c.根據(jù)實(shí)驗要求對緊密接觸界面的下試樣15加減砝碼4達(dá)設(shè)定值載荷P，如P =200N，壓力傳感器12實(shí)時將不同壓力的信號輸出，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡連接電腦顯示載荷值P，按實(shí)驗要求設(shè)置步進(jìn)電機(jī)23的轉(zhuǎn)速r和上試樣16的扭動次數(shù)η (時間t)、往復(fù)扭動幅值Θ ；d.啟動步進(jìn)電機(jī)23驅(qū)動蝸桿25轉(zhuǎn)動，蝸桿25與蝸輪26以250 : I的傳動比傳動，渦輪26帶動固定在回轉(zhuǎn)平面的上夾具17，上試樣16隨之扭動，下試樣15則固定在杠桿并保持靜止，這樣在上、下試樣16、15的界面形成扭動摩擦磨損；e.扭矩傳感器13實(shí)時測出摩擦扭矩Tf，通過數(shù)據(jù)采集卡、編程換算得出摩擦系數(shù)值f,經(jīng)摩擦系數(shù)計算公式
權(quán)利要求
1.一種實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)，其特征在于包括壓力加載裝置，回轉(zhuǎn)平臺，摩擦界面觀測裝置，調(diào)節(jié)裝置；所述的壓力加載裝置包括設(shè)在底座(I)上的杠桿支架(2)、以杠桿支架為支點(diǎn)的杠桿(3)、設(shè)于杠桿支點(diǎn)一側(cè)的砝碼(4)及砝碼盤(5)、連接于杠桿另一側(cè)的固定塊(8)；所述的回轉(zhuǎn)平臺包括步進(jìn)電機(jī)(23)、聯(lián)軸器(24)、蝸桿(25)和蝸輪(26)、安裝于電機(jī)軸尾端的連架(27)和軸編碼器(28)；所述的摩擦界面觀測裝置包括固定在自由角度支架(20)的高速顯微攝像頭(9)和光源(10)、螺紋連接于固定塊(8)的豎直調(diào)節(jié)桿件(11)、桿件(11)上端安裝有壓力傳感器(12)和扭矩傳感器(13)、下夾具(14)、下試樣(15)，上試樣(16)安裝在固定于回轉(zhuǎn)平臺的上夾具(17);底座(I)與上撐板(19)通過四根立柱(18)相連；所述的調(diào)節(jié)裝置包括用于左右調(diào)節(jié)的雙頭螺柱(7)、上下豎直調(diào)節(jié)桿件(11)、可前后調(diào)節(jié)的有底座切槽(22)的杠桿支架(2)以及保證杠桿水平放置的水平尺(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的扭動摩擦磨損試驗機(jī)，其特征在于所述的杠桿(3)與杠桿支架(2)之間安裝有減小摩擦，增加耐磨性的聚合物PTFE (21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的扭動摩擦磨損試驗機(jī)，其特征在于所述的雙頭螺柱(7)、底座切槽(22)、豎直調(diào)節(jié)桿件(11)可對應(yīng)地進(jìn)行下試樣(15)的左右、前后、上下調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對心位置的調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的扭動摩擦磨損試驗機(jī)，其特征在于所述的雙頭螺柱(7)可左右調(diào)節(jié)杠桿(3)，使試樣(15)至偏心位置，開展旋轉(zhuǎn)滑動摩擦磨損試驗。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的扭動摩擦磨損試驗機(jī)，其特征在于所述的回轉(zhuǎn)平臺內(nèi)孔徑為O90mm，固定在自由角度支架(20)上的高速攝像頭(9)安裝空間大，且可通過內(nèi)孔以微小視距觀測摩擦界面。
6.一種如權(quán)利要求I所述試驗機(jī)的實(shí)時動態(tài)觀測的端面扭動摩擦磨損試驗方法，其特征在于包括以下步驟a.將上透明盤、下銷試樣(16、15)分別螺絲緊固在上夾具(17)和下夾具(14)，上夾具(17)與高精密回轉(zhuǎn)平臺螺紋固定，并安裝好高速攝像機(jī)(9)，使之正對摩擦界面，調(diào)節(jié)好視距，開通光源，攝像頭對照亮的摩擦界面攝像；b.調(diào)節(jié)雙頭螺柱(7)、底座切槽(22)、豎直調(diào)節(jié)桿件(11)使下試樣(15)的垂直中心線與高精密回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)軸重合對心。也可使下試樣的垂直中心線與高精密回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)軸偏心半徑R，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滑動摩擦磨損實(shí)驗。通過壓力傳感器數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)控制砝碼的加載，并調(diào)節(jié)水平尺(6)使上、下試樣(16、15)兩端面水平緊密接觸；c.根據(jù)實(shí)驗要求對緊密接觸界面的下試樣(15)加減砝碼達(dá)設(shè)定值載荷P，壓力傳感器(12)實(shí)時將不同壓力的信號輸出，經(jīng)USB數(shù)據(jù)采集卡連接電腦顯示壓力值P，同時通過數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)(23)的轉(zhuǎn)速!■和往復(fù)扭動次數(shù)η、往復(fù)扭動幅值Θ ；d.啟動步進(jìn)電機(jī)(23)由聯(lián)軸器(24)驅(qū)動蝸桿(25)轉(zhuǎn)動，渦輪(26)經(jīng)250 I的大減速比后旋轉(zhuǎn)并帶動固定在回轉(zhuǎn)平面的上夾具(17)，上透明盤(16)隨之扭動，在上、下試樣(16、15)的界面形成端面扭動摩擦磨損；e.在上、下試樣(16、15)發(fā)生端面扭動摩擦的同時，設(shè)在下夾具(14)下方的扭矩傳感器(13)實(shí)時測出摩擦扭矩Tf，并送至USB數(shù)據(jù)采集卡，通過數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)得出摩擦系數(shù)值f以及繪制在規(guī)定載荷和轉(zhuǎn)速下的摩擦扭矩-角位移曲線；高速攝像機(jī)實(shí)時動態(tài)觀測透明材料摩擦界面的磨損形貌和磨屑在界面上的運(yùn)動，并保存動畫或圖片，從而表征端面扭動摩擦的動力學(xué)和磨損特性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實(shí)時動態(tài)觀測摩擦界面的端面扭動摩擦磨損試驗機(jī)及試驗方法，包括壓力施加裝置，回轉(zhuǎn)平臺，摩擦界面觀測裝置，調(diào)節(jié)裝置。所述的壓力施加裝置包括杠桿、杠桿支架、砝碼；回轉(zhuǎn)平臺包括電機(jī)、軸編碼器、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)；摩擦界面觀測裝置包括高速攝像機(jī)、扭矩和壓力傳感器；調(diào)節(jié)裝置包括水平尺和豎直可調(diào)桿件。由杠桿、砝碼對下試樣進(jìn)行軸向加載，回轉(zhuǎn)平臺帶動上試樣往復(fù)扭動，高速顯微攝像機(jī)觀測磨損界面，通過加減砝碼、改變扭動頻率等模擬不同外載下扭動摩擦磨損實(shí)驗，獲得摩擦過程中的摩擦系數(shù)、磨損形貌、磨屑的實(shí)時運(yùn)動，評價透明材料在整個過程的摩擦磨損性能，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，重復(fù)性好。
文檔編號G01N19/00GK102944512SQ20121044867
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月3日
發(fā)明者王世博, 滕兵, 潘力, 李倩 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)