CN101498651A - 一种单粒子侵入相对界面的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单粒子侵入相对界面的试验装置，包括：试验台(1)，静止界面(6)，导杆(10)，以及设置在试验台(1)上的旋转界面(7)、连接机构(5)、固定连接静止界面(6)的夹持机构(4)、驱动旋转界面(7)的旋转机构(8)；所述夹持机构(4)固定连接静止界面(6)，使其以一个倾斜角与旋转界面(7)接触；所述导杆(10)的一端与连接机构(5)通过轴承连接，其另一端贯穿固定在单粒子(9)的中心，所述单粒子(9)位于所述倾斜角内；所述导杆(10)与旋转界面(7)平行，并指向其旋转中心；所述夹持机构(4)上设置有第一传感器；所述连接机构(5)设置有第二传感器和第三传感器。

Description

一种单粒子侵入相对界面的试验装置

技术领域

本发明涉及三体摩擦磨损研究领域，特别涉及一种单粒子侵入相对界面的试验装置，适用于接触界面间的摩擦磨损研究。

背景技术

各种机械尤其是精密仪器，其各个机构或密封件的界面之间需要良好的接触，一旦工作环境中的沙尘微粒侵入界面之间，就会加剧磨损和能源的消耗，使机构或仪器很快失效报废。英国焦斯特(H.P.Jost)教授指出，世界消费能源的30％-40％损失在摩擦磨损上；我国20世纪80年代，对冶金、煤炭和农业等5个部门的不完全统计，仅磨粒磨损一项消耗的备件钢材就有100万吨，每年经济损失达数十亿人民币。

随着空气质量的下降，对机械机构和密封件的结构、材料提出了更高的要求。研究沙尘粒子在界面间的运动状态与界面结构、材料、摩擦系数等的关系，对于机构和密封件的结构设计、材料选取等具有极大地指导意义。

已有的研究和试验主要是在界面间放入大量自由粒子进行试验，然后得出宏观统计学意义上的摩擦磨损数据。单个粒子侵入相对界面时，其运动状态控制困难，存在相对作用力不好控制和测定的问题。因此，未见报道过对具体的单个粒子在界面间的运动状态的研究和试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单粒子侵入相对界面的试验装置，它可以控制粒子运动轨迹以及粒子与界面间的接触角和作用力，为研究单个粒子在界面间的运动状态提供方便。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现的。一种单粒子侵入相对界面的试验装置，其特征在于，包括：试验台，静止界面，导杆，以及设置在试验台上的旋转界面、连接机构、固定连接静止界面的夹持机构、驱动旋转界面的旋转机构；所述夹持机构固定连接静止界面，使其以一个倾斜角与旋转界面接触；所述导杆的一端与连接机构通过轴承连接，其另一端贯穿固定在单粒子的中心，所述单粒子位于所述倾斜角内；所述导杆与旋转界面平行，并指向其旋转中心；所述夹持机构上设置有测量单粒子与静止界面之间正压力的第一传感器；所述连接机构设置有测量单粒子与旋转界面之间正压力的第二传感器，以及测量单粒子与旋转界面之间摩擦力的第三传感器。

本发明的进一步改进在于：

所述试验台上设置有第一三维位移机构，所述夹持机构固定在该第一三维位移机构上。

所述试验台上设置有第二三维位移机构，所述连接机构固定在该第二三维位移机构上。

所述第一、第二、第三传感器中均采用力应变片。

本发明的更进一改进在于：

所述夹持机构为角度可调夹持机构，所述角度可调夹持机构，包含：第一臂杆，固定连接在第一三维位移机构上的第一固定座，固定在第一臂杆的一端的夹头；所述第一固定座与第一臂杆的另一端通过水平方向设置的第一轴承和第一转轴连接，所述第一臂杆与所述第一转轴垂直，第一固定座和第一臂杆之间设置有第一定位部件；所述夹头夹持静止界面，所述第一传感器设置在第一臂杆的上、下表面。所述第一定位部件为螺栓和螺母。

所述连接机构，包含：连接头，第二臂杆，固定连接在第二三维位移机构上的第二固定座；所述第二固定座在垂直方向上设置有第二轴承和第二转轴的组合，所述连接头在水平方向设置有第三轴承和第三转轴的组合以及连接导杆的轴承，所述导杆与第三转轴在水平方向上垂直；所述第二臂杆的一端与第二转轴固定连接，其另一端与第三转轴固定连接；所述第二固定座上设置有限定第二转轴转动的第二定位部件，所述连接头上设置有限定第三转轴转动的第三定位部件和选择性限定导杆转动的第四定位部件；所述第二传感器设置在第二臂杆的上、下表面，所述第三传感器设置在第二臂杆的两侧表面。所述第二、第三和第四定位部件均为锁紧螺钉。

本发明具有以下有益效果：由于本发明限制了***的单粒子的其它方向的自由度，使之只能在特定方向上运动，在特定方向上进行试验研究单粒子在界面中的运动状态，使复杂问题简单化；本发明设置有第一、第二传感器、第三传感器，可以适时地测量出不同状态下单粒子和界面之间的作用力；本发明的夹持机构可以改变两界面的倾斜角，第一、第二三维位移机构可以方便调节粒子与界面之间的位置和作用力状态。另外，还可以选择性的改变单粒子的形状和两界面的表面轮廓或粗糙度，以适应不同试验条件的需要。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一详细说明。

图1为单粒子侵入相对界面的试验装置的总体结构示意图；

图2为夹持机构示意图；

图3为图2的***视图；

图4为连接机构中第二固定座与第二臂杆连接示意图；

图5为图4的***视图；

图6为连接机构中连接头的***视图。

具体实施方式

参照图1、结合图6，单粒子侵入相对界面的试验装置，主要包括：试验台1、第一三维位移机构2、第二三维位移机构3、夹持机构4、连接机构5、静止界面6、旋转界面7、旋转机构8、单粒子9和导杆10。

旋转界面7设置在试验台1上，旋转机构8中的电机通过皮带传动，带动旋转界面7。夹持机构4固定在第一三维位移机构2上，第一三维位移机构2设置在试验台1上；夹持机构4固定静止界面6，使其以一个倾斜角与旋转界面7接触；通过第一三维位移机构2可以调整夹持机构4的三维位置，以达到调整静止界面6与旋转界面7的相对位置。

连接机构5固定在第二三维位移机构3上，第二三维位移机构3设置在试验台1上；导杆10的一端通过轴承与连接机构5连接，具体为：该轴承镶嵌在连接机构5中，导杆10的该端作为与该轴承的对应转轴；导杆10的另一端贯穿固定在单粒子9的中心。试验时，单粒子9位于静止界面6与旋转界面7形成的倾斜角内，保持导杆10与旋转界面7平行，并指向其旋转中心。

同时，在夹持机构4上设置有测量单粒子9与静止界面6之间正压力的第一传感器；连接机构5上设置有测量单粒子9与旋转界面7之间正压力的第二传感器，以及测量单粒子9与旋转界面7之间的摩擦力的第三传感器。第一、二、三传感器中均采用力应变片。

结合图2、3，夹持机构4为角度可调夹持机构，所述角度可调夹持机构，主要包含：第一固定座401、第一臂杆402、夹头403、第一转轴404、第一轴承405、螺栓406、螺母407。

第一臂杆402的一端的固定夹头403，夹头403设置有锁紧螺钉，以方便夹持和更换静止界面6。第一固定座401连接在第一三维位移机构2上，第一转轴404固定在第一固定座401上，第一轴承405镶嵌在第一臂杆402的另一端，第一臂杆402的另一端与第一固定座401通过水平方向设置的第一轴承405和第一转轴404连接，并且第一臂杆402与所述第一转轴404垂直。

在第一固定座401和第一臂杆402之间设置有第一定位部件，该第一定位部件为螺栓406和螺母407。具体结构为：在第一臂杆402上开设一个螺栓孔；以第一转轴404为中心，以螺栓孔到第一转轴404的距离为半径，在第一固定座401上开设弧形槽孔，通过螺栓406和螺母407实现第一臂杆402的角度定位，从而实现静止界面6和旋转界面7之间的倾斜角可调。

第一传感器中采用力应变片，贴附在第一臂杆402上、下表面。

结合图4、图5、图6，连接机构主要包含：第二固定座501、第二臂杆502、连接头503、第二转轴504、第二轴承505、第三转轴506、第三轴承507。

第二固定座501与第二三维位移机构3固定连接。第二固定座501在垂直方向上设置有第二轴承505和第二转轴504的组合，连接头503在水平方向设置有第三轴承507和第三转轴506的组合以及连接导杆10的轴承508，导杆10与第三转轴507在水平方向上垂直。

第二转轴504贯穿第二臂杆502的一端，并通过锁紧螺钉固定，第三转轴506贯穿第二臂杆501的另一端，也通过锁紧螺钉固定。第二固定座501上设置有限定第二转轴504转动的第二定位部件，连接头503上设置有限定第三转轴506转动的第三定位部件和选择性限定导杆10转动的第四定位部件；第二、第三和第四定位部件均为锁紧螺钉。本实例采用锁紧螺钉固定或定位，一方面，方便连接机构的组装；另一方面，方便在试验时调试，以满足试验要求，即：单粒子9位于静止界面6与旋转界面7形成的倾斜角内，保持导杆10与旋转界面7平行，并指向其旋转中心。

第二传感器中采用力应变片，贴附在第二臂杆502上、下表面；第三传感器中也采用力应变片，贴附在第二臂杆502的两侧表面。本实例中，第二臂杆502分为两部分，贴附第二传感器的部分，其上表面面积大于侧表面面积；贴附第三传感器的部分，其侧表面面积大于上表面面积。这样可以提高测量精度。

在试验时，调节第一三维位移机构2、第二三维位移机构3和夹持机构4，使单粒子9、静止界面6、旋转界面7之间达到所需要的初始位置关系和作用力关系。单粒子9与静止界面6之间的作用力由设置在夹持机构4上的第一传感器读取，单粒子9与旋转界面7之间的正压力和摩擦力分别由设置在连接机构5上的第二和第三传感器读取。开启旋转机构8中的电机，电机带动旋转界面7作旋转运动。由于单粒子9的运动距离远小于其运动半径和旋转界面7的旋转半径，单粒子9可以近似地看作直线运动，旋转界面7上与单粒子9接触部分的运动也可以近似看作直线平动。单粒子9在旋转界面7的带动下在两接触界面之间运动，并且与两接触界面发生相互作用，实时的作用力状态经第一、第二和第三传感器输出。

连接机构5的一端设计成了可以上下摆动的连接头503结构，是为了补偿形位和安装误差，保持导杆10和旋转界面7的平行，将导杆10调节到与旋转界面7平行后，调节连接头503侧面的第三定位部件(锁紧螺钉)将连接头锁死，防止导杆10上下摆动。当需要人为限制单粒子9的滚动时，只需调节连接头503前端的第四定位部件(锁紧螺钉)将导杆10锁紧，单粒子9也随之被锁紧。

将第二、第三和第四定位部件(锁紧螺钉)全部锁紧(此时相当于单粒子9固定连接在第二三维位移机构上)，然后向下调节第二三维位移机构3，使单粒子9与旋转界面7接触并产生压力，此时可以测量单粒子9与旋转界面7之间的摩擦系数(接触压力和摩擦力可以由第二和第三传感器输出)。根据输出的数据可以判断单粒子9、静止界面6和旋转界面7三者之间的相互作用状态。

Claims (8)

1、一种单粒子侵入相对界面的试验装置，其特征在于，包括：试验台(1)，静止界面(6)，导杆(10)，以及设置在试验台(1)上的旋转界面(7)、连接机构(5)、固定连接静止界面(6)的夹持机构(4)、驱动旋转界面(7)的旋转机构(8)；所述夹持机构(4)固定连接静止界面(6)，使其以一个倾斜角与旋转界面(7)接触；所述导杆(10)的一端与连接机构(5)通过轴承连接，其另一端贯穿固定在单粒子(9)的中心，所述单粒子(9)位于所述倾斜角内；所述导杆(10)与旋转界面(7)平行，并指向其旋转中心；所述夹持机构(4)上设置有测量单粒子(9)与静止界面(6)之间正压力的第一传感器；所述连接机构(5)设置有测量单粒子(9)与旋转界面(7)之间正压力的第二传感器，以及测量单粒子(9)与旋转界面(7)之间摩擦力的第三传感器。

2、根据权利要求1所述的一种单粒子侵入相对界面的试验装置，其特征在于，所述试验台(1)上设置有第一三维位移机构(2)，所述夹持机构(4)固定在该第一三维位移机构(2)上。

3、根据权利要求2所述的一种单粒子侵入相对界面的试验装置，其特征在于，所述夹持机构(4)为角度可调夹持机构，所述角度可调夹持机构，包含：第一臂杆(402)，固定连接在第一三维位移机构(2)上的第一固定座(401)，固定在第一臂杆(402)的一端的夹头(403)；所述第一固定座(401)与第一臂杆(402)的另一端通过水平方向设置的第一轴承(405)和第一转轴(404)连接，所述第一臂杆(402)与所述第一转轴(404)垂直，第一固定座(401)和第一臂杆(402)之间设置有第一定位部件；所述夹头(403)夹持静止界面(6)，所述第一传感器设置在第一臂杆(402)的上、下表面。

4、根据权利要求3所述的一种单粒子侵入相对界面的试验装置，其特征在于，所述第一定位部件为螺栓(406)和螺母(407)。

5、根据权利要求1所述的一种单粒子侵入相对界面的试验装置，其特征在于，所述试验台(1)上设置有第二三维位移机构(3)，所述连接机构(5)固定在该第二三维位移机构(3)上。

6、根据权利要求5所述的一种单粒子侵入相对界面的试验装置，其特征在于，所述连接机构(5)，包含：连接头(503)，第二臂杆(502)，固定连接在第二三维位移机构(3)上的第二固定座(501)；所述第二固定座(501)在垂直方向上设置有第二轴承(505)和第二转轴(504)的组合，所述连接头(503)在水平方向设置有第三轴承(507)和第三转轴(506)的组合以及连接导杆(10)的轴承(508)，所述导杆(10)与第三转轴(506)在水平方向上垂直；所述第二臂杆(502)的一端与第二转轴(504)固定连接，其另一端与第三转轴(506)固定连接；所述第二固定座(501)上设置有限定第二转轴(504)转动的第二定位部件，所述连接头(503)上设置有限定第三转轴(506)转动的第三定位部件和选择性限定导杆(10)转动的第四定位部件；所述第二传感器设置在第二臂杆(502)的上、下表面，所述第三传感器设置在第二臂杆(502)的两侧表面。

7、根据权利要求6所述的一种单粒子侵入相对界面的试验装置，其特征在于，所述第二、第三和第四定位部件均为锁紧螺钉。

8、根据权利要求1所述的一种单粒子侵入相对界面的试验装置，其特征在于，所述第一、第二、第三传感器中均采用力应变片。

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