CN103278411A - 超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置，是由主运动单元、加载单元和测力单元组成，步进电机输出的扭矩通过梯形丝杆的丝杠螺母副转化为滑台的轴向压力，进而使安装在压电超声换能器底部的上试样与下试样接触并对下试样施加一定压力，当压电超声换能器接上超声波电源时，上试样在水平方向上或垂直方向上产生微米级振幅的超声频率振动，下试样随旋转台一起旋转，与上试样组成摩擦副，如此，便可以测试超声振动下球面接触的摩擦特性；本发明可以精确控制试验参数，自动化程度高，能够进行不同超声振动频率及振幅下各类型摩擦材料的球面接触式摩擦实验。

Description

超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置

技术领域

本发明涉及一种摩擦磨损试验机，特别涉及一种超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置。

背景技术

物体之间的摩擦力受多种因素的影响，例如：摩擦表面的粗糙度、滑动速度、材料的性质、法向力、粘滑特性、环境温度和相对湿度、润滑和振动等。其中，采用不同频率和振幅的振动来影响摩擦力的办法已经在许多领域得到了广泛应用。而早在1959年，美国学者Fridman等研究了垂直振动对静摩擦系数的影响。结果发现，随着振幅的增加，静摩擦系数逐渐减小，直到降为零，最后出现负值。后来，Godfrey利用设计的实验装置，通过测量振动加速度和摩擦副之间的阻抗，研究了垂直振动对摩擦力的影响。发现当振动加速度接近和超过重力加速度时，振动能够明显减小摩擦力，而且可以在不完全分离的情况下显著减小摩擦力，并且认为振动减小摩擦力的原因是振动使摩擦副间的负载力减小。近年来各国专家在研究中也发现超声振动能减小摩擦力，提出了超声减摩。超声减摩逐渐成为人们研究的热点，并在多个领域得到应用。

随着科学技术和工业水平的不断发展，超声振动对摩擦的影响是一个在超声加工、超声焊接以及超声马达等领域不容回避的问题，例如：在超声拉拔金属丝时要考虑如何减少拉拔力，提高表面质量；在超声焊接时要考虑如何控制振动幅度、焊接时间及焊接质量；在超声马达中要考虑在超声振动条件下如何选择摩擦材料、增加摩擦力、提高驱动效率等等。

根据古典滑动摩擦理论：摩擦力仅取决于接触压力和材料性质。实践证明，上述理论具有很大的局限性，只能用于近似地计算。超声振动下的摩擦是一种特殊的动摩擦，是一个较复杂的接触摩擦过程，影响的因素较多。例如，材料副的配对性质，静止接触时间、法向载荷的大小、摩擦副的刚度和弹性、滑动速度、温度状况，超声振动表面的振幅及接触面积、滑动速度等等都有很大的影响。关于超声振动对摩擦的影响的本质，学者对它的解释各不相同，提出了不同的观点。因此需要借助试验手段对超声振动下的摩擦特性进行探究，才能进一步推动超声振动下摩擦特性的理论研究。

摩擦磨损试验机是进行摩擦学实验研究必不可少的实验设备，市场上已经有很多种摩擦磨损试验机，如M2000摩擦磨损试验机、销—盘摩擦磨损试验机、CERT试验机等。然而，现有的摩擦磨损试验机都无法进行超声振动下的摩擦磨损特性研究。因此，研制出超声振动影响下摩擦特性测试的装置，对超声振动在工程领域的应用，摩擦学的理论研究等具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置，为探究超声振动对摩擦影响的本质提供试验技术支持。

本发明是由主运动单元、加载单元和测力单元组成；

所述的主运动单元包括基座、直流电机支架、直流电机、下试样安装台，直流电机支架固定在基座上，直流电机通过法兰面上的通孔固定安装在直流电机支架上，下试样安装台与直流电机输出轴连接；所述的下试样安装台的旋转台与直流电机输出轴连接，下试样以中心孔定位装在旋转台心轴上，下试样随旋转台一起旋转，与上试样组成摩擦副；

所述的加载单元包括电动位移台固定架，电动位移台，压电超声换能器固定架和压电超声换能器，电动位移台固定架为直角形结构件，由互相垂直的竖直板和水平板，设在竖直板和水平板之间的肋板组成，电动位移台固定架通过水平板上的安装孔装配在基座上，电动位移台通过底板装配在电动位移台固定架上，三轴力传感器安装在电动位移台的滑台上，压电超声换能器固定架安装在三轴力传感器上，压电超声换能器固定在压电换能器固定架上；压电超声换能器，压电超声换能器底部的上试样位于下试样上方，上试样能与下试样接触；

所述的电动位移台由步进电机支架、步进电机、弹性联轴器、第一梯形丝杠支座、梯形丝杠、滑台、第一导轨、第二梯形丝杠支座、第二导轨和底板组成，底板安装在电动位移台固定架的竖直板上，步进电机支架装配在底板一端，步进电机安装在步进电机支架上，通过弹性联轴器与梯形丝杠连接，梯形丝杠套装在第一梯形丝杠支座和第二梯形丝杠支座之间；第一导轨和第二导轨分别平行于梯形丝杠固定安装在底板两侧，滑台套装在梯形丝杠、第一导轨和第二导轨上，构成丝杠螺母副；步进电机的旋转运动通过丝杠螺母副驱动滑台沿梯形丝杠轴向的直线运动，带动压电超声换能器升降；当步进电机工作在力矩模式时，步进电机输出的扭矩通过梯形丝杆的丝杠螺母副转化为滑台的轴向压力，进而使安装在压电超声换能器底部的上试样与下试样接触并对下试样施加一定压力；

所述的压电超声换能器包括预紧螺栓、后盖板、电极、压电陶瓷和前盖板，前盖板前部为圆锥形结构，后部法兰面上沿圆周方向均匀布置四个通孔，通过螺钉与压电超声换能器固定架联结，使压电超声换能器随滑台升降，预紧螺栓贯穿后盖板和压电陶瓷中心孔，旋入前盖板上端的螺纹孔中，从而紧固压电陶瓷，电极交替焊接在压电陶瓷之间，与超声波电源采用电线连接；当接入超声波电源时，压电陶瓷产生纵向的伸缩振动，通过前盖板的聚能作用，促使安装在前盖板前端面的下试样产生微米级振幅的超声频率振动；

所述的上试样前端加工成半球型，中部为锥形结构，后端面加工出具有莫氏锥度的外圆锥结构，外圆锥与压电超声换能器的前盖板前部的具有莫氏锥度的内圆锥过盈配合。

本发明的有益效果是：

本发明可以精确控制试验参数，自动化程度高，能够进行不同超声振动频率及振幅下各类型摩擦材料的球面接触式摩擦实验。本发明为揭示超声振动对摩擦影响的本质，提供了试验技术手段，对超声振动在工程领域的应用，摩擦学的理论研究将起到推动促进作用。

附图说明

图1是本发明第一实施例的立体示意图。

图2是本发明第一实施例之升降台的立体示意图。

图3是本发明第一实施例之压电超声换能器的立体示意图。

图4是本发明第一实施例之压电超声换能器的剖视图。

图5是本发明第一实施例的下试样安装台的剖视图。

图6是本发明第二实施例的立体示意图。

图7是本发明第二实施例之压电超声换能器的主视图。

图8是本发明第一实施例的摩擦副接触方式示意图。

图9是本发明第二实施例的摩擦副接触方式示意图。

图中：1.基座，2.电动位移台固定架，3.电动位移台，4.三轴力传感器，5.压电超声换能器直角固定架，6.压电超声换能器，7.上试样，8.下试样，9.下试样安装台，10.直流电机，11. 直流电机支架，12.减震橡胶，13.步进电机支架，14.步进电机，15.弹性联轴器，16.第一梯形丝杠支座，17.梯形丝杠，18.滑台，19.第一导轨，20.第二梯形丝杠支座，21.第二导轨，22.底板，23.预紧螺栓，24.后盖板，25.电极，26.压电陶瓷，27.前盖板，28.旋转台，29.压块，30.弹簧垫圈，31.螺母。

具体实施方式

第一实施例：

参阅图1至图5所示，本实施例是由主运动单元、加载单元和测力单元组成；

所述的主运动单元包括基座1、直流电机支架11、直流电机10、下试样安装台9，基座1底面安装有四个结构相同的圆柱形减震橡胶12，直流电机支架11采用螺栓固定在基座1上，直流电机10通过法兰面上的通孔固定安装在直流电机支架11上，下试样安装台9与直流电机输出轴连接。参阅图5所示，所述的下试样安装台9由旋转台29、压块30、弹簧垫圈31、螺母32组成，旋转台29底部端面设有孔和键槽，通过孔和键槽与直流电机10输出轴连接，并通过侧面设有的螺纹孔，拧入紧定螺钉，将直流电机10输出轴压紧，直流电机10以设定好的速度带动旋转台29运动；下试样8以中心孔定位装在旋转台29心轴上，压块30下端面与下试样8上端面接触，通过压紧螺母32和弹簧垫圈31将压块30压紧，从而把下试样8压紧安装在旋转台上，使下试样8随旋转台29一起旋转，与上试样7组成摩擦副。

所述的加载单元包括电动位移台固定架2，电动位移台3，压电超声换能器固定架5和压电超声换能器6，电动位移台固定架2为直角形结构件，由互相垂直的竖直板和水平板，设在竖直板和水平板之间的肋板组成，电动位移台固定架2通过水平板上的安装孔装配在基座1上，电动位移台3通过底板22装配在电动位移台固定架2上，三轴力传感器4安装在电动位移台6的滑台18上，压电超声换能器固定架5安装在三轴力传感器4上，压电超声换能器6通过法兰面的安装孔装配在压电换能器固定架5的水平板上，压电超声换能器6底部的上试样7位于下试样8上方，上试样7能与下试样8接触；

参阅图2所示，所述的电动位移台3由步进电机支架13、步进电机14、弹性联轴器15、第一梯形丝杠支座16、梯形丝杠17、滑台18、第一导轨19、第二梯形丝杠支座20、第二导轨21和底板22组成，底板22安装在电动位移台固定架2的竖直板上，步进电机支架13装配在底板22一端，步进电机14安装在步进电机支架13上，通过弹性联轴器15与梯形丝杠17连接，梯形丝杠17套装在第一梯形丝杠支座16和第二梯形丝杠支座20之间；第一导轨19和第二导轨21分别平行于梯形丝杠17固定安装在底板两侧，滑台18套装在梯形丝杠17、第一导轨19和第二导轨21上，构成丝杠螺母副；步进电机14的旋转运动通过丝杠螺母副驱动滑台18沿梯形丝杠17轴向的直线运动，带动压电超声换能器6升降。当步进电机14工作在力矩模式时，步进电机14输出的扭矩通过梯形丝杆17的丝杠螺母副转化为滑台18的轴向压力，进而使安装在压电超声换能器6底部的上试样7与下试样8接触并对下试样8施加一定压力。

参阅图3和图4所示，所述的压电超声换能器6包括预紧螺栓23、后盖板24、电极25、压电陶瓷26和前盖板27，前盖板27前部为圆锥形结构，后部法兰面上沿圆周方向均匀布置四个通孔，通过螺钉与压电超声换能器固定架5联结，使压电超声换能器6随滑台18升降，预紧螺栓23贯穿后盖板24和压电陶瓷26中心孔，旋入前盖板27上端的螺纹孔中，从而紧固压电陶瓷26，电极25交替焊接在压电陶瓷26之间，与超声波电源采用电线连接。当接入超声波电源时，压电陶瓷26产生纵向的伸缩振动，通过前盖板27的聚能作用，促使安装在前盖板27前端面的下试样7产生微米级振幅的超声频率振动。

所述的上试样7前端加工成半球型，并保证一定的粗糙度和硬度，中部为锥形结构，后端面加工出具有莫氏锥度的外圆锥结构，外圆锥与压电超声换能器6的前盖板27前部的具有莫氏锥度的内圆锥过盈配合。

所述的测力单元是三轴力传感器4，具体涉及的型号为：FC-K3D120。X轴、Y轴和Z轴的测量量程分别为Fx=±50N，Fy=±200N，Fz=±1KN。本发明中所使用的是：Y轴用于测量施加在下试样8上的压力大小，X轴用于测量试验过程中的上试样7和下试样8构成的摩擦副间产生的摩擦力大小。

参阅图1和图6所示，第一实施例和第二实施例所涉及到的元器件和具体型号为：直流电机10型号为92BL-2015H1-LK-B型，步进电机14型号可为BS57HB51-03型。

第二实施例：

参阅图6与图7所示，第二实施例的结构基本与实施例一相同，不同之处是与三轴力传感器4相连的压电超声换能器固定架5为直板型结构件，压电超声换能器6水平安装在压电超声换能器固定架5上，上试样8安装在压电超声换能器6前部，压电超声换能器6的前盖板27前部上下均铣削成扁平结构，下扁平面加工出具有莫氏锥度的内圆锥，与上试样7后端面上的外圆锥过盈配合，即上试样7的轴线与压电超声换能器6轴线垂直。当压电超声换能器6接上超声波电源时，上试样8在水平方向上产生微米级振幅的超声频率振动。

参阅图8与图9所示，第一实施例与第二实施例的工作原理不同之处表现在摩擦副接触方式的不同。第一实施例中，上试样8振动方向与施加压力方向平行，垂直于下试样7运动平面；第二实施例中，上试样8振动方向与施加压力方向垂直，平行于下试样7运动平面。

本发明的测试过程如下：

1．被测下试样7在进行超声振动下的摩擦磨损测试前，摩擦表面需通过抛光处理得到较好的表面光洁度，然后将下试样7装夹在下试样安装台9上。

2．控制电动位移台3下降，使上试样8与下试样7接触，并施加一定压力，通过三轴力传感器4的Y轴读数控制施加压力的大小。

3．接通超声波电源，使上试样8产生微米级振幅的超声频率振动，并可通过超声波电源设置功率以及振动频率大小。

4．启动直流电机10，并设定好一定运动速度，进行摩擦试验。

5．采集并输出摩擦力信号。

6．一定时间后，停止直流电机10运转，关闭超声波电源。控制电动位移台3上升，使上试样8与下试样7分离，把下试样7从下试样安装台9上卸下，进一步借助相关仪器分析下试样7表面磨痕情况。

Claims (3)

1.一种超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置，其特征在于：是由主运动单元、加载单元和测力单元组成；

所述的主运动单元包括基座（1）、直流电机支架（11）、直流电机（10）、下试样安装台（9），直流电机支架（11）固定在基座（1）上，直流电机（10）通过法兰面上的通孔固定安装在直流电机支架（11）上，下试样安装台（9）与直流电机输出轴连接；所述的下试样安装台（9）的旋转台（29）与直流电机（10）输出轴连接，下试样（8）以中心孔定位装在旋转台（29）心轴上，下试样（8）随旋转台（29）一起旋转，与上试样（7）组成摩擦副；

所述的加载单元包括电动位移台固定架（2），电动位移台（3），压电超声换能器固定架（5）和压电超声换能器（6），电动位移台固定架（2）为直角形结构件，由互相垂直的竖直板和水平板、设在竖直板和水平板之间的肋板组成，电动位移台固定架（2）通过水平板上的安装孔装配在基座（1）上，电动位移台（3）通过底板（22）装配在电动位移台固定架（2）上，三轴力传感器（4）安装在电动位移台（6）的滑台（18）上，压电超声换能器固定架（5）安装在三轴力传感器（4）上，压电超声换能器（6）底部的上试样（7）位于下试样（8）上方，上试样（7）能与下试样（8）接触；

所述的电动位移台（3）由步进电机支架（13）、步进电机（14）、弹性联轴器（15）、第一梯形丝杠支座（16）、梯形丝杠（17）、滑台（18）、第一导轨（19）、第二梯形丝杠支座（20）、第二导轨（21）和底板（22）组成，底板（22）安装在电动位移台固定架（2）的竖直板上，步进电机支架（13）装配在底板（22）一端，步进电机（14）安装在步进电机支架（13）上，通过弹性联轴器（15）与梯形丝杠（17）连接，梯形丝杠（17）套装在第一梯形丝杠支座（16）和第二梯形丝杠支座（20）之间；第一导轨（19）和第二导轨（21）分别平行于梯形丝杠（17）固定安装在底板两侧，滑台（18）套装在梯形丝杠（17）、第一导轨（19）和第二导轨（21）上，构成丝杠螺母副；步进电机（14）的旋转运动通过丝杠螺母副驱动滑台（18）沿梯形丝杠（17）轴向的直线运动，带动压电超声换能器（6）升降；当步进电机（14）工作在力矩模式时，步进电机（14）输出的扭矩通过梯形丝杆（17）的丝杠螺母副转化为滑台（18）的轴向压力，进而使安装在压电超声换能器（6）底部的上试样（7）与下试样（8）接触并对下试样（8）施加压力；

所述的压电超声换能器（6）包括预紧螺栓（23）、后盖板（24）、电极（25）、压电陶瓷（26）和前盖板（27），前盖板（27）前部为圆锥形结构，后部法兰面上沿圆周方向均匀布置四个通孔，通过螺钉与压电超声换能器固定架（5）联结，使压电超声换能器（6）随滑台（18）升降，预紧螺栓（23）贯穿后盖板（24）和压电陶瓷（26）中心孔，旋入前盖板（27）上端的螺纹孔中，从而紧固压电陶瓷（26），电极（25）交替焊接在压电陶瓷（26）之间，与超声波电源采用电线连接；当接入超声波电源时，压电陶瓷（26）产生纵向的伸缩振动，通过前盖板（27）的聚能作用，促使安装在前盖板（27）前端面的下试样（7）产生微米级振幅的超声频率振动；

所述的上试样（7）前端加工成半球型，中部为锥形结构，后端面加工出具有莫氏锥度的外圆锥结构，外圆锥与压电超声换能器（6）的前盖板（27）前部的具有莫氏锥度的内圆锥过盈配合。

2.根据权利要求1所述的一种超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置，其特征在于：压电超声换能器（6）通过法兰面的安装孔装配在压电换能器固定架（5）的水平板上。

3.根据权利要求1所述的一种超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置，其特征在于：所述的与三轴力传感器（4）相连的压电超声换能器固定架（5）为直板型结构件，压电超声换能器（6）水平安装在压电超声换能器固定架（5）上，上试样（8）安装在压电超声换能器（6）前部，压电超声换能器（6）的前盖板（27）前部上下均为扁平结构，下扁平面具有莫氏锥度的内圆锥，与上试样（7）后端面上的外圆锥过盈配合，上试样（7）的轴线与压电超声换能器（6）轴线垂直；当压电超声换能器（6）接上超声波电源时，上试样（8）在水平方向上产生微米级振幅的超声频率振动。

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