CN105890984A - 一种接触式实时测磨损量的实验装置 - Google Patents

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刘麟
张志臣
詹普杰
王鸣
王一鸣
柯庆航
谈新彦
魏磊
张凡介
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Abstract

一种接触式实时测磨损量的实验装置。擦磨损在我们的日常生活中随处可见，它的存在既有利又有弊，如果能够很好的理解并掌握材料真实的摩擦磨损机理，可以避免巨大的社会财富浪费甚至可以引领一个产业的进步，所以对材料摩擦学性能的研究具有十分重要的意义。为此提出了一种结构简单、经济方便、环境适应性强的接触式实时估测磨损率的实验装置。通过该装置改进后的摩擦磨损试验机，可以建立摩擦力与磨损量之间的对应关系，从而通过实验中测得的实时摩擦力直接求得实时磨损率。

Description

一种接触式实时测磨损量的实验装置
所属技术领域
本发明涉及一种使用接触式实时测量磨损量的实验装置。属于摩擦学领域。
背景技术
摩擦磨损在我们的日常生活中随处可见，它的存在既有利又有弊，如果能够很好的理解并掌握材料真实的摩擦磨损机理，可以避免巨大的社会财富浪费甚至可以引领一个产业的进步，所以对材料摩擦学性能的研究具有十分重要的意义。
随着现代科学技术的发展以及电子显微镜和各种材料表面微观分析仪器的商品化和广泛使用，摩擦学探究正朝着广度和深度发展。摩擦磨损试验机作为研究材料摩擦学性能的关键设备，它的创新与发展往往能为整个摩擦学领域带来许多意想不到的科学发现。而对材料磨损量的测量，以往采用称重法，以获得试样实验前后总的磨损量。但这种方法无法获得实验过程中磨损率的变化。科学技术的进步使得磨损量的测量取得了许多突破性的进展，例如德国科学家使用放射性核素技术对实验过程中的磨损量进行实时测量，虽然是实验结果精度非常高，但对于一般性院校，研究所和企业想要进行这样的实验或者购买这样的试验机是非常昂贵的。为此提出了一种接触式实时测量磨损率的实验装置，结构简单、经济方便、环境适应性强。
发明内容
本发明所解决的技术问题为提出一种结构简单，经济方便并且能实时测量摩擦磨损实验过程中磨损率的实验装置。
本发明是采取以下技术方法来实现的。
其基本原理是：通过图1装置，在实验前施加负载使夹具处于压紧状态，随着磨痕深度的加大，销向下嵌入磨损材料内部也就越深，相应的原先处于压紧状态的夹具下端会逐渐放松。因此夹具下端的变形位移差即是材料磨痕深度的变化值，相应的由于夹具变形所产生的力也会去变化，并且与夹具下端的变形位移差间存在对应关系，也就是说变形力与磨痕深度间存在一一对应。从而可以通过实验中测得的实时摩擦力直接算出实时磨损率。
如图1所示，该实验设备主要由光学纤维传感器(FOS)、位移测量镜、特制夹具和销组成。根据光学纤维传感器的工作原理可知，FOS充当发射光源与接收器，与位移测量镜一起用于测量特制夹具弹性下端的变形位移量。通过FOS发出经位移测量镜反射的光线回到FOS所用的时间不同得到夹具下端的变形位移量。特制夹具由固定上端架和弹性下端组成。上端架固定不动，弹性下端可以随着与其相连销的上下移动产生弹性变形。根据胡克弹性定律，不同的弹性变形对应不同的弹性力。通过人为施加一组已知力F(可以通过砝码施加)，可以得到一组力与夹具上下端间的距离L对应数据，进而通过数值拟合得到力F与间距L间的函数关系为(1)，K为弹性材料已知比例常数。
F＝K·L (1)
另外，由于销连接夹具弹性下端，因此夹具下端变形力即为实验中作用在基体材料上法向摩擦力Fn。因此可以通过实验中测得的法向摩擦力变化量ΔFn求得对应的夹具下端间的位移变化量ΔL，而Δh＝ΔL。所以ΔFn＝K·Δh。因为磨痕截面为矩形并且磨痕宽度d、长度S和材料密度ρ都可以测量得到。质量m＝V·ρ其中V为体积。因此建立磨损量与磨痕深度之间的对应关系：Δmn＝d·S·ρ·Δh，其中Δh＝hn-hn-1，hn-1和hn为第n-1和第n次循环磨痕深度。进而可以得到磨损量与法向力Fn间的关系式为公式(2)。
Δm n = d · S · ρ · Δ h = d · S · ρ · ( 1 K ) · ΔF n - - - ( 2 )
附图说明
图1是实时磨损量测量装置原理图(其中1为夹具上端面(FOS)，2为夹具下端面(位移测量镜)，3为夹具，4为销，5为基体材料。)；
图2是实时摩擦力；
图3是力与间距关系图；
图4是实时磨损量。
具体实施方式
已知实验测得摩擦力F如图2所示通过F＝K·L，(图3)所示，其中通过数据拟合可知K为-0.297。磨痕宽度d＝3×10-3m；磨痕长度S为0.24m；材料密度8.596128kg×103kg/m3；根据磨损量与摩擦力之间的对应关系：单位为mg。可以求得第n次循环时对应的磨损量如图4所示。
通过图4我们可以看到在3-13次循环间，材料发生严重磨损，之后磨损进入相对稳定的状态。另外，在第23次循环后材料磨损量增大，但较3-13次循环处的磨损量小。
因此，本专利所发明的接触式实时测量磨损量的实验装置是行之有效的。

Claims (2)

1.本方法是一种简单、经济、方便的接触式实时测磨损量的实验装置。本发明由纤维传感器、位移测量镜夹具和销组成，在保留了原有销盘式试验机工作适应性强、经济成本低的基础上，通过对夹具的简单设计改进可以求得实验过程中的实时磨损量。从而可以探究材料摩擦磨损实验过程中的摩擦学性能。
2.根据权利要求1要求所述的用于实时测磨损量的实验装置，使用实时摩擦力与磨损量间的对应关系测量实时磨损量的计算方法。
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