CN107101902B - 一种微动摩擦试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微动摩擦试验机，包括工作台、施力机构、上夹具机构、下夹具机构、振动机构、显示屏和三维传感器，施力机构包括下压板、立柱和驱动组件；上夹具机构为夹爪结构，上夹具机构设于下压板的下方且与下压板的底部可拆卸相连；下夹具机构包括温变湿变自适应盒、应力应变片、固定橡胶圈和固定球；振动机构包括激振器、压电晶体、X轴滑轨、滑动块和导杆。本发明结构简单，故障率低，易于制造，实现了压力的稳定施加和自动调节，实现了双向的常规振动与微振动的叠加复合振动模式，并能将微动摩擦实验的输入控制和输出结果的实时显示。

Description

一种微动摩擦试验机

技术领域

本发明涉及试验设备领域，特别涉及到一种微动摩擦试验机。

背景技术

在工业中，微动损伤是普遍存在的。在紧密连接的部件之间，由于机械的不断工作，对于部件会施加一个交变载荷，使接触表面间发生振幅非常小的相对运动，也就是微动。由于微动的存在，经过长时间的工作，就会产生微动损伤。随着现代高科技领域对于精度寿命可靠性的要求越来越高，同时工况条件愈发苛刻，微动损伤造成的危害变得不可忽略。微动损伤已经成为一些关键零部件失效的主要原因，有工业癌症之称。因此需要设计一种微动试验装置来模拟摩擦磨损过程，以进行损伤机理及防护评价研究，考察材料的力学性能和失效规律。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种微动摩擦试验机，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种微动摩擦试验机，包括工作台以及设于工作台上的施力机构、上夹具机构、下夹具机构、振动机构和显示屏，施力机构包括下压板和立柱，立柱有四根且分别穿设于下压板的四个角上，还包括用于带动下压板沿立柱的长度方向上下滑动的驱动组件；上夹具机构为夹爪结构，上夹具机构设于下压板的下方且与下压板的底部可拆卸相连，上夹具机构和下压板之间设有三维传感器；下夹具机构设于上夹具机构的下方，下夹具机构包括温变湿变自适应盒、应力应变片和固定橡胶圈，温变湿变自适应盒的顶部开口且内部空腔，应力应变片设于温变湿变自适应盒的外侧，固定橡胶圈的一端与应力应变片相连，另一端穿过温变湿变自适应盒的侧壁伸入温变湿变自适应盒中，温变湿变自适应盒内的底面上设有若干可自由转动的固定球；振动机构包括激振器、压电晶体、X 轴滑轨、滑动块以及横向设于X轴滑轨上方的导杆，滑动块套设于导杆上并可沿导杆的延伸方向自由滑动，滑动块一侧的导杆上还设有振动块，振动块的底部设于X轴滑轨上，激振器设于X轴滑轨的一侧且其输出端与振动块相连；滑动块上设有Y轴滑轨和下夹具固定板，下夹具固定板设于Y轴滑轨上并可沿Y 轴滑轨的延伸方向自由滑动，压电晶体有两个且分别设于下夹具固定板的两侧，温变湿变自适应盒设于下夹具固定板上，且与下夹具固定板可拆卸相连。

进一步的，所述驱动组件包括升降丝杠、安装板以及驱动升降丝杠转动的步进电机，安装板设于下压板的上方且与立柱固定相连；步进电机固定设于安装板上，步进电机的输出端与升降丝杠传动相连；升降丝杠为滚珠丝杠，升降丝杠上套设有滚珠螺母，下压板与滚珠螺母固定相连；下压板的四个角上分别开设有穿孔，穿孔中分别设有直线滑动轴承，四根立柱分别与对应的直线滑动轴承相连。

进一步的，所述安装板和下压板之间设有缓冲件，缓冲件包括压缩弹簧和阻尼器，压缩弹簧的两端分别与安装板和下压板相连，阻尼器穿设于压缩弹簧中。

进一步的，所述X轴滑轨的两端分别设有支座，导杆的两端分别架设于两侧的支座上。

进一步的，所述上夹具机构包括上顶板、调节块、螺纹杆、固定架和三个夹持爪，下压板的底部设有上夹具固定板，上顶板与上夹具固定板可拆卸相连，调节块设于上顶板的底部，调节块为圆台结构，且其顶部的截面大于其底部的截面，螺纹杆的顶部与调节块的底部固定相连，固定架套设于螺纹杆上且与螺纹杆螺纹相连，固定架的外壁上设有开三个豁口，三个夹持爪分别设于对应的豁口中，夹持爪的两侧与固定架可转动相连，夹持爪外套设有限位橡胶圈。

进一步的，所述温变湿变自适应盒的两侧的底部分别设有与Y轴滑轨上的滑槽相适应的滑动滚轮。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明利用激振器和压电晶体作为振动驱动，分别提供了常规振动和微振动，即双向的叠加符合振动模式，操作简单，减小了实验结果的误差，实验精度高；通过非标件制造出的施力机构结合三维传感器进行数据的采集，简化实验过程，提高实验结果的精确性和稳定性；通用的上夹具机构和下夹具机构的设计，使得本发明可适用于多种接触形式下的实验环境，大大提高了适用范围；多向符合振动的叠加使得复杂振动的模拟成为可能。

本发明实现了压力的稳定施加和自动调节，实现了双向的常规振动与微振动的叠加复合振动模式，实现了微动摩擦实验的输入控制和输出结果的实时显示功能。整个装置结构简单，故障率低，易于制造，利于投入生产；同时可更换不同实验试样，实现了试验机的通用性和普适性。

附图说明

图1为本发明所述的微动摩擦试验机的结构示意图。

图2为本发明所述的施力机构的结构示意图。

图3为本发明所述的上夹具机构的结构示意图。

图4为本发明所述的下夹具机构的结构示意图。

图5为本发明所述的振动机构的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1～图5，本发明所述的一种微动摩擦试验机，包括工作台10以及设于工作台10上的施力机构20、上夹具机构30、下夹具机构40、振动机构50和显示屏60。显示屏60用于输出信息的采集和实时测量显示。施力机构20包括下压板21和立柱22，立柱22有四根且分别穿设于下压板21的四个角上，还包括用于带动下压板21沿立柱的长度方向上下滑动的驱动组件。

上夹具机构30为夹爪结构，上夹具机构30设于下压板21的下方且与下压板21的底部可拆卸相连。上夹具机构30和下压板21之间设有三维传感器，以测量输出x、y、z三向的受力情况。

下夹具机构40设于上夹具机构30的下方，下夹具机构40包括温变湿变自适应盒41、应力应变片42和固定橡胶圈43。温变湿变自适应盒41的顶部开口且内部空腔，应力应变片42设于温变湿变自适应盒41的外侧。固定橡胶圈43 的一端与应力应变片42相连，另一端穿过温变湿变自适应盒41的侧壁伸入温变湿变自适应盒41中。通过应力应变片42带动固定橡胶圈43在温变湿变自适应盒41伸缩，温变湿变自适应盒41为矩形结构，通过四周的固定橡胶圈43伸向温变湿变自适应盒41的中心从而对试样进行抵住固定，可通过螺栓件对应力应变片42的位置进行固定。温变湿变自适应盒41内的底面上设有若干可自由转动的固定球44，试验时将试样设于固定球44上较直接置放于温变湿变自适应盒41的底面上可大大减少试样与接触面的相对摩擦，提高了试验的准确度。温变湿变自适应盒41用于承载下试样，通过下固定橡胶圈43限制下试样在x，y 轴的自由度，通过固定球44在z向支撑下试样。

振动机构50包括激振器51、压电晶体52、X轴滑轨53、滑动块54以及横向设于X轴滑轨53上方的导杆55。滑动块54套设于导杆55上并可沿导杆55 的延伸方向自由滑动。滑动块54一侧的导杆55上还设有振动块56，振动块56 的底部设于X轴滑轨53上。激振器51设于X轴滑轨53的一侧且其输出端与振动块56相连。滑动块54上设有Y轴滑轨57和下夹具固定板58。下夹具固定58板设于Y轴滑轨57上并可沿Y轴滑轨57的延伸方向自由滑动。压电晶体52有两个且分别设于下夹具固定板58的两侧，用于驱动下夹具固定板58产生微动。温变湿变自适应盒41设于下夹具固定板58上，温变湿变自适应盒41 的底部设有螺纹连接孔，通过连接螺栓与下夹具固定板58可拆卸相连。滑动块 54通过激振器51驱动产生常规振动，沿导杆55做直线运动，滑动块54和X 轴滑轨53的直线运动副也保证了常规振动的往复运动方向。

驱动组件包括升降丝杠231、安装板232以及驱动升降丝杠231转动的步进电机233，安装板232设于下压板21的上方且与立柱22固定相连。步进电机 233固定设于安装板232上，步进电机233的输出端与升降丝杠231传动相连。升降丝杠231为滚珠丝杠，升降丝杠231上套设有滚珠螺母，下压板21与滚珠螺母固定相连。下压板21的四个角上分别开设有穿孔，穿孔中分别设有直线滑动轴承24，四根立柱22分别与对应的直线滑动轴承24相连，立柱22通过直线滑动轴承24控制运动方向。

安装板232和下压板12之间设有缓冲件，缓冲件包括压缩弹簧251和阻尼器252。压缩弹簧251的两端分别与安装板232和下压板21相连，阻尼器252 穿设于压缩弹簧251中。步进电机233带动下压板21开始运动时，压缩弹簧251 和阻尼器252构成对步进电机233的闭环控制以保证压力的稳定施加，同时带动上夹具机构30竖直向下运动。

X轴滑轨53的两端分别设有支座59，导杆55的两端分别架设于两侧的支座59上。

上夹具机构30包括上顶板31、调节块32、螺纹杆33、固定架34和三个夹持爪35。上顶板31为非标定制板，下压板21的底部设有上夹具固定板36，上顶板31与上夹具固定板36可拆卸相连，可通过螺栓件进行螺纹连接。调节块 32设于上顶板31的底部，调节块32为圆台结构，且其顶部的截面大于其底部的截面。螺纹杆33的顶部与调节块32的底部固定相连，固定架34套设于螺纹杆33上且与螺纹杆33螺纹相连。固定架34的外壁上设有开三个豁口，三个夹持爪35分别设于对应的豁口中。可在夹持爪35底部的内壁上设置橡胶层，不仅防滑而且避免对样件划伤。夹持爪35的两侧与固定架34可转动相连，夹持爪35外套设有限位橡胶圈37。通过调节调节块32与夹持爪35的接触配合来放进或取出球状上试样，该接触配合通过限位橡胶圈37，每个夹持爪35的内壁上均有螺纹固定的旋转自由度，且该自由度同样由限位橡胶圈37。使用的过程中，通过固定架34和螺纹杆33的相对旋转可带动夹持爪35升降，夹持爪35上升时其底部与调节块32的侧壁碰触，由于调节块32的顶部的截面大于其底部的截面，因此三个夹持爪35越往上其顶部之间的间距越大，从而其底部的间距变小对样件进行抓取抓紧；同理，夹持爪35相对螺纹杆33下降时，三个夹持爪 35底部的间距变大对样件松开，通过限位橡胶圈37可确保三个夹持爪35的夹紧度和松开度，使对样品的放进或取出更加可靠。当然，上夹具机构30并不限于上述结构，只要能将样件有效抓取和松开的结构均适用于此，可以是机械手结构。

温变湿变自适应盒41的两侧的底部分别设有与Y轴滑轨57上的滑槽相适应的滑动滚轮45。滑动滚轮45与Y轴滑轨57滚动接触配合，以控制下夹具固定板58使下夹具机构40做定向的直线微振动，同时滚动摩擦副可以减少摩擦因素对实验结果的影响。

本发明使用的过程中，通过夹持爪35将试样抓取并放入到固定球44上，通过激振器51、压片晶体52产生常规振动和微振动，通过X轴滑轨53、导杆 55、Y轴滑轨57以及升降丝杠231的调节配合来控制样件在x、y、z三向上的受力，通过三维传感器可检测x、y、z三向上样件的受力情况，并通过显示屏 60实时显示微动摩擦实验输入控制和输出摩擦测试数据，使用十分方便。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种微动摩擦试验机，其特征在于：包括工作台以及设于工作台上的施力机构、上夹具机构、下夹具机构、振动机构和显示屏，施力机构包括下压板和立柱，立柱有四根且分别穿设于下压板的四个角上，还包括用于带动下压板沿立柱的长度方向上下滑动的驱动组件；上夹具机构为夹爪结构，上夹具机构设于下压板的下方且与下压板的底部可拆卸相连，上夹具机构和下压板之间设有三维传感器；下夹具机构设于上夹具机构的下方，下夹具机构包括温变湿变自适应盒、应力应变片和固定橡胶圈，温变湿变自适应盒的顶部开口且内部空腔，应力应变片设于温变湿变自适应盒的外侧，固定橡胶圈的一端与应力应变片相连，另一端穿过温变湿变自适应盒的侧壁伸入温变湿变自适应盒中，温变湿变自适应盒内的底面上设有若干可自由转动的固定球；振动机构包括激振器、压电晶体、X轴滑轨、滑动块以及横向设于X轴滑轨上方的导杆，滑动块套设于导杆上并可沿导杆的延伸方向自由滑动，滑动块一侧的导杆上还设有振动块，振动块的底部设于X轴滑轨上，激振器设于X轴滑轨的一侧且其输出端与振动块相连；滑动块上设有Y轴滑轨和下夹具固定板，下夹具固定板设于Y轴滑轨上并可沿Y轴滑轨的延伸方向自由滑动，压电晶体有两个且分别设于下夹具固定板的两侧，温变湿变自适应盒设于下夹具固定板上，且与下夹具固定板可拆卸相连。

2.根据权利要求1所述的微动摩擦试验机，其特征在于：所述驱动组件包括升降丝杠、安装板以及驱动升降丝杠转动的步进电机，安装板设于下压板的上方且与立柱固定相连；步进电机固定设于安装板上，步进电机的输出端与升降丝杠传动相连；升降丝杠为滚珠丝杠，升降丝杠上套设有滚珠螺母，下压板与滚珠螺母固定相连；下压板的四个角上分别开设有穿孔，穿孔中分别设有直线滑动轴承，四根立柱分别与对应的直线滑动轴承相连。

3.根据权利要求2所述的微动摩擦试验机，其特征在于：所述安装板和下压板之间设有缓冲件，缓冲件包括压缩弹簧和阻尼器，压缩弹簧的两端分别与安装板和下压板相连，阻尼器穿设于压缩弹簧中。

4.根据权利要求1所述的微动摩擦试验机，其特征在于：所述X轴滑轨的两端分别设有支座，导杆的两端分别架设于两侧的支座上。

5.根据权利要求1所述的微动摩擦试验机，其特征在于：所述上夹具机构包括上顶板、调节块、螺纹杆、固定架和三个夹持爪，下压板的底部设有上夹具固定板，上顶板与上夹具固定板可拆卸相连，调节块设于上顶板的底部，调节块为圆台结构，且其顶部的截面大于其底部的截面，螺纹杆的顶部与调节块的底部固定相连，固定架套设于螺纹杆上且与螺纹杆螺纹相连，固定架的外壁上设有开三个豁口，三个夹持爪分别设于对应的豁口中，夹持爪的两侧与固定架可转动相连，夹持爪外套设有限位橡胶圈。

6.根据权利要求1所述的微动摩擦试验机，其特征在于：所述温变湿变自适应盒的两侧的底部分别设有与Y轴滑轨上的滑槽相适应的滑动滚轮。