CN111638126A - 一种测试橡胶材料摩擦自激振动的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种橡胶材料摩擦自激振动测试装置及橡胶材料表面摩擦性能测试方法。所述装置包括基座、龙门架、速度动力驱动装置、施加压力装置、承载橡胶器具和高速摄像装置；其特征在于：龙门架的两端安装在基座上，速度动力驱动装置的一端安装在基座上，施加压力装置的一端安装在龙门架上，另一端置于承载橡胶的承载器具上，施加橡胶在不同情况下所需的力，速度动力驱动装置带动承载橡胶器具运动。通过调节伺服电机的扭矩来控制橡胶在滑行中所需的速度，通过调节伸缩电机的扭矩来控制对橡胶施加的压力，三维力传感器可以实时测量橡胶所受的压力以及在滑动过程中所受到的摩擦力和侧向力。

Description

一种测试橡胶材料摩擦自激振动的实验装置
技术领域
本发明涉及一种测试橡胶材料摩擦自激振动的实验装置平台，属于材料力学性能测试技术领域。
背景技术
人类生活和生产中各种构造不同、功能各异的机械装备均由若干通过相互接触连接在一起的零件组合而成。橡胶零件作为其中一个重要组成部分，与硬质材料接触摩擦时会发生自激振动现象，如轮胎胎面、汽车橡胶雨刮器、动密封橡胶圈和人工关节等。摩擦振动会造成材料异常磨损，结构失稳，密封泄露和噪音等不良后果，严重影响机械的使用性能和寿命，同时造成环境污染。因此，摩擦振动特性是橡胶材料开发过程中必须测试的重要性能指标之一。
然而现有的橡胶摩擦测试装置只关注测量摩擦系数，无法同时获取橡胶材料摩擦振动过程中接触面与侧向面的变形情况，这不利于分析橡胶材料摩擦振动的产生原因，已公布的专利CN201810396062.7使用L型臂结构连接传感器，摩擦时L形臂极易发生变形，造成测试结果不准确，该专利使用3个一维传感器进行力的测量，需要3套采集装置，不仅造成仪器结构复杂，增大成本，很难实现3个传感器同步测量，不利于数据分析，而且不能获得与滑动方向和施加压力方向平面垂直方向的力的变化，不能用于表面有划痕的橡胶材料摩擦振动测量。同时传统橡胶材料摩擦测试装置通过手动位移台来控制施加的压力，存在误差较大，实验精度低的缺点。因此，需要提供一种结构简单、稳定、高精度、成本低和可测3向力(摩擦力、侧向力和法向力)的测试橡胶材料摩擦自激振动的实验装置平台，更好的测试橡胶材料的实际摩擦振动特性。
发明内容
本发明主要解决现在存在的问题，提供一种结构简单、稳定、高精度、成本低和可测3向力的测试橡胶材料摩擦自激振动的实验装置平台，更好的测试橡胶材料的实际摩擦振动特性。本装置不仅测试橡胶材料摩擦过程中3个方向力的振动，还采用两台高速摄像机分别记录橡胶接触面与侧面的变形情况。另外，该装置只采用一台三维力传感器，同时用龙门架结构和电动位移台，不仅减少了测试程序，提高了测试精度，还大大节约了实验装置的成本。
本发明解决上述所存在问题的技术方案是：
一种橡胶材料摩擦自激振动测试装置，包括基座、龙门架、速度动力驱动装置、施加压力装置、承载橡胶器具和高速摄像装置；龙门架的两端安装在基座上，速度动力驱动装置的一端安装在基座上，施加压力装置的一端安装在龙门架上，另一端置于承载橡胶的承载器具上，施加橡胶在不同情况下所需的力，速度动力驱动装置带动承载橡胶器具运动。
进一步的，所述施加压力装置具有调节对橡胶的施加压力的伸缩电机。施加压力装置上安装有三维力传感器，将玻璃半球固定在三维力传感器上，通过三维力传感器来检测对橡胶施加的压力。
进一步的，所述承载橡胶器具安装在双导轨滑轨上，双导轨滑轨设置在基座上。所述速度动力驱动装置通过驱动连接装置带动承载橡胶器具运动。所述承载橡胶器具包括带有长方形空心槽结构的阶梯式铝合金板，将玻璃板铺进阶梯式铝合金板中，从而把橡胶块放在玻璃上面进行试验。测试时橡胶的3向力振动传递给玻璃半球，通过三维力传感器记录下来。
将所述两台高速摄像机分别设置在玻璃板下和玻璃板一侧，实时记录橡胶块与玻璃板接触面和侧面的变化。
本发明还要求一种橡胶材料表面摩擦性能测试方法，利用上述的橡胶材料表面摩擦性能测试装置进行测试，包括如下步骤：
通过施加压力装置调节对所要测试的橡胶块施加压力的大小，通过三维力传感器检测对橡胶块施加的压力；
所述速度动力驱动装置带动承载橡胶器具运动，从而带动橡胶块运动；
通过三维力传感器实时记录橡胶材料摩擦时的3向力振动；
通过两台高速摄像机实时记录橡胶块与玻璃板接触面和侧面的变化。
一种测试橡胶表面力学性能的实验装置，包括基座、龙门架、橡胶承载器具、玻璃半球、三维力传感器、速度动力驱动装置、双导轨滑轨、高速摄像机和施加压力装置，将承载橡胶的承载器具固定在滑轨上，速度动力驱动装置、龙门架和双导轨滑轨固定在实验平台上，保持装置的水平，以便测试橡胶在水平速度的情况下的力学性能；施加压力装置一端安装在龙门架上，另一端放在承载橡胶的承载器具上，施加橡胶在不同情况下所需的力；三维力传感器与玻璃半球相连并固定在施加压力装置上，实时测量橡胶受力数据；支架使用铝合金搭建而成，实验平台也使用铝合金，表面光滑水平，确保工作台保持水平。
本发明中所描述的速度动力驱动装置包括直线导轨、伺服电机和连接承载橡胶器具的连接装置，将伺服电机固定在直线导轨的一端，直线导轨上有一螺旋直杆，固定在伺服电机上，螺旋直杆上放置一块连接橡胶承载器具的连接装置，当伺服电机转动时，螺旋杆旋转就会带动连接装置的运动，这样就会带动橡胶承载装置的运动，给橡胶承载装置水平的运动速度，于是固定在橡胶承载装置上的橡胶便有了水平速度。
本发明中所述的橡胶承载器具包括一个带有长方形空心槽结构的阶梯式铝合金板(空心，如图所示)、有机玻璃板；带有长方形空心槽结构的阶梯式铝合金板固定在双导轨滑轨上，双导轨滑轨必须保持平行，有机玻璃板放在阶梯式铝合金板上，橡胶放置在有机玻璃板上，这样可以实时的测量橡胶在滑动过程中的摩擦力。
本发明中所述施加压力装置包括半螺旋实心圆杆和伸缩电机。将龙门架固定在基座上，所述伸缩电机固定在龙门架上，所述半螺旋实心圆杆螺旋的一端与伸缩电机相连，半螺旋实心圆杆的另一端设置三维力传感器，将玻璃半球固定在三维力传感器上。
具体的，在实心圆杆的另一端圆心处钻一个螺母孔，将三维力传感器用螺母固定在实心圆杆上，再将玻璃半球固定在三维力传感器上，从而可以通过启动伸缩电机来控制所需施加的压力，并通过三维力传感器实时测量对橡胶的压力。
本发明中的观测材料表面变化现象的装置：主要是用高速摄像机，将一台高速摄像机放在加压装置的正下方，通过实验平台的长方形孔和有机玻璃板对橡胶接触面进行拍摄记录工作，另一台高速摄像机放在玻璃板的侧方，直接对橡胶侧面进行拍摄记录，通过高速摄像机可以实时记录下材料与玻璃板接触面以及侧面的变化现象。
本发明在实验时，通过调节伺服电机的扭矩来控制橡胶在滑行中所需的速度，通过调节伸缩电机的扭矩来控制对橡胶施加的压力，三维力传感器可以实时测量橡胶所受的压力以及在滑动过程中所受到的摩擦力和侧向力，这些数据可以实时的传输到计算机上进行记录、处理。该实验装置通过分析坚硬半球体在橡胶上摩擦时的自激振动行为，可以把实验的分析结果应用于橡胶材料的力学行为，通过有限元模拟出橡胶在不同半球体压力滑动下的力学性能。该装置简单、高效、成本低，测试的实验数据精确，可以按照自己所需的要求准确的测量不同速度、不同压力下的橡胶的力学性能。
附图说明
图1是本发明的橡胶材料表面摩擦性能测试装置的结构示意图。
图2是本发明的摩擦性能测试装置的动力驱动装置。
图3是本发明的摩擦性能测试装置的施加压力装置。
图4是本发明摩擦性能测试装置中的橡胶承载器具。
图5是本发明摩擦性能测试装置的三维结构示意图。
附图标记：基座1；伺服电机2；高速摄像机3；高速摄像机4；双导轨滑轨5；伸缩电机6；半螺旋实心圆杆7；龙门架8；螺杆9；驱动连接装置10；螺钉11；三维力传感器12；玻璃半球13；有机玻璃板14；阶梯式铝合金板15；纵板16。
具体实施方式
为了使本发明所述的橡胶材料表面摩擦性能测试装置及测试方法的技术方案更加清楚明白，下面结合附图1-5和具体实施方式对本方明中的技术方案进行进一步的描述。
如图所示的一种测试橡胶表面力学性能的实验装置，包括基座1、伺服电机2、驱动连接装置10、双导轨滑轨5、施加压力装置、承载橡胶器具和高速摄像装置，将伺服电机2和螺杆9连接在一起，再将驱动连接装置10固定在螺杆上，这样伺服电机2工作时就会带动螺杆9转动，然后驱动连接装置10就会运动，将承载橡胶的器具通过两个螺钉11和铝合金板组装成的空心槽上的纵板16连接，铝合金板组装成的空心槽固定在双导轨滑块上，驱动连接装置运动就会带动承载橡胶器具在双导轨滑轨5上面进行运动，这就会给橡胶一个恒定的速度向前运动。
承载橡胶器具是将带有长方形空心槽结构的阶梯式铝合金板15固定在双导轨滑轨5上，双导轨滑轨必须保持平行，有机玻璃板14放在阶梯式铝合金板15上，从而能够把橡胶块放在玻璃板上面进行试验，将高速摄像机3放在玻璃板下面进行橡胶接触面变化的实时记录，摩擦力、侧向力和法向力振动会传递玻璃半球13，最后通过三维力传感器12记录下来。
该装置的加压装置如图3所示，我们可以将龙门架8固定在实验台面上，伸缩电机6固定在龙门架8上，将半螺旋实心圆杆7螺旋的一端与伸缩电机6相连，同时将三维力传感器12用螺母固定在半螺旋实心圆杆7的另一端上，再将玻璃半球13固定在三维力传感器上，这样我们就可以通过调节伸缩电机来控制所需施加的压力，当我们调节伸缩电机6时，半螺旋实心圆杆7就会上下移动，我们可以通过三维力传感器12来观察对橡胶施加了多大的压力。
本发明在使用时，首先将橡胶放在承载器具中，然后调节伸缩电机6来控制对橡胶所要施加的压力，最后通过伺服电机2给橡胶一个恒定的速度，让驱动连接装置在螺杆9上做往复运动，带动承载器具在双导轨滑轨5上面运动，通过两台高速摄像机3分别记录下橡胶接触面与侧面的变化情况，再通过三维力传感器12测量橡胶受力的数据，可测橡胶与玻璃半球之间的摩擦力、切向力和法向力，并传给计算机或与之相连接的存储器上进行记录、处理。本发明结构简单、使用方便，可精确的测量橡胶的摩擦振动特性和变形情况，为橡胶材料的开发提供精确的参考数据。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种橡胶材料摩擦自激振动测试装置，包括基座、龙门架、速度动力驱动装置、施加压力装置、承载橡胶器具和高速摄像装置；其特征在于：所述龙门架的两端安装在基座上，速度动力驱动装置的一端安装在基座上，施加压力装置的一端安装在龙门架上，另一端置于承载橡胶的承载器具上，施加橡胶在不同情况下所需的力，速度动力驱动装置带动承载橡胶器具运动。
2.根据权利要求1所述的橡胶材料摩擦自激振动测试装置，其特征在于：所述施加压力装置具有调节对橡胶的施加压力的伸缩电机，施加压力装置上安装有三维力传感器，将玻璃半球固定在三维力传感器上，通过三维力传感器来检测对橡胶施加的压力。
3.根据权利要求1所述的橡胶材料摩擦自激振动测试装置，其特征在于：所述承载橡胶器具包括带有长方形空心槽结构的阶梯式铝合金板，将玻璃板铺进阶梯式铝合金板中，从而把橡胶块放在玻璃上面进行试验。
4.根据权利要求1-3任一项所述的橡胶材料摩擦自激振动测试装置，其特征在于：所述承载橡胶器具安装在双导轨滑轨上，所述双导轨滑轨设置在基座上。
5.根据权利要求1所述的橡胶材料摩擦自激振动测试装置，其特征在于：所述高速摄像机为两台，分别为设置在玻璃板下实时记录橡胶块与玻璃板接触面的变化的高速摄像机和设置在玻璃板一侧实时记录橡胶块侧面的变化的高速摄像机。
6.根据权利要求1所述的橡胶材料摩擦自激振动测试装置，其特征在于：所述速度动力驱动装置包括直线导轨、伺服电机和连接承载橡胶器具的连接装置，将伺服电机固定在直线导轨的一端，直线导轨上设有螺旋直杆，固定在伺服电机上，所述螺旋直杆上设置连接橡胶承载器具的连接装置，当伺服电机转动时，螺旋杆旋转带动连接装置运动，从而带动承载橡胶器具运动。
7.一种橡胶材料表面摩擦性能测试方法，其特征在于：利用权利要求1-6任一项所述的橡胶材料摩擦自激振动测试装置进行测试，包括如下步骤：
通过施加压力装置调节对所要测试的橡胶块施加压力的大小，通过三维力传感器检测对橡胶块施加的压力；
所述速度动力驱动装置带动承载橡胶器具运动，从而带动橡胶块运动；
通过三维力传感器实时记录橡胶材料摩擦时的3向力振动；
通过两台高速摄像机实时记录橡胶块与玻璃板接触面和侧面的变化。
8.一种测试橡胶表面力学性能的实验装置，包括基座、龙门架、橡胶承载器具、玻璃半球、三维力传感器、速度动力驱动装置、双导轨滑轨、高速摄像机和施加压力装置，将承载橡胶的承载橡胶器具固定在双导轨滑轨上，其特征在于：所述速度动力驱动装置、龙门架和双导轨滑轨固定在基座上，保持装置的水平，以便测试橡胶在水平速度的情况下的力学性能；施加压力装置一端安装在龙门架上，三维力传感器与玻璃半球相连并固定在施加压力装置另一端，并置于承载橡胶的承载橡胶器具之上，施加橡胶在不同情况下所需的力，实时测量橡胶受力数据。
9.根据权利要求8所述的测试橡胶表面力学性能的实验装置，其特征在于：所述施加压力装置包括半螺旋实心圆杆和伸缩电机。
10.根据权利要求9所述的测试橡胶表面力学性能的实验装置，其特征在于：将龙门架固定在基座上，伸缩电机固定在龙门架上，所述半螺旋实心圆杆螺旋的一端与伸缩电机相连，半螺旋实心圆杆的另一端设置三维力传感器，将玻璃半球固定在三维力传感器上。
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