CN116879002A - 一种高速载流摩擦原位测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速载流摩擦原位测试***，涉及精密仪器技术领域，包括宏微动力加载模块，恒力加载模块、电流加载模块、力监测模块和原位检测模块，宏微动力加载模块控制待测摩擦副的相对运动，电流加载模块用于在摩擦幅之间加载电流，原位监测模块包含了声发射，红外热成像和高速相机三种原位监测手段；本发明能支撑多角度多姿态宏‑微‑动‑静耦合高速载流摩擦等工况的测试，并同时能够获取温度场、光学、声学和震动的时序信息，进而可获取摩擦副热能、电弧强度、黏着磨损程度、疲劳磨损程度和摩擦副变形能的时序信息，有助于深入理解高速‑多工况载流摩擦幅的失效机制与改性机理，加速载流摩擦副的载流摩擦性能的寻优工作。
Description
技术领域
本发明涉及精密仪器技术领域，特别是涉及一种高速载流摩擦原位测试***及其试验方法。本发明涉及的仪器可应用于轨道交通和电磁发射等方面。
背景技术
摩擦磨损是造成的机械领域的重大经济损失占的重要原因之一。摩擦磨损的机理研究和改性研究是减少损失的必由之路。然而，摩擦学是机械、材料、化学和力学等学科的交叉，具有多因素耦合性和复杂性的特点。而载流摩擦在机械摩擦副上引入了电因素，这进一步加剧了研究的难度，而传统的单一工况的载流摩擦测试仪器不足以支撑相应领域的研究需求和应用测试需求。
传统载流摩擦测试仪器能获取的数据信息主要包含电流，电压，摩擦副法向力值和摩擦力等基础时序信息，并且多数现有仪器测试工况单一。载流摩擦的原位测试是指在材料服役过程中，除要获取载荷信号和电流信号等基础时序信息外，还通过高速相机、声发射探头和红外热成像等对载流摩擦副摩擦状态的动态监测技术。其中高速相机可在短时间内获取多张光学图片，声发射探头可监测材料及其构件在受力过程中产生变形或裂纹时释放的应变能，红外热成像可或获取温度场云图。在仪器中集成声发射，红外热成像和高速相机等原位监测手段有助于同时能够获取温度场、光学、声学和震动的时序信息，进而可获取摩擦副热能、电弧强度、黏着磨损程度、疲劳磨损程度和摩擦副变形能的时序信息。仅能获取基础时序信息的传统载流摩擦测试仪器仅能支撑摩擦幅总体载流摩擦性能的研究，难以满足多因素耦合载流摩擦的解耦分析。另外，实际载流摩擦工况不只是局限于静态载荷工况，如轨道交通领域的弓网与高压线之间由于相对位置的变化会出现静-动耦合载荷工况。而载流摩擦幅的多角度多姿态动-静-宏-微耦合的载流摩擦测试仪器能满足多数工况的测试以及载流摩擦的解耦研究需求。
最后，数据驱动的机器学习技术具有极强的拟合能力，配合以多角度-静-动态的载流摩擦位移加载手段和多时序信息的原位监测方法，可将试验初期获取的多种监测变量与使用寿命和磨损量等载流摩擦性能之间建立定量的联系，构建载流摩擦性能预测模型，加速摩擦幅载流摩擦性能的寻优工作。同时，可对比基于此预测模型的具备好的载流摩擦性能的摩擦幅和具备差的载流摩擦性能的摩擦副的监测变量来探究载流摩擦幅改性机理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速载流摩擦原位测试***及其试验方法，以解决传统载流摩擦测试***试验工况单一的问题和采集信息少与载流摩擦幅失效过程复杂之间的矛盾，通过工业机械手与压电驱动结合实现多角度多姿态宏-微-静-动耦合多场景试验，同时***集成多种原位表征装置，能够获取多种时序信息，同时，结合机器学习，可定量建立观测时序信息与载流摩擦性能的相关性，加速载流摩擦幅的寻优工作和改性机理探究工作。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案实现：
本发明提供一种高速载流摩擦原位测试***，用于高速载流摩擦性能测试，包括宏微动力加载模块，恒力加载模块、电流加载模块、力监测模块、原位检测模块和待测试样，宏微动力加载模块控制待测摩擦副的相对运动，恒力加载模块控制摩擦幅之间的载荷，电流加载模块用于量摩擦幅之间的电流加载，力监测模块用于获取摩擦副之间的作用力。
优选地，所述宏微动力加载模块包括三级加速机构、宏观动力模块和微观动力模块。所述三级加速机构包含第一加速机构、第二加速机构和第三加速机构，所述第一加速机构为带传动加速，所述第二加速机构为五级齿轮加速，位于所述第一加速机构上方，第三加速机构为大尺寸圆盘加速，位于所述第二加速机构上方。所述原位监测模块包含声发射监测单元、相对图像监测单元和绝对图像监测单元。所述待测试样包括巨型盘状试样和销形试样。
优选地，所述宏观动力加载模块包括动力加载机构和支撑板件，所述动力加载机构为工业机械手，所述机械手末端与所述支撑板件刚性连接，控制销形试样的六向自由度的移动。
优选地，所述微观动力模块包括4个压电叠堆和1个柔性铰链，所述压电叠堆在所述柔性铰链中对角分布，控制待测销形试样X轴转动，Y轴转动和Z轴移动三个自由度的微量移动。
优选地，所述恒力加载模块包括恒压模块、压力输出装置和导向机构。所述压力输出装置位于导向机构上方，驱动导向机构和销形试样沿销形试样轴向方向向下移动。
优选地，所述原位监测模块包含声发射监测单元、相对图像监测单元和绝对图像监测单元。所述声发射监测单元位于销形试样的上方。所述相对图像监测单元与待测销形试样保持不变的相对位置，包括相对红外热成像监测单元和相对高速相机监测单元。所述相对红外热成像监测单元与所述相对高速相机监测单元分布载销试样两侧。
优选地，所述绝对图像监测单元保持其绝对位置不变，所述相对图像监测单元包括绝对热成像监测单元和绝对高速相机监测单元，所述绝对红外热成像单元与绝对高速相机单元分别位于销形试样两侧。
优选地，所述销形试样包括圆锥形摩擦头、圆锥-平面耦合形摩擦头、平面形摩擦头和多触角摩擦头。所述多触角摩擦头与触角帽联用支撑磁控溅射高效制备所述触角表面涂层，使用多触角摩擦头进行试验可加速载流摩擦测试数据的获取，为摩擦幅涂层的材料基因组研究提供试验方法支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的高速载流摩擦原位测试***的整体外观结构示意图；
图2为本发明的三级加速机构结构示意图；
图3为本发明的五级加速齿轮箱的机械原理简图；
图4为本发明的宏-微-动-静加载模块结构示意图；
图5为本发明的三自由度柔性铰链结构示意图；
图6为本发明的恒力加载模块结构示意图；
图7为本发明的恒压模块的气压回路原理图；
图8为本发明的原位监测模块结构示意图；
图9为本发明的多种销形试样和多触角试样结构示意图；
其中：1、支撑底座；2、电机；3、大带轮；4、传动带；5、小带轮；6、五级加速齿轮箱；7、法兰；8、绝缘法兰；9、绝缘电刷保持架；10、电刷；11、巨型盘状试样；12、销形试样；13、凹形夹具；14、凸形夹具；15、绝缘板；16、板状转接件；17、声发射探头保持架；18、声发射探头；19、三轴力传感器；20、柔性铰链；21、压电叠堆；22、夹紧螺钉；23、杆状转接件；24、轴承支撑板；25、直线轴承；26、橡胶缓冲垫；27、气压缸；28、弹簧；29、直线轴承杆；30、转接肋板；31、直线轴承杆保持板；32、基板；33、工业机械手；34、红外热成像镜头；35、高速相机镜头；36、夹紧手柄；37、镜头z轴转动调整架；38、立柱；39、原位组件安装架；40、镜头转接架；41、三角架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的在于提供一种高速载流摩擦原位测试***及其试验方法，以解决传统载流摩擦测试***试验工况单一的问题和采集信息少与载流摩擦幅失效过程复杂之间的矛盾，通过工业机械手与压电驱动结合实现多角度多姿态宏-微-静-动耦合多场景试验，同时***集成多种原位表征装置，能够获取多种时序信息，同时，结合机器学习，可定量建立观测时序信息与载流摩擦性能的相关性，加速载流摩擦幅的寻优工作和改性机理探究工作。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种高速载流摩擦原位测试***，包括宏微动力加载模块、恒力加载模块、电流加载模块、力监测模块、原位检测模块和待测试样。如图1所示，宏微动力加载模块包括支撑底座1、电机2、大带轮3、传动带4、小带轮5、加速齿轮箱6、法兰7、柔性铰链20、压电叠堆21、夹紧螺钉22、基板32和工业机械手33，用于控制待测摩擦副的相对运动；恒力加载模块包括杆状转接件23、轴承支撑板24、直线轴承25、橡胶缓冲垫26、气压缸27、弹簧28、转接肋板30和直线轴承杆保持板31，用于控制摩擦幅之间的法向载荷；电流加载模块包括绝缘法兰8、绝缘电刷保持架9、电刷10和绝缘板15，用于在摩擦幅之间的加载电流，同时保证与其他位置绝缘，电压被加载在电刷10和凸形夹具14上；力监测模块包括三轴力传感器19，用于获取摩擦副之间的作用力；原位监测模块包括红外热成像镜头34、高速相机镜头35、镜头夹紧手柄36、镜头z轴转动调整架37、立柱38、原位组件安装架39、镜头转接架40和三角架41，用于动态监测载流摩擦副状态并获取时序信息；待测试样包括巨型盘状试样11和销形试样12。
宏微动力加载模块包括三级加速机构、宏观动力模块和微观动力模块。三级加速机构包含第一加速机构、第二加速机构和第三加速机构。如图2所示，第一加速机构包括电机2、带轮3、传动带4和小带轮5；第二加速机构为五级加速齿轮箱6，位于所述第一加速机构上方；第三加速机构为巨型盘状试样11，依靠于大尺寸零件对线速度进行放大，位于第二加速机构上方。电机2和五级加速齿轮箱6通过螺钉连接固连在支撑底座1上，电机2的动力依靠传动带4传递到五级加速齿轮箱6中，五级加速齿轮箱6依靠法兰7和绝缘法兰8把动力传递到巨型盘状试样11上。五级加速齿轮箱6的机械原理简图如图3所示。
如图4所示，宏观动力加载模块包括工业机械手33和基板32，工业机械手33充当动力加载模块，工业机械手33末端与基板32通过螺钉刚性连接，用于控制待测销状试样12的六个方向自由度的移动。
如图4所示，微观动力模块包括1个柔性铰链20、4个压电叠堆21和4个夹紧螺钉22，压电叠堆21在柔性铰链20中对角分布，柔性铰链20的结构示意图如图5所示，夹紧螺钉22用于控制压电叠堆21与柔性铰链20紧密配合。整个微观动力模块用于控制待测销试样X轴转动，Y轴转动和Z轴移动的三个自由度的微量移动。
如图6所示，恒力加载模块包括恒压模块、导向机构和载荷输出装置。导向机构包括杆状转接件23、轴承支撑板24、直线轴承25、橡胶缓冲垫26、弹簧28、转接肋板30和直线轴承杆保持板31，用于约束浮动部分(包括杆状转接件23、轴承支撑板24、直线轴承25等)，只保留Z轴方向的自由度。载荷输出装置为气压缸27，用于驱动导向机构以及销形试样12沿销形试样12轴向方向向下移动。为气压缸27提供气压的恒压模块的气压回路原理图如图7所示，空气压缩机为回路的压力源，减压阀控制出口压力保持恒定，节流阀用于减缓气压回路中气压突然加载时气压缸27的伸缩速度以避免突然供气造成销形试样12和巨型盘状试样11的冲击，溢流阀用于控制气压缸27中的最高加载压力。
原位监测模块包含声发射监测单元、相对图像监测单元和绝对图像监测单元。如图8所示，声发射监测单元包括声发射探头保持架17和声发射探头18，用于获取测试***声学和振动信息进而动态监测载流摩擦幅状态；相对图像监测单元包括红1个红外热成像镜头34、1个高速相机镜头35、6个夹紧手柄36、2个镜头z轴转动调整架37、2根立柱38和1个原位组件安装架39，原位组件安装架39通过螺钉连接固连在基板32上，立柱38通过螺钉固连在原位组件安装架39，镜头z轴转动调整架37通过夹紧手柄36连接在立柱38上，红外热成像镜头34和高速相机镜头35通过夹紧手柄36安装在镜头z轴转动调整架37，相对图像监测单元与待测销形试样12保持不变的相对位置，侧重于观测销状试样12，红外热成像镜头34和高速相机镜头35分布在载待测销试样两侧，用于获取载流摩擦幅图片信息和温度场信息监测载流摩擦幅电弧损伤；绝对图像监测单元包括1个红外热成像镜头34、1个高速相机镜头35、2个镜头转接架40、2个三角架41和4个夹紧手柄36，红外热成像镜头34和高速相机镜头35通过夹紧手柄36连接在镜头转接架40上，镜头转接架40通过螺钉连接在三角架41上，所述绝对图像监测单元保持其绝对位置不变，且位置可根据需求任意摆放，侧重于观测巨型盘状试样11，用于实时获取图像信息和温度场信息。
如图9所示，销形试样12的摩擦头可分为圆锥形磨头、圆锥-平面耦合形磨头、平面形磨头和多触角磨头。圆锥形磨头、圆锥-平面耦合形磨头和平面形磨头可支撑摩擦头形状对载流摩擦性能的影响。多触角摩擦头可支撑一次测试做多个试样，加快测试结果的获取。同时，在对多触角摩擦头进行磁控溅射薄膜时，也可以使用触角帽遮挡多触角摩擦头的某个小触角以控制其是否被溅射薄膜。
本发明还提供一种高速载流摩擦原位测试***的一个具体实施例：
***的整体尺寸为1430mm×810mm×703mm，巨型盘状试样11尺寸为Ф750mm×20mm，销形试样12尺寸为Ф6mm×20mm。
本实施例中涉及到的元器件的型号如下：
电机2可参考的型号为WEGW21-ExnA；
声发射探头18可参考的型号为FujiceraHS-10A-11M2；
三轴力传感器19可参考的型号为HUILIZHILZ-SWF40，X/Y轴量程50～300N范围内可选，Z轴量程100～1000N范围内可选；
压电叠堆21可参考的型号为COREMORROWMtp150/10×10/18,尺寸为10×10×18mm,无位移输出推力为3600N，刚度为180N/μm；
直线轴承25可参考的型号为LMK16；
气压缸27可参考的型号为AIRTECRT-2200；
工业机械手33可参考的型号为MH165；
红外热成像镜头34可参考的型号为ForTric628C；
高速相机镜头35可参考的型号为NPX-GS130UM，6000帧/秒。
本实施例能够实现的多角度多姿态宏-微-动-静耦合多模式载流摩擦测试和原位监测的原理和用途如下：
本实施例能够进行宏静态-微静态耦合高速载流摩擦测试，宏动态-微静态耦合高速载流摩擦测试，宏动态-微动态耦合高速载流摩擦测试以及宏动态-微动态耦合高速载流摩擦测试。工业机械手33用于控制载流摩擦副之间的宏观相对位置和相对运动，可在测试中保持静止不动，即宏静态，也可在测试中实时动作，即宏动态。压电叠堆21控制载流副之间的微小相对运动，可在测试中保持静止不动，即微静态，也可在测试中实时动作，即微动态，微动态可用于对载流摩擦副增加额外的相对运动，也可用于抵消预期之外的载流摩擦幅相对运动，如抵消由于测试***机械震动导致的载流摩擦幅发生的微小相对运动。多角度多姿态宏-微-动-静耦合多模式的测试可支撑多种工况的模拟测试，如不同结构的受电弓网与导线之间的载流摩擦和不同工况的电磁炮与导电枢轨的载流摩擦测试。同时，也可为静态-动态耦合载流摩擦研究和解耦研究提供仪器支撑。
***除了可支撑多种测试模式，还可通过声发射探头18、红外热成像镜头34和高速相机镜头35对摩擦幅载流摩擦状态进行实时监测，以获取温度场、光学、声学和震动的时序信息，进而可获取摩擦副温度场、电弧强度、黏着磨损程度、疲劳磨损程度和摩擦副变形能的时序信息，有助于深入理解高速-多工况载流摩擦幅的失效机制与改性机理。其中一组红外热成像镜头34和高速相机镜头35侧重于原位观测销试样，测试中与销形试样12保持不变的相对位置。另外一组红外热成像镜头34和高速相机镜头35侧重于原位观测巨型盘状试样11，测试中保持其不变的绝对位置。
此外，此宏-微-动-静耦合的载流摩擦测试和多时序信息的原位监测方法可与机器学习联用进一步拓展其应用，可将试验初期获取的多种监测变量与使用寿命和磨损量等载流摩擦性能之间建立定量的联系，构建载流摩擦性能预测模型，加速摩擦幅载流摩擦性能的寻优工作。同时，可对比基于此预测模型的具备好的载流摩擦性能的摩擦幅和具备差的载流摩擦性能的摩擦副的监测变量来探究载流摩擦幅改性机理。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种高速载流摩擦原位测试***，特征在于：用于高速载流摩擦性能的测试，包括宏微动力加载模块，恒力加载模块、电流加载模块、力监测模块、原位监测模块和待测试样，宏微动力加载模块控制待测摩擦副之间的相对运动，恒力加载模块控制摩擦幅之间的法向载荷，电流加载模块用于在摩擦幅之间加载电流，力监测模块用于获取摩擦副之间的作用力；
所述宏微动力加载模块包括三级加速机构、宏观动力机构和微观动力机构；所述三级加速机构包含第一加速机构、第二加速机构和第三加速机构，所述第一加速机构为带传动加速，所述第二加速机构为五级齿轮加速，位于所述第一加速机构上方，第三加速机构为大尺寸圆盘加速，位于所述第二加速机构上方；所述原位监测模块包含声发射监测单元、相对图像监测单元和绝对图像监测单元；所述待测试样包括巨型盘状试样和销形试样。
2.根据权利要求1所述的高速载流摩擦原位测试***，其特征在于：所述宏观动力加载模块包括动力加载机构和支撑板件，所述动力加机构为工业机械手，所述机械手末端与所述支撑板件刚性连接，控制销形试样的六向自由度的移动。
3.根据权利要求1所述的高速载流摩擦原位测试***，其特征在于：所述微观动力模块包括4个压电叠堆和1个柔性铰链，所述压电叠堆在所述柔性铰链中对角分布，控制销试样X轴转动，Y轴转动和Z轴移动三个自由度的微量移动。
4.根据权利要求1所述的高速载流摩擦原位测试***，其特征在于：所述恒力加载模块包括恒压模块、压力输出装置和导向机构；所述压力输出装置位于导向机构上方，驱动导向机构和销形试样沿销形试样轴向方向向下移动。
5.根据权利要求1所述的高速载流摩擦原位测试***，其特征在于：所述声发射监测单元位于销形试样的上方；所述相对图像监测单元与销形试样保持不变的相对位置，包括相对红外热成像监测单元和相对高速相机监测单元；所述相对红外热成像监测单元与所述相对高速相机监测单元分布载待测销试样两侧。
6.根据权利要求1所述的高速载流摩擦原位测试***，其特征在于：所述绝对图像监测单元保持其绝对位置不变，所述绝对图像监测单元包括绝对热成像监测单元和绝对高速相机监测单元，所述绝对红外热成像单元与绝对高速相机单元分别位于待测销试样两侧。
7.根据权利要求1所述的高速载流摩擦原位测试***，其特征在于：所述销试样包括圆锥形摩擦头、圆锥-平面耦合形摩擦头、平面形摩擦头和多触角摩擦头；所述多触角摩擦头与触角帽联用支撑磁控溅射高效制备所述触角表面涂层，使用多触角摩擦头进行试验可加速载流摩擦测试数据的获取，为摩擦幅涂层的材料基因组研究提供试验方法支撑。
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| CN202310854050.5A CN116879002A (zh) | 2023-07-12 | 2023-07-12 | 一种高速载流摩擦原位测试*** |
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2023
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