本发明涉及材料摩擦磨损技术领域，具体地说是一种小型销盘接触往复摩擦磨损试验装置。
背景技术
摩擦磨损是相对运动物体表面之间存在的自然现象。在工程中为了零件及设备的寿命，就要减少接触零件相对运动造成的摩擦磨损。在选择材料时，首先要对配对材料的摩擦磨损特性进行测量和分析从而获得最佳配对材料。
2010年兰州理工大学制造技术与应用省部共建教育部重点实验室刘永平等设计了一款往复式摩擦磨损试验机及计算机控制系统，其磨头的支撑采用的是片式板弹簧。2009年燕山大学机械工程学院姚春东设计了一款往复式摩擦磨损试验机对半油管和相应内径的半圆支撑环、对不同尺寸扶正器进行摩擦磨损试验。其他的设计摩擦副式球和平面接触的往复式，采用齿轮齿条实现往复运动。
摩擦磨损试验机在实际工程中使用的有许多种，接触方式也很多，但都价格昂贵，动辄十几万、上百万，对于小型企业和学校学生实验太过于奢侈。
技术实现要素：
本发明的目的就是提供一种小型销盘接触往复摩擦磨损试验装置，以解决现有实际工程中所使用的摩擦磨损试验机造价高不适于小型企业以及学校学生使用的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种小型销盘接触往复摩擦磨损试验装置，包括电机、曲柄、连杆、尼龙棒、砝码、滑块、摩擦销、摩擦盘和电桥电路等；所述电机的输出轴通过曲柄连接连杆，所述连杆通过支架与两导轨上的滑块相接，所述支架设置在两导轨之间，且所述支架和所述滑块固定相接；在电机的作用下，可通过所述曲柄和所述连杆带动所述支架和所述滑块沿导轨所在方向往复运动；在所述支架上穿接有尼龙棒，在所述尼龙棒的下端设有盲孔，摩擦销安装在所述尼龙棒下端的盲孔内；在两导轨之间所述支架的下方设有摩擦盘，所述摩擦销的底端与所述摩擦盘的表面构成小型销盘摩擦副；在所述尼龙棒上可加载砝码作为载荷，所述砝码以法向压力的形式将载荷通过尼龙棒加载到摩擦副上；在所述尼龙棒的侧面贴有应变片，所述应变片连接电桥电路，所述应变片可将尼龙棒感受到的往复弯曲变形以电信号的形式传至电桥电路，再经数字万用表检测电压信号（经过标定），即可计算得到摩擦磨损过程中的应变和对应的摩擦系数。
所述电桥电路包括平衡电桥和电源；在所述平衡电桥的四个桥臂上分别设有一个特定阻值的应变片，其中一个应变片即是尼龙棒侧面所贴的应变片；所述电源与平衡电桥的一个对角相接，所述平衡电桥的另一对角连接数字万用表。所述电源可以为wwl-ldx精密线性直流稳压稳流电源。所述数字万用表的型号是owonb35。
在所述支架上设置有砝码夹具，所述砝码夹具呈筒状结构，加载在所述尼龙棒上的砝码位于所述砝码夹具内部，通过穿过砝码夹具侧壁的若干螺钉可对所述砝码进行锁紧，以便使砝码以法向压力的形式将载荷传递至尼龙棒。
在所述尼龙棒靠近上端部位开有横向贯通的狭缝，狭缝的长边为竖直方向（即为尼龙棒的轴向方向），狭缝的短边为水平方向；金属片安装在尼龙棒的狭缝内，且金属片的两端伸出到尼龙棒的狭缝外侧；在所述支架顶部开有圆形通孔，在圆形通孔的内侧壁开有相对的两个竖向通槽；所述尼龙棒穿过所述支架顶部的圆形通孔，且所述金属片的两端正好伸入到所述支架圆形通孔内的两个竖向通槽内。金属片与两个竖向通槽之间实现间隙配合，这样尼龙棒可沿支架顶部的圆形通孔上下移动，但尼龙棒相对支架不能实现转动。尼龙棒可上下移动（但加载荷后就不能上下移动了），进而可方便装卸摩擦销，以随时测量摩擦销的磨损量。
在两导轨之间设置有摩擦盘夹具，在所述摩擦盘夹具的上表面开有凹槽，所述摩擦盘固定在所述摩擦盘夹具的凹槽内，且所述摩擦盘的位置可根据需要在所述凹槽内进行调整，并可以根据需要进行不加润滑油的干摩擦环境和加润滑的润滑摩擦环境测试。摩擦盘夹具可固定安装在底座上。电机和导轨也可安装在底座上。
所述电机输出轴通过联轴器连接主轴，所述主轴与所述曲柄之间成90°配合的卯榫联结结构。
在每一导轨上设有两个相同的滑块，且每一导轨上的两个相同滑块连接在一起。两个导轨上的四个滑块在支架的带动下一起共同往复滑动，往复滑动顺畅。若每一导轨上设一个滑块，会出现一个方向滑动顺畅、反方向滑动受阻的情形，不能完成往复运动。
本发明中的装置主要由电机产生动力，电机所产生的动力经曲柄传递至连杆，由连杆带动支架和滑块沿导轨所在方向一起往复运动。支架与滑块相对固定连接；尼龙棒定位在支架中，摩擦销嵌置在尼龙棒底部的盲孔内；摩擦销与设置在两导轨之间的摩擦盘两者之间构成小型销盘接触往复式摩擦副。尼龙棒由插入其中的金属片（例如为铁片）限制其相对转动，但可以上下移动尼龙棒以便拿取和更换摩擦销。在支架上连接有用于固定砝码的砝码夹具，砝码将载荷以法向压力的形式通过尼龙棒加到摩擦副上，载荷以砝码大小计，很准确，而且砝码可以很方便地更换。在尼龙棒上贴应变片，并将应变片接入电桥电路中，由数字万用表测量电压信号（经过标定），进而获得磨损过程中的应变，最终计算出摩擦系数。
本发明能够实现销盘摩擦副在干摩擦、有润滑条件下，速度变化，载荷变化（10kg内）的摩擦磨损测试。其结构巧妙、体积小巧，是一款独创的往复摩擦磨损试验装置，非常适用于小型企业材料摩擦磨损对比以及大专院校进行摩擦磨损教学实验，电桥电路相比动态应变测试系统价格低很多，而且材料选择更换很方便，非常实用。
附图说明
图1是本发明中小型销盘接触往复摩擦磨损试验装置的主视图。
图2是本发明中小型销盘接触往复摩擦磨损试验装置的俯视图。
图3是本发明中主轴的结构示意图；其中，图3（a）是主轴的主视图，图3（b）是图3（a）的右视图，图3（c）是图3（a）中所示剖线的剖面图。
图4是本发明中曲柄的结构示意图；其中，图4（a）是曲柄的主视图，图4（b）是图4（a）的俯视图。
图5是本发明中导轨与滑块的结构示意图；其中，图5（a）是导轨与滑块的主视图，图5（b）是图5（a）的俯视图，图5（c）是图5（a）的左视图。
图6是本发明中支架的结构示意图；其中，图6（a）是支架的主视图，图6（b）是图6（a）的俯视图，图6（c）是图6（a）的左视图。
图7是本发明中横梁的结构示意图；其中，图7（a）是横梁的主视图，图7（b）是图7（a）的左视图，图7（c）是图7（a）的俯视图。
图8是本发明中摩擦盘夹具的结构示意图；其中，图8（a）是摩擦盘夹具的主视图，图8（b）是图8（a）的俯视图。
图9是本发明中尼龙棒的结构示意图；图9（a）是尼龙棒的主视图，图9（b）是图9（a）的左视图，图9（c）是图9（a）的俯视图。
图10是本发明中砝码夹具的结构示意图；其中，图10（a）是砝码夹具的主视图，图10（b）是图10（a）的俯视图。
图11是本发明中将尼龙棒视为悬梁臂所建立的力学模型结构示意图。
图12是本发明中采用tst5916usb动态信号测试分析系统所测结果的图示。
图13是本发明中电桥电路的结构示意图。
图14是本发明中数字万用表的部分电压输出图示。
图15是本发明中采用电桥电路所测结果的图示。
图中：1、电机，2、曲柄，3、连杆，4、尼龙棒，5、砝码，6、砝码夹具，7、螺钉，8、铁片，9、应变片，10、导轨，11、滑块，12、摩擦销，13、支架，14、底座，15、摩擦盘夹具，16、联轴器。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明所提供的小型销盘接触往复摩擦磨损试验装置，是通过直流调速电机驱动曲柄滑块机构来完成摩擦磨损的。具体地说，该装置包括电机1、曲柄2、连杆3、尼龙棒4、砝码5、应变片9、滑块11、摩擦销12、摩擦盘15、电桥电路和数字万用表等。
电机1可连接调速器，从而用来改变往复频率。电机1所产生的动力经联轴器16连接主轴，主轴的结构示意图如图3所示。主轴的一端经联轴器16与电机1的输出轴相接，主轴的另一端设有凸起，该凸起与曲柄2一端的凹槽配合相接，曲柄2的结构示意图如图4所示。主轴一端宽10mm的凸起与曲柄2一端宽10mm的凹槽相互成90º配合（即主轴和曲柄2相互垂直连接），形成卯榫连接，并用m6的螺钉进行紧固，使主轴与曲柄2形成一起转动的整体连接结构。主轴与曲柄之间采用凸起（例如可以为楔块形结构）与凹槽配合加螺钉连接，很巧妙的防止曲柄与主轴的相对转动，使主轴与曲柄成为一起转动的整体。曲柄带有槽型结构，可以通过改变曲柄长短而改变往复行程，即可根据摩擦盘的大小改变曲柄长度。
曲柄2通过连杆3可带动滑块11在导轨10上行进。如图5所示，导轨10是两个平行的直线导轨，在每一个导轨上均设置有两个相同的滑块11，且每一导轨上的两个相同滑块连接在一起，两个导轨10上的四个滑块11一起共同往复滑动，往复滑动顺畅。若每一导轨上设一个滑块，会出现一个方向滑动顺畅、反方向滑动受阻的情形，不能完成往复运动。
两个导轨10上的滑块11是通过支架13连接在一起的。如图6所示，支架13呈左右对称的“几”字型结构，支架13的左右两底边分别与两个导轨上滑块的滚动轴承相接（滑块是通过滚动轴承在导轨上滑动的），在支架13的作用下，可带动滑块沿导轨移动。在支架13的顶部开有圆形通孔，在圆形通孔的内侧壁开有相对的两个竖向通槽。
图6所示支架与图7所示横梁装配在一起，与安装在导轨上的带滚动轴承的滑块进行连接，这样可以带动滑块一起往复移动。
如图7所示，横梁包括杆状的横梁主体以及设置在横梁主体中间部位的u型吊耳，u型吊耳的开口方向与横梁主体的轴向垂直；横梁主体的两端分别通过螺钉连接在支架13的两个竖向侧臂上，u型吊耳与连杆3的一端相连接。
电机1的输出轴带动主轴转动，进而带动曲柄2旋转，曲柄2通过连杆3带动横梁、支架以及滑块沿导轨所在方向一起往复运动。
在两导轨10之间设置有摩擦盘夹具15，如图8所示，摩擦盘夹具可通过螺钉固定在底座14上，导轨10、电机1也是设置在底座14上。在摩擦盘夹具的上表面中间开有凹槽，摩擦盘即是安装在摩擦盘夹具15上的凹槽内，可根据摩擦销12的大小来调整摩擦盘在摩擦盘夹具15上的夹紧位置。
本发明中的摩擦销12安装在尼龙棒4下端的盲孔内，并通过紧定螺钉固定。如图9所示，尼龙棒为棒状结构，其底部设有盲孔。摩擦销12装入盲孔内后，其底部露在尼龙棒外侧。在尼龙棒靠近上端部位开有横向贯通的狭缝（为矩形结构），狭缝的长边为尼龙棒的轴向方向（图中即是竖直方向），狭缝的短边为水平方向，狭缝的长边为26mm，短边为3mm。在尼龙棒4的狭缝内安装有铁片8，铁片8的两端伸出到尼龙棒的狭缝外侧。
尼龙棒4竖向插入到支架13顶部的圆形通孔内，插入时，应使得铁片8两端正好位于支架13上圆形通孔内相对的两个竖向通槽内，铁片8与两个竖向通槽之间实现间隙配合，这样尼龙棒4可沿支架13顶部的圆形通孔上下移动，但尼龙棒4相对支架13不能实现转动。尼龙棒4可上下移动（但加载荷后就不能上下移动了），进而可方便装卸摩擦销12，以随时测量摩擦销12的磨损量。尼龙棒4不能相对支架13进行转动，可防止摩擦销12在往复移动过程中出现转动现象。
尼龙棒4随着支架13在往复移动过程中，摩擦销12与摩擦盘之间形成摩擦副。砝码5通过砝码夹具6将载荷以法向压力的形式通过尼龙棒4加到摩擦副上，而且载荷以砝码大小计，很准确，砝码5可以更换。砝码夹具6的结构如图10所示，砝码夹具6呈筒状结构，砝码夹具6上有相隔90º度的螺纹孔，当砝码5加到尼龙棒4上后，由四个螺钉调整砝码5的位置，保证砝码5垂直加载到尼龙棒4上，进而传递到摩擦副接触面上。砝码夹具6左右两边通过角铁与支架13的顶部相连，保证砝码夹具6的重量加到导轨10上而没有加到尼龙棒及摩擦销上。
本发明中感受弯曲变形的材料选择了尼龙棒，因为尼龙棒的弹性模量约为2.83×10-7gpa，碳钢的大约在2×10-6gpa，比金属材料的低，而且有一定的承载能力，不导电，容易感受弯曲变形的应力，因此在尼龙棒4上贴应变片9，采用尼龙棒4与应变片9结合很容易测得弯曲应变，再通过计算获得摩擦力，进而获得摩擦系数。
在尼龙棒4上贴应变片9，将刚度较低的尼龙棒4感受的往复弯曲变形以电信号的方式传送出来，经电桥电路后，由经过标定的数字万用表（带蓝牙的）将电压信号输出到电脑上，进行数据处理。
本发明中的装置主要由电机1产生动力，经联轴器16连接主轴，主轴和曲柄2为一体结构，曲柄2与连杆3构成可动连接，驱动支架13和滑块11沿导轨10所在方向一起往复运动。支架13与滑块11相对固定连接；尼龙棒4定位在支架13中，尼龙棒4由插入其中的铁片8限制其相对转动，但可以上下移动尼龙棒4以便拿取和更换摩擦销12。在支架13上连接有砝码夹具6，砝码夹具6上有相隔90°的四个螺钉7，用来固定砝码5，并且螺钉定位长短可以调整，以便适应尺寸不同的砝码。
在磨损过程中在尼龙棒4上贴应变片9，接入本发明的电桥电路中，获得磨损过程中的应变，进而计算出摩擦系数。
根据材料力学理论建立如图11所示的力学模型。
摩擦磨损过程中将尼龙棒4视为悬臂梁。根据悬臂梁受弯矩作用时应力与应变的关系计算弯曲应力：
式（1）中：σ为弯曲应力；e为尼龙棒的弹性模量；ε为弹性应变。
根据弯曲应力计算公式有：
式（2）中，m为尼龙棒贴应变片位置的弯矩；wz为尼龙棒的抗弯截面系数；f为摩擦力；l为销盘接触的摩擦面到应变片中心位置的距离。
则
摩擦系数f=f/n，n为正压力即砝码重量。
本实施例中采用动态应变测试系统对电桥电路的测试进行标定，电桥电路的结构如图13所示，电桥电路包括平衡电桥以及与平衡电桥的一个对角相接的电源，平衡电桥的另一对角接数字万用表，本实施例中所用电源为wwl-ldx精密线性直流稳压稳流源，数字万用表的型号是owonb35。四个固定的应变片（阻值均相同）组成平衡电桥的四个桥臂，在相邻两个桥臂上接入可变电阻，作为微调电阻器。四个固定的应变片中，其中一个应变片即是贴在尼龙棒4上的应变片9（规格相同可更换）。将贴于同一片式钢板拉伸试样上的应变片接入平衡电桥，使电桥输出为零，重复在拉伸试验机上在弹性范围加载过程，记录数字万用表的电压值，获得载荷与电压的对应关系。相同加载过程中记录万用表的读数，如表1所示。
本实施例中测试时，在尼龙棒4的两侧分别贴两片相同的应变片，一个接入动态应变测试系统，一个接入本发明的电桥电路中，同时测量。
动态应变测试系统具体采用泰斯特的tst5916usb动态信号测试分析系统。标定过程是将应变片贴在片式钢板拉伸试样上，接入tst5916usb动态信号测试分析系统，在弹性范围内进行静态拉伸测量，记录相应数值。tst5916usb动态信号测试分析系统所测结果如图12所示，由图12可知，应变的平均值为161。
数字万用表的部分电压输出如图14所示。
将电压转变成应变值，绘制时间与应变的关系图如图15所示。由图15可知，最后应变的平均值为-159。因为尼龙棒上的两个应变片反方向贴，因此这里为负。采用绝对值进行测量误差计算，误差为：（161-159）/161=1.2%。显然，误差在允许范围内。
动态信号测试分析系统一般要十万左右的价格才能买到，而采用本发明中的电桥电路测试仅需要千元左右，因此本发明可节省很多费用。
以上显示和描述了本发明的摩擦磨损试验装置的基本原理、主要特点和操作方法。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，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而界定。