一种表面摩擦阻力系数测试装置的制作方法

本发明涉及一种表面摩擦阻力系数测试装置。

背景技术：

表面摩擦阻力在日常生活及工程实际中随处可见，人在行走时，鞋子与地面之间的摩擦可以防止人摔倒，此时的摩擦为有利摩擦。然而在很多情况下，表面摩擦表现的为不利的一面，多表现为摩擦阻力。如轮船在行驶过程中受到的摩擦阻力，极大地影响了船的行驶速度，并且由于阻力的增大使得相应的能耗增大，增加了环境与能源的负担。飞机的摩擦阻力占总阻力的50％，设法减小表面摩擦阻力，不仅可以提高能源利用率，缓解能源危机，而且还可以起到保护环境的作用。因此，国内外专家学者对于减阻也进行了深入的研究，并且取得了很大的进展。各种减阻措施被提出并得到了验证，如添加剂减阻、微气泡减阻、仿生非光滑表面减阻、涂层减阻等，并且部分减阻方法也已得到了应用。大部分减阻方法的机理都在于改变了接触表面的形状、粗糙度、结构形式等等。所以对于减阻方法及其效果的研究很大程度上取决于能否准确的得到表面摩擦阻力的情况，表面摩擦阻力的情况主要由表面摩擦阻力系数来表征，因此采用试验装置测试表面摩擦阻力系数显得至关重要，而传统的表面摩擦阻力系数的测试多为风洞或水洞试验。风洞和水洞试验，试验过程繁琐，且投资较大，尤其是风洞试验，需要的动力设备及风道的尺寸相对都较大。因此发明一种性能平稳、耗资小且测试方便的测试装置具有重要的意义。此外，风洞试验占用试验场地大，容易受到边界效应或边界干扰、支架干扰及相似准则不能满足的影响，使试验结果准确性降低。水洞试验存在的问题主要是水流的均匀度和水面的平滑性不容易满足准则测定阻力的要求。

技术实现要素：

本发明针对目前的表面阻力测试装置需要特定管道系统、安装拆卸复杂、操作繁琐、以及测量不准确等问题，提出了一种结构简单、占地面积小、成本低、试验操作方便、噪声低、试验试件更换简单，不仅可以测量固体表面而且可以对弹性体壁面进行测量，安装拆卸方便等优点，并且绿色环保、无污染的表面摩擦阻力系数测试装置。

本发明所述的一种表面摩擦阻力系数测试装置，包括用于测试试件所受正压力的压力测试装置、试件夹持装置、扭矩测试装置和动力装置，其特征在于：所述的压力测试装置、试件夹持装置、扭矩测试装置和动力装置通过固定装置固定于总底座上，所述的压力测试装置与所述的总底座滑动连接；所述的动力装置的动力输出轴与所述的扭矩测试装置的动力输入端固接，所述的扭矩测试装置的动力输出端与所述的试件夹持装置的动力输入端固接；

所述的压力测试装置包括支撑台、四角底盘、回转筒体、下螺柱、测试板、压盖以及上螺柱，所述的支撑台固定于总底座上，所述的四角底盘通过滑块与所述的支撑台滑动连接；所述回转筒体底部与所述四角底盘顶部固连，所述回转筒体侧壁设有用于限制测试板沿回转筒体轴向上下移动的竖直条形孔；所述上螺柱上部通过压盖上的螺纹孔与压盖螺接，所述上螺柱的下端深入回转筒体腔内压紧从竖直条形孔插入回转筒体内腔的测试板上端面；所述的下螺柱通过四角底盘顶部中央所开的螺纹孔与四角底盘螺接，所述下螺柱上端部抵在伸入回转筒体内腔的测试板下端面，用于限制测试板的径向移动；所述的测试板露在回转筒体外部的端部配有用于按压在测试件表面的测试头以及用于读出测试头受力的应变力传感器；

所述的扭矩测试装置包括扭矩传感器支撑台、扭矩传感器、联轴器、连接轴、筒体、用于固定筒体的轴三角板支座、用于支撑连接轴的轴承以及用于限制连接轴轴向移动的轴承端盖，所述的扭矩测试器的底部与所述的扭矩测试器支撑台固接，所述的轴三角板支座和所述的扭矩测试器支撑台均安装在所述的总底上；所述的扭矩测试器的两端通过相应的弹性柱销联轴器分别与动力装置、连接轴相连，其中动力装置设置在扭矩测试器输入端一侧，连接轴设置在扭矩测试器输出端一侧；所述的连接轴的另一端沿筒体中轴线贯穿整个筒体，并通过封装在筒体两端的轴承支撑于筒体内，筒体两端面与轴承端盖固定；

所述的动力装置包括电机和电机支撑台，所述的电机支撑台与总支撑台固接，所述的电机安装在所述的电机支撑台上，所述的电机的输出轴通过位于扭矩测试器输入端的弹性柱销联轴器与所述的扭矩测试器相连，并且所述的电机的输出轴、扭矩测试器的中心轴、所述的压力测试装置的中心轴以及试件夹持装置的测试件的中心轴重合。

所述的滑块与所述的支撑台之间设有用于限制滑块位置的定位装置，所述的定位装置包括长方体铁芯、缠绕在长方体铁芯外部的线圈以及用于控制线圈内电流方向的控制电路，所述的支撑台分上下两层，上层设有用于与滑块配合的下凹滑槽，下层是中空壳体，所述的长方体铁芯从支撑台侧面开有的长方形孔塞入下层中空壳体中，所述的线圈沿着竖直方向绕在长方体铁芯外侧，并且线圈端线通过中空壳体侧壁开的孔引出后与外部的控制电路相连，缠绕线圈的长方体铁芯形成电磁铁；滑块为磁铁用于与电磁铁作用。

所述的试件夹持装置为三爪卡盘，包括盘体、三爪卡盘压盖、盘丝、伞齿、第一板子头、第二板子头以及三个卡爪，三个所述卡爪的导向部分卡在盘体相应的径向导向槽内，并且三个所述卡爪的导向部分设有用于与伞齿背面的平面螺纹相啮合的螺纹，实现三个活动卡爪沿盘体径向往复移动；所述的第一板子头与所述的第二板子头顶部固接，形成旋转手柄，所述的第二板子头末端插入伞齿侧面四方孔内。

所述的测试板包括置于回转筒体内部的第一圆柱体和落在回转筒体外部的长方体，所述的第一圆柱体同轴置于所述的回转筒体的内腔，同时所述的长方体穿过回转筒体右侧壁的竖直条形孔，并在长方体末端装有测试头，其中所述的测试头包括柱形测试头和弧形测试头。

所述的下螺柱的顶部配有第二圆柱体，所述的第二圆柱体同轴装入回转筒体的内部并抵在测试板的第一圆柱体的下端面，所述的下螺柱的末端装有转动销。

本发明是这样实现的：测试时，通过扭矩测试装置可以测得试件所受到的扭矩的大小，根据扭矩和摩擦阻力之间的关系，可以通过扭矩的大小得到试件所受到的摩擦阻力的大小。压力测试装置用来测试试件所受到的正压力的大小，根据摩擦阻力、表面摩擦阻力系数以及正压力三个物理量之间的关系，通过计算即可得到待测试件的表面摩擦阻力系数的大小。

试件夹持装置采用三爪卡盘；动力装置使用电机提供动力。电动机固定在电机支撑台上，扭矩测试器固定在扭矩测试器支撑台上，筒体固定在轴三角板支座上，且三个支撑台都被固定于总底座上，为了测试结果的准确性，避免轴向不对中而引起测试偏差较大，因此必须保证电动机、扭矩传感器、筒体的轴线相互重合。扭矩测试器一侧通过弹性柱销联轴器与电动机相连，另一侧通过弹性柱销联轴器和连接轴连接，连接轴通过筒体轴线从筒体中央穿过，用轴承支撑将轴固定于筒体内，两侧用轴承端盖固定，使轴只能绕着筒体轴线进行转动，而不会沿着轴向移动。三爪卡盘法兰固定于轴的另一端，三爪卡盘通过三爪卡盘法兰连接，三爪卡盘用来夹持测试试件。测试时，电动机将动力传递给整个扭矩测试装置，扭矩测试装置绕着共同的轴线转动，试件在三爪卡盘的夹持下也随着三爪卡盘做转动，此时试件所受到扭矩的大小则由扭矩传感器测得，通过扭矩与摩擦力之间的关系即可得到此时摩擦阻力的大小。

压力测试装置测试板轴向的水平方向与扭矩测试装置的轴向一致，整个压力测试装置可以沿着水平方向进行移动，而在竖直方向不能发生移动。整个压力测试装置通过支撑台和滑块固定于总底座上，使其可以沿着支撑台在水平方向上移动，因此支撑台的长度必须满足试验的要求长度。支撑台由上下两层组成，支撑台下层为内部中空的壳体，铁芯为中间厚两侧很薄的长方体，将铁芯两侧薄的长方体通过壳体壁面上开的孔固定于壳体中央，线圈从上往下缠绕于铁芯外侧，线圈的端线从壳体侧壁开的小孔处引出，接入外部电路，线圈通电可以将铁芯磁化，通入电流的方向不同，铁芯磁化后的磁极也将相反，可以通过输入线圈的电流方向来改变铁芯的磁极方向；支撑台上层开有梯形的槽道，用来固定滑块使滑块只能沿着水平方向滑动。整个压力测试装置通过螺钉与滑块固定在一起，滑块通过槽道一端的开口处塞入槽道，从而使压力测试装置可以随着滑块一起沿着槽道在水平方向上进行滑动。滑块是由磁铁制成的，测试过程中，由于压力测试装置受到很大的水平方向力的作用，为防止其在水平方向力的作用下脱离槽道，通过给线圈通入电流将铁芯磁化，使铁芯上表面的磁极与滑块下表面的磁极相反，在磁场力的作用下牢牢地固定在支撑台上，使其在水平方向上不会发生移动。在试验结束需要取下试件，或根据试验要求需要更换试件的时候，改变通电线圈中电流的方向，则此时铁芯上表面的磁极则与滑块下表面的磁极相反，在磁场力的作用下，此时两者表现为斥力，由于斥力的作用，移动滑块的时候可以很省力，方便地移动滑块，使压力测试装置远离试件，从而留下足够大的空间方便地装卸和更换试件。四角底盘通过螺钉固定在滑块上，四角底盘顶部中间开有螺纹孔，回转筒体通过螺钉与四角底盘相连，下螺柱顶部为薄的圆柱体置于筒体内，圆柱体半径比筒体半径稍小。用于压力测试的测试板左侧为薄的圆柱体，右侧为长方体，筒体的右侧筒壁沿着竖直方向开设条形孔，条形孔的宽度比测试板的长方体横截面的宽度略宽，测试板通过筒体上端的开口，薄圆柱体刚好置于筒体内在径向受到约束，同时长方体刚好穿过侧壁的条形孔，整个测试板在径向受到约束，因此只能沿着筒体进行上下移动。四角底盘的中央连接着下螺柱，下螺柱靠近底端装有销，通过扭动销使下螺柱通过螺纹孔，沿着筒体的轴线上下移动，从而带动测试板上下移动，使其与测试试件可以良好的接触。长方体的端部安装有应变式压力传感器，之后连接柱形测试头来测试试件的压力大小，长方体端部的下侧也装有应变式压力传感器和弧形测试头，来测试试件的压力的大小。测试板的下侧通过下螺柱来支撑，为了防止测试板受到力的作用而发生侧翻，测试板的上表面通过上螺柱来压紧。筒体压盖通过螺钉与筒体连接在一起，筒体压盖沿着轴线方向也开有螺纹孔，上螺柱则通过螺纹孔与筒体压盖相连，上螺柱靠近顶端开有销孔，将销穿过销孔，通过顺时针或逆时针转动销，可以实现上螺柱下移或上移，测试过程中，上螺柱的下端面要始终压紧测试板的上端面，使测试板在沿轴线方向上也受到约束，不能发生移动。在调节测试板上下移动的时候，同时调节上下螺柱，测试板上下表面同时受到约束而不会发生侧翻。

测试时，调节压力测试装置滑块的位置使整个压力测试装置在沿水平方向上达到合适的位置，此时在线圈中通入电流，使铁芯的上表面的磁极与滑块下表面的磁极相反，根据异名磁极相互吸引的原理，在磁场力的作用下滑块被紧紧地吸在支撑台上，使整个压力测试装置被牢牢地固定在总底座上，从而压力测试装置在水平方向受到约束而无法发生移动。通过调节位于筒体压盖和四角底盘上的上下螺柱，使测试板上下移动，在竖直方向上也位于合适的位置。通过调节测试头在竖直和水平方向上均处于合适的位置，且与试件良好接触并且压紧试件。电机运行之后，试件在三爪卡盘的带动下绕着轴线做转动，通过扭矩传感器可以测得试件所受到的扭矩的大小。位于测试板上的测试头通过应变压力传感器可以测得试件受到的正压力的大小。根据扭矩与表面摩擦阻力之间的关系可以将扭矩换算为表面摩擦阻力，通过摩擦阻力、摩擦阻力系数以及正压力之间的关系，由测得的数据即可通过计算得到待测试件的表面摩擦阻力系数。

本发明的有益效果是：改变了传统的利用风洞和水洞测试表面摩擦力系数的方法，克服了风洞试验占用试验场地大，投资较大，容易受到边界效应或边界干扰、支架干扰及相似准则不能满足的影响的缺点，以及水洞实验水流的均匀度和水面的平滑性不容易满足准则测定阻力的要求的缺点，且风洞试验所需要的风道的尺寸较大，水洞实验要求有较高的密封性能。本发明结构简单，整个测试装置仅包括压力测试装置和扭矩测试装置两个部分；由于组成测试装置的零部件的尺寸都相对较小，不需要管道系统，因此占地面积小，可以节省试验场地，试验成本低、试验操作方便、噪声低。整个压力测试装置通过槽道和滑块组成的系统，利用了磁场力的作用，根据同名磁极相互排斥异名磁极相互吸引的原理，不仅方便对压力测试装置进行水平定位，使试验试件装卸、更换简单，并且可以省力。不仅可以测量固体表面而且可以对弹性体壁面进行测量，安装拆卸方便等优点，并且绿色环保、无污染。测试中使用的应变压力传感器以及扭矩传感器的精度高，因此试验的准确性好，精度高。

附图说明

图1是本发明的测试装置流程图；

图2是本发明的结构图；

图3是本发明的压力测试装置结构图；

图4是本发明的压力测试装置的侧视图；

图5是本发明的测试板大样图；

图6是本发明的测试板俯视图；

图7是本发明的四角底盘详图；

图8是本发明的四角底盘的俯视图；

图9是本发明的夹持装置结构图；

图10是本发明的盘体结构图；

图11是本发明的扭矩测试装置图；

图12是本发明的动力装置图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1结合附图1，本发明所述的一种表面摩擦阻力系数测试装置，包括用于测试试件所受正压力的压力测试装置1、试件夹持装置2、扭矩测试装置3和动力装置4，所述的压力测试装置1、试件夹持装置2、扭矩测试装置3和动力装置4通过固定装置固定于总底座5上，所述的压力测试装置1与所述的总底座5滑动连接；所述的动力装置4的动力输出轴与所述的扭矩测试装置3的动力输入端固接，所述的扭矩测试装置3的动力输出端与所述的试件夹持装置2的动力输入端固接；

结合附图2、附图3、附图4和附图8来说明压力测试装置1的组成。压力测试装置1从上往下依次为上螺柱107，压盖108，竖直布置的回转筒体109，测试板110，四角底盘103，下螺柱111，滑块102和支撑台101。支撑台101与总底座5通过螺钉连接，支撑台101上侧开有槽道，滑块102通过槽道的一端开口处塞入槽道，四角底盘103通过螺钉与滑块102相连，下螺柱111通过四角底盘103顶部中央所开的螺纹孔与四角底盘103相连，回转筒体109与四角底盘103通过螺钉固连，测试板110置于回转筒体109内，上侧通过上螺柱107压紧，上螺柱107通过压盖108上的螺纹孔与压盖108相连，上螺柱107的下端部深入回转筒体109腔内压紧测试板110。压盖108与回转筒体109则通过螺钉进行连接。为了测试的需要，整个压力测试装置应可以沿着水平方向进行移动，以调节其在水平方向的位置，采用支撑台101和滑块102组成的系统来满足该功能。支撑台101分上下两层，下层是内部中空的壳体，支撑台101侧面开有长方形孔，将中间厚而两侧很薄的长方体铁芯112塞入两侧的孔中，将线圈沿着竖直方向绕在长方体外侧，线圈端线通过壳体侧壁开的孔处引出，接入外部电路，通过电流的磁效应可将绕线圈的铁芯112进行磁化，铁芯112的磁极取决于通入线圈中电流的流向，电流的流向不同，则相应的铁芯被磁化后的磁极方向也相反，根据测试时需要改变电流流向来得到满足条件的磁极方向。支撑台101的上侧开有梯形的下凹滑槽，用来固定滑块102，使其只能沿着水平方向移动，整个压力测试装置通过螺钉固定于滑块102上，滑块102通过槽道的一端的开口处塞入下凹滑槽，在滑块102的带动下压力测试装置将沿着水平方向进行移动。滑块102由磁铁制成的。测试时，压力测试装置在水平方向将受到很大的力，为了将该力平衡掉，防止压力测试装置脱离下凹滑槽，需要滑块102和磁化后的铁芯112的相互作用来实现。在线圈中通入电流将铁芯112进行磁化，确保此时铁芯112上表面的磁极与滑块102下表面的磁极相反，根据异名磁极相互吸引的原理，滑块102在磁场力的作用下被牢牢地吸在支撑台101上，由于磁场力在巨大作用，使得测试装置即使受到了水平力的作用也不会沿着下凹滑槽发生移动。在测试结束时，需要取下试件6，或根据试验要求需要更换试件6的时候，通过改变线圈中电流的方向，可以使绕线圈铁芯112的磁极发生反向，此时铁芯112上表面的磁极则与滑块下表面的磁极相同，在磁场力的作用下，两者表现为斥力，由于斥力的作用，移动滑块102的时候还可以很省力，方便地移动滑块102，使压力测试装置远离试件6，从而留下足够大的空间方便地装卸和更换试件6。四角底盘103通过螺钉固定在滑块102上，四角底盘103顶部中间开有螺纹孔，回转筒体109通过螺钉与四角底盘103相连，下螺柱111顶部为薄的圆柱体，圆柱体半径比筒体半径稍小，可以置于回转筒体109内。用于压力测试的测试板110左侧为薄的圆柱体，右侧为长方体，回转筒体109的右侧筒壁沿着轴线方向开设竖直条形孔，竖直条形孔的宽度比测试板110右侧的长方体横截面的宽度略宽，测试板110通过筒体109上端的开口，左侧薄圆柱体刚好置于筒体109内，在径向受到约束，不会发生移动，同时右侧的长方体刚好穿过侧壁的竖直条形孔，整个测试板110在径向受到约束，因此只能沿着回转筒体109进行上下移动，这样便可以调节测试板110竖直方向的位置了。四角底盘103通过螺纹孔连接着下螺柱111，下螺柱111靠近底端处装有销，通过转动销使下螺柱111沿着筒体109上下移动，从而带动测试板110上下移动，使位于测试板110右侧长方体上的柱形测试头104与测试试件6可以良好的接触。长方体的端部安装有应变式压力传感器105，之后连接柱形测试头104来测试试件的压力大小，长方体靠近右端的下侧也装有应变式压力传感器和弧形测试头106，来测试试件的压力的大小。测试板110的下表面通过下螺柱111来支撑，为了防止测试板110受到力的作用而发生侧翻，测试板110的上表面通过上螺柱107来压紧。筒体压盖108通过螺钉与筒体109连接在一起，筒体压盖108沿着轴线方向也开有螺纹孔，上螺柱107则通过螺纹孔与筒体压盖108相连，上螺柱107靠近顶端开有销孔，将销穿过销孔，通过顺时针或逆时针转动销，可以实现上螺柱107下移或上移，测试过程中，上螺柱107的下端面要始终压紧测试板110的上端面。在调节测试板110上下移动的时候，需要同时调节上螺柱107和下螺柱111，测试板110上下表面同时受到约束而不会发生侧翻。

结合附图9，说明夹持装置2的组成。夹持装置即是三爪卡盘2。由盘体201，三爪卡盘压盖202，盘丝203，伞齿204、第一板子头205、第二板子头206和卡爪207。三个卡爪207导向部分的下面有螺纹和伞齿204背面的平面螺纹相啮合，当用第二板子头205通过四方孔转动伞齿204时，背面的平面螺纹同时带动三个卡爪207向中心靠近或退出，利用均布在卡盘盘体201上的三个活动卡爪207的径向移动，来夹紧不同直径的试件。

结合附图2和附图8、11说明扭矩测试装置3的组成。扭矩测试装置3包括扭矩测试器308，连接轴306，轴承端盖304，筒体303和轴承302。扭矩测试器308通过螺钉与扭矩测试器支撑台309固连在一起。扭矩测试器308的左侧通过弹性柱销联轴器307与轴306相连。连接轴306通过筒体303进行支撑，连接轴306沿着筒体303的轴线穿过筒体，轴承302从轴的两侧套在连接轴306上，通过轴肩进行定位，然后将轴承端盖304从连接轴306的两侧套在连接轴306上。轴承端盖304与连接轴306之间采用密封圈305进行密封。同时将轴承端盖302与筒体303之间用螺钉301进行固连。筒体303与轴三角板支座310焊接在一起，轴三角板支座310则通过螺钉与总底座5进行固连。

结合附图2和附图12说明动力装置4的组成。动力装置4使用电机401提供功力，电机401通过第一螺钉402与电机支撑台403连接在一起，电机支撑台403与总底座5通过第二螺钉404连接固定在一起。

结合附图2，附图11和附图12夹持装置2与扭矩测试装置3之间的通过三爪卡盘连接法兰8进行连接。三爪卡盘连接法兰8固定在轴306的最左侧，三爪卡盘连接法兰8与三爪卡盘2之间通过螺钉7进行固连。扭矩测试装置3与动力装置4采用弹性柱销联轴器9将电机401轴与扭矩传感器308右侧轴连在一起来传递扭矩。试件夹持装置2、扭矩测试装置3以及动力装置4通过各自的支撑台固定在总底座5上，保证三者的轴线相互重合。

测试时，调节压力测试装置1的滑块102，使滑块102远离试件夹持装置2，将待测试件6用三爪卡盘2夹紧固定。然后调节压力测试装置1滑块102的位置使整个压力测试装置1在沿水平方向上达到合适的位置，此时在线圈中通入电流，使铁芯112的上表面的磁极与滑块102下表面的磁极相反，根据异名磁极相互吸引的原理，在磁场力的作用下滑块102被紧紧地吸在支撑台101上，使整个压力测试装置1被牢牢地固定在总底座5上，从而压力测试装置1在水平方向受到约束而无法发生移动。通过调节位于筒体压盖108和四角底盘103上的上下螺柱，使测试板110上下移动，在竖直方向上达到合适的位置，此时柱形测试头104在竖直和水平方向上均处于合适的位置，且与试件6良好接触并且压紧试件6。启动电机401，试件6在三爪卡盘2的带动下绕着轴线做转动，通过扭矩传感器308可以测得试件110所受到的扭矩的大小。位于测试板110上的柱形测试头104通过应变压力传感器105可以测得试件110受到的正压力的大小。根据扭矩与表面摩擦阻力之间的关系可以将扭矩换算为表面摩擦阻力，通过摩擦阻力、摩擦阻力系数以及正压力之间的关系，由测得的数据计算可得待测试件6的表面摩擦阻力系数。由于压力测试装置有柱形测试头104和弧形测试头106，因此不仅可以测量试件6是平面时的压力大小同样可以测量当试件6表面为弧形面时的正压力的大小。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。