一种面‑面接触扭动微动摩擦磨损试验系统及其控制方法与流程

本发明属于扭动微动摩擦磨损试验技术领域，更具体地，涉及一种面-面接触扭动微动摩擦磨损试验系统及其控制方法。

背景技术：

微动即在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的振幅极小的相对运动(位移幅值一般为微米量级)，这些接触表面通常名义上是静止的，故微动发生在“紧固”配合的机械部件中，造成配合面的磨损以及裂纹的萌生和扩展等，在如飞机、车辆、海洋平台等承受复杂应力的工况下都时有发生，对其使用寿命产生了严重的影响。因此，针对其具体工况下的接触情况，研究其微动磨损规律，对减小微动磨损，提高构件的使用寿命具有至关重要的理论意义和现实意义。

微动磨损按其接触形式可分为点/面接触、线/面接触和面/面接触三种接触形式，目前的扭动微动磨损研究中通常以简化的球/平面模型进行试验研究，但在实际的工况下，大多的摩擦副是以面面接触的形式进行的。相对应的，现有的微动摩擦磨损领域中，由于没有统一标准的扭动微动磨损试验平台，各研究者大多选择针对着各自的研究对象，设计不同形式的微动摩擦磨损试验机，但针对于面接触形式下的扭动微动磨损试验机的研制仍比较欠缺。如中国专利(专利公开号为cn103196766a)公开了一种钢丝微动摩擦磨损试验机，可以对上试样钢丝和下试样钢丝进行摩擦磨损实验，且可以无级地调节微动台的滑动行程与微动台表面的压力载荷，但并不适宜于其他接触形式的微动磨损试验；另外一件中国专利(专利公开号为cn103063530a)公开了一种微动摩擦磨损试验机，可以应用计算机数据处理装置根据正压力信号自动控制加载装置的运作，根据微动摩擦信号自动评价试样a、试样b的相应正应力信号、位移信号下的磨损性能，且试样a可呈圆柱状、球状、或者块状设置，但其装置中仅简单的进行试样a的替换，并没有针对不同的接触形式，根据其不同的接触特点做出相应的调整，且其运动形式不能满足扭动微动的需要；另外有中国专利(专利公告号为cn201555762u)公开了一种滑动摩擦实验自适应夹头，可以使摩擦副表面之间充分接触，但是没有涉及具体的试验机结构，且其运动形式为滑动形式。

技术实现要素：

本发明针对更符合实际工况的面接触具体形式，提出了一种基于面接触形式下的扭动微动摩擦磨损试验装置，其具有操作方便、载荷平稳、角位移幅值精度较高，能更好的反应实际工况扭动微动摩擦磨损特性等特点，能够进行各种不同载荷、频率以及角位移幅值下的扭动微动磨损研究，可作为扭动微动磨损研究的可靠试验仪器。

为实现上述目的，本发明提供了一种面-面接触扭动微动摩擦磨损试验系统，其特征在于，该系统包括加载装置、定位夹持装置、摩擦副、驱动装置、数据采集装置与计算机测控装置，

所述夹持装置，包括上试样夹具和下试样夹具，分别用于固定上下摩擦副试样；

所述加载装置包括加载支架、支撑平台；所述加载支架至少由纵向的两个侧板和横向的端盖组成第一空间，与所述支撑平台固定；所述加载支架的第一空间内设置有导向块，所述导向块上固定有加载横梁，所述加载横梁与连接件连接，所述连接件固定所述夹持装置中的上试样夹具，所述上试样夹具通过所述连接件与所述扭矩传感器相接，加载钢球设置于所述上试样夹具与所述连接件之间，所述上试样夹具与所述加载钢球的接触面上设有与其配合的球面凹槽，所述加载装置通过加载钢球为摩擦副施加正压力；扭矩传感器上端通过连接固定在端盖上，下端出轴与连接件方形空间隙配合；

所述驱动装置产生驱动信号控制步进电机的启闭、转速和转向，所述步进电机轴通过减速箱与所述下试样夹具转轴连接，编码器采集并反馈所述步进电机的旋转角度值发送至所述计算机测控装置；

所述的数据采集装置采集所述扭矩传感器输出的扭矩值并发送至所述计算机测控装置，所述驱动装置与所述数据采集装置分别与所述计算机测控装置相连。

进一步地，所述加载横梁与所述导向块通过螺钉连接，砝码所加载载荷通过所述导向块以及加载横梁传递到加载钢球上，进而再传递到上试样夹具以及所述摩擦副上。

进一步地，所述连接件通过螺纹紧固件与所述上试样夹具相连接，所述连接件上端加工有方形孔，与所述扭矩传感器下端方形出轴间隙配合，以保证在载荷施加过程中扭矩传感器不承受轴线载荷。

进一步地，所述扭矩传感器固定安装在所述加载支架的端盖上。

进一步地，所述摩擦副为平板状下试样和环状上试样，所述下试样夹具及所述平板状下试样具有小于1微米以内的表面平行度，所述上试样的外径为10㎜，内径为8㎜。

进一步地，所述下试样夹具为带有润滑槽的形式，摩擦界面浸没在所述润滑槽的润滑介质中。

进一步地，所述的试验系统通过所述计算机测控装置调节所述步进电机的角位移幅度来进行微动或滑动磨损实验的切换。

本发明还公开了一种面-面接触扭动微动摩擦磨损试验系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：

调节所述步进电机的角位移幅度来选择微动磨损试验模式或者是滑动磨损试验模式；

设置所述加载装置为所述试验系统提供加载的载荷，所述驱动装置驱动所述加载装置来产生不同载荷、频率以及角位移幅值从而提供摩擦副不同条件下的磨损试验；

所述扭矩传感器采集到所述上试样以及所述下试样间的摩擦扭矩，扭矩传感器变送器提供所述扭矩传感器的驱动电源，所述采集板采集所述扭矩传感器输出的扭矩值发送至所述计算机测控装置，所述加载装置的参数被所述计算机测控装置采集，从而可以依据所述加载装置的参数执行反馈控制所述驱动装置执行不同条件下的测试。

本发明的面接触扭动微动磨损试验机具有以下有益效果：其针对面接触这种特定的接触形式，采用砝码加载的方式通过加载钢球进行加载，保证了载荷施加的稳定性和均匀性，且扭动过程中摩擦副运行过程中面接触的摩擦副始终充分接触。另一方面，上试样夹具采用扇形圆环的设计，在扭动微动的过程中既有一定的径向宽度保证接触的均匀性，避免跳变，也避免了两个平板式样接触面积过大，影响试验效率的结果出现。下试样夹具则通过减速器与步进电机相连，编码器采集并反馈步进电机的旋转角度，采集板采集扭矩传感器变送器输出的扭矩值，通过计算机测控系统进行协调，从而实时的输出各种不同载荷、频率以及角位移幅值下摩擦副的磨损性能情况，操作方便、载荷平稳、角位移幅值精度较高，在需要时可通过计算机测控系统切换为滑动磨损试验模式进行对比试验，能更好的反应面接触工况下扭动微动摩擦磨损规律。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的整体结构示意图(主视图)；

图2为按照本发明一个实施例的整体结构示意图(剖视图)；

图3为按照本发明实现的试验系统中的连接件的结构示意图；

图4为按照本发明实现的试验系统中的上试样夹具的结构示意图；

图5为按照本发明实现的试验系统中的上试样的结构示意图；

图6为按照本发明实现的带有润滑槽的下试样夹具的结构示意图；

图7为按照本发明实现的试验系统的控制原理图。

在所有附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件或结构，其中：

1-支撑立柱2-支撑平台3-下试样夹具4-块状下试样5-上试样6-上试样夹具7-连接件8-加载支架9-扭矩传感器10-导向块11-端盖12-加载砝码13-加载横梁14-加载钢球15-减速箱16-电机支架17-步进电机18-编码器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图5所示，本发明的一个实施例是一种面接触扭动微动摩擦磨损试验机，试验机包括加载装置、定位夹持装置、摩擦副、驱动装置、数据采集装置与计算机测控系统，其中：

加载装置通过设置为整体的试验机系统提供加载的载荷，定位夹持装置用于实现对摩擦副的灵活固定夹持，驱动装置主要通过精确的设置，能够配合加载装置来产生相应的接触方式，从而提供满足试验要求的能够溯源的试验系统，编码器采集并反馈步进电机的旋转角度，采集输出扭矩值，通过计算机测控系统来进行协调，从而能够实时地进行在各种不同载荷、频率以及角位移幅值下的摩擦副的磨损性能的试验情况。

首先，加载装置包括加载支架8、支撑平台2、加载横梁13；

其中加载支架8至少由纵向的两个侧板和横向的端盖11构成，且可通过螺纹紧固件与支撑平台2固紧；支撑平台2通过螺栓固定在试验机的支撑立柱1上，且与电机支架16通过螺纹紧固件固紧；

加载横梁13上端与导向块10相固定，下端与加载钢球14相接触，通过向导向块10上放置加载砝码，进而通过加载钢球14向摩擦副施加正压力，使摩擦副的接触界面通过钢球进行协调，保证接触的均匀性。

在本实施例的实施方式中，导向块10和加载横梁13设置于两个侧板和横向的端盖组成的空间内；

加载横梁13通过螺钉固定在导向块10上，砝码12作用力通过导向块10以及加载横梁传递到加载钢球14上，进而再传递到上试样夹具6以及上试样5上。

夹持装置，包括上试样夹具6和下试样夹具3，分别固定上下摩擦副，下试样夹具通过减速箱15与步进电机17相连，上试样夹具6如图3所示，上试样夹具6起到连接上试样5与连接件7的作用，具体为其上表面通过螺纹紧固件与扭矩传感器9相固紧，下表面通过螺纹紧固件与上试样5连接。上试样夹具6上端面中心加工有放置加载钢球14的锥形凹槽，以保证加载的稳定性，附图3中，该螺纹紧固件均为内六角螺钉；同时上试样夹具6上端面加工有锥形凹槽以便放入加载钢球，同时通过螺钉孔上端与连接件7连接，下端与下试样连接。

连接件7具体结构如图2所示，连接件7上端加工有方形孔，而扭矩传感器9下端加工有方形出轴，连接件7的方形孔与扭矩传感器的方形出轴通过间隙配合进行连接，设计成间隙配合的主要目的是保证在测量的过程中扭矩传感器9仅承受周向力，防止加载的过程中扭矩传感器9受到自上而下的轴向力而影响测量精度。间隙值过大也会影响其角位移幅值精度，在本实施例中间隙值控制在100μm左右；摩擦副为块状下试样4和环状上试样5，下试样夹具6及块状下试样4应具有较好的表面平行度，上试样如图4所示，图中的下端面为与下试样接触磨损表面，该接触表面设计成部分(45°)环形，而非整周环形，目的是减小接触面积，增加单位面积接触压强，提高磨损效率。如图5所示，本实验中上试样接触面的外径设计为10mm,内径设计为8mm，上试样上端面通过4个螺纹紧固件与上试样夹具6固紧。

驱动装置目的是驱动下试样相对上试样往复摆动，驱动装置包括图1中所示的步进电机17，减速箱15、编码器18，以及外接的步进电机驱动器。通过控制步进电机驱动器发出的脉冲信号的频率以及数量等，来控制步进电机的启闭、转向、转速和摆动幅度，进而控制微动实验的启停、微动幅度以及微动频率等；同时步进电机17的下出轴连接有编码器18，该编码器18采集并反馈步进电机17的旋转角度等信息，反馈给上位机，实现步进电机17转动角位移等的闭环控制，以保证控制精度。

数据采集装置包括扭矩传感器变送器、采集板、控制板，扭矩传感器变送器提供扭矩传感器的驱动电源，并接输出处理后的扭矩值，采集板采集输出的扭矩值并发送至计算机测控系统，控制板采集来自编码器的步进电机旋转角度值，并能向步进电机驱动器输出控制信号。另外，所述扭矩传感器通过紧固件固定安装在加载支架的端盖上；如图6所示，下试样夹具配置有摩擦介质添加装置，该装置与下试样夹具一体成圆筒状设置，高度上高于上下试样接触界面，使本发明可以实现不同摩擦介质下的试验测试，这样可使得试验摩擦界面都处于摩擦介质中进行实验。

图7所示为本测量装置测控系统原理图。主要包括计算机、数据采集卡以及步进电机控制与反馈等部分构成。计算机上安装有labview软件，通过在软件前面板上可以输入电机的启停、信号采集等指令实现人机交互，同时也可以输入进行微动幅度、微动频率等参数的设定，计算机控制步进电机发出的脉冲信号的数量以及频率，来控制步进电机的摆动幅度和转速等。编码器可以采集到步进电机的实际转速等信息，进而再反馈到上位机，上位机根据数据采集卡发出和接收到的步进电机的转速等信息，实现步进电机的闭环精确控制。同时扭矩传感器可以采集到上试样以及下试样间的摩擦扭矩，再通过变送器进行信号的放大和转换，进而被数据采集卡采集。计算机上安装的labview软件前面板同时可以显示实验的当前循环次数以及实时显示摩擦力矩曲线，同时本发明的控制系统还可以通过调节来实现滑动磨损和微动磨损实验的切换，主要是通过如下方式来执行，具体方法为：摩擦副的线性相对位移幅度与步进电机角位移幅度的关系为，其中θ为步进电机的角位移幅度，r为摩擦副接触半径。通过设定θ使d在300微米范围内，即可以进行微动磨损实验；如果需要进行滑动磨损实验，则调节θ，使d在大于300微米的范围内，则即可以进行滑动磨损实验。

本试验机可以实现的试验技术指标如下：

1.法向载荷：视具体试验要求，进行不同质量砝码的加载；

2.运动频率：15hz以下；

3.角位移幅值：试验机可以实现的最小角位移幅值为0.018°，且在需要的时候可测试滑动磨损性能为扭动微动摩擦磨损进行对比试验。

4.有无润滑条件，以及各种不同介质下的扭动微动摩擦磨损试验。

本发明所述的扭动微动摩擦磨损试验机的工作过程如下：

根据试验所需的载荷，选择不同的加载砝码放置在导向块上，通过加载横梁下的加载钢球进行加载，以保持载荷分布的均匀性。下试样固定在下试样夹具上通过减速箱与步进电机相连接，步进电机驱动器产生驱动信号控制步进电机的启闭、转速和转向，编码器采集并反馈步进电机的旋转角度，同时，控制板采集来自编码器的步进电机旋转角度值，并向步进电机驱动器输出控制信号，以此精确地控制往复扭转运动幅度。另一方面，通过扭矩传感器变送器提供扭矩传感器的驱动电源，并接输出处理后的扭矩值，采集板采集输出的扭矩力值并发送至计算机测控系统，实时的记录不同循环次数下扭动微动摩擦磨损力矩的变化情况。此外，下试样夹具与介质添加装置一体成圆筒状设置，本实验机还可以进行不同介质下的扭动微动摩擦磨损试验。

上述为按照本发明实现的系统的整体组成结构，按照本发明的更为细节的改进与实施，进一步地，如图2所示，导向块10与端盖11之间接触部位为方形孔轴间隙配合，以保证导向块在承受砝码重量时可以自由向下运动，保证加载的顺利进行。

加载装置中加载横梁与导向块通过螺钉连接相固定，横梁下端压合在加载钢球上，砝码的载荷通过向导向块以及加载横梁首先传递到加载钢球上，再向摩擦副施加正压力。同时摩擦副的接触界面会通过钢球进行接触的自适应，保证摩擦副接触的均匀性；

摩擦副为平板状下试样和环状上试样，另一方面，下试样夹具及块状下试样应具有较好的表面平行度，上试样要具有合适的径向宽度以保证摩擦副接触的平稳性。

上试样夹具通过连接件与扭矩传感器相接，且其与加载钢球的接触面上设有与其配合的球面凹槽，下试样夹具通过减速箱与步进电机相连。

连接件通过螺纹紧固件与上试样夹具相连接，在与扭矩传感器测头相对应的位置设有方形孔，且与扭矩传感器测头之间的存在一定的间隙，在加载过程中垂直方向上既不与扭矩传感器相接触，也不与加载横梁相接触。

扭矩传感器通过紧固件固定安装在加载支架的端盖上。

下试样夹具配置有摩擦介质添加装置，该装置与下试样夹具一体成圆筒状设置，高度上高于上下试样接触界面。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。