基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置及方法与流程

本发明特别涉及一种基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置及方法，属于磨耗检测技术领域。

背景技术：

现代装备中的运动部件在实际工况中存在干燥或湿润的运动环境、不同的对磨材料及复杂的运动状态；有些运动部件往往不是单一的纯滚动或者纯滑动，而是既有滑动又有滚动的复杂的运动状态。比如，汽车轮胎在实际使用情况中由于使用场合和条件的不同。其运动状态既有纯滑动和纯滚动，也有一定滚滑比条件下的滚动和滑动相结合的运动。例如，汽车在匀速行驶过程中轮胎是纯滚动，在急刹车情况下是纯滑动，在加速或减速情况下是存在一定滚滑比的运行状态；其运行环境，可能是干燥环境，也可能是雨雪天气后的湿润环境；其接触路面，通常来说，既有柏油路面也有水泥路面等。

工程中，两试样接触时的滑滚比定义为：s＝2(v1-v2)/(v1+v2)，其中v1、v2分别为试样与对磨副在接触处的线速度，速度差δv＝v1-v2，u＝(v1+v2)/2称为“卷吸速度″。通常认为，当s＝0时为纯滚动，当s＝±2时为纯滑动。

现有的摩擦磨损试验机绝大多数只能评估单一环境、单一对磨材料、单一运动状态下如纯滑动或纯滚动条件下的摩擦学行为，很难真实评估上述运动部件在实际工作状态下的磨耗行为和磨损机制。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置及方法，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例一方面提供一种基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置，包括：

摩擦副，包括试样轮和对磨轮，所述试样轮上固定有待评估材料，所述对磨轮上固定有对磨材料，所述试样轮和对磨轮通过所述待评估材料和对磨材料之间的摩擦作用传动配合；

负荷机构，至少用于对所述摩擦副施加不同的载荷；

干湿调节机构，至少用于对摩擦副接触区域的干、湿磨耗条件进行调节；以及

驱动机构，至少用于驱动试样轮和对磨轮中的一者。

进一步的，所述试样轮和对磨轮的直径相同或不同，所述试样轮的轮轴与对磨轮的轮轴平行设置。

优选的，所述试样轮的轮轴与对磨轮的轮轴均水平设置。

进一步的，所述试样轮由驱动机构驱动，所述对磨轮由试样轮驱动。

优选的，所述的装置还包括调速机构，所述调速机构至少用以调节试样轮的转速。

优选的，所述驱动机构包括电机，所述调速机构包括与电机配合的电机调速器。

进一步的，所述负荷机构包括设置在对磨轮上的负荷托架以及与负荷托架配合的配重。

优选的，所述负荷机构还包括与对磨轮连接的负荷校正器，所述负荷校正器包括压力微调块。

进一步的，所述装置还包括制动机构，所述制动机构包括与对磨轮配合的盘式制动器，所述盘式制动器与设置在所述对磨轮的轮轴上的制动盘配合。

优选的，所述盘式制动器还与能够盛放不同规格砝码的砝码盘传动连接，所述砝码盘至少用以对盘式制动器的制动性能进行控制。

优选的，所述砝码盘经至少一绳索及至少一定滑轮与一制动钳连接，所述制动钳与所述盘式制动器配合。

进一步的，所述装置还包括测速机构，所述测速机构至少用以测量所述对磨轮的转速。

优选的，所述测速机构包括用以测定所述对磨轮的转动圈数的电子计数器。

进一步的，所述干湿调节机构包括至少一储液机构以及与所述储液机构连通的输液管路，所述输液管路的液体出口对应于所述摩擦副的摩擦界面设置。

优选的，所述输液管路上还设有滴液调速器。

进一步的，所述装置还包括集料机构，所述集料机构至少用于收集从所述摩擦副中排出的磨屑和/或废液。

进一步的，所述装置还包括机架，所述摩擦副、负荷机构、干湿调节机构以及驱动机构均安装在所述机架上。

本发明实施例还提供了一种基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的方法，包括：

提供所述的基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置，

将待评估材料、对磨材料分别固定在试样轮、对磨轮上；以及

使试样轮以一定的转速转动并带动对磨轮转动，通过调整对磨轮的运动状态，从而实现不同滑滚比条件下材料摩擦行为的量化评估。

优选的，所述的方法还包括：在使试样轮带动对磨轮转动之前或在使试样轮带动对磨轮转动的过程中，通过干湿调节机构选择性的在摩擦副接触区域滴加或不滴加液体，实现干湿磨耗条件的变换。

进一步的，通过负荷机构对摩擦副施加不同载荷。

优选的，所述的方法包括：通过制动机构调整对磨轮的转速。

优选的，所述的方法具体包括：

通过盘式制动器仅对对磨轮进行制动，从而实现不同滑滚比条件下材料摩擦行为的量化评估：

v＝ωr＝2πnr＝πdn(1)

式(1)中v为轮线速度，r为轮半径，d为轮直径，n为轮转速，ω为轮角速度，

式(2)中，v1、n1和d1分别为试样轮的线速度、转速及直径；v2、n2和d2分别为对磨轮的线速度、转速及直径；

量化滑滚比及相应运动状态如下：

n2＝0，n2d2＝0，s＝2，为纯滑动，

n1d1＝n2d2，s＝0，为纯滚动，

n1d1≠n2d2≠0，s≠0且s≠±2，为含有滑动的滚动。

优选的，所述的方法还包括：在摩擦过程中收集摩擦副输出的磨屑和/或废液，并清理试样轮、对磨轮上的磨屑，再对磨屑和待评估材料表面的磨痕进行后续的分析和评价。

与现有技术相比，本发明提供的基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置结构简单，方法简洁，有助于准确评估运动部件在实际工作状态下的磨耗行为和磨损机制，通过改变负载、对磨材料及干湿环境，更全面地模拟不同条件下待评估材料在不同滑滚比的滑滚运动中对磨耗性能的评估，且成本低廉，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置的机构示意图；

图2是本发明实施例1中不同滑滚比-磨耗量的关系示意图；

图3a是本发明实施例1中滑滚比s＝0时的磨痕形貌图；

图3b是本发明实施例1中干磨耗下滑滚比s＝0.269时的磨痕形貌图；

图3c是本发明实施例1中干磨耗下滑滚比s＝0.533时的磨痕形貌图；

图3d是本发明实施例1中干磨耗下滑滚比s＝0.815时的磨痕形貌图；

图4a是本发明实施例1中干磨耗下滑滚比s＝0时的磨屑形貌图；

图4b是本发明实施例1中干磨耗下滑滚比s＝0.269时的磨屑形貌图；

图4c是本发明实施例1中干磨耗下滑滚比s＝0.533时的磨屑形貌图；

图4d是本发明实施例1中干磨耗下滑滚比s＝0.815时的磨屑形貌图；

附图标记说明：1-固定夹、2-铁架台、3-输液袋、4-定滑轮、5-软钢丝、6-砝码、7-砝码台、8-电子计数器、9-制动钳、10-盘式制动器、11-配重、12-负载托架、13-毛刷、14-对磨轮、15-盘轴紧固件、16-对磨轮转动轴、17-制动盘、18-压力微调块、19-塑料软管、20-滴液调速器、21-试样轮、22-集屑集液器、23-电机、24-电机调速器。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例一方面提供一种基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置，包括：

摩擦副，包括试样轮和对磨轮，所述试样轮上固定有待评估材料，所述对磨轮上固定有对磨材料，所述试样轮和对磨轮通过所述待评估材料和对磨材料之间的摩擦作用传动配合；

负荷机构，至少用于对所述摩擦副施加不同的载荷；

干湿调节机构，至少用于对摩擦副接触区域的干、湿磨耗条件进行调节；以及

驱动机构，至少用于驱动试样轮和对磨轮中的一者。

进一步的，所述试样轮和对磨轮的直径相同或不同，所述试样轮的轮轴与对磨轮的轮轴平行设置。

优选的，所述试样轮的轮轴与对磨轮的轮轴均水平设置。

进一步的，所述试样轮由驱动机构驱动，所述对磨轮由试样轮驱动。

优选的，所述的装置还包括调速机构，所述调速机构至少用以调节试样轮的转速。

优选的，所述驱动机构包括电机，所述调速机构包括与电机配合的电机调速器。

进一步的，所述负荷机构包括设置在对磨轮上的负荷托架以及与负荷托架配合的配重。

优选的，所述负荷机构还包括与对磨轮连接的负荷校正器，所述负荷校正器包括压力微调块，用于矫正摩擦副间的压力。

进一步的，所述装置还包括制动机构，所述制动机构包括与对磨轮配合的盘式制动器，所述盘式制动器与设置在所述对磨轮的轮轴上的制动盘配合。

优选的，所述盘式制动器还与能够盛放不同规格砝码的砝码盘传动连接，所述砝码盘至少用以对盘式制动器的制动性能进行控制。

优选的，所述砝码盘经至少一绳索及至少一定滑轮与一制动钳连接，所述制动钳与所述盘式制动器配合。

进一步的，所述装置还包括测速机构，所述测速机构至少用以测量所述对磨轮的转速。

优选的，所述测速机构包括用以测定所述对磨轮的转动圈数的电子计数器。

进一步的，所述干湿调节机构包括至少一储液机构以及与所述储液机构连通的输液管路，所述输液管路的液体出口对应于所述摩擦副的摩擦界面设置。

优选的，所述输液管路上还设有滴液调速器。

进一步的，所述装置还包括集料机构，所述集料机构至少用于收集从所述摩擦副中排出的磨屑和/或废液。

进一步的，所述装置还包括机架，所述摩擦副、负荷机构、干湿调节机构以及驱动机构均安装在所述机架上。

本发明实施例还提供了一种基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的方法，包括：

提供所述的基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置，

将待评估材料、对磨材料分别固定在试样轮、对磨轮上；以及

使试样轮以一定的转速转动并带动对磨轮转动，通过调整对磨轮的运动状态，从而实现不同滑滚比条件下材料摩擦行为的量化评估。

优选的，所述的方法还包括：在使试样轮带动对磨轮转动之前或在使试样轮带动对磨轮转动的过程中，通过干湿调节机构选择性的在摩擦副接触区域滴加或不滴加液体，实现干湿磨耗条件的变换。

进一步的，通过负荷机构对摩擦副施加不同载荷。

优选的，所述的方法包括：通过制动机构调整对磨轮的转速。

优选的，所述的方法具体包括：

通过盘式制动器仅对对磨轮进行制动，从而实现不同滑滚比条件下材料摩擦行为的量化评估：

v＝ωr＝2πnr＝πdn(1)

式(1)中v为轮线速度，r为轮半径，d为轮直径，n为轮转速，ω为轮角速度，

式(2)中，v1、n1和d1分别为试样轮的线速度、转速及直径；v2、n2和d2分别为对磨轮的线速度、转速及直径；

量化滑滚比及相应运动状态如下：

n2＝0，n2d2＝0，s＝2，为纯滑动，

n1d1＝n2d2，s＝0，为纯滚动，

n1d1≠n2d2≠0，s≠0且s≠±2，为含有滑动的滚动。

优选的，所述的方法还包括：在摩擦过程中收集摩擦副输出的磨屑和/或废液，并清理试样轮、对磨轮上的磨屑，再对磨屑和待评估材料表面的磨痕进行后续的分析和评价。

具体的，请参阅图1，在本发明中一些较为具体的实施方中，一种基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置包括试验支架，试验支架上固定摩擦副，摩擦副包括直径相同或不同的试样轮21和对磨轮14，试样轮21上固定有待评估材料(待评价材料可以是涂层材料，密封和轮胎用橡胶材料等)，对磨轮14上固定有对磨材料(对磨材料可以是钢材，陶瓷或模拟马路路面的材料等)，试样轮和对磨轮通过所述待评估材料和对磨材料之间的摩擦作用传动配合；其中试样轮24由驱动机构23驱动，驱动电机连接有电机调速器24，通过调整电机调速器24可以测定和调节试样轮的转动速度，使其调整到试验所需要的转动速度；对磨轮14由试样轮21驱动；

负荷机构，包括设置在对磨轮上的负荷托架12、压力微调块18(用于矫正摩擦副间的压力)以及与负荷托架配合的配重11，通过负荷托架上施加不同质量的配重，使试验材料表面施加不同的载荷；

干湿调节机构，包括至少一输液袋3(输液袋可以悬挂在一个固定有固定夹1的铁架台2上)以及与输液袋连通的塑料软管19，塑料软管19上还设有滴液调速器20，塑料软管19的液体出口对应于摩擦副的摩擦界面设置，至少用于对摩擦副接触区域的干、湿磨耗条件进行调节；

制动机构，包括与对磨轮配合的盘式制动器10，盘式制动器与设置在对磨轮轮转动轴16上的制动盘17配合，盘式制动器还与能够盛放不同规格砝码6的砝码盘7传动连接，砝码盘7经软钢丝5及至少一定滑轮4与一制动钳9连接，通过砝码盘中放置不同质量的砝码，对制动钳施加不同的载荷，通过盘式制动器实现对对磨轮不同转速调控；

测速机构，包括用以测定所述对磨轮的转动圈数的电子计数器8，通过磨耗时间所对应的计数器所记录的圈数，实现对磨轮转速的计算；

集料机构，包括集料集液器22，设置在摩擦副的摩擦界面设置下部，用于收集从所述摩擦副中排出的磨屑和/或废液；另外，集料机构还包括一个毛刷13，毛刷可以与对磨轮上的对磨材料接触，使摩擦产生的磨屑脱离对磨轮落入集料集液器中。

在本发明的一些更为具体的实施方案中，一种基于量化滑滚比评估材料干湿磨耗行为的方法具体可以包括如下步骤：

(1)将待评估材料及对磨材料分别涂覆或黏附在试样轮、对磨轮上；

(2)试样轮通过电机调速器设定一定转速带动对磨轮一起转动；

(3)通过在负荷支架上放置不同重量的配重，实现对对磨轮施加不同的载荷；

(4)通过滴液调速开关，使干湿调节机构选择性的在摩擦副接触区域滴加或不滴加液体实现干湿磨耗的变换；

(5)通过盘式制动器仅对对磨轮进行制动，从而实现不同滑滚比条件下材料摩擦行为的量化评估：

v＝ωr＝2πnr＝πdn(1)

式(1)中v为轮线速度，r为轮半径，d为轮直径，n为轮转速，ω为轮角速度，

式(2)中v1、n1和d1分别为试样轮的线速度、转速及直径；v2、n2和d2分别为对磨轮的线速度、转速及直径；

其中，量化滑滚比及相应运动状态如下：

n2＝0，n2d2＝0，s＝2，为纯滑动；

n1d1＝n2d2，s＝0，为纯滚动；

n1d1≠n2d2≠0，s≠0且s≠±2，为含有滑动的滚动；

(6)摩擦一定时间后，记录电子计数器上圈数，从而得到对磨轮转速，电机调速器测得试样轮的转速；

(7)通过在砝码盘中放置不同质量的砝码，对盘式制动器制动性能进行控制，从而实现对磨轮获得不同转速；

(8)摩擦过程中通过摩擦副下方的集屑集液器收集磨屑/和废液，清理两轮上的磨屑，对磨屑和试样表面磨痕进行后续的分析和评价。

实施例1

采用本发明提供的基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置和方法针对轮胎用炭黑-白炭黑双相填料ssbr/br橡胶与商用砂轮对磨时的磨耗性能进行评价。

试验步骤如下：

(1)将待测橡胶剪裁成长条状，粘附在试样轮上，粘接时试样不应受到张力，接头粘接时应光滑过渡，粘接后的试样轮至少在试验环境中放置16小时，试样轮采用橡胶轮，对磨轮为商用的砂轮，橡胶轮直径为75mm，砂轮直径为150mm；

(2)通过在负荷托架上放置配重载荷，在试样材料表面施加载荷27n；

(3)设定橡胶轮转速为76r/min，制动装置砝码盘为空，无制动；橡胶轮带动砂轮转动，此时砂轮转速38r/min，此时滑滚比为0；设定橡胶转速为76r/min，向砝码盘加砝码对砂轮施加制动，砂轮转速分别为29r/min、22r/min、16r/min，与之相对应的，滑滚比s分别为0.269、0.533和0.815，为带有滑动的滚动；

(4)选择干磨耗，摩擦过程中通过在第一转动轮和第二转动轮下方的托盘收集磨屑，摩擦规定时间后，清理转轮上的磨屑至下方托盘中，对磨屑和橡胶表面磨痕进行分析和评价。

从图2中可以看出滑滚比为0即纯滚动时磨耗极小，随着滑滚比的增大即滑动所占比的增大磨损质量急剧增大。

图3a-d分别为干磨耗不同滑滚比下的磨痕和磨屑形貌；滑滚比s＝0即纯滚动时，几乎没有磨痕，表面平整。滑滚比s≠0且≠±2即带滑动的滚动时，都出现了明显的纱马赫图纹形貌，随着滑滚比的增大，凸棱间的深度和宽度在增加，高滑滚比下，凸棱明显翘曲。

图4a-d分别为干磨耗不同滑滚比下的磨屑形貌，从图4a可以看出s＝0纯滑动时，磨屑为微小颗粒状，且数量极小，属于磨粒磨耗。s≠0且≠±2即含滑动的滚动，磨屑出现两种形貌，微米级团状磨屑和毫米级纺锤状磨屑，属于磨粒磨耗和卷曲磨耗耦合。

本发明提供的基于量化滚滑比评估材料干湿磨耗行为的装置结构简单，方法简洁，有助于准确评估运动部件在实际工作状态下的磨耗行为和磨损机制，通过改变负载、对磨材料及干湿环境，更全面地模拟不同条件下待评估材料在不同滑滚比的滑滚运动中对磨耗性能的评估，且成本低廉，具有广泛的应用前景。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。