一种基于液压驱动的摩擦阻力系数测试装置的制作方法

本实用新型涉及的是一种基于液压驱动的摩擦阻力系数测试装置。具体地说是一种能够测试固体壁面表面摩擦系数的测试装置。尤其适用于对不同粗糙度表面的固体壁面的摩擦阻力系数进行测试，及对仿生非光滑表面的摩擦阻力系数测试。

背景技术：

摩擦阻力一直是国内外专家学者研究的热点问题，摩擦阻力归结起来包括三类：固体与固体表面之间的摩擦，流体与固体表面之间的摩擦，流体与流体之间的摩擦。摩擦阻力的存在，会使能耗大大增加，导致能源浪费。影响摩擦力的因素有很多，其中关键性的因素即为摩擦阻力系数不同材料的摩擦阻力系数一般不同。通常研究摩擦阻力系数的方法主要有试验方法和理论分析等。理论分析多用于比较简单的情形，并且进行理论分析时需要引入各种假设使问题得以简化。对于复杂的问题，由于影响因素较多，进行抽象假设比较困难。因此，大多采用试验的方法进行研究。研究流体与固体壁面之间的摩擦阻力时，根据流体的性质多采用的试验装置为水洞或风洞。然而对于固体表面摩擦阻力系数的试验装置却不多。

技术实现要素：

为了解决目前的研究固体壁面摩擦阻力时缺乏相应的测试装置的问题，本实用新型提出一种不仅可以用来测试不同粗糙度表面的固体壁面的摩擦阻力系数，还可以对仿生非光滑表面的摩擦阻力系数进行测试的基于液压驱动的摩擦阻力系数测试装置。

本实用新型所述的一种基于液压驱动的摩擦阻力系数测试装置，其特征在于：包括扭矩测试装置、压力测试装置、底座以及控制器，所述扭矩测试装置与所述底座固接，所述压力测试装置与所述底座滑动连接，并且所述压力测试装置的滑动中心线与扭矩测试装置的轴线在同一竖直平面内；所述扭矩测试装置的信号输出端、所述压力测试装置的信号输出端分别与所述控制器的相应的信号输入端电连；

所述扭矩测试装置包括用于提供旋转驱动力的驱动装置、用于传递驱动力的传递单元、用于安装试件的试验单元以及用于测量传递单元扭矩的扭矩测试单元，所述驱动装置、所述试验单元同轴安装在所述底座上，所述驱动装置的输出轴通过传递单元与所述试验单元固接，实现驱动力的传递；所述扭矩测试单元的测试端贴覆在所述传递单元表面；所述扭矩测试单元的信号输出端与控制器电连；

所述压力测试装置包括底架、用于调节测试端高度的升降装置和用于按压在试件表面的压力测试单元，所述底架与所述底座滑动连接，所述升降装置底部与所述底架固接，所述压力测试单元安装在所述升降装置的顶部；所述压力测试单元的自由端装有用于按压在试件表面的测试头，所述压力测试单元的信号输出端与所述控制器的第二信号输入端电连。

所述传递单元为套筒式连接轴，所述连接轴轴向设有贯穿连接轴两端面的通孔，所述连接轴的一端与驱动装置的输出轴键连接；所述连接轴的另一端与试验单元的安装轴键连接；所述驱动装置、所述传递单元以及所述试验单元的中心线重合，保证力的传动为直线传动。

试验单元包括筒体、转动连接轴、轴承端盖以及轴承，所述筒体通过支撑架安装在所述底座上，所述筒体内腔两端部装有用于水平支撑转动连接轴的轴承，所述筒体的两端面分别固接用于防止轴承轴向移动的轴承端盖；所述转动连接轴的两端从相应的轴承端盖中心通孔中穿出，并且所述转动连接轴与相应的轴承端盖密封转动连接，所述筒体、所述转动连接轴以及所述轴承端盖组成带密封腔的转动副；所述转动连接轴的一端与所述连接轴的一端键连接，另一端安装试件。

扭矩测试单元包括应变仪和多个电阻式应变片，所述电阻式应变片贴覆在所述连接轴的外壁，所述电阻式应变片的信号输出端通过半桥电路与所述应变仪的信号输入端电连；所述应变仪的信号输出端与所述控制器的第一信号输入端电连。

底架包括滑轨、滑块以及用于阻挡滑块的挡片，所述滑轨铺设在所述底座上，所述滑轨与所述底座固接，保证滑轨中心线与扭矩测试装置的轴线在同一竖直平面内；所述滑块通过滑轨一端的开口塞入滑轨，保证滑块沿着滑轨中心线滑动；所述滑轨沿其横截面的方向开设用于插入挡片的条形缝。

所述压力测试单元包括测试板、测试头以及应变式压力传感器，所述测试板一端与升降装置的顶部固接，另一端安装应变式压力传感器，并且每个应变式压力传感器配置一个用于测试压力的测试头；所述应变式压力传感器的信号输出端与所述控制器的第二信号输入端电连。

所述升降装置为液压驱动升降柱，包括外筒和内芯，所述外筒的底部与底架的滑块固接；所述内芯的下端插入所述外筒内腔，并与之滑动连接，所述内芯的顶部与所述压力测试单元的测试板固接；所述内芯与所述外筒之间密封间隙填充润滑液。

所述测试板分为用于调整测试头水平旋转角度的圆形盘以及用于安装测试头长方体；测试板圆形盘嵌入内芯的顶部设有的与圆形盘半径相当的圆形孔内并通过螺栓固接，测试板的长方体从内芯顶部侧面开设的安装孔伸出；测试板通过圆形孔和侧面的安装孔置于升降装置的内芯；测试板的长方体端部右侧和下侧各连接有应变式压力传感器；右侧应变式压力传感器与用于测定试件表面为平面的试件的柱型测试头连接在一起，下侧应变式压力传感器则与用来测试弧形表面及仿生非光滑表面的压力的大小的弧型测试头连接在一起；所述应变式压力传感器的信号输出端与所述控制器的第二信号输入端电连。

所述驱动装置包括驱动电机和用于安装驱动电机的电机支撑台，所述电机支撑台的底部与所述底座固接，所述驱动电机安装在所述电机支撑台的顶部，并且驱动电机输出轴的中心轴、传动单元的中心轴以及试验单元中心轴同轴。

测试时，通过螺纹连接将试件固定于转动连接轴上，调节升降装置的高度，保证测试头的轴线和试件的中心线重合，然后通过调节滑块的位置使柱形型测试头与试件端面接触且压紧，用挡板将滑块挡住，使其不会沿着中心线左移。启动电机，使试件随着轴一起旋转，通过位于套筒式连接轴上电阻应变片产生的线应变，最终由应变仪得到扭矩值，通过应变式压力传感器可得到试件受到的压力的大小。根据扭矩与摩擦力之间的关系，通过计算可以得到摩擦力的大小，然后通过摩擦力、摩擦阻力系数以及正压力三者之间的等量关系，通过计算即可得到试件摩擦阻力系数的大小。

对于仿生非光滑表面的摩擦阻力系数的测试，先通过车床对试件的柱面进行加工形成满足要求的非光滑表面，如带有小突起的表面、斜向沟槽表面等，将弧型测试头紧压在试件的非光表面的柱面侧，使测试表面与弧型测试头有更多的接触面积，通过位于弧型测试头上的应变式压力传感器即可得到非光滑表面试件所受到的压力的大小，结合通过扭矩测试装置测得的扭矩值，即可最终得到非光滑表面的摩擦阻力系数的大小。

本实用新型的有益效果是：对于试件的固定采用轴与试件之间的螺纹连接，固定方式简单，使整个实验装置结构更加紧凑。且螺纹连接采用与电机转向相反的方向，测试时，随着电机转动，试件与轴连接更紧，使该固定方式更加安全可靠。调节测试头上下位置引入了液压驱动的升降装置，避免了手工调节速度慢，费力等缺点。限制滑块左移只需通过控制挡板的位置就可实现，操作简单、方便。用于测试压力的测试头有柱型和弧型两种形式，不仅可以用于测试表面为平面试件的摩擦阻力系数而且可以测试不同粗糙度表面及仿生非光滑表面的摩擦阻力系数。

附图说明

图1为本实用新型的扭矩测试装置结构图。

图2为本实用新型的试件固定局部放大图。

图3为本实用新型的套筒式连接轴结构图。

图4为本实用新型的套筒式连接轴的侧视图。

图5为本实用新型的压力测试装置结构图。

图6为本实用新型的升降装置测试板连接俯视图。

图7为本实用新型的滑轨平面图。

图8为本实用新型的滑轨侧视图。

图9为本实用新型的测试板结构图。

图10为本实用新型的试件非光滑表面剖面图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型

参照附图：

实施例1本实用新型所述的一种基于液压驱动的摩擦阻力系数测试装置，包括扭矩测试装置1、压力测试装置2、底座3以及控制器，所述扭矩测试装置1与所述底座3固接，所述压力测试装置2与所述底座3滑动连接，并且所述压力测试装置2的滑动中心线与扭矩测试装置1的轴线在同一竖直平面内；所述扭矩测试装置1的信号输出端、所述压力测试装置2的信号输出端分别与所述控制器的相应的信号输入端电连；

所述扭矩测试装置1包括用于提供旋转驱动力的驱动装置11、用于传递驱动力的传递单元12、用于安装试件的试验单元13以及用于测量传递单元扭矩的扭矩测试单元14，所述驱动装置11、所述试验单元13同轴安装在所述底座3上，所述驱动装置11的输出轴通过传递单元12与所述试验单元13固接，实现驱动力的传递；所述扭矩测试单元14的测试端贴覆在所述传递单元12表面；所述扭矩测试单元14的信号输出端与控制器电连；

所述压力测试装置2包括底架21、用于调节测试端高度的升降装置22和用于按压在试件表面的压力测试单元23，所述底架21与所述底座3滑动连接，所述升降装置22底部与所述底架21固接，所述压力测试单元23安装在所述升降装置22的顶部；所述压力测试单元23的自由端装有用于按压在试件表面的测试头，所述压力测试单元23的信号输出端与所述控制器的第二信号输入端电连。

所述传递单元12为套筒式连接轴，所述连接轴轴向设有贯穿连接轴两端面的通孔，所述连接轴的一端与驱动装置11的输出轴键连接；所述连接轴的另一端与试验单元13的安装轴键连接；所述驱动装置11、所述传递单元12以及所述试验单元13的中心线重合，保证力的传动为直线传动。

试验单元13包括筒体131、转动连接轴132、轴承端盖133以及轴承134，所述筒体131通过支撑架135安装在所述底座3上，所述筒体131内腔两端部装有用于水平支撑转动连接轴132的轴承134，所述筒体131的两端面分别固接用于防止轴承134轴向移动的轴承端盖133；所述转动连接轴132的两端从相应的轴承端盖133中心通孔中穿出，并且所述转动连接轴132与相应的轴承端盖133密封转动连接，所述筒体131、所述转动连接轴132以及所述轴承端盖133组成带密封腔的转动副；所述转动连接轴132的一端与所述连接轴的一端键连接，另一端安装试件4。

扭矩测试单元14包括应变仪141和多个电阻式应变片142，所述电阻式应变片142贴覆在所述连接轴的外壁，所述电阻式应变片142的信号输出端通过半桥电路与所述应变仪141的信号输入端电连；所述应变仪141的信号输出端与所述控制器的第一信号输入端电连。

底架21包括滑轨211、滑块212以及用于阻挡滑块的挡片213，所述滑轨211铺设在所述底座3上，所述滑轨211与所述底座3固接，保证滑轨211中心线与扭矩测试装置14的轴线在同一竖直平面内；所述滑块212通过滑轨一端的开口塞入滑轨211，保证滑块212沿着滑轨211中心线滑动；所述滑轨211沿其横截面的方向开设用于插入挡片213的条形缝。

所述压力测试单元23包括测试板231、测试头232以及应变式压力传感器233，所述测试板231一端与升降装置22的顶部固接，另一端安装应变式压力传感器233，并且每个应变式压力传感器233配置一个用于测试压力的测试头232；所述应变式压力传感器233的信号输出端与所述控制器的第二信号输入端电连。

所述升降装置22为液压驱动升降柱，包括外筒221和内芯222，所述外筒221的底部与底架21的滑块212固接；所述内芯222的下端插入所述外筒221内腔，并与之滑动连接，所述内芯222的顶部与所述压力测试单元23的测试板231固接；所述内芯222与所述外筒221之间密封间隙填充润滑液。升降柱采用液压油为驱动介质，升降柱内芯下部充满液压油，通过外置液压动力单元实现对升降柱升降的控制。

所述测试板231分为用于调整测试头水平旋转角度的圆形盘以及用于安装测试头长方体；测试板231圆形盘嵌入内芯222的顶部设有的与圆形盘半径相当的圆形孔内并通过螺栓固接，测试板231的长方体从内芯222顶部侧面开设的安装孔伸出；测试板231通过圆形孔和侧面的安装孔置于升降装置22的内芯222；测试板231的长方体端部右侧和下侧各连接有应变式压力传感器233；右侧应变式压力传感器与用于测定试件表面为平面的试件的压力柱型测试头连接在一起，下侧应变式压力传感器则与用来测试弧形表面及仿生非光滑表面的压力的大小的弧型测试头连接在一起；所述应变式压力传感器的信号输出端与所述控制器的第二信号输入端电连。

所述驱动装置11包括驱动电机111和用于安装驱动电机的电机支撑台112，所述电机支撑台112的底部与所述底座3固接，所述驱动电机111安装在所述电机支撑台112的顶部，并且驱动电机111输出轴的中心轴、传动单元的中心轴以及试验单元中心轴同轴。

测试时，通过螺纹连接将试件4固定于转动连接轴132上，调节升降装置22的高度，保证测试头232的轴线和试件4的中心线重合，然后通过调节滑块212的位置使柱型测试头与试件4端面接触且压紧，用挡板213将滑块212挡住，使其不会沿着中心线左移。启动驱动电机111，使试件4随着转动连接轴132一起旋转，通过位于套筒式连接轴12上电阻式应变片142产生的线应变，最终由应变仪141得到扭矩值，通过应变式压力传感器233即可得到试件受到的压力的大小。根据扭矩M[N·m]与摩擦力F[N]之间的关系，通过计算可以得到摩擦力F＝M/L的大小，然后通过摩擦力F[N]、摩擦阻力系数μ以及正压力N[N]三者之间的等量关系μ＝F/N，通过计算即可得到试件摩擦阻力系数的大小。

对于仿生非光滑表面的摩擦阻力系数的测试，先通过车床对试件4的柱面进行加工形成满足要求的非光滑表面，如带有小突起的表面、斜向沟槽表面等，将弧型测试头紧压在试件的非光表面的柱面侧，使测试表面与弧型测试头有更多的接触面积，通过位于弧型测试头上的应变式压力传感器即可得到非光滑表面试件所受到的压力的大小，结合通过扭矩测试装置测得的扭矩值，即可最终得到非光滑表面的摩擦阻力系数的大小。

具体的，结合附图1和附图2，扭矩测试装置主要用来测试试件所受到的扭矩的大小。驱动电机111通过螺栓固定在电机支撑台112上，电机支撑台112与底座3之间通过螺栓进行固连。驱动电机111的输出轴与传动单元12(即套筒式连接轴)右侧通过键进行连接，传动单元12左侧与固定试件的转动连接轴132通过键与键槽的配合进行连接。固定试件的转动连接轴132通过筒体131及轴承134进行固定。筒体131与支撑架135焊接在一起，支撑架135则通过螺栓连接固定在底座3上。转动连接轴132沿着筒体131轴线穿过筒体131，滚动轴承134通过转动连接轴132上左右两侧的轴肩套在轴上置于筒体131内部两侧，起到支撑转动连接轴132的作用，将两个轴承端盖133分别从两侧套在转动连接轴132上，轴承端盖133与筒体131之间通过螺栓进行连接，轴承端盖133与转动连接轴132之间通过密封圈136进行密封。由于电机支撑台112，以及支撑架135的存在，可以保证驱动电机111以及转动连接轴132的轴线沿着同一方向。转动连接轴132的左端部开有螺纹孔，试件4在进行测试之前，沿着其一端车有适当长度的外螺纹，使转动连接轴132与试件4之间通过螺纹连接。可以防止夹持装置松动，或使试件沿着轴向发生移动。采用螺纹连接可以使试件4将转动连接轴132上的螺纹孔顶死，这样试件不会沿着径向移动同时在轴向也受到限制，在测试的过程中，只要保持驱动电机111的转向和试件4与转动连接轴132螺纹配合时的旋向方向相反即可。如此随着电机的旋转，试件4与转动连接轴132之间的固定会更加牢固、安全可靠。

结合附图1和附图3说明套筒式连接轴测扭矩的方法。传动单元12两侧分别有两个键槽，通过键槽右侧与驱动电机111的轴相连，左侧和固定试件的转动连接轴132进行连接，在传动单元12上粘贴有电阻式应变片142，电阻式应变片沿着传动单元12轴线45°方向粘贴，并与应变仪141接成半桥电路，由半桥路原理可得应变仪141的应变读数，连接轴采用Q235钢，两端接口设计按照相应国标进行，即可保证由应变仪141读数可以反映实时扭矩值。

结合图5，图6和图7，压力测试装置主要包括：测试板231，液压驱动升降装置22，滑块212，挡板213，滑轨211。滑轨211通过螺栓固定在底座3上，滑块212通过滑轨211的一端开口塞入滑轨211，滑轨需要保证适当的长度，使滑块212可以沿着滑轨211中心线进行左右滑动。滑轨211的中心线与扭矩测试装置的轴线保持在同一竖直平面内。升降装置22通过螺栓与滑块212进行固连。升降装置22由外筒221和内芯222组成，内芯222为实心圆柱体，外筒221与内芯222之间的间隙充满润滑液起到润滑的作用，通过外置的液压动力单元驱动升降装置22即可实现内芯的上下移动。测试板231通过升降装置内芯上的孔置于其中，测试板231左侧为圆形盘，右侧为截面是正方形的长方体。升降装置22的内芯顶部开有圆形孔，孔的深度比圆形盘的厚度略深，内芯右侧开有比测试板231长方体的截面正方形的宽度略宽的带状缝。将测试板231通过圆形孔和带状缝卡入升降装置22的内芯中，将圆形盘与内芯通过螺栓进行连接固定。将内芯与测试板231固定为一体，随着内芯的移动，测试板231便可上下移动，从而带动测试头竖直位置的变化。防止在测试过程中，由于测试板受到力的作用而发生侧翻。测试板231的长方体的右端连接应变式压力传感器233，之后连接柱型测试头232。长方体靠近右侧的下部同样连接着应变式压力传感器，之后连接弧型测试头234。长方体与应变式压力传感器233以及柱型测试头232和弧型测试头234通过螺纹进行连接。在测试时，测试头的位置不能发生变化，因此滑块212不能沿着滑轨211向左移动。在滑轨211沿着横截面开有缝，当滑块212滑动到适当的位置时，便可将挡板插入缝中，使滑块212左侧受到限制而无法向左滑动。通过调节升降装置22可以调节测试头的竖直方向的位置，通过调节滑块212可以调节测试头在水平方向的位置。综合二者的作用即可使测试头处于最恰当的位置。

测试时，先调节压力测试装置使测试头处于合适的位置：先调节升降装置22使柱型测试头232在竖直方向上与扭矩测试装置位于同一高度，然后调节滑块212，使柱型测试头232和试件4充分接触且压紧，此时将挡板213插入滑轨211中的缝中，使滑块212不会左移。调节完毕之后，启动驱动电机111，通过套筒式连接轴12，固定试件的转动连接轴132进行旋转，此时试件4在转动连接轴132的带动下也开始做旋转运动，套筒式连接轴12受到扭矩的作用，粘贴在套筒式连接轴12上的电阻式应变片142将发生线应变，通过应变仪即可得到此时的扭矩值。通过应变式压力传感器233可以得到试件4表面受到的正压力的大小。利用扭矩与摩擦力之间的关系可以得到摩擦力的大小，然后通过摩擦力、正压力和摩擦阻力系数的关系，代入所得到的数据即可得到最终的摩擦阻力系数的大小。

压力测试装置中，测试头不仅有柱型测试头，还有弧型测试头，因此，使用该装置不仅可以测试表面是平面的试件的摩擦阻力系数的大小，同时也可以测试表面是仿生非光滑表面摩擦阻力系数的大小。结合图2、附图5和附图10来说明仿生非光滑表面压力的测试方法。图10仿生非光滑表面为带有半球状突起的非光滑表面试件的剖面图，测试时通过调节测试板231的位置，使弧型测试头与试件4的柱面上的半球状突起的表面41接触且压紧，当试件随轴稳定转动时，通过位于弧型测试头上的应变式压力传感器即可得到此时仿生非光滑表面上的压力值，结合扭矩测试装置得到的扭矩值，通过摩擦力、正压力、摩擦阻力系数之间的关系即可得到非光滑表面的表面摩擦阻力系数的大小。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型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，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。