一种研究水平方向磁场对摩擦界面振动噪声影响的试验装置的制作方法

本实用新型属于摩擦学试验装置，具体涉及一种研究水平方向磁场对摩擦界面振动噪声影响的试验装置。

背景技术：

随着工业生产的快速发展和社会需求的日益提升，人们对生产生活中的不稳定振动和噪声问题越来越重视。系统产生的不稳定振动不仅会加速系统零部件的磨损失效，缩短系统的服役时间，还会影响系统的工作性能，带来安全隐患；噪声会影响人们的生产生活环境，对人们的身心健康有极大的危害。而在摩擦工况中，很容易引起摩擦界面的振动噪声。由此可见，研究摩擦界面振动噪声的产生机理，并据此对振动噪声进行避免、控制或削弱，对工业生产和社会生活都有很大的益处。

磁场由于其独特的磁性功能不断吸引着人们的关注，许多机械产品的摩擦部件如球磨机磁性衬板、电动机电刷、磁化切削刀具等都应用在了各种磁环境下，发挥着它们独特的磁性能。这些处于各种磁环境下的摩擦部件同样有可能激起摩擦界面的不稳定振动和噪声。考虑到磁性环境可能会对摩擦部件进行磁化，同时会对摩擦部件产生宏观磁力，摩擦部件在磁环境下的振动噪声特性有可能与不在磁环境下的振动噪声特性不同。尽管磁环境下的摩擦部件已有了一定数量和种类的应用，但是磁环境下各个摩擦部件的振动噪声特性或者磁场对摩擦部件振动噪声的影响的研究鲜见报道。因此，设计一种研究磁场对摩擦界面振动噪声影响的试验装置，并提出其试验方法，有助于揭示磁场对摩擦部件振动噪声的影响机理，对工业生产和社会生活中不稳定振动噪声的避免、控制或削弱的需求提供了技术依据。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对当前国内外学者对磁环境影响振动噪声的研究的空白，提供一种水平磁场更稳恒、更均匀且添加效率高，摩擦界面振动、噪声的测定更准确的研究水平方向磁场对摩擦界面振动噪声影响的试验装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种研究水平方向磁场对摩擦界面振动噪声影响的试验装置，传动电机安装在底板左边，传动电机轴上的主动齿轮经齿带与安装在从动齿轮轴上的从动齿轮啮合，工作平台经多根立柱设置在底板上方，从动齿轮轴可转动地设置在底板右边，且从动齿轮轴由下向上从工作平台中部的开孔中穿出，从动齿轮轴顶面上经螺栓固定有下夹具，下夹具顶面上粘贴有盘形下试样，磁场底座由前后左右四个侧立板围合组成，磁场底座采用四个L型连接件经螺栓固定在工作平台上，左右两个水平滑盒分别与磁场底座前、后侧立板上的导槽滑动配合，左右两个励磁线圈分别安装在左右两个水平滑盒内；

二维移动结构为：垂向电机安装在顶板底面上，垂向电机轴与垂向丝杆固定联接，横梁固定在试验机上，左、右垂向导轨固定在横梁底面上，且左、右垂向导轨活动插入垂向移动块上的两个导槽中，垂向移动块由一横板和左、右侧立板一体化构成，其横板中部与垂向丝杆螺旋连接，横向丝杆活动地架设在垂向移动块的左右侧立板上，并与横向电机轴固定联接，横向丝杆与横向移动块内部螺旋连接；

横向移动块下部依次固联二维应变式力传感器和减振框架，减振块与减振框架之间设置有多个减振弹簧，减振块下面经螺栓固联有第一上夹具，第一上夹具下方旋接有第二上夹具，球形上试样安装在第二上夹具的腔体内，且球形上试样与位于其下方的盘形下试样形成偏心位置，三维加速度传感器安装在第一上夹具上。

还具有控制板；所述左右两个励磁线圈分别经导线连接稳定电源，并由控制板对电流进行调节，组成一个能提供不同大小和方向的水平磁场的施加磁场结构；所述减振弹簧为片簧，至少两个片簧一左一右地横向连接在减振框架与减振块之间。

还具有声音传感器，声音传感器感应端位于上、下试样的摩擦界面附近。

所述的声音传感器灵敏度为50mV/g，频响为3.5Hz～20kHz，动态范围为15～146dB；所述的二维应变式力传感器测量范围为5～500N，精度为0.025N；所述的三维加速度传感器量程为±50g，灵敏度为100mV/g，频响为0.5Hz～5kHz。

还具有数据采集控制系统和信号采集仪；所述的二维应变式力传感器和数据采集控制系统连接；所述的三维加速度传感器与声音传感器通过信号线与信号采集仪连接，形成摩擦界面振动噪声测量系统。

本装置旨在能够系统地研究水平方向磁场对摩擦界面振动噪声的影响，为磁环境下摩擦部件振动噪声的可控性提供理论支撑。该试验装置能较真实地模拟工业生产中各类磁环境下的摩擦部件的摩擦运动，能方便地测试磁环境下摩擦界面的振动噪声特性，能全面地提供摩擦学试验结果以及振动噪声试验结果。且试验过程中，添加磁场过程经由控制板操作，不会出现因人为操作导致磁场添加不及时的情况，也能避免磁场添加过程中因误触到摩擦部件而影响振动信号的采集。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、加入了磁性部件，提供了磁场，真实地模拟了在磁环境下工作的摩擦部件的摩擦运动。

二、安装在上夹具上的三维加速度传感器和感应端靠近摩擦界面的声音传感器可以准确地测出摩擦界面引起的振动和噪声的特性以研究磁环境对摩擦界面振动噪声的影响。

三、由于磁场模块在试验前就位，试验过程中不需要人为移动，因此避免了人为因素(如意外碰到试验部件所引起的振动或者声音)对振动和声音信号采集造成的干扰。

四、由于磁场环境可以通过控制板几乎瞬间提供，磁场的添加效率相比人为滑入的方式效率更高。

五、由于磁性部件采用对称性的设计(包含有左右两个水平滑盒以及励磁线圈)，在摩擦界面部位提供了更稳恒、均匀的磁场。

总之，该试验装置能够方便地进行磁环境下的摩擦试验，所提供的磁场稳定、均匀，能测量摩擦界面的振动和声音信号，获得摩擦界面振动声音特性的相关数据，为研究磁环境对摩擦界面振动噪声的影响提供依据，且实验数据准确可靠，可重复性好。

上述的声音传感器灵敏度为50mV/g，频响为3.5Hz～20kHz，动态范围为15～146dB；上述的二维应变式力传感器测量范围为5～500N，精度为0.025N；上述的三维加速度传感器量程为±50g，灵敏度为100mV/g，频响为0.5Hz～5kHz。

保证了本试验装置能测量的数据范围更广，测量的数据更准确。

上述的励磁线圈的导线连接到稳定电源，并由控制板对电流进行调节，组成一个能提供不同大小和方向的水平磁场的施加磁场结构。

上述的二维应变式力传感器与数据采集控制系统连接；上述的三维加速度传感器与声音传感器通过信号线与信号采集仪连接，形成摩擦界面振动噪声测量系统。

附图说明

图1是本实用新型的研究水平方向磁场对摩擦界面振动噪声影响的试验装置的装配图；

图2是用本实用新型的试验装置及方法对一具体的摩擦副进行试验得到的法向振动加速度强度-时间曲线。

试验材料为：上试样为Φ10mm的钢球；下试样为Φ25×3mm的锻钢盘。摩擦试验参数为：载荷为60N；转速为60rev/min。振动和噪声信号采集在摩擦副产生连续不稳定振动和噪声时开始，共计250s，其中，在第180s左右时添加磁场。

图3是图2试验过程中测得的摩擦副的声音时间频率谱。

图4是图2试验过程中测得的摩擦副的摩擦系数-时间曲线。

图中：1-(多功能摩擦磨损)试验机，1A-试验机顶板，1B-试验机底板，2-二维移动结构，2A-垂向电机，2B-横梁(固定在试验机1上)，2C-垂向丝杆，2D-垂向导轨，2E-垂向移动块，2F-横向丝杆，2G-横向移动块，2H-横向电机，3-传动结构，3A-传动电机，3B-齿带，3C-工作平台，3D-立柱，3E-从动齿轮轴，3F-从动齿轮，4A-励磁线圈，4B-水平滑盒，4C-磁场底座，4D-L型连接件，5-二维应变式力传感器，6A-减振框架，6B-减振块，6C-减振弹簧，7-三维加速度传感器，8A-第一上夹具，8B-第二上夹具，9-上试样，10-下试样，11-下夹具。

具体实施方式

实施例

图1示出一种研究水平方向磁场对摩擦界面振动噪声影响的试验装置，传动电机3A安装在底板1B左边，传动电机轴上的主动齿轮经齿带3B与安装在从动齿轮轴3E上的从动齿轮3F啮合，工作平台3C经多根立柱3D设置在底板1B上方，从动齿轮轴3E可转动地设置在底板1B右边，且从动齿轮轴3E由下向上从工作平台3C中部的开孔中穿出，从动齿轮轴3E顶面上经螺栓固定有下夹具11，下夹具11顶面上粘贴有盘形下试样10，磁场底座4C由前后左右四个侧立板和一个顶板组成，磁场底座4C采用四个L型连接件4D经螺栓固定在工作平台3C上，左右两个水平滑盒4B与磁场底座4C顶板上的导槽滑动配合，左右两个励磁线圈4A分别安装在左右两个水平滑盒4B内。

二维移动结构2为：垂向电机2A安装在顶板1A底面上，垂向电机2A轴与垂向丝杆2C固定联接，横梁2B固定在试验机1上，左、右垂向导轨2D固定在横梁2B底面上，且左、右垂向导轨活动插入垂向移动块2E上的两个导槽中，垂向移动块2E由一横板和左、右侧立板一体化构成，其横板中部与垂向丝杆2C螺旋连接，横向丝杆2F活动地架设在垂向移动块2E的左右侧立板上，并与横向电机2H轴固定联接，横向丝杆2F与横向移动块2G内部螺旋连接。

横向移动块2G下部依次固联二维应变式力传感器5和减振框架6A，减振块6B与减振框架6A之间设置有多个减振弹簧6C，减振块6B下面经螺栓固联有第一上夹具8A，第一上夹具8A下方旋接有第二上夹具8B，球形上试样9安装在第二上夹具8B的腔体内，且球形上试样9与位于其下方的盘形下试样10形成偏心位置，三维加速度传感器7安装在第一上夹具8A上。

多功能摩擦磨损试验机1的顶板1A下方安装的二维移动结构2，二维移动结构2下方依次安装有二维应变式力传感器5、减震装置(包括减振框架6A、减振块6B和减振弹簧6C)、所述左右两个励磁线圈4A分别经导线连接稳定电源，并由控制板对电流进行调节，组成一个能提供不同大小和方向的水平磁场的施加磁场结构；所述减振弹簧为片簧，至少两个片簧一左一右(可采用4个片簧，左右各两片，该两片上、下设置如图)地横向连接在减振框架与减振块之间。通过螺栓安装在减振块6B下方用于夹持上试样9的第一上夹具8A、第二上夹具8B以及安装在第一上夹具8A上的三维加速度传感器7；多功能摩擦磨损试验机1的底板1B上安装有传动结构3，工作平台3C往上顺次安装有磁场底座4C、左右两个水平滑盒4B和分别置于左右两个水平滑盒内的左右两个励磁线圈4A；从动齿轮轴3E顶端往上顺次安装有下夹具11和下试样10。

上试样9安装在第二上夹具8B的腔体内，然后第二上夹具与第一上夹具8A旋接并固定。

工作平台3C通过多根立柱3D固定在工作平台3C的底座上，传动电机3A通过齿带3B带动从动齿轮3F转动，从动齿轮轴3E向上活动地穿过工作平台3C中心的圆孔。

磁场底座4C通过四个L型连接件4D与工作平台3C使用螺栓固定，左右两个水平滑盒4B与磁场底座4C顶部的导槽滑动配合，左右两个励磁线圈4A分别安装在左右两个水平滑盒4B内。

下夹具11经螺栓安装在从动齿轮轴3E上，下试样10粘贴在下夹具11上。

还具有声音传感器，其感应端位于上下试样的摩擦界面附近。

本例中的声音传感器灵敏度为50mV/g，频响为3.5Hz～20kHz，动态范围为15～146dB；二维应变式力传感器5测量范围为5～500N，精度为0.025N；三维加速度传感器7量程为±50g，灵敏度为100mV/g，频响为0.5Hz～5kHz。

本例中的励磁线圈4A的导线连接到稳定电源，并由控制板对电流进行调节，组成一个能提供不同大小和方向的水平磁场的施加磁场结构。

本例中的二维应变式力传感器5与数据采集控制系统连接；三维加速度传感器7与声音传感器通过信号线与信号采集仪连接，形成摩擦界面振动噪声测量系统。

采用本例的试验装置进行研究水平磁场对摩擦界面振动噪声影响的试验方法，其做法是：

a、试样的安装

将球形上试样9安装在第二上夹具8B的腔体内，然后把第二上夹具8B与第一上夹具8A螺旋接入并固定；将盘形下试样10用胶水粘贴在下夹具11上；

b、摩擦试验

通过数据采集控制系统控制二维移动结构2的上下左右移动，使得上试样9与下试样10进行偏心接触并施加设定的载荷F_z，同时数据采集控制系统控制下夹具11及其夹持的下试样10以设定的转速相对上试样9旋转，在整个过程中，数据采集控制系统动态采集二维应变式力传感器的数据并据此调节二维移动结构2，使得载荷F_z保持动态稳定，以实现载荷、转速固定的摩擦试验；

c、水平磁场的添加

在试验开始之前，先将磁场底座4C通过四个L型连接件4D固定在工作平台3C上，将左右两个水平滑盒4B预先装上励磁线圈4A，经磁场底座4C顶部延导槽从两边水平滑入，通过磁场底座4C顶部的两颗定位螺栓固定其位置，保持励磁线圈4A与摩擦副之间的距离不变；当需要磁场时，控制板控制励磁线圈4A中的电流按要求变化或保持固定，当不需要磁场时，控制板控制励磁线圈4A无电流通过；整个磁场施加过程与摩擦试验独立，因此可以在任意需要的时刻施加和撤除磁场；

d、摩擦学试验数据的采集

在进行上述b步骤球-盘旋转对摩擦试验的同时，二维应变式力传感器5测出摩擦方向和载荷方向的力F_x、F_z，并将旋转速度摩擦时间等数据传回给数据采集控制系统，再通过数据采集控制系统分析数据得出摩擦学试验结果；

e、振动噪声信号数据的采集

在进行上述b步骤球-盘旋转对磨试验的同时，调整好信号采集仪的采样频率与三维加速度传感器7和声音传感器进行匹配，通过信号采集仪获取摩擦界面的振动加速度信号和声音信号，再对采集到的信号进行分析，得出摩擦界面的振动噪声特性结果。

本例方法在d步中用数据采集控制系统分析得出的摩擦学实验结果有：法向载荷力-时间曲线、摩擦力-时间曲线以及摩擦系数-时间曲线。

本例方法在e步中用信号采集仪采集的信号分析，得出的摩擦界面振动噪声特性的试验结果有：三个方向(法向、切向和径向)振动加速度强度-时间曲线、声音时间频率谱、三个方向振动加速度自功率谱以及声音自功率谱。

结合d步和e步的数据，可以将磁环境对摩擦界面摩擦学性能的影响与磁环境对摩擦界面振动噪声的影响相结合，对摩擦学性能的影响作为辅助试验结果，揭示磁环境对摩擦界面振动噪声特性的影响，以期对工业生产和社会生活中振动噪声的避免、控制或削弱的需求提供技术依据。

采用以上本例的试验装置及其试验方法进行的一次具体试验的结果如下：

试验材料为：上试样为Φ10mm的钢球；下试样为Φ25×3mm的锻钢盘。摩擦试验参数为：载荷为60N；转速为60rev/min。振动和噪声信号采集在摩擦副产生连续不稳定振动和噪声时开始，共计250s，其中，在第180s左右时添加磁场。

图2为摩擦副法向的振动加速度强度-时间曲线。可以看出，在180s添加磁场之后，磁环境对摩擦副振动信号的影响明显，说明磁场对振动信号有一定的影响。

图3为摩擦副的声音时间频率谱。可以看出，在180s添加磁场后，噪声频谱中频率为2300Hz左右的主频及其倍频受到了磁场的影响，在180s后其声音强度降低了。

图4为摩擦副的摩擦系数-时间曲线。可以看出，随着磁场的添加，摩擦副的摩擦系数在180s后也发生了改变，这也印证了磁环境对摩擦振动和噪声的影响可以和摩擦副的摩擦学性能的影响相结合，在180s后因为磁场的添加而受到了影响。同时证明了，结合磁场对摩擦振动噪声的影响和摩擦学性能的影响进行共同分析，有助于揭示磁场对摩擦部件振动噪声的影响机理，对工业生产和社会生活中振动噪声的避免、控制或削弱的需求提供了技术依据。

本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的试验装置和试验方法启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体装置的变形和试验方法的组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。