本发明涉及摩擦学领域，具体而言，涉及一种微动摩擦试验设备及数据采集方法。
背景技术：
微动摩擦属于摩擦学领域的一个分支学科，微动摩擦学的研究对指导现实生产具有比较重要的意义。例如，钢丝绳在受到拉力时，其每一股的钢丝之间会产生微量相对滑动；研究微动摩擦机理以及摩擦力与微动位移以及不同载荷之间的关系，这对实际生产具有非常重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供了一种微动摩擦试验设备，其能够实时获取摩擦力、位移以及载荷的相关数据。
本发明的另一目的在于提供一种微动摩擦数据采集方法，其采用了上述设备，其能够实时获取摩擦力、位移以及载荷的相关数据。
本发明是这样实现的：
一种微动摩擦试验设备，包括：
机架；
样品台，所述样品台沿第一方向与所述机架滑动配合，用于安装固定样品；
微动装置，所述微动装置包括微动器、从动杆和升降台；所述升降台的底部与所述机架连接，所述微动器与所述升降台的上部连接；
所述微动器能够输出沿所述第一方向的往复运动，所述微动器内设置有位移传感器；
所述从动杆沿所述第一方向延伸，并通过滑动组件与所述微动器的输出杆连接；所述从动杆通过转轴与所述滑动组件枢接，所述转轴水平设置并垂直于所述第一方向；
所述从动杆上设置有水平测试仪；所述从动杆自由端的底部设置有摩擦球，所述摩擦球用于与样品的上表面配合；
载荷施加装置，所述载荷施加装置包括立柱和可移动部件，所述立柱与所述机架连接，所述可移动部件能够沿所述立柱移动并能够固定在预设位置；所述可移动部件的底部设置有第一压缩弹簧，所述第一压缩弹簧设置在所述从动杆自由端的上方；
所述可移动部件与所述第一压缩弹簧的连接处设置有压力传感器；
摩擦力测量装置，所述摩擦力测量装置包括摩擦力传感器和固定架，所述固定架与所述机架固定连接；所述样品台、所述微动装置和所述摩擦力测量装置沿第一方向排布，所述样品台位于所述固定架与所述微动装置之间；
所述摩擦力传感器一端与所述固定架连接，另一端与所述样品台连接；
控制器，所述控制器分别与所述位移传感器、压力传感器和所述摩擦力传感器电连接。
上述摩擦力传感器可以直接购买，即既可以测量拉力又可以测量压力的传感器。
进一步，
所述可移动部件包括移动座、加载件和激振器；所述移动座与所述立柱连接，所述加载件与所述移动座在竖直方向上滑动配合，所述第一压缩弹簧设置在所述加载件的底部；
所述移动座上水平设置有固定板，所述固定板设置在所述加载件的上方，所述固定板与所述加载件之间设置有第二压缩弹簧和导向柱，所述导向柱竖直设置，所述导向柱的一端与所述加载件固定连接，另一端与所述固定板滑动配合；所述第二压缩弹簧套设在所述导向柱上；
所述激振器设置在所述固定板的上方，所述激振器的输出轴竖直向下设置，所述激振器的输出轴与所述加载件可拆卸连接。
当需要施加交变载荷时，先给样品施加一个正压力的静载荷；然后将激振器与加载件连接，激振器工作时，带动加载件做微量往复运动；从而通过加载件给样品施加交变载荷。当只需要施加静载荷时，将激振器与加载件的连接断开即可通过调整移动座来调整静载荷的大小。
通过上述设计，微动摩擦试验设备还可以用来研究交变载荷下的摩擦情况；并且上述结构并不影响静载荷的施加。即，上述设计使得本设备既能够施加静载荷又能施加交变载荷；并且两者的结构集成在一起，使得整个设备结构更加紧凑。
进一步，
所述立柱包括丝杆，所述移动座与所述丝杆螺纹连接；所述丝杆的一端设置有摇动手柄，另一端与所述机架可转动连接。
进一步，
所述机架上竖直设置有刻度尺，所述移动座上设置有指针。
进一步，
所述微动摩擦试验设备还包括加热装置，所述加热装置包括加热元件，所述加热元件用于给所述样品加热；
所述外盒体内设置有温度传感器，所述温度传感器于所述控制器电连接。
进一步，
所述样品台包括沿第一方向可滑动地配合于所述机架的外盒体，所述外盒体具有朝上开口的内腔；
所述样品台还包括连接于所述外盒体且能够打开或关闭所述外盒体的开口的封闭盖；所述外盒体和所述封闭盖共同将所述试验样品封闭于内腔中，且所述封闭盖开设有容许所述第一压缩弹簧进入接触样品的通孔。
通过上述设计，可以在外盒体内腔中营造出不同的环境，以采集不同环境下微动摩擦的机理。例如，当向内部通入腐蚀性气体时，可以研究腐蚀环境下微动摩擦的机理。
进一步，
所述样品台还包括有夹具，所述夹具包括两个相对设置的v型的夹持钳和两个半圆柱状的夹持块，两个所述夹持块组成圆柱状并设置在所述夹持钳之间；
所述夹持块配合面的上部设置有容纳槽，所述容纳槽用于容纳样品。
上述夹具使得其能够夹持小型方块状的样品，并且夹持牢固，更换方便。
进一步，
所述夹持块与所述夹持钳的配合面之间设置有隔热垫；所述夹持块的底部设置有隔热垫；所述温度传感器设置在所述样品与所述夹持块之间，所述加热元件设置在所述夹持块与夹持钳之间。
样品局部温度较高时或较低都会对实验数据产生影响，为了尽量提高实验数据的准确性；将加热元件设置在夹持块与夹持钳之间，通过夹持块将热量均匀传递到样品上，从而防止局部温度较高。设置隔热垫能够防止量配合的零部件将夹持块的热量带走，从而不利于夹持块将热量传递到样品上，影响加热效率。
进一步，
所述样品台和所述滑动组件均通过滑块与所述机架滑动连接；所述滑块的下方设置有滑轨，所述滑动组件与所述滑轨滑动配合；
所述滑轨的上表面设置有第一磁铁，所述滑块的下表面设置有第二磁铁，所述第一磁铁与所述第二磁铁的相对设置并磁性相反。
由于微动摩擦试验设备属于精密仪器，滑块与滑轨之间的摩擦力会使得采集到的数据具有一定的误差。因此，通过设置磁铁使得滑块处于磁悬浮状态，从而使得滑块与滑轨之间的摩擦力基本为零；进一步提高了数据的精度。
一种微动摩擦数据采集方法，采用了所述的微动摩擦试验设备，包括以下步骤：
a.将样品固定安装在样品台上；并将从动杆转动，使从动杆自由端上的摩擦球放置在样品的上表面；
b.调整微动装置的升降台高度，使得从动杆水平设置；
c.施加载荷，调整可移动部件在立柱上的位置，使得第一压缩弹簧压缩并给从动杆自由端施加正压力的固定载荷；或将激振器与加载件连接，并启动激振器，使得第一压缩弹簧给从动杆自动端施加交变载荷；
d.启动微动装置，使得从动杆做微量往复运动；所述位移传感器、压力传感器和所述摩擦力传感器分别将采集到的数据传输给控制器。
本发明的有益效果是：
本发明通过上述设计得到的微动摩擦试验设备，使用时，将样品安装固定在样品台上；将从动杆上的摩擦球放置在样品的上表面上，并使得从动杆保持水平。然后利用载荷施加装置通过第一压缩弹簧对摩擦球施加载荷，并利用所述位移传感器、压力传感器和所述摩擦力传感器实时采集数据传输给控制器存储。
上述设备能够实时采集相关数据，为下一步研究提供数据支撑；并且还可以通过改变载荷大小以及样品材料等来研究不同载荷或不同材料下微动摩擦的机理。另外，从动杆在微动器的带动下做微量往复运动，第一压缩弹簧在对从动杆施加载荷时能够随着从动杆微量变形；反之，假如采用刚性结构对从动杆施加载荷，由于刚性结构与从动杆之间也存在相对运动，存在摩擦力；这必然会对采集到的摩擦力数据产生影响，甚至于使得从动杆与刚性结构之间卡死，微动器被烧坏。因此，采用压缩弹簧施加载荷不仅能够提高数据的准确性，还能保护微动器。
上述微动摩擦数据采集方法采用了上述设备，因此能够实时采集比较准确的相关数据，为下一步研究提供数据支撑；并且还可以通过改变载荷大小以及样品材料等来研究不同载荷或不同材料下微动摩擦的机理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施方式提供的微动摩擦试验设备的轴侧图；
图2是本发明实施方式提供的微动摩擦试验设备的主视图；
图3是本发明实施方式提供的图2的右视图；
图4是本发明实施方式提供的图2的局部放大图；
图5是本发明实施方式提供的夹具与样品的俯视图；
图6是本发明实施方式提供的图5的仰视图；
图7是本发明实施方式提供的微动装置的轴侧图；
图8是本发明实施方式提供的微动装置的主视图；
图9是本发明实施方式提供的载荷加载装置的轴测图；
图10是本发明实施方式提供的载荷加载装置的主视图；
图11是本发明实施方式提供的图10的右视图。
图标：010-微动摩擦试验设备；100-机架；200-样品台；210-外盒体；220-封闭盖；230-夹具；232-夹持钳；234-夹持块；2342-容纳槽；300-微动装置；310-微动器；320-从动杆；322-摩擦球；330-升降台；332-台座；334-竖直导轨；336-螺旋丝杆升降机；340-滑动组件；342-第一滑块；344-连接件；350-转轴；400-载荷施加装置；410-立柱；412-丝杆；414-导向件；420-可移动部件；422-移动座；4222-固定板；423-第二压缩弹簧；424-导向柱；425-加载件；426-激振器；427-压力传感器；428-第二滑块；429-滑轨；430-第一压缩弹簧；500-摩擦力测量装置；510-摩擦力传感器；520-固定架；020-样品。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1：
本实施例提供了一种微动摩擦试验设备010；请参考图1、图2和图3，图1为微动摩擦试验设备010的整体结构的轴测图；图2为微动摩擦试验设备010的主视图；图3为图2的右视图。
上述微动摩擦试验设备010主要包括机架100、样品台200、微动装置300、载荷施加装置400和摩擦力测量装置500；机架100为整台设备的其它零部件提供了支撑，样品台200设置在机架100上用于固定安装样品020，微动装置300用于带动摩擦球322在样品020上做往复运动；载荷施加装置400用于给摩擦球322施加载荷。整个设备通过设置传感器和控制器(图中未示出)来采集不同载荷、不同位移下样品020受到摩擦力的大小。
具体地，请参考图2和图4，图4为图2中的局部放大图。样品台200整体设置在机架100上，并通过样品台200上的滑块滑轨结构与机架100滑动连接。滑轨429沿第一方向(图1中的y1的延伸方向)延伸布置，当样品台200受到沿第一方向的作用力时，其能够沿上述滑轨在一定范围内移动。样品台200包括外盒体210和封闭盖220，外盒体210具有朝上开口的内腔；外盒体210和封闭盖220共同将试验样品020封闭于内腔中，且所述封闭盖220开设有容许载荷施加设备施加载荷的通孔。
请参考图5和图6，图5为样品020安装在夹具230中的俯视图，图6为图5的仰视图。
为了夹持固定样品020，样品台200还包括了夹具230；上述夹具230包括两个相对设置的v型夹持钳232和两个半圆柱状的夹持块234，两个所述夹持块234组成圆柱状并设置在所述夹持钳232之间。夹持块234的上部设置有容纳槽2342，所述容纳槽2342用于容纳样品020。
由于不同样品020采用不同材料制成，有的样品020可能采用了贵重金属，因此为了节约成本，样品020一般做成比较小的结构。但是，将比较小的样品020稳定夹持是比较困难的。本实施例先采用带有凹槽的两个夹持块234将样品020夹持，然后用v型的夹持钳232将夹持块234进行夹持；从而使得既节省了样品020成本，又能够将样品020进行可靠夹持。
请参考图1和图7，图7为微动装置300与夹具230的结构示意图。所述微动装置300包括微动器310、从动杆320和升降台330；所述升降台330的底部与所述机架100连接，所述微动器310与所述升降台330的上部连接。
请继续参考图3，升降台330包括台座332、竖直导轨334和螺旋丝杆升降机336，四个竖直导轨334的底部与机架100固定连接，台座332与竖直导轨334滑动配合，螺旋丝杆升降机336的丝杆与台座332连接。通过摇动螺旋丝杆升降机336的手柄，台座332能够上下移动。螺旋丝杆升降机336为标准件，本实施例不对其具体结构进行详细描述。
请继续参考图1和图7，微动器310与台座332固定连接，其能够输出沿所述第一方向(图7中y1方向)的往复运动，所述微动器310内设置有位移传感器；位移传感器实时采集微动器310的位移信号。微动器310能够输出微米级的微量往复运动，本实施例中采用了压电陶瓷微动器，其可以直接购买，本实施例不对其内部结构进行详细描述。
微动器310的输出杆上连接有滑动组件340，滑动组件340包括第一滑块342与连接件344，第一滑块342的一端与微动器310连接，另一端与连接件344连接。为了减少摩擦力，第一滑块342的底部设置有滑轨429。
请参考图7和图8，从动杆320沿第一方向延伸，并通过滑动组件340与所述微动器310的输出杆连接；所述从动杆320通过转轴350与所述滑动组件340枢接，所述转轴350水平设置并垂直于所述第一方向。通过转动从动杆320，可以将样品台200上部的空间让出，从而便于样品020的夹持。
为了尽量提高所采集数据的准确性，应该保持从动杆320水平运动。因此，在从动杆320上设置有水平测试仪。所述从动杆320自由端的底部设置有摩擦球322，所述摩擦球322用于与样品020的上表面配合。调整水平时，将摩擦球322放置于样品020的上表面，调整升降台330的高度，从而能够调整从动杆320靠近升降台330一端的高度；直至从动杆320达到水平位置。
请参考图1和图9，图9为载荷施加装置400的结构示意图。所述载荷施加装置400包括立柱410和可移动部件420，所述立柱410与所述机架100连接，所述可移动部件420能够沿所述立柱410移动并能够固定在预设位置。本实施例中，立柱410包括丝杆412和导向件414，可移动部件420包括螺母。丝杆412的上端设置有旋转手柄，下端与机架100可转动地连接；螺母与丝杆412螺纹配合，转动丝杆412能够使得螺母带动整个可移动部件420上下移动。
所述可移动部件420的底部设置有第一压缩弹簧430(图7)，所述第一压缩弹簧430设置在所述从动杆320自由端的上方。第一压缩弹簧430与可移动部件420可以连接，也可以仅仅是抵接。所述可移动部件420与所述第一压缩弹簧430的连接处设置有压力传感器427。压力传感器427能够实时采集可移动部件420给从动杆320施加的载荷，并传递给控制器。
具体地，如图10和图11，并配合参考图9，可移动部件420包括移动座422、加载件425和激振器426；所述移动座422通过螺母丝杆结构与所述立柱410连接，所述加载件425与所述移动座422在竖直方向上通过第二滑块428和滑轨429滑动配合，所述第一压缩弹簧430(图7)设置在所述加载件425的底部。
所述移动座422上水平设置有固定板4222，所述固定板4222设置在所述加载件425的上方。所述固定板4222与所述加载件425之间设置有第二压缩弹簧423和导向柱424，所述导向柱424竖直设置，所述导向柱424的一端与所述加载件425固定连接，另一端与所述固定板4222滑动配合；所述第二压缩弹簧423套设在所述导向柱424上。
所述激振器426设置在所述固定板4222的上方，所述激振器426的输出轴竖直向下设置，所述激振器426的输出轴通过螺母螺杆与所述加载件425可拆卸连接。所述激振器426用于输出一定频率的振动，其可以直接购买，不再进行详细描述。
载荷施加装置400的工作原理如下：
请继续参考图9，当需要研究静载荷下摩擦力与位移、载荷之间的关系时，只需要对样品020施加静载荷。此时，将激振器426与加载件425的连接断开；通过摇动丝杆412上的摇动手柄，使得可移动部件420整体向下运动，当第一压缩弹簧430的上端与加载件425抵接时，继续转动摇动手柄；可移动部件420继续向下移动。此时，固定板4222压缩第二弹簧，第二弹簧推动加载件425相对于移动座422向下运动；加载件425通过第一弹簧以及从动杆320将载荷加载在样品020上。
当需要施加交变载荷时，先给样品020施加一定的静载荷；然后将激振器426与加载件425连接；设置激振器426的频率和振幅之后即可施加交变载荷。
请继续参考图1和图2，为了获取样品020受到摩擦球322摩擦力的数据，在样品台200的左侧设置有摩擦力测量装置500，所述摩擦力测量装置500包括摩擦力传感器510和固定架520，所述固定架520与所述机架100固定连接。所述样品台200、所述微动装置300和所述摩擦力测量装置500沿第一方向排布，所述样品台200位于所述固定架520与所述微动装置300之间。所述摩擦力传感器510一端与所述固定架520连接，另一端与所述样品台200连接。
样品台200和样品020整体上受到的摩擦力的方向随着相对运动方向的改变而改变，因此摩擦力传感器510采用了既可以测量拉力又可以测量压力的传感器。
为了研究高温环境下摩擦力与载荷、位移之间的关系，本实施例提供的微动摩擦试验设备010还设置了加热装置(图中未示出)。所述加热装置包括加热元件，所述加热元件用于给所述样品020加热。所述外盒体210内设置有温度传感器，所述温度传感器于所述控制器电连接。所述夹持块234与所述夹持钳232的配合面之间设置有隔热垫；所述夹持块234的底部设置有隔热垫；所述温度传感器设置在所述样品020与所述夹持块234之间，所述加热元件设置在所述夹持块234与夹持钳232之间。
为了进一步提高数据的准确性，样品台200以及滑动组件340底部均采用了非标准的滑块和非标准的滑轨。上述非标准的滑轨的上表面设置有第一磁铁，上述非标准的滑块的下表面设置有第二磁铁，所述第一磁铁与所述第二磁铁的相对设置并磁性相反；所述第一磁铁与所述第二磁铁的排斥力等于所述滑块的重力。
通过设置上述非标准滑块和滑轨，使得在滑动组件340和样品台200在运动时处于磁悬浮状态，从而尽量减少了外界的干扰；使得采集到的摩擦力数据更加准确。
需要说明的是，本公开内容中所提及的竖直、水平、上下和左右等均是以附图2(即使用状态)为参考的。
实施例2：
本实施例提供了一种微动数据采集方法，其采用了实施例1中的微动数据采集设备；主要包括了以下步骤：
a.将样品020固定安装在样品台200上；并将从动杆320转动，使从动杆320自由端上的摩擦球322放置在样品020的上表面；
b.调整微动装置300的升降台330高度，使得从动杆320水平设置；
c.施加载荷，调整可移动部件420在立柱410上的位置，使得第一压缩弹簧430压缩并给从动杆320自由端施加正压力的固定载荷；或将激振器426与加载件425连接，并启动激振器426，使得第一压缩弹簧430给从动杆320自动端施加交变载荷；
d.启动微动装置300，使得从动杆320做微量往复运动；所述位移传感器、压力传感器427和所述摩擦力传感器510分别将采集到的数据传输给控制器。
由于从动杆320以及摩擦球322的自重也施加在样品020上，而压力传感器427只是采集了来自上方的载荷；故在d步骤中还包括将压力传感器427采集的数据减去从动杆320和摩擦球322施加给样品020的压力。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。