一种高速摩擦试验机的制作方法

本实用新型属于材料耐磨损性能检测技术领域，具体涉及一种高速摩擦试验机。

背景技术：

为了研究材料的摩擦磨损行为，基本上都需要用到摩擦磨损试验机上来测量材料的摩擦磨损特性，可以用来预防磨损失效、控制摩擦行为、提高工作可靠性。在大部分的机械设备中，都不希望出现摩擦阻力，摩擦阻力在机械设备中不断的消耗着大量的能量，也不断的磨损着机械设备。有资料表明，摩擦磨损能消耗全世界30％-50％的能源。伴随着社会的发展，人们的生活水平也在逐渐提高，铁路发展迅速，但是铁路轨道的磨耗却是一个一直以来都难以解决的难题，据铁路部门统计我们得知我国铁路有20％-30％的路段铁轨在国外的严重磨损率指标中超标，有大约60％的弯曲的铁轨因为摩擦磨损造成了严重的损害。随着铁路的发展，铁路的使用率也越来越高，摩擦磨损作用的时间也在逐步增加，所造成的损失也在逐步提高，有资料表明，在十五期间，我国每年会在铁轨上消耗大约大量钢材，其中用来维修铁轨的钢材大约占了70％，我国铁路因损伤总共消耗巨大金额，其中归为摩擦磨损所造成的大约有80％。各行各业，我国每年因摩擦磨损造成的经济损失不计其数，大约有1％的国民生产总值可以通过摩擦学原理的研究节约下来，这笔钱能够支撑起一个常规研发所进行一些低投入的研发。

摩擦实验机的动力系统会导致工作过程中出现各种变化量(载荷、速度等)，执行单元为摩擦实验机的摩擦执行系统(即摩擦片与试件)，测试参数为摩擦实验机的传感控制系统(包括扭矩传感器，力传感器，速度传感器和位置传感器等)。试验时可加的载荷是评价摩擦磨损实验机功能的重要依据，在摩擦实验工作过程中，要求外加载荷恒定不变。对载荷的控制精度越高，其在试验后表达出的结果就越准确，在摩擦实验的过程中，随着实验时间的增长，试样与摩擦片之间必然会不可避免的产生磨损，若不能及时进给就会导致出现载荷下降等现象，且进给也不一定能保证达到要求载荷大小，所得实验结果异于实际情况无法得出正确结论。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供一种高速摩擦试验机，采用液压进给系统进行加载，采用机床的主轴作为转动主轴，在摩擦试验中实现自动进给，而且保证在整个实验的过程中载荷保持恒定，解决现有技术的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种高速摩擦试验机，包括转动主轴、液压缸、摩擦片底座、摩擦片、摩擦实验试件夹持装置以及载荷测试系统；液压缸连接液压自动进给系统，液压缸的输出端为活塞杆，活塞杆连接摩擦实验试件夹持装置，摩擦片设置在摩擦实验试件的端面，且与摩擦实验试件端面紧密接触；摩擦片固定在摩擦片底座上，摩擦片底座与转动主轴连接；载荷测试系统包括水平方向的压力传感器以及应变片，所述压力传感器设置在摩擦实验试件夹持装置与活塞杆之间；应变片设置在摩擦实验试件的柱面上。

所述应变片为电阻式应变片，应变片连接应变检测模块。

应变片设置在靠近摩擦片的一端，应变片包括两组，每组设置两个应变片，其中一个应变片的轴线与摩擦实验试件的轴线方向呈45°角，另一个应变片的轴线与摩擦实验试件的轴线方向呈135°角，两组应变片关于摩擦实验试件轴线对称设置。

摩擦片底座与转动主轴连接，转动主轴带动摩擦片底座旋转，摩擦片底座的下端面设置有凹槽，凹槽与摩擦片的形状和大小一致，摩擦片设置在凹槽中，所述凹槽中开设螺栓孔，摩擦片通过螺栓与摩擦片底座紧固。

紧固螺栓与摩擦片底座之间和摩擦片底座与转动主轴轴环之间有弹簧垫圈。

摩擦片为圆环状，所述螺栓孔，开设在靠近凹槽内圈。

摩擦实验试件夹持装置采用三爪卡盘，活塞杆的自由端设置三爪卡盘，三爪卡盘轴线与液压缸轴线重合；三爪卡盘包括三爪卡盘前壳体和三爪卡盘后壳体，三爪卡盘前壳体和三爪卡盘后壳体之间设置锥齿轮式卡爪驱动。

摩擦实验试件的下部外侧设置有标线，所述标线用于确定三抓卡盘对摩擦实验试件的夹持准确。

液压缸前端盖与活塞杆之间设置多个密封圈密封。

采用机床的主轴作为转动主轴，转动主轴带动摩擦片底座旋转。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：在摩擦实验的过程中，随着实验时间的增长，试样与摩擦片之间必然会不可避免的产生磨损，若不能及时进给就会导致出现载荷下降等现象，采用液压进给系统，可以保证在整个实验的过程中载荷保持恒定；采用液压式加载传动平稳不易产生冲击，容易控制载荷的速度、方向与大小，同时还拥有很高的精度；本实用新型设计合理，结构简单，容易实现，能够进行不同速率不同载荷下的摩擦研究。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为应变片在摩擦实验试件外表面设置示意图。

其中：1-转动主轴，2-摩擦片底座，3-摩擦片，4-摩擦实验试件，5-三爪卡盘前壳体，6-锥齿轮式卡爪驱动，7-三爪卡盘后壳体，8-活塞杆，9-液压缸前端盖，10-法兰，11-液压缸，12-回油口，13-活塞，14-进油口，15-螺母，16-螺栓，17-工作台，18-液压缸底座，19-锁紧螺母，20-弹簧垫圈，21-密封圈。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种高速摩擦试验机，包括转动主轴1、液压缸11、摩擦片底座2、摩擦片3、摩擦实验试件夹持装置以及载荷测试系统；液压缸11连接液压自动进给系统，液压缸11的输出端为活塞杆8，活塞杆8连接摩擦实验试件夹持装置，摩擦片3设置在摩擦实验试件的端面，且与摩擦实验试件端面紧密接触；摩擦片3固定在摩擦片底座2上，摩擦片底座2与转动主轴1连接；载荷测试系统包括水平方向的压力传感器以及应变片，所述压力传感器设置在摩擦实验试件夹持装置与活塞杆8之间；应变片设置在摩擦实验试件4的柱面上。

所述应变片为电阻式应变片，应变片连接应变检测模块。

应变片设置在靠近摩擦片3的一端，应变片包括两组，每组设置两个应变片，其中一个应变片的轴线与摩擦实验试件4的轴线方向呈45°角，另一个应变片的轴线与摩擦实验试件4的轴线方向呈135°角，两组应变片关于摩擦实验试件4轴线对称设置。

摩擦片底座2与转动主轴1连接，转动主轴1带动摩擦片底座2旋转，摩擦片底座2的下端面设置有凹槽，凹槽与摩擦片3的形状和大小一致，摩擦片设置在凹槽中，所述凹槽中开设螺栓孔，摩擦片3通过螺栓与摩擦片底座紧固。

紧固螺栓与摩擦片底座之间和摩擦片底座与转动主轴轴环之间有弹簧垫圈。

摩擦片为圆环状，所述螺栓孔，开设在靠近凹槽内圈。

摩擦实验试件夹持装置采用三爪卡盘，活塞杆8的自由端设置三爪卡盘，三爪卡盘轴线与液压缸11轴线重合；三爪卡盘包括三爪卡盘前壳体5和三爪卡盘后壳体7，三爪卡盘前壳体5和三爪卡盘后壳体7之间设置锥齿轮式卡爪驱动6。

摩擦实验试件4的下部外侧设置有标线，所述标线用于确定三抓卡盘对摩擦实验试件4的夹持准确。

液压缸前端盖9与活塞杆8之间设置多个密封圈密封。

采用机床的主轴作为转动主轴1，转动主轴1带动摩擦片底座2旋转。

摩擦片夹持装置，转动主轴1以机床刀杆为基础，下部改为易于装夹及定位摩擦片底座的阶梯轴结构，阶梯轴末端使用螺母加紧，摩擦片底座2与转动主轴1及螺母间加垫片。通过六个螺栓，将摩擦片固定于摩擦片底座上；摩擦实验试件夹持装置，使用工业生产中常见的三爪卡盘来固定试件，三爪卡盘具有自动定心、装夹速度快、操作简便、夹持范围大、不易松脱等优点；三爪卡盘分为前壳体与后壳体，前壳体夹持摩擦实验试件，后壳体与活塞杆相连，前后壳体间有锥齿轮式卡爪驱动，调节夹持试件，防止试件因摩擦带动卡盘转动。

进给系统，采用液压缸来实现实验过程中需要的进给运动，其优点是传动平稳不易产生冲击，容易控制载荷的大小、方向和速度同时还有很高的精度；液压缸底座通过螺栓固定在工作台的T型槽中，液压缸前端盖9与活塞杆8之间用多个密封圈密封；

载荷测试系统包括水平方向的压力传感器以及应变片，所述压力传感器设置在摩擦实验试件夹持装置与活塞杆8之间；应变片设置在摩擦实验试件4的柱面上，如图2所示，所述应变片为电阻式应变片，应变片连接应变检测模块；应变片设置在靠近摩擦片3的一端，应变片包括两组，每组设置两个应变片，其中一个应变片的轴线与摩擦实验试件4的轴线方向呈45°角，另一个应变片的轴线与摩擦实验试件4的轴线方向呈135°角，两组应变片关于摩擦实验试件4轴线对称设置。

使用应变片来测量摩擦力，通过螺纹连接将三爪卡盘与压力传感器相连接，活塞杆8的顶端中心开设有螺纹孔，压力传感器的另一端通过螺纹连接在活塞杆8的顶端。

本实用新型一种高速摩擦试验机，包括主传动系统、摩擦片夹持装置、摩擦实验试件夹持装置、加载与自动进给系统和载荷测试系统；

主传动系统包括转动主轴1，转动主轴1转速由无极电机控制，可实现无极调速，调速范围广，根据不同实验条件要求调节速度，实现对不同转速下摩擦的研究。

摩擦片底座2和摩擦片3固定连接，用锁紧螺母将摩擦片底座2固定在转动主轴1上，紧固螺栓与摩擦片底座之间和摩擦片底座与转动主轴轴环之间有弹簧垫圈，摩擦片3通过螺栓螺母固定在摩擦片底座上，摩擦片3为圆环形。

摩擦实验试件夹持装置包括三爪卡盘前壳体5、锥齿轮式卡爪驱动6和三爪卡盘后壳体7，通过调整锥齿轮式卡爪驱动6将摩擦实验试件4固定在三爪卡盘前壳体5上，调整锥齿轮式卡爪驱动6换取不同的摩擦实验试件4，三爪卡盘前壳体5与三爪卡盘后壳体7用螺钉联接，三爪卡盘后壳体7底部通过螺纹与压力传感器相连。

加载与自动进给系统采用液压缸11，液压缸11包括活塞杆8、液压缸前端盖9、法兰10、活塞13、回油口12、进油口14、液压缸底座18、锁紧螺母19、工作台17、密封圈21和压力传感器，通过螺纹连接将三爪卡盘后壳体7与压力传感器相连接，压力传感器的另一端也同样通过螺纹连接在活塞杆8上，液压缸前端盖9通过法兰10与液压缸11相连，液压缸前端盖9与液压缸11之间用多个密封圈21密封，防止液压缸中进入空气产生气蚀等及减少泄露造成的压力损失，回油口12与进油口14之间接液压系统，液压系统包括液压泵、溢流阀、三位换向阀，采用中位M型单向阀。换向阀位于左位时，液压泵通过油管经溢流阀、换向阀接进油口14，回油口12经换向阀、单向阀接油箱，由单向阀和液压杆、三爪卡盘的重力提供背压，液压系统开启时不会突然前冲，液压杆向上运动，摩擦片3与摩擦实验试件4接触后之间载荷由溢流阀间接控制。中位为过渡，减小因频繁换向引起的液压冲击。换向阀位于右位时，液压泵通过油管经溢流阀、换向阀接回油口12，进油口14经换向阀、背压阀接油箱，由背压阀提供背压，液压杆向下运动使摩擦片3与摩擦实验试件4分离。

液压缸11与液压缸底座18之间用螺栓紧固连接，并将液压缸底座18通过螺栓16和螺母15固定在工作台17的T型槽中。

通过溢流阀实现对液压系统中液压回路中的压力控制，间接实现液压系统通过试样施加到摩擦片上的负载的控制，在实验前提前校正液压系统主回路中的溢流阀，从而保证在实验过程中液压系统可以自动进给，并保持试验载荷不变，不同额定压力的溢流阀实现在不同载荷下对摩擦的研究。

本实用新型的工作过程如下：

1)夹持试件，摩擦片3通过螺母固定在摩擦片底座2上，摩擦片底座2与转动主轴1连接，摩擦实验试件4固定在三爪卡盘上。

2)启动转动主轴1，转动主轴1转速由无极电机控制，可实现无极调速，调速范围广，速度稳定，根据不同实验条件要求调节速度，实现对不同转速下摩擦的研究。

3)设定载荷，自动进给，采用溢流阀实现对液压自动进给系统中液压回路中的压力控制，间接实现液压自动进给系统通过摩擦实验试件4施加到摩擦片3上的负载的控制，不同额定压力的溢流阀实现在不同载荷下对摩擦的研究。

4)测量摩擦力，利用电阻式应变片和应变检测模块来测定扭矩，通过公式F＝T/r，求得摩擦力。

本实用新型工作时，先根据实验要求选择摩擦片3和摩擦实验试件4，将其分别装在摩擦片底座2和三爪卡盘前壳体5上，调节无极电机，使转动主轴1调整到设计转速，液压缸11固定在工作台17上，选择合适溢流阀，加载与自动进给系统使活塞杆8带动由三爪卡盘固定的摩擦实验试件4向上运动与摩擦片3接触，接触载荷大小由溢流阀间接控制，加载一定时间，根据应变片和应变检测模块来测定扭矩，调整换向阀，使活塞杆8带动摩擦实验试件4与摩擦片3脱离接触，运动至液压缸11底部，关闭液压自动进给系统，停止转动主轴。通过公式F＝T/r，求得摩擦力，改变转动主轴转速和载荷或者选用其他摩擦片3和摩擦实验试件4重复进行实验。