滑动摩擦系数测试装置及测试方法与流程

本发明属于摩擦系数测试技术领域，更具体地说，是涉及一种滑动摩擦系数测试装置及测试方法。

背景技术：

当一物体在另一物体表面上滑动时，在两物体接触面上产生的阻碍它们之间相对滑动的现象，谓之“滑动摩擦”。当物体间有相对滑动时的滑动摩擦称动摩擦。当物体间有滑动趋势而尚未滑动时的滑动摩擦称为静摩擦。目前市场上缺少专门用于测试两个物体之间滑动摩擦系数的装置，测试两个物体之间滑动摩擦系数时，一般采用摩擦磨损试验机进行测试。

测试时，选取三个相同的第一测试体(可以为球形或板形)和一个球形的第二测试体，将三个第一测试体固定在实验台上，将第二测试体放置在第一测试体上方，使得第二测试体与三个第一测试体分别相切，之后向第二测试体上施加由上至下的下压力，使得第二测试体与三个第一测试体分别紧密接触，再控制第二测试体旋转，通过分析第二测试体的受力来计算第一测试体与第二测试体之间的滑动摩擦系数。但这种测试方法测量不同尺寸的第一测试体或第二测试体时，需要更换对应的待测体固定装置及测量装置，且强度较低的物体，在受到向下的压力时易被压坏，无法通过摩擦磨损试验机进行滑动摩擦系数的测试，通用性差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种滑动摩擦系数测试装置及测试方法，旨在解决采用摩擦磨损试验机测试滑动摩擦系数通用性差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种滑动摩擦系数测试装置，包括：基座；

旋转实验台，转动设置在所述基座上，用于支撑第一测试体并带动所述第一测试体同步旋转，所述第一测试体设有三个且围绕所述旋转实验台的转轴均匀分布在所述旋转实验台的顶部，所述第一测试体为板体或球体；以及

第一监测装置，设置在所述基座上，用于监测位于所述第一测试体上方并与三个所述第一测试体分别相切的第二测试体的角加速度，所述第二测试体为均质球体。

进一步地，还包括第二监测装置，设置在所述基座上，用于监测并存储所述第一测试体及所述第二测试体的运动情况。

进一步地，所述第一测试体为球体，所述第一测试体的半径小于或等于所述第二测试体的半径。

进一步地，所述第一测试体为球体时，三个所述第一测试体两两相切；

所述第一测试体为板体时，三个所述第一测试体与竖直方向分别呈锐角设置，且三个所述第一测试体的倾斜角度一致。

进一步地，各所述第一测试体分别通过设置在所述旋转实验台顶部的固定装置固定设置在所述旋转实验台上。

本发明提供的滑动摩擦系数测试装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明滑动摩擦系数测试装置改变了滑动摩擦系数测试方法，具体表现在市场上现有的滑动摩擦系数测试装置通过测量第一测试体与第二测试体之间的接触力来测量两者之间的滑动摩擦系数，本发明滑动摩擦系数测试装置通过测量第二测试体与第一测试体发生相对运动前后第二测试体的角加速度来测量两者之间的滑动摩擦系数。测试时，将第二测试体自然放置在三个第一测试体的顶部，由旋转实验台旋转带动第一测试体及第二测试体旋转，再通过调整旋转实验台转动时的角加速度，实现第一测试体角加速度大小的调整，从而实现第一测试体与第二测试体运动状态的调整，再根据不同状态在第二测试体的角加速度，计算得出第一测试体与第二测试体之间的静滑动摩擦系数与动滑动摩擦系数。

采用本发明实施例提供的滑动摩擦系数测试装置无需对第二测试体施加下压力，强度较小的物体之间的滑动摩擦系数也可以计算出来，适用于不同材料或不同材料之间的滑动摩擦系数测量，即第一测试体及第二测试体可以采用市场上现有的任一种固体材料制成，且第二测试体可不受滑动摩擦系数测试装置尺寸的限制制成较大尺寸的球体，通用性好，适用范围广，测试方法简单，结果准确，符合滑动摩擦系数的测试要求。

其中，三个第一测试体围绕旋转实验台的转轴均匀分布在旋转实验台的顶部，使得转动时第一测试体的角加速度与旋转实验台的角加速度一致，且保证了三个第一测试体所组成的整体受力的稳定性，进而保证了第一测试体与第二测试体整体受力的稳定性，确保了第一测试体与第二测试体之间滑动摩擦系数计算结果的准确性。

本发明还提供了一种滑动摩擦系数测试方法，包括以下步骤：

将三个所述第一测试体分别固定安装在所述的旋转实验台上，将第二测试体放置到所述第一测试体的上方，且使得所述第二测试体与三个所述第一测试体分别相切；

调整所述旋转实验台转动时的角加速度，直至所述第一测试体与所述第二测试体由同步运动转为相对运动；

获得所述第一测试体与所述第二测试体由同步运动转为相对运动时所述第二测试体的角加速度，记为临界角加速度；

根据所述临界角加速度计算得出所述第一测试体与所述第二测试体之间的静滑动摩擦系数。

进一步地，所述根据所述临界角加速度计算得出所述第一测试体与所述第二测试体之间的静滑动摩擦系数步骤包括：

利用公式计算得出所述第一测试体与所述第二测试体之间的静滑动摩擦系数；

其中，r为所述第二测试体的半径，αc为所述临界角加速度的绝对值；

当所述第一测试体为板体时，各所述第一测试体与所述旋转实验台转轴之间的夹角相同，该所述夹角记为θ为

当所述第一测试体为球体时，θ为所述第二测试体的中心与任一个所述第一测试体的中心连接线与所述旋转实验台转轴之间的夹角。

进一步地，所述获得所述第一测试体与所述第二测试体由同步运动转为相对运动时所述第二测试体的临界角加速度步骤之后还包括以下步骤：

获得所述第一测试体与所述第二测试体相对运动过程中所述第二测试体的角加速度，记为绝对角加速度；

根据所述绝对角加速度计算得出所述第一测试体与所述第二测试体之间的动滑动摩擦系数。

进一步地，所述根据所述绝对角加速度计算得出所述第一测试体与所述第二测试体之间的动滑动摩擦系数步骤包括：

利用公式计算得出所述第一测试体与所述第二测试体之间的动滑动摩擦系数；

其中，r为所述第二测试体的半径，αa为所述绝对角加速度的绝对值；

当所述第一测试体为板体时，各所述第一测试体与所述旋转实验台转轴之间的夹角相同，该所述夹角记为θ为

当所述第一测试体为球体时，θ为所述第二测试体的中心与任一个所述第一测试体的中心连接线与所述旋转实验台转轴之间的夹角。

进一步地，所述调整所述旋转实验台转动时的角加速度步骤包括持续增加所述旋转实验台的角加速度或持续减小所述旋转实验台的角加速度。

本发明提供的滑动摩擦系数测试方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明滑动摩擦系数测试方法改变了现有的滑动摩擦系数测试方法，具体表现在市场上现有的滑动摩擦系数测试装置通过测量第一测试体与第二测试体之间的接触力来测量两者之间的滑动摩擦系数，本发明滑动摩擦系数测试方法通过测量第二测试体与第一测试体发生相对运动前后第二测试体的角加速度来测量两者之间的滑动摩擦系数。测试时，将第二测试体自然放置在三个第一测试体的顶部，由旋转实验台旋转带动第一测试体及第二测试体旋转，再通过调整旋转实验台转动时的角加速度，实现第一测试体角加速度大小的调整，从而实现第一测试体与第二测试体运动状态的调整，再根据第一测试体与第二测试体由同步运动转为相对运动时第二测试体的临界角加速度，计算得出第一测试体与第二测试体之间的静滑动摩擦系数。

采用本发明实施例提供的滑动摩擦系数测试方法无需对第二测试体施加下压力，强度较小的物体之间的滑动摩擦系数也可以计算出来，适用于不同材料或不同材料之间的滑动摩擦系数测量，即第一测试体及第二测试体可以采用市场上现有的任一种固体材料制成，且第二测试体可不受滑动摩擦系数测试装置尺寸的限制制成较大尺寸的球体，通用性好，适用范围广，测试方法简单，结果准确，符合滑动摩擦系数的测试要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明一实施例提供的滑动摩擦系数测试装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的滑动摩擦系数测试装置的结构示意图；

图3为图2中旋转实验台的竖向剖面结构示意图；

图4为本发明实施例所采用的第二测试体的受力示意图；

图5为本发明实施例所采用的角加速度与摩擦系数关系图。

图中：10、基座；20、旋转实验台；30、第一测试体；40、第二测试体；50、第一监测装置；60、第二监测装置；70、固定装置。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图3，现对本发明实施例提供的滑动摩擦系数测试装置进行说明。所述滑动摩擦系数测试装置，包括基座10、旋转实验台20及第一监测装置50；旋转实验台20转动设置在基座10上，用于支撑第一测试体30并带动第一测试体30同步旋转，第一测试体30设有三个且围绕旋转实验台20的转轴均匀分布在旋转实验台20的顶部，第一测试体30为板体或球体；第一监测装置50设置在基座10上，用于监测位于第一测试体30上方并与三个第一测试体30分别相切的第二测试体40的角加速度，第二测试体40为均质球体。

测试第一测试体30与第二测试体40之间的滑动摩擦系数前，先将三个第一测试体30通过固定装置70固定在旋转实验台20上，使得三个第一测试体30的形心连接线所围成的三角形的形心位于旋转实验台20转轴的轴线上。之后将第二测试体40放置在三个第一测试体30所围成的空腔上，并使得第二测试体40与三个第一测试体30分别相切，同时第二测试体40的形心也位于旋转实验台20转轴的轴线上。

测试第一测试体30与第二测试体40之间的滑动摩擦系数时，启动设备，使得旋转实验台20旋转起来，之后调整旋转实验台20的角加速度，观察第一测试体30与第二测试体40的运动情况。期间，第一监测装置50对第二测试体40的角加速度进行实时监测。待观察到第一测试体30与第二测试体40由同步运动转为相对运动时，记录下第二测试体40当时的临界角加速度，再根据该临界角加速度计算得出第一测试体30与第二测试体40之间的静滑动摩擦系数。

待观察到第一测试体30与第二测试体40发生相对运动后，记录下第二测试体40的绝对角加速度，再根据该绝对角加速度计算得出第一测试体30与第二测试体40之间的动滑动摩擦系数。

本发明实施例提供的滑动摩擦系数测试装置，与现有技术相比，改变了滑动摩擦系数测试方法，具体表现在市场上现有的滑动摩擦系数测试装置通过测量第一测试体30与第二测试体40之间的接触力来测量两者之间的滑动摩擦系数，本发明滑动摩擦系数测试装置通过测量第二测试体40与第一测试体30发生相对运动前后第二测试体40的角加速度来测量两者之间的滑动摩擦系数。测试时，将第二测试体40自然放置在三个第一测试体30的顶部，由旋转实验台20旋转带动第一测试体30及第二测试体40旋转，再通过调整旋转实验台20转动时的角加速度，实现第一测试体30角加速度的大小，从而实现第一测试体30与第二测试体40运动状态的调整，再根据不同状态在第二测试体40的角加速度，计算得出第一测试体30与第二测试体40之间的静滑动摩擦系数与动滑动摩擦系数。

采用本发明实施例提供的滑动摩擦系数测试装置无需对第二测试体40施加下压力，强度较小的物体之间的滑动摩擦系数也可以计算出来，适用于不同材料或不同材料之间的滑动摩擦系数测量，即第一测试体30或第二测试体40可以采用市场上现有的任一种固体材料制成，且第二测试体40可不受滑动摩擦系数测试装置尺寸的限制制成较大尺寸的球体，通用性好，适用范围广，测试方法简单，结果准确，符合滑动摩擦系数的测试要求。

其中，三个第一测试体30围绕旋转实验台20的转轴均匀分布在旋转实验台20的顶部，使得转动时第一测试体30的角加速度与旋转实验台20的角加速度一致，且保证了三个第一测试体30所组成的整体受力的稳定性，进而保证了第一测试体30与第二测试体40整体受力的稳定性，确保了第一测试体30与第二测试体40之间滑动摩擦系数计算结果的准确性。

本实施例中的第一监测装置50可采用市场上现有的角加速度计，只要监测时不影响第二测试体40及第一测试体30的自由转动即可。

本实施例中的角加速度可以是正值也可以是负值，正值为加速转动，负值为减速运动。计算第一测试体30与第二测试体40之间的滑动摩擦系数时取第二测试体40角加速度的绝对值进行计算。

本实施例中旋转实验台20可采用市场上现有的旋转式实验台，只要可以实现实验台可精确调整旋转角加速度即可。

本实施例中三个第一测试体30的属性完全一样，如第一测试体30的材料、尺寸、表面粗糙度、加工工艺等均相同。当第一测试体30为球体时，不要求其为均质球体，第二测试体40为均质球体。

作为本发明提供的滑动摩擦系数测试装置的一种具体实施方式，请参阅图1及图2，还包括第二监测装置60，用于监测并存储第一测试体30及第二测试体40的运动情况。

使用时，第二监测装置60对第一测试体30及第二测试体40的运动情况进行实时监测并存储，便于试验人员调取存储数据准确判断第一测试体30与第二测试体40由同步运动转为相对运动的准确时间，进而精确确定出对应的第二测试体40的临界角加速度，从而精确计算出第一测试体30与第二测试体40之间的静滑动摩擦系数。

本实施例中第二监测装置60可以采用具有存储功能的摄像装置，计算时将摄像装置中的存储数据导入计算机中，通过回放试验画面查找出第一测试体30与第二测试体40由同步运动转为相对运动的准确时间。测试精度则可通过选择高精度高速摄像装置来实现。

作为本发明提供的滑动摩擦系数测试装置的一种具体实施方式，第一测试体30为球体，第一测试体30的半径小于或等于第二测试体40的半径。

第一测试体30的半径小于或等于第二测试体40，有效防止了第二测试体40落入三个第一测试体30所围成的空腔内，保证了测试的正常进行和测试结果的准确性。

作为本发明提供的滑动摩擦系数测试装置的一种具体实施方式，请参阅图1及图3，第一测试体30为球体时，三个第一测试体30两两相切；第一测试体30为板体时，三个第一测试体30与竖直方向分别呈锐角设置，且三个第一测试体30的倾斜角度一致。

第一测试体30为球体时，三个球体两两相切，便于第一测试体30与第二测试体40之间滑动摩擦系数的计算，且三个第一测试体30之间的关系便于调整，进而有效提高了滑动摩擦系数的测试效率。

第一测试体30为板体时，三个第一测试体30的倾斜角度一致，使得第二测试体40的重心位于旋转实验台20转轴的轴线上，便于第一测试体30与第二测试体40之间滑动摩擦系数的计算。

作为本发明提供的滑动摩擦系数测试装置的一种具体实施方式，请参阅图1，各第一测试体30分别通过设置在旋转实验台20顶部的固定装置70固定设置在旋转实验台20上。

固定装置70的设置实现了第一测试体30与旋转实验台20的固定连接，确保了第一测试体30与旋转实验台20的同步旋转。

本实施例中固定装置70可以为固定在旋转实验台20上的模具，模具顶部设置有用于固定三个第一测试体30的固定槽，具体结构可参见摩擦磨损试验机用于固定第一测试体30的固定装置70。其中，模具与旋转实验台20可拆卸连接，不同规格的第一测试体30可以采用相对应的模具进行固定。还可以是其他可固定第一测试体30与旋转实验台20相对位置的装置，如夹具等。

本实施例中第一测试体30与固定装置70及旋转实验台20分别可拆卸连接，便于试验人员根据测试需要更换第一测试体30，符合本设备的使用需要。

本发明还提供一种滑动摩擦系数测试方法。滑动摩擦系数测试方法，包括以下步骤：

将三个第一测试体30分别固定安装在旋转实验台20上，将第二测试体40放置到第一测试体30的上方，且使得第二测试体40与三个第一测试体30分别相切；

调整旋转实验台20转动时的角加速度，直至第一测试体30与第二测试体40由同步运动转为相对运动；

获得第一测试体30与第二测试体40由同步运动转为相对运动时第二测试体40的角加速度，记为临界角加速度；

根据临界角加速度计算得出第一测试体30与第二测试体40之间的静滑动摩擦系数。

本发明实施例提供的滑动摩擦系数测试方法，改变了滑动摩擦系数测试方法，具体表现在市场上现有的滑动摩擦系数测试装置通过测量第一测试体30与第二测试体40之间的接触力来测量两者之间的滑动摩擦系数，本发明滑动摩擦系数测试方法通过测量第二测试体40与第一测试体30发生相对运动前后第二测试体40的角加速度来测量两者之间的滑动摩擦系数。测试时，将第二测试体40自然放置在三个第一测试体30的顶部，由旋转实验台20旋转带动第一测试体30及第二测试体40旋转，再通过调整旋转实验台20转动时的角加速度，实现第一测试体30角加速度的大小，从而实现第一测试体30与第二测试体40运动状态的调整，再根据第一测试体30与第二测试体40由同步运动转为相对运动时第二测试体40的临界角加速度，计算得出第一测试体30与第二测试体40之间的静滑动摩擦系数。

采用本发明实施例提供的滑动摩擦系数测试方法无需对第二测试体40施加下压力，强度较小的物体之间的滑动摩擦系数也可以计算出来，适用于不同材料或不同材料之间的滑动摩擦系数测量，即第一测试体30或第二测试体40可以采用市场上现有的任一种固体材料制成，且第二测试体40可不受滑动摩擦系数测试装置尺寸的限制制成较大尺寸的球体，通用性好，适用范围广，测试方法简单，结果准确，符合滑动摩擦系数的测试要求。

作为本发明提供的滑动摩擦系数测试方法的一种具体实施方式，根据临界角加速度计算得出第一测试体30与第二测试体40之间的静滑动摩擦系数步骤包括：

利用公式计算得出第一测试体30与第二测试体40之间的静滑动摩擦系数；

其中，r为第二测试体40的半径，αc为临界角加速度的绝对值；

当所述第一测试体为板体时，各所述第一测试体与所述旋转实验台转轴之间的夹角相同，该所述夹角记为θ为

当所述第一测试体为球体时，θ为所述第二测试体的中心与任一个所述第一测试体的中心连接线与所述旋转实验台转轴之间的夹角。

作为本发明提供的滑动摩擦系数测试方法的一种具体实施方式，获得第一测试体30与第二测试体40由同步运动转为相对运动时第二测试体40的临界角加速度步骤之后还包括以下步骤：

获得第一测试体30与第二测试体40相对运动过程中第二测试体40的角加速度，记为绝对角加速度；

根据绝对角加速度计算得出第一测试体30与第二测试体40之间的动滑动摩擦系数。

作为本发明提供的滑动摩擦系数测试方法的一种具体实施方式，根据绝对角加速度计算得出第一测试体30与第二测试体40之间的动滑动摩擦系数步骤包括：

利用公式计算得出第一测试体30与第二测试体40之间的动滑动摩擦系数；

其中，r为第二测试体40的半径，αa为绝对角加速度的绝对值；

当所述第一测试体为板体时，各所述第一测试体与所述旋转实验台转轴之间的夹角相同，该所述夹角记为θ为

当所述第一测试体为球体时，θ为所述第二测试体的中心与任一个所述第一测试体的中心连接线与所述旋转实验台转轴之间的夹角。

作为本发明提供的滑动摩擦系数测试方法的一种具体实施方式，调整旋转实验台20转动时的角加速度步骤包括持续增加旋转实验台20的角加速度或持续减小旋转实验台20的角加速度。

当第一测试体30为球体时，第一测试体30与第二测试体40之间的滑动摩擦系数计算分析如下所示：

第一测试体30的半径小于或等于第二测试体40的半径，即第二测试体40与第一测试体30的半径之比为ρ≥1，第二测试体40与任一个第一测试体30的中心连接线与竖直方向的夹角θ，第二测试体40放置在三个第一测试体30上方，并与三个第一测试体30分别相切，通过图4可知，第二测试体40受到第一测试体30的上支撑力fn及摩擦力fs1、fs2，其中fn的方向为沿第二测试体40与任一个第一测试体30的中心连接线向上，fs1的方向平行于三个第一测试体30中心所围成的三角形且垂直于fn，fs2的方向分别垂直于fn和fs1。fs2可以调整为0(可参见市场上现有的摩擦磨损试验机工作原理，此为现有技术，在此不再赘述)，在第一测试体30与第二测试体40均静止时，fs1为0，当fs2为0时，g＝mg是第二测试体40的重力。

测试时，将fs2调整为0，当旋转实验台20连同三个第一测试体30一同转动时，第二测试体40由于受到摩擦力fs1作用将随之转动，第二测试体40的转动角加速度其中r为第二测试体40的半径，为第二测试体40围绕旋转实验台20转轴进行自转的转动惯量。由于静摩擦力的最大值为fs1,max＝μsfn，其中μs是静滑动摩擦系数。由此可得临界角加速度(最大角加速度)为：

临界角加速度的物理意义是：当旋转实验台20的角加速度小于该值，第一测试体30与第二测试体40可以同步运动(第一测试体30与第二测试体40之间没有相对运动)；当大于该值时，第一测试体30与第二测试体40之间开始发生相对运动。在试验中，不断调整角加速度，直到监测到第一测试体30与第二测试体40之间发生相对运动，记录此时第二测试体40的角加速度，记为αc。由此可以得到：

在第一测试体30与第二测试体40之间发生相对运动过程中，测试第二测试体40的绝对角加速度，记为αa，此时第一测试体30与第二测试体40之间的摩擦为动滑动摩擦，摩擦系数为μk，

当第一测试体30与第二测试体40的半径相等，均为0.01m时，ρ＝1，g＝9.8m/s²，摩擦系数与角加速度之间的关系如图5所示。

上述描述中角加速度可以是正值也可以是负值，正值为加速转动，负值为减速运动。公式中的加速度只有数值大小，不区分正负。

当第一测试体30为板体时，上述计算，除了θ以外，其他与以上分析完全相同。各第一测试体30与旋转实验台20转轴之间的夹角相同，设该夹角为(如图3所示)，则

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。