多功能摩擦磨损试验机结构设计

多功能摩擦磨损试验机结构设计

StructureofMultifunctionalFrictionWearTestingMachineFunction

李桃山王保山朱汉辉

LiTaoshanWangBaoshanZhuHanhui（南昌航空大学，江西南昌330063）

（NanchangHangkongUniversity，JiangxiNanchang330063）

摘要：对不同固体材料在不同条件下的摩擦磨损实验要求，开发设计了一种多功能摩擦磨损试验机。实现对试验数据的在线或离线采集分析处理，对各种工况可进行选择性模拟试验。能完成往复式摩擦磨损、

旋转式摩擦磨损以及滚动式摩擦磨损实验一体化设计，即在同一试验台可实现三种运动方式的试件磨损试验。应用静电感应信号对摩擦磨损状态实施监控观察，并可应用于多种形状、材料夹具摩擦磨损试验，解决了目前摩擦试验机只能试验单一摩擦类型且精度不高的缺点。

关键词：摩擦磨损；试验机；静电感应；结构设计

中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1671-4792（2014）06-0068-04Ａｂｓｔｒａｃｔ：Inresponsetodifferentrequirementsoffrictionandwearexperimentonsolidmaterialsundervari-ousconditions,wedevelopanddesignamultifunctionalfrictionweartestingmachine.Itrealizestheanalysisandthemanagementofonlineorofflinecollectionoftestdata,andisabletoselectivelycarryoutsimulationtestsforvariousconditions.Itcandoreciprocatingfrictionandwear,rotaryfrictionandwearofrollingfrictionandwearexperimentofintegrateddesign,whichcanrealizethreekindsofmovementofthespecimenweartestunderthesametestbench.Themachineuseselectrostaticinductionsignaltomonitorandobservethefrictionandwearstate,andcanbeappliedinavarietyofshapes,materialsfixturefrictionandweartest,eliminatingdefectsofcurrentma-chineswhichcanonlytestasinglefrictiontypeandlackaccuracy.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：FrictionandWear；Tester；ElectrostaticInduction；StructuralDesign０引言

摩擦磨损是材料的三种主要失效形式之一，它所造成的经济损失是十分巨大的。全世界大约有1/3～1/2的一次性能源消耗在摩擦磨损上。机械设备中零部件的摩擦磨损性能是由材料、工作状态、接触方式和环境条件等因素决定的。摩擦磨损试验机是一种对材料及润滑剂在给定的条件下进行摩擦与磨损性能试验的试验机。

本文设计的多功能摩擦磨损试验机，主要用于不同材料在不同条件下的三种摩擦磨损实验。通过测量实验中产生的摩擦力、摩擦系数和监测试件的磨损状态及其相互关系，来研究各材料之间的摩擦磨损性能，更好地将其运用在不同领域。１试验机各组成部分的设计与功能

1.1机械结构

悬臂梁、滑轨、滑块、加载装置、上试样夹具、下

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试样转杯、加热装置、环境箱、机床等。其功能是：（1）固定调节试件的初始状态，使达到试验要求；（2）驱动两试件，完成实验所需相对运动；（3）模拟工况条件，形成磨损量，让试验数据更接近实际；（4）调节所需压力，控制变量监测试件磨损状态。

1.2驱动

上试件采用笔筒式往复电机完成往复运动。为了使摩擦平稳，下试件转杯用电机带动带轮驱动。

1.3摩擦系数测试

由图一可知，砝码加载提供正压力，带轮带转下试件旋转，上下试件产生摩擦，分析受力后即可求出上下试件间的摩擦系数。

１．电机；２．下试样转盘；３．上试样夹具；４．调整螺母；５．往复滑轨；６．滑块；７．加载砝码；８．往复电机；９．悬臂梁；１０．配平块

图二整体结构原理图

多

功能摩擦磨损试验机结构设计

2.2旋转式摩擦磨损测试

在保证悬臂梁已配平的前提下，由电机带动转盘转动，与试样夹具所固定的试样磨损，推杆电机不动，载荷是靠加载砝码加载在滑块上，实现旋转摩擦磨损试验。

2.3滚动式摩擦磨损测试

将图二中的夹具3更换成图三夹具结构，在保证悬臂梁已配平的前提下，由电机带动转盘转动，与图三试样夹具所固定的试样磨损，推杆电机不动，载荷是靠加载砝码加载在滑块上，实现滚动摩擦磨损

图一

摩擦产生演示图

试验

。

２试验机的工作原理

多功能摩擦磨损试验机有两个驱动方式，通过该试验机，主要可获得试验中产生的摩擦力、摩擦系数和试件的磨损量，其工作原理如图二所示。

2.1往复式摩擦磨损测试

在保证悬臂梁已配平的前提下，电机不动，推杆电机启动，带动滑块开始往复运动，上试样与下试样在7加载砝码的压力下开始磨损，实现往复式摩擦磨损试验。

１．滚动轴承；２．滚轮试样

图三滚动式摩擦磨损替换夹具结构

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３试验机的测控系统

该测试系统设计包括硬件选择和软件系统。硬件主要包括传感器、数据采集卡、信号调理器、计算机等，软件系统主要是基于LABVIEW软件的虚拟仪器。

在计算机上设置好试验参数和试验条件，由LABVIEW程序通过数据采集卡发出模拟电压信号控制交流异步电机转速或者推杆电机的伸缩速度，由加载机构施加载荷到上试件，上下试件间产生摩擦力，产生的摩擦力信号通过称重式传感器转换为相应的电信号；该电信号经放大、滤波后由数据采集卡输入到计算机内实现对采集到的信号的分析处理，可由该信号提供的信息得到摩擦力的数值并且通过公式计算出摩擦因数；在摩擦磨损试验期间，利用静电监测磨损状态（表面磨损、磨粒），用激光位移实现对磨损量的实时监控，满足摩擦磨损对试验精确性和实时性的更高要求。

3.1测控系统的设计及其工作原理

该测试系统总体设计原理如图四所示。主要用来实现包括磨损量、温度、摩擦力、正压力4个信号数据的采集。通过各类传感器将获得所测信息转换为电压信号，但此电压信号非常微弱，一般只有几毫伏，并伴有其他干扰信号，所以在进行模数转换前必须进行信号调理。信号调理主要对测量信号进行放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等措施后，才能满足数据采集卡对输入信号的要求，经调理电路输入到数据采集卡。通过采集卡中的A/D转换器将实测连续数据转换为计算机能够识别的离散数据量。

然后利用计算机应用软件Labview分析处理所要获得的信息数据，并进一步实现实时图形显示以及数据存储等操作。

图四

系统的测控系统原理图

3.2摩擦系数的测定原理

设定F为牵引力，Ff为摩擦力，u为摩擦系数，FN为正压力，m为摩擦副质量，a为摩擦副加速度。

则有：

因为惯性力ma∝

可得：

，故只需测出牵引力及正压力

大小即可求出摩擦系数。

3.3静电监测系统原理

静电监测是基于静电感应的原理，与被监测对象的带电颗粒有关。当一个点电荷经过静电传感器附近，导致传感器探头内部的电子重新分布以平衡位于附近的电荷，进而传感器会产生感应电压。这一过程中移动电荷与传感器之间并没有电荷的交换，电荷是由静电感应产生的。

一旦带电颗粒离开传感

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器附近，传感器内部的电子将重新恢复到自然平衡通过静电监控系统状态，感应电压恢复至零。因此，能实现实时图形监测试件的磨损状态。４结束语

（1）一台试验机就可以完成三种摩擦磨损试验，可以节约摩擦试验成本，节省试验周期时间。

（2）摩擦磨损试验的全自动化、无人化测试已成为一种发展方向，它改变了试验员在试验工作中的具体定位，将试验员从繁重的试验工作中解放出来，可以实现在人工最少参与的情况下，按预先编制好的测试程序，完成摩擦磨损测试、分析处理、显示或输出结果。系统一旦正常工作，各种操作一般都可以由系统自动完成，可以完成长时间定时或不间断测试。可明显提高摩擦磨损试验效率，减少测量时间，并能有效的降低废、次品损失，减轻劳动强度。

（3）试验数据的实时分析或离线分析，对各种试验结果能进行比较校验。

（4）本项目研究的摩擦磨损试验数字化智能测控系统模拟量在前端二次仪表转换成数字量后将采用数字信号方式传递，即采用“传感器+信号调理+串行端口+软件”的基本形式，由此大大提高抗干扰性能和可靠性，同时降低成本和系统的复杂性。

（5）多功能摩擦磨损试验机的实现改变了以前用经验来判断产品与摩擦相关的品质，仪器可以直接将感觉量化，这种量化使得批量生产的产品有了质量保证。

（6）适合于金属材料、陶瓷材料、复合材料等固体材料及表面涂层的摩擦学实验，可应用于新型材料的开发使用与研究。

多

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参考文献

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[4]徐君军.基于虚拟仪器的静电监测系统研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.

[5]BellT.Surfaceengineering:itscurrentandfu-tureimpactontribology[J].JournalofPhysicsD：AppliedPhysics，1992，25(1A)：297-306.

作者简介

李桃山（1991—），男，汉族，江西赣州人，本科主要研究方向：航空维修；

王保山（1990—），男，汉族，江苏宿迁人，本科，主要研究方向：航空维修；

），男，汉族，江西吉安人，本科朱汉辉：（1989—主要研究方向：航空维修；

陈志雄，男，汉族，江西吉安，博士，讲师，主要研究方向：航空发动机（指导老师）。

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