双工位往复式衬垫摩擦磨损试验机

1.试验机总体设计及工作原理

通过该试验机可获得试验过程中的摩擦力、摩擦系数磨损量随时间变化的数据。试验机的总体结构框图如试验机详细结构如图2图3 所示。调速电动机16 带动偏心盘15心盘151411成的曲柄连杆机构将电动机的转动转化为试件安装板的直线往复运动[”。

试件固定在试件安装板上,随着试件安装板做直线往复运动。加在试件上的力由砝码重力产生。摩擦头采用钢制滚珠试验前调整平衡块,使得摩擦头与试件处于无压力接触状态再放上砝码加载。加载夹具7与平衡块2之间采用测力传感器相连接测力传感器内部的应变片在摩擦力作用下产生变形,利用应变片的伸长或者缩短,将应变片电阻转化为电压的变化,电压变化的峰值经标定后可转化为摩擦力的变化(10。在测力传感器上表面安装电涡流位移传感器,其垂直方向的位移量经换算后可以得到磨损量的变化。

1.1 摩擦系数测量原理

如图4 所示.施加在试件上的正压力下由砝码重力产生.作用在摩擦头与试件之间的摩擦力为f.假设两者之间的摩擦系数为μ,则根据计算公式μ=f/F可知,只须测出两者之间摩擦力f,即可计算出摩擦系数μ。

试件作往复运动时.当摩擦行程的中点通过磨头中心时速度最大,其他状态下为加速或减速,故测得的摩擦力是一个变化的数值。为克服测量过程的不确定性,可以取采样周期内的最大值作为读数。

为了实现摩擦力的测量,需要对测力传感器进行标定。采用弹簧秤进行标定。将试验装置调节平衡后,用细铜线连接摩擦头与弹簧秤。设定好仪器后,沿摩擦副运动方向逐渐增加拉力至3 kg,每隔0.5 kg 记录下相应电压值。到达3kg 后按照同样间隔逐渐减少拉力,记录相应电压值。

从标定试验结果可以看出,相应拉力的电压值基本保持一致,取其平均值作为一次标定值。然后沿相反方向也进行同样的测量结果相差不大.取两次标定的平均值作为摩擦力和相应电压的标定值。

经计算得到回归方程 Y= 2.34031+999.49701X。标定结果显示,摩擦力与电压值之间具有良好的线性关系,而且重复性很好,因此可以利用线性插值法由电压值求得相应的摩擦力。这说明摩擦力测试系统设计成功,根据试验中加载的载荷可以求得相应的摩擦系数。

1.2摩损量测量原理

现在多数磨损量的测量采用称量法,这种方式无法实现对摩擦过程的动态监测,故本试验机采用高精度电涡流位移传感器测量磨损量,即通过测量测力传感器上表面与传感器相对位置的变化来获得试件实时的磨损量。

由于磨损部位不方便安装位移传感器,故采用杠杆装置将磨损量传递到便于测量的位置。如图6所示,根据相似三角形原理可得:

电涡流位移传感器的线性工作范围是 1mm,将初始值设为0.5mm 左右。利用塞规获得电涡流位移传感器读。

2、试验机测控系统及数据采集系统

试验机控制系统的功能主要是控制电动机的启停及调速，采用电动机专用的 US-52 调速控制器可实现电动机在0~8Hz范围内的无极调速。

试验机的测试系统主要是用于对工作运动变量进行检测并获取参量数值。根据测试要求本测试系统主要对摩擦力摩擦系数磨损量等参量进行测量。

试验机采用的数据采集系统主要包括:测力传感器及前置放大器电涡流位移传感器及信号预处理、数据采集卡控制软件等(图7)。其功能主要是将位移摩擦力等非电量物理量转化为电参量,并进行相应的放大、处理和变换,变为标准的电压信号,并形成可与上位机交换数据的数字信号。

3、试验

织物型自润滑材料因具有良好的耐磨性能和较小的摩擦系数常用于自润滑关节承中作为料11-13下面利用该试验机对 2种不同型号的织物型自润滑村垫材料的摩擦磨损性能进行试验分析。

3.1试样制备及试验条件

将衬垫成50mmx10mm的规格结在70mmx30mmx3mm的轴承钢基体上。用标准工艺将2种试样各制备 3件。

试样的对磨件采用直径6mm的#45钢球擦副表面粗糙度为1.6m。试验条件为往复行30mm荷3 kg,工作频率1Hz对磨时间 2。

3.2试验方法

将2种试样分别固定在试验台上整平衡后开始装夹标准砝码进行加载,加载完毕后调整各个传感器,开始试验。启动电动机并调整电动机转速到指定频率,利用labview程序自动显示记录并处理采集到的试验数据。

3.3试验机验证及试验结果分析

在试验方法试验条件不变的情况下测得3组磨损量、摩擦力和摩擦系数随时间变化的数据,取其平均值作为试验数据值。

任取 A 衬垫一个往复运动周期内的数据整理画出摩擦力随时间变化曲线如图 8 所示。

从图 8 中可以看出在止点换向位置由于速度为零摩擦力大。同时换向处摩擦力变化速率最快,即止点处摩擦力由正向最大值迅速变换为负向最大值。由此,可以看出该试验机的测试系统灵敏试验机可靠性高，可以用来研究衬垫材料摩擦学性能。整理相关数据画出磨损量随时间变化曲线摩擦系数随时间变化曲线如图9图 10 所。

从图9可以看出,相同试验条件下,2种织物型自润滑材料的磨损量均随着时间增加而增大但可以看出A号衬垫的磨损量明显大于 B 号垫。从图 10 可以看出A 号衬垫的摩擦系数明显高于 B 号衬垫A号垫的摩擦系数随着时间的增加先增大后减小,而 B 垫总体上随着时间增加而增大,但在 1800 s~3 000 5 000 s~7 000 s出现下降的情况。综合对比图9图10 可以看出B号衬垫的摩擦学性能明显优于 A号衬垫。

4、结语

设计的双工位往复式摩擦磨损试验机可用于自润滑衬垫材料在不同载荷和频率下的往复式摩擦磨损试验该试验机可以实现在一定范围内的往复行程、载荷、速度等单因素或者多因素的控制,并可以同时显示运动中的摩擦力、磨损量和靡擦系数的大小。与国内外相同类型的试验机相比,具有以下优点:

1) 成本低廉:

2) 双工位设计,确保对比试验在相同条件下进行,同时能有效节省试验时间;

3) 采用电涡流位移传感器测量磨损量,精度可达微米级;

4)测试系统能够实时显示记录并处理试验数据

END