[发明专利]超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种摩擦磨损试验机，特别涉及一种超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置。

背景技术

物体之间的摩擦力受多种因素的影响，例如：摩擦表面的粗糙度、滑动速度、材料的性质、法向力、粘滑特性、环境温度和相对湿度、润滑和振动等。其中，采用不同频率和振幅的振动来影响摩擦力的办法已经在许多领域得到了广泛应用。而早在1959年，美国学者Fridman等研究了垂直振动对静摩擦系数的影响。结果发现，随着振幅的增加，静摩擦系数逐渐减小，直到降为零，最后出现负值。后来，Godfrey利用设计的实验装置，通过测量振动加速度和摩擦副之间的阻抗，研究了垂直振动对摩擦力的影响。发现当振动加速度接近和超过重力加速度时，振动能够明显减小摩擦力，而且可以在不完全分离的情况下显著减小摩擦力，并且认为振动减小摩擦力的原因是振动使摩擦副间的负载力减小。近年来各国专家在研究中也发现超声振动能减小摩擦力，提出了超声减摩。超声减摩逐渐成为人们研究的热点，并在多个领域得到应用。

随着科学技术和工业水平的不断发展，超声振动对摩擦的影响是一个在超声加工、超声焊接以及超声马达等领域不容回避的问题，例如：在超声拉拔金属丝时要考虑如何减少拉拔力，提高表面质量；在超声焊接时要考虑如何控制振动幅度、焊接时间及焊接质量；在超声马达中要考虑在超声振动条件下如何选择摩擦材料、增加摩擦力、提高驱动效率等等。

根据古典滑动摩擦理论：摩擦力仅取决于接触压力和材料性质。实践证明，上述理论具有很大的局限性，只能用于近似地计算。超声振动下的摩擦是一种特殊的动摩擦，是一个较复杂的接触摩擦过程，影响的因素较多。例如，材料副的配对性质，静止接触时间、法向载荷的大小、摩擦副的刚度和弹性、滑动速度、温度状况，超声振动表面的振幅及接触面积、滑动速度等等都有很大的影响。关于超声振动对摩擦的影响的本质，学者对它的解释各不相同，提出了不同的观点。因此需要借助试验手段对超声振动下的摩擦特性进行探究，才能进一步推动超声振动下摩擦特性的理论研究。

摩擦磨损试验机是进行摩擦学实验研究必不可少的实验设备，市场上已经有很多种摩擦磨损试验机，如M2000摩擦磨损试验机、销—盘摩擦磨损试验机、CERT试验机等。然而，现有的摩擦磨损试验机都无法进行超声振动下的摩擦磨损特性研究。因此，研制出超声振动影响下摩擦特性测试的装置，对超声振动在工程领域的应用，摩擦学的理论研究等具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种超声振动下球面接触式摩擦特性测试装置，为探究超声振动对摩擦影响的本质提供试验技术支持。

本发明是由主运动单元、加载单元和测力单元组成；

所述的主运动单元包括基座、直流电机支架、直流电机、下试样安装台，直流电机支架固定在基座上，直流电机通过法兰面上的通孔固定安装在直流电机支架上，下试样安装台与直流电机输出轴连接；所述的下试样安装台的旋转台与直流电机输出轴连接，下试样以中心孔定位装在旋转台心轴上，下试样随旋转台一起旋转，与上试样组成摩擦副；

所述的加载单元包括电动位移台固定架，电动位移台，压电超声换能器固定架和压电超声换能器，电动位移台固定架为直角形结构件，由互相垂直的竖直板和水平板，设在竖直板和水平板之间的肋板组成，电动位移台固定架通过水平板上的安装孔装配在基座上，电动位移台通过底板装配在电动位移台固定架上，三轴力传感器安装在电动位移台的滑台上，压电超声换能器固定架安装在三轴力传感器上，压电超声换能器固定在压电换能器固定架上；压电超声换能器，压电超声换能器底部的上试样位于下试样上方，上试样能与下试样接触；

所述的电动位移台由步进电机支架、步进电机、弹性联轴器、第一梯形丝杠支座、梯形丝杠、滑台、第一导轨、第二梯形丝杠支座、第二导轨和底板组成，底板安装在电动位移台固定架的竖直板上，步进电机支架装配在底板一端，步进电机安装在步进电机支架上，通过弹性联轴器与梯形丝杠连接，梯形丝杠套装在第一梯形丝杠支座和第二梯形丝杠支座之间；第一导轨和第二导轨分别平行于梯形丝杠固定安装在底板两侧，滑台套装在梯形丝杠、第一导轨和第二导轨上，构成丝杠螺母副；步进电机的旋转运动通过丝杠螺母副驱动滑台沿梯形丝杠轴向的直线运动，带动压电超声换能器升降；当步进电机工作在力矩模式时，步进电机输出的扭矩通过梯形丝杆的丝杠螺母副转化为滑台的轴向压力，进而使安装在压电超声换能器底部的上试样与下试样接触并对下试样施加一定压力；