[发明专利]一种动摩擦系数测定装置及测定方法

权利要求书

1.一种动摩擦系数测定装置，所述测定装置包括试块、滑道、工作平台、U型滑槽、顶升装置、传动装置、固定装置、缓冲装置、万向水准泡和数据采集与分析系统，其特征在于，所述工作平台依附于刚性地坪通过万向水准泡调平并用于固定顶升装置，所述滑道通过固定装置固定于所述U型滑槽内，所述顶升装置与所述U型滑槽一侧连接且通过传动装置驱动提升U型滑槽沿竖直方向移动，所述数据采集和分析系统包括加速度传感器、倾角传感器、动态采集仪和计算机终端，所述加速传感器固定于所述试块上部，所述倾角传感器固定于所述U形滑槽中部外侧，加速度传感器和倾角传感器分别通过信号线与动态采集系统连接，动态采集系统与计算机终端连接，所述计算机终端与所述顶升装置连接控制顶升装置的升降，计算机终端接收到加速度传感器数据开始大于零的时刻控制顶升装置停止动作，所述缓冲装置安装在U型滑槽的内侧底部。

2.根据权利要求1所述的一种动摩擦系数测定装置，其特征在于：所述试块无指定形状，试块与滑道所接触的面为受侧面，试块的材质为任何所需要的材料或具有相同的材料不同的表面特征；所述滑道可拆卸，滑道的材质为任何所需要的材料或具有相同的材料不同的表面特征,所述滑道与滑块的接触面均为平面。

3.根据权利要求1所述的一种动摩擦系数测定装置，其特征在于：所述顶升装置的齿条通过螺栓固定在工作平台上，所述顶升装置由传动装置通过轮带传递动力。

4.根据权利要求1所述的一种动摩擦系数测定装置，其特征在于：所述传动装置由电机驱动，通过轮带带动齿轮旋转，从而带动顶升装置沿竖直方向提升。

5.根据权利要求1所述的一种动摩擦系数测定装置，其特征在于：所述固定装置包括两个，分别安置在U型滑槽上下两端，所述固定装置通过手轮可进行调节来适应不同厚度和材料的滑道。

6.根据权利要求1所述的一种动摩擦系数测定装置，其特征在于：所述U型滑槽的宽度能够保证试块在初始位置和下滑的过程中与U型滑槽两侧均不发生接触。

7.采用权利要求1-6之一所述的一种动摩擦系数测定装置的测定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、准备测试所需材质的试块和滑道；

步骤2、搭建由工作平台、顶升装置、传动装置和U形滑槽组成的基本试验系统；

步骤3、在U形滑槽内布置滑道，并通过固定装置固定，在U形滑槽底端布置缓冲装置；

步骤4、将加速度传感器固定于测试试块的上部，用天平测量加速度传感器与试块总重量，并将试块置于U形滑槽顶部，期间确保试块下表面与接触滑道上表面密切接触，将倾角传感器布置于U形滑槽中部外侧；

步骤5、将加速度传感器和倾角传感器经动态采集系统与计算机终端连接，将顶升装置与计算机终端的连接；

步骤6、通过计算机终端控制传动装置并牵引顶升装置进行缓慢上升，实时采集加速传感器采集的加速度时程a(t)和倾角传感器采集的倾角数据，试块开始滑动时刻，计算机终端控制传动装置停止动作，此时倾角传感器采集的倾角数据为θ，计算机终端根据所采集的实时数据进行拟合计算，建立试块的动摩擦系数与相对滑动速度时程的函数关系，通过滑动速度时程获取动摩擦系数。

8.根据权利要求7所述的测定方法，其特征在于，所述步骤6中动摩擦系数与相对滑动速度时程的函数的计算方法为：

步骤6.1、计算机终端将自动根据加速度时程a(t)，判断相对滑动开始时刻t_i及对应的倾角θ,其中，滑动开始时刻t_i满足如下条件，

a(t_i-1)＝0 and a(t_i)≠0 (1)

t_i时刻对应倾角θ记为：

θ＝θ(t_i) (2)

在t_i时刻，滑道提升所转动的倾角为θ，在加速度开始出现的时候，也就代表了试块开始滑动，滑道提升也就停止，期间，滑道的角度也从0°到达θ；

步骤6.2、计算机终端根据力学平衡原理，计算试块开始滑动时刻，试块与滑道之间的静摩擦系数μ_s，即：

μ_s＝tanθ (3)

步骤6.3、计算机终端获取动摩擦系数与静摩擦系数关联式：

根据牛顿第二定律，从试块开始下滑时刻开始，基于试块下滑过程加速度时程数据a(t)和试块滑动触发时刻对应倾角θ计算试块与滑道之间的动摩擦系数μ_d(t)，即：

动摩擦系数μ_d与静摩擦系数μ_s之间存在如下关联式：

式中，g为重力加速度，单位m/s²；θ为试块开始滑动时刻U型滑槽和水平工作台之间的夹角；μ_d(t)为动摩擦系数；μ_s(t)为试块开始下滑时刻的静摩擦系数；a(t)为加速度时程，单位为m/s²；

步骤6.4、获取动摩擦系数、静摩擦系数和相对滑动速度时程之间存的关联式：

数值积分计算加速度时程得到试块与滑道两接触体的相对滑动速度时程V(t)，即：

在时间坐标系内，建立动摩擦系数和静摩擦系数之比μ_d/μ_s与试块和滑道两接触体相对滑动速度时程V(t)之间的关联式：

μ_d(t)＝μ_s·f(V(t)) (7)

步骤6.5、重复步骤6.1-6.4，取多次测量结果的平均值进行参数回归，得到试块与滑道两接触体之间的动摩擦系数与静摩擦系数和相对滑动速度时程之间的关系，即，

其中，

根据函数图形特征，通过数值方法对测量结果进行参数回归，获得滑动摩擦系数计算公式：

式中，a、b、c和d为通过拟合得到的参数，不同的材料或相同的材料不同的表面特征所得到的试验数据不同。